ASPI_Tandem_Bicycle

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O sistema elétrico como um 
tandem bicycle ou “triciclo”
Fev 2020
Stefan Fassbinder, Bruno De Wachter
Traduzido por Robmilson Simões Gundim
Esta apresentação foi desenvolvida
baseada amplamente nas ideias
expostas no artigo publicado em abril de
2002 no IEEE Power Engineering pelo
Prof Lennart SÄoder e revisado no artigo
publicado no site www.leonard-
energy.org em setembro de 2005 pelos
autores acima citados. Obs.: Atualmente
não está mais disponível.
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O sistema elétrico como um tandem bicycle ou “triciclo” 
Justificativa
 Sistema Elétrico
 energia fundamental;
ou
 complexidade elevada.
 Uma boa analogia p/ melhor compreensão 
de como funciona;
 Comparação com um tandem bicycle ou 
(“triciclo”).
http://www.leonard-energy.org/
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O sistema elétrico como um tandem bicycle ou “triciclo” 
Considerações iniciais
 Nenhuma analogia é 100%
 Nem todas características podem ser 
“traduzidas”;
 Certos aspectos não são completamente precisos.
 Porém, a semelhança é suficiente;
 Trata-se de grande auxílio p/ o entendimento do 
abstrato sistema elétrico.
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Representação básica do sistema (1)
 Tandem bicycle movimentando em velocidade constante;
 Objetivo: Manter os passageiros (azul) em movimento ;
 Passageiros (azul) = carga (industriais, comerciais, 
residenciais);
 Ciclistas (vermelho) = centrais elétricas (diferentes tipos).
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Representação básica do sistema (2)
 Corrente = rede elétrica;
 A corrente deve girar em velocidade constante (rede 
elétrica deve ter uma frequência constante); 
 A parte superior da corrente deve estar sob tensão 
constante (uma ligação elétrica deve ter nível de tensão 
constante).
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Representação básica do sistema (3)
 Parte inferior da corrente, sem tensão = fio neutro;
 A catraca transmite energia para a corrente = 
transformador conectando a central elétrica com a rede 
elétrica.
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Representação básica do sistema (4)
 Alguns ciclistas (vermelho), centrais elétricas, não pedala 
em plena potência;
 Eles são capazes de aplicar força extra quando:
 Algum outro passageiro (azul), carga, salta sobre a bicicleta;
 Um dos ciclistas (vermelho), centrais elétricas, tem uma 
cãibra (=problemas técnicos)
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Potência indutiva e sua compensação (1)
 Passageiro (azul) inclinado p/ um 
lado = carga indutiva;
 Carga indutiva muda a onda 
senoidal (mais especificamente: 
atrasa o sinal da corrente);
 Ex.: motores elétricos, bobinas 
indutivas, lâmpadas fluorescentes, 
certos tipos de aquecedores 
(fornos de indução, microondas...)
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Potência indutiva e sua compensação (2)
 Passageiro (azul):
 Com peso normal = carga 
normal;
 Sem influência na tensão da 
corrente (= nível normal de 
tensão)
 Sem influência na velocidade 
(=frequência normal)
 Mas sem compensação a 
bicicleta pode cair;
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Potência indutiva e sua compensação (3)
 Ciclista (vermelho) 
inclina-se em direção 
oposta para compensar
= central elétrica 
gerando potência 
indutiva (potência com 
sinal deslocado, como 
carga no sistema)
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Potência indutiva e sua compensação (4)
 Consequências:
 Compensação tem que ser 
imediata e exata, exigindo 
compreensão clara;
 Pedalar inclinado não é tão 
confortável com antes;
 Cabeças e corpos capturam 
mais vento, levando a perdas 
extras.
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Potência indutiva e sua compensação (5)
 Melhorias
 Compensar perto da fonte por meio de carga 
capacitiva, passageiro (azul) sentado perto da 
carga indutiva, mas inclinando-se em direção 
oposta);
 Carga capacitiva tem capacidade de correção 
mais imediata, compensando o atraso no sinal 
causado pela carga indutiva. 
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Distorção Harmônica (1)
 Passageiro (azul) hiperativo 
(= carga harmônica):
 Flexão para frente e para trás;
 Três ou cinco vezes mais 
rápido que o ritmo da bicicleta; 
 Ex.: Televisores, 
computadores, lâmpadas 
fluorescentes compactas, 
motores elétricos acionados 
por inversores.
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Distorção Harmônica (2)
 Deverão ser compensados na 
fonte, se não:
 A bicicleta começa a desestabilizar 
(estremecer);
 Energia extra de perdas;
 Compensação por filtro 
harmônicos = selim montados 
sobre rodízios para neutralizar os 
movimentos para frente e para 
trás.
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Mantendo a tensão e a frequência 
constante (1) 
 Sapatos escorregadios (=falhas 
na central elétrica)
 Sapato escorregando do pedal 
(= central desligada);
 Tensão na corrente (=oscilação 
na rede);
 Risco de ferir-se, uma vez que 
continua a girar o pedal (= risco 
de danificar 
peças/equipamentos devido o 
desligamento repentino).
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Mantendo a tensão e a frequência 
constante (2) 
 Necessidade de 
compensação por outros 
pedais, ou a velocidade irá 
cair. 
(= outras centrais elétricas 
devem aumentar sua 
contribuição, ou a 
frequência irá cair).
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Mantendo a tensão e a frequência 
constante (3) 
 Risco de colocar o pé 
novamente com a 
pedal girando. 
(= delicada operação 
para restabelecer a 
rede/central, uma vez 
que deve manter a 
frequência constante).
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Mantendo a tensão e a frequência 
constante (4)
 Similar oscilação de tensão é 
possível quando:
 uma sobrecarga subitamente é 
conectada, (= passageiro azul salta na 
bicicleta);
 uma sobrecarga subitamente é 
desconectada, (= passageiro azul salta 
da bicicleta), podendo ocorrer um pico 
de tensão.
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Três tipos diferentes de centrais elétricas 
(1) 
 Ciclista (vermelho), 
conectado na corrente por 
catraca e pedalando em 
velocidade constante. 
(= tradicional central 
elétrica, girando em 
velocidade constante e 
conectado à rede elétrica 
por transformador).
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Três tipos diferentes de centrais elétricas 
(2) 
 Ciclista (vermelho), que pode 
pedalar mais lentamente;
 Conectado por meio de sistema 
de engrenagem.
(= turbina hidroelétrica, 
velocidade depende do fluxo do 
rio);
turbina conectada no 
gerador por meio de 
engrenagem;
ou gerador conectado à rede 
por inversor de frequência. 
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Três tipos diferentes de centrais elétricas 
(3) 
 Ciclista menor 
(vermelho);
 Pedalando somente 
quando o tempo é 
bom;
 Outros ciclistas não 
podem confiar nele.
(= turbina eólica, velocidade depende do fluxo do 
vento);
 funcionamento quando velocidade do vento não é 
demasiado lento, nem rápido demais;
 apoio de outras centrais elétricas são necessárias.
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Três tipos diferentes de centrais elétricas 
(4) 
 Conectado por meio de 
correia e sistema de 
engrenagem (=turbinas 
eólicas conectadas por 
meio de caixa deengrenagem ou 
inversor de frequência 
para lidar com as 
variações do vento).
Porém, porquê um ciclista (vermelho) entre dois 
passageiros (azuis)?
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Três tipos diferentes de centrais elétricas 
(5) 
 Porquê um ciclista (vermelho) 
entre dois passageiros 
(azuis)?
1. Turbinas eólicas são muito 
mais lentas que as centrais 
elétricas tradicionais.
2. Turbinas eólicas usualmente 
não são conectadas à rede de 
alta tensão como as outras 
centrais, mas sim na rede de 
distribuição.
Uma vez que a rede de distribuição é concebida para
servir de carga, isolando-se da proteção complexa
da rede de AT.
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Três tipos de cargas (1)
 Passageiro (azul) sem 
pedais, puxando os 
freios (= resistência 
elétrica);
 Ex.: lâmpadas 
incandescentes, 
maioria dos tipos de 
sistemas de 
aquecimento.
 Freios que transformam energia cinética em calor;
 (= apenas como uma resistência elétrica 
transformando energia elétrica em calor).
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Três tipos de cargas (2)
 Passageiro (azul) em pé sobre os 
pedais;
 Em vez de fazer avançar os 
pedais, aplica seu peso contra o 
movimento giratório, (= motor 
elétrico.
 Mesmo princípio básico do motor, 
transformando eletricidade em 
movimento rotativo.
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Três tipos de cargas (3)
 Passageiro (azul) inclinado p/ um 
lado (= carga indutiva);
 Carga indutiva muda a onda 
senoidal (mais especificamente: 
atrasa o sinal da corrente);
 Ex.: motores elétricos, bobinas 
indutivas, lâmpadas fluorescentes, 
certos tipos de aquecedores 
(fornos de indução, micro-
ondas...);
 Como discutido anteriormente.
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Conclusão (1)
 Sistema de gerenciamento de 
energia (= altamente complexo).
 Potência gerada em cada momento 
deve ser compensada exatamente para 
manter a carga;
 Frequência da rede (velocidade da 
bicicleta) e nível de tensão (tensão da 
corrente) deve sempre permanecer 
estável.
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Conclusão (2)
 Diferentes distúrbios e perturbações 
de equilíbrio poderão ocorrer.
 Na Europa, assim como no Brasil, 
existe um Operador Nacional do 
Sistema (ONS) independente para 
executar esta difícil tarefa.
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O sistema elétrico como um tandem bicycle ou 
“triciclo”
Fonte: Explanação sobre Operação de 
Sistema de Proteção para não engenheiros 
por Lennart SÄoder, IEEE Power 
Engineering, April 2002.
“Foi disponível no site:
http://www.leonardo-energy.org/electricity-system-tandem-bicycle-presentation
acessado em 22/06/2009” Obs.: Atualmente não está mais disponível”.
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Aplicação simplificada do conceito de cálculo de FP
 Exemplo e exercício sobre Circuitos RLC 
série...”só para exercitar”...
 Em um circuito RLC série, tem-se:
 Vr = 6V; Vc=20V; Vl= 12V e i = 10∟0°mA;
pedem-se:
A) impedância complexa;
B) tensão aplicada no circuito; 
C) diagrama fasorial;
D) fator de potência
E) triângulo das potências.
http://www.leonardo-energy.org/electricity-system-tandem-bicycle-presentation
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Resolução:
a) Impedância complexa; 
   
  )V(5310vg010.K531i.Zvg)b
K531ZK2j2,1j6,0
C
1
jL.jRZ
K2jXcK2
10.10
20
I
Vc
Xc
K2,1jXLK2,1
10.10
12
I
Vl
XL
600
10.10
6
I
Vr
R)a
3
3
3















b) Tensão aplicada no circuito;
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Resolução:
c) Diagrama fasorial;
53°
Vr(6V)
VC - VL(8V)
Vl(12V)
Vc(20V)
Vg(10V)
I(10mA)
d) Como atividade, determinar o FP (fator de potência) e 
triângulo das potências fica por sua conta. Ok?!
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 Você deverá entregar em 11/02/20 a
resolução com o triângulo das potências (“em
escala”) e a determinação do FP deste
exemplo/exercício, assim como seus
comentários/opiniões sobre a comparação
desenvolvida e suas conclusões técnicas sobre
a apresentação; O sistema elétrico como
um tandem bicycle ou “triciclo”.
 Entrega em dupla.