eletrotecnica-basica - reinaldo bolsoni - Analise de circuitos eletricos
Rafaella Baptista | comentários
Prof. Reinaldo C. R. Bolsoni Eletrotécnica 1/23
Apostila para Eletrônica
Prof. Reinaldo C. R. Bolsoni Eletrotécnica 2/23
1 – ENERGIA ELÉTRICA 3
1.1 – GERAÇÃO 3
1.2 - TRANSMISSÃO 4
1.3 - DISTRIBUIÇÃO 5
2 - CORRENTES TRIFÁSICAS 6
3 - TENSÕES NO CIRCUITO TRIFÁSICO 6
4 - TENSÃO, CORRENTE E POTÊNCIA 7
5 - CIRCUITOS TRIFÁSICOS 9
6 - CORRIGINDO O FATOR DE POTÊNCIA 10
7 - CONDUTORES 1
7.1 - DIMENSIONAMENTO DE CONDUTORES 12
8 - LÂMPADAS 13
9 - QUADRO DE DISTRIBUIÇÃO 14
10 - INSTALAÇÃO RESIDENCIAL 15
1 – PROTEÇÃO ELÉTRICA 15
1.1 – CURTO-CIRCUITO 15
1.2 – SOBRECARGA 15
12 – COMPONENTES DE PROTEÇÃO 15
12.1 - FUSÍVEIS 15
12.2 - DISJUNTORES 16
12.3 – INTERRUPTOR DE FUGA 17
12.4 – RELE TÉRMICO 18
13 – CIRCUITOS CLÁSSICOS 18
13.1 – PARTIDA DIRETA 18
13.2 – PARTIDA COM REVERSÃO 19
13.3 – PARTIDA Y/∆ (estrela-triângulo) 20
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Podemos definir energia elétrica como a energia resultante do movimento de cargas elétricas em um condutor. É companheira inseparável da era moderna. Não é difícil imaginar como nossa vida seria diferente sem ela.
Mas o que a faz tão importante a ponto de se tornar praticamente indispensável à vida atual? São muitos os motivos. Seguem alguns essenciais: a) É facilmente transportável. Pode ser produzida no local mais conveniente e transmitida para consumidores distantes por uma simples rede de condutores (fios). b) É facilmente transformável em outras formas de energia. Exemplo: calor, luz, movimento. c) É elemento fundamental para a ocorrência de muitos fenômenos físicos e químicos que formam a base de operação de máquinas, equipamentos, etc. dos tempos atuais. Exemplo: eletromagnetismo, efeito termiônico, efeito semicondutor, fotovoltaico, oxidação e redução, etc.
Entretanto, como qualquer forma de energia, ela deve obedecer ao primeiro princípio da termodinâmica. Assim, quando dizemos geração de energia elétrica, devemos entender como uma transformação de uma outra forma de energia, em energia elétrica.
A energia elétrica, para chegar ao consumidor final, passa por três etapa: geração, transmissão e distribuição.
1.1 – GERAÇÃO
Existem várias formas de se gerar energia elétrica. Mas as opções diminuem quando se trata de quantidades para consumo de uma sociedade. A seguir as mais comuns:
Térmica: a energia que se transforma é o calor resultante da queima de algum combustível (derivado de petróleo como óleo combustível, gás natural, carvão, madeira, resíduos como bagaços, etc.). Em nível mundial representa provavelmente a maior parcela. As instalações usam basicamente caldeiras que geram vapor que aciona turbinas que acionam geradores. Ou então máquinas térmicas como motores diesel ou turbinas a gás. No aspecto ecológico apresenta problemas. A queima de combustíveis joga na atmosfera poluentes variados como o enxofre além do dióxido de carbono, responsável pelo já preocupante efeito estufa (aquecimento global). Se madeira ou carvão vegetal são usados, a conseqüência é o desmatamento.
Nuclear: pode ser entendida como uma térmica que usa caldeira, sendo a fonte de calor um reator nuclear em vez da queima de combustível. Por algum tempo foi considerada a solução do futuro para a geração de energia elétrica. Mas os vários acidentes ocorridos ao longo do tempo revelaram um enorme potencial de risco. Os resíduos (lixo atômico) são outro grave problema. Em vários países, não é mais permitida a construção de novas usinas nucleares.
Hídrica: a energia potencial de uma queda d'água é usada para acionar turbinas que, por sua vez, acionam geradores elétricos. Em geral as quedas d'água são artificialmente construídas (barragens), formando extensos reservatórios, necessários para garantir o suprimento em períodos de pouca chuva. Não é um método totalmente inofensivo para o ambiente. Afinal, os reservatórios ocupam áreas enormes, mas é um problema consideravelmente menor que os anteriores. Evidente que a disponibilidade é totalmente dependente dos recursos hídricos de cada região. No Brasil representa a maior parcela da energia gerada.
Outros meios, considerados ecologicamente limpos, vêm sendo usados cada vez mais, embora a participação global seja ainda pequena: solar e eólico.
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Solar: em geral, a energia da radiação solar é convertida diretamente em elétrica com o uso de células fotovoltaicas. Há necessidade de acumuladores (baterias) para suprir picos de demanda e fornecer energia durante a noite. Usado principalmente para pequenas unidades residenciais em zonas rurais.
Eólico: o arraste dos ventos aciona pás acopladas a geradores. É claro que a viabilidade depende das características climáticas da região. Em alguns países sua participação vem aumentando, devido à possibilidade de se obter quantidades razoáveis de energia com quase nenhum prejuízo ecológico. Entretanto, é sempre um sistema complementar a um outro, uma vez que a irregularidade dos ventos não permite um fornecimento constante.
1.2 - TRANSMISSÃO
Muitas vezes, a geração de energia elétrica ocorre em locais distantes dos centros consumidores. No caso predominante no Brasil (geração hídrica) a natureza impõe os locais onde sejam viáveis as construções das barragens. É comum usinas geradoras distantes centenas ou milhares de quilômetros dos grandes centros. Assim, são necessários meios eficientes de levar essa energia.
A Figura 1 dá o esquema simplificado de uma transmissão. Após o gerador, transformadores da subestação elevadora aumentam a tensão para um valor alto. Dependendo da cada região, pode variar de 69 a 750 KV. Uma vez que as linhas transmissoras aproximamse dos centros de consumo, transformadores de uma subestação redutora diminuem a tensão para um valor de distribuição, objeto do próximo tópico.
Mas por que a tensão de transmissão precisa ser tão alta? Podemos fazer uma analogia com uma tubulação de água. Seja uma tubulação pela qual passa uma determinada vazão de água: se aumentamos a pressão no início, a vazão também aumentará sem necessidade de um tubo de maior diâmetro.
No caso da energia elétrica, se transmitida com baixas tensões na potência necessária para atender milhares de consumidores, a bitola dos condutores precisariam ser tão grande que tornaria o sistema economicamente inviável.
É claro que, na prática, os sistemas de transmissão não são tão simples assim. Usinas normalmente dispõem de vários conjuntos turbina-gerador que trabalham em paralelo. As transmissões de diferentes usinas e diferentes centros consumidores são interligados de forma a garantir o suprimento em caso de panes e outros problemas.
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Uma rede de distribuição deve fazer a energia chegar até os consumidores de forma mais eficiente possível.
Conforme tópico anterior, quanto mais alta a tensão menor a bitola dos condutores para transmitir a mesma potência. Assim, redes de distribuição em geral operam com, no mínimo, duas tensões. As mais altas para os consumidores de maior porte e as mais baixas para os pequenos.
A Figura 2 mostra o esquema simplificado de uma distribuição típica. A subestação redutora diminui a tensão da linha de transmissão para 13,8kV, chamada distribuição primária, que é o padrão geralmente usado nos centros urbanos no Brasil. São aqueles 3 fios que se vê normalmente no topo dos postes de energia e ainda é classificada como "alta tensão". Essa tensão primária, que continua sendo trifásica podendo variar de 630V a 208V, é fornecida aos consumidores de maior porte como industrias, por sua vez, dispõem de suas próprias subestações para rebaixar a tensão ao nível de alimentação dos seus equipamentos.
A tensão primária também alimenta aqueles transformadores localizados nos postes que reduzem a tensão ao nível de ligação de aparelhos elétricos comuns de 127/220V (fase, neutro, fase), para consumidores de pequeno porte como residências. É a chamada distribuição secundária.
A rede é formada pelos quatro fios (separados e sem isolação ou juntos e com isolação) que se observam na parte intermediária dos postes.
É evidente que uma distribuição simples assim é típica de uma cidade de pequeno porte. Cidades maiores podem ser supridas com várias linhas de transmissão, dispondo de várias subestações redutoras e estas podem conter múltiplos transformadores, formando assim várias redes de distribuição. Também pode haver várias tensões de distribuição primária.
Indústrias de grande porte, consumidoras intensivas de energia elétrica, em geral são supridas com tensões bastante altas, às vezes a da própria transmissão, para evitar altos custos da rede, então "coletam" a energia diretamente da linha de alta tensão. Nesse caso, dentro da própria planta industrial, existe um transformador abaixador que fica dentro de uma cabine primária, cuja entrada é de 13,8KV, e a saída de acordo com a necessidade (440V, 380V, 220V).
Industrias de pequeno porte são abastecidas em baixa tensão, onde a origem é o transformador externo (poste da rede pública).
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2 - CORRENTES TRIFÁSICAS
A geração e distribuição de energia elétrica para consumo público é sempre feita em corrente alternada senoidal. Isto significa que a tensão e a corrente variam ao longo do tempo em forma de uma função senoidal e a variação por unidade de tempo, isto é, a freqüência, é constante. No Brasil foi adotada a freqüência padrão de 60 Hz (corresponde a 60 ciclos por segundo). Alguns países usam o padrão de 50 Hz.
São bastante fortes as razões para o uso da corrente alternada e não da contínua.
Geradores e motores de corrente alternada são muito mais simples e eficientes. Correntes contínuas não podem ter suas tensões facilmente convertidas (aumentadas ou reduzidas). Na realidade, é preciso transformá-las em alternadas, converter com transformadores e transformar novamente em contínuas. Também podem ser usados conjuntos motoresgeradores. Para as alternadas, basta o transformador.
Entretanto, a corrente contínua apresenta uma vantagem: as perdas na transmissão são menores. Para distâncias e potências muito altas pode ser economicamente viável a transformação em contínua na geração e o processo inverso no destino. Mas o assunto foge do nosso objetivo.
Além disso, por razões de eficiência, a geração é sempre feita em forma trifásica.
Significa que os condutores não serão dois mas sim três, cujas tensões ou correntes estão igualmente deslocadas entre si em relação ao tempo.
Desde que um período completo eqüivale a 360°, o deslocamento ou diferença de fases entre cada será de 360/3 = 120°. A Figura 3 dá uma representação gráfica da defasagem. É comum designar os condutores pelas letras R, S, T (ou L1, L2, L3). E são genericamente chamados fases.
De acordo com as normas técnicas da CPFL, o fornecimento de energia elétrica para um sistema monofásico deverá possuir uma carga instalada de até 12KW. Para um sistema bifásico deverá possuir uma carga instalada entre 12KW e 25KW. Para um sistema trifásico deverá possuir uma carga instalada entre 25KW e 75KW.
3 - TENSÕES NO CIRCUITO TRIFÁSICO
A tensão entre duas fases quaisquer de uma linha trifásica é a mesma, sendo esta a sua referência de tensão (às vezes chamada tensão de linha ou tensão entre fases).
Transformadores (e outros elementos trifásicos como motores) podem ter seus enrolamentos ligados em dois arranjos distintos: triângulo e estrela.