(Parte 1 de 2)

3CIRCUITOS DE CORRENTE ALTERNADA

3.1 INTRODUÇÃO

O estudo de circuitos de corrente alternada (C.A.) é sobremodo importante dado que a grande maioria das instalações elétricas utiliza este tipo de circuitos.

Inicia-se o desenvolvimento do estudo dos circuitos em C.A. pela definição de grandezas periódicas senoidais, que são as bases para tais estudos. Define-se, a seguir, a representação fasorial de grandezas senoidais, que facilita sobremodo sua manipulação.

Mostra-se, através de um esquema ilustrativo de um gerador C.A , que a geração de uma f.e.m. senoidal é relativamente simples. Verifica-se que o conceito de potência elétrica em C.A. exige que sejam definidas outras grandezas auxiliares e mostra-se a relação existente entre potência em circuitos C.A. e C.C..

Apresentam-se então os circuitos elementares com excitação senoidal, isto é, um gerador C.A. alimentando uma resistência, uma indutância e uma capacitância, bem como a associação série destes elementos.

Analisam-se então os procedimentos para a resolução de circuitos C.A. a partir da analogia com os métodos de resolução de circuitos C.C., vistos anteriormente. Dá-se destaque para o cálculo da queda de tensão e da potência para os circuitos monofásicos, em circuitos correntemente utilizados em instalações elétricas..

3.2GRANDEZAS ALTERNADAS SENOIDAIS

3.2.1 Definições Uma função senoidal, Figura. 3.1, é dada por:

343. CIRCUITOS DE CORRENTE ALTERNADA onde:

YM =valor máximo da grandeza senoidal, medido numa unidade qualquer; y = valor da grandeza senoidal no instante t, medido na mesma unidade de que YM;

T = período da grandeza senoidal, medido em segundos (s); f = 1/T = freqüência da grandeza senoidal medida em Hertz (Hz); t = instante genérico em que se quer determinar a grandeza senoidal expressa em segundos (s); α = fase inicial, ou simplesmente, fase da grandeza senoidal expressa em radianos (rad)

Figura 3.1 – Função senoidal

O termo 2πf, que representa o número de radianos descritos na unidade de tempo, é designado por pulsação angular (rad/s) sendo, usualmente, representado pelo símbolo ω, isto é:

ELETROTÉCNICA GERAL 35

A função senoidal é periódica e alternada no tempo, pois em intervalos de tempo iguais correspondem valores iguais da função e seu valor médio num período, Ym, é nulo, ou seja:

Dada uma segunda grandeza senoidal:

diz-se que entre as grandezas y e y’ há uma diferença de fase de β−α=ψ rad, que é independente do instante inicial considerado.

Fixa-se o sentido anti-horário como o positivo na medida dos ângulos de fase. Deste modo, quando ψ > 0, diz-se que a grandeza y está adiantada de ângulo ψ sobre a y’; e vice-versa, quando ψ < 0, diz-se que a grandeza y está atrasada de ângulo ψ em relação a y’. Finalmente, quando ψ = 0, diz-se que as duas grandezas estão em fase.

3.2.2 Representação Fasorial

A execução de operações algébricas com as grandezas senoidais é muito laboriosa. Lembrando a definição de grandezas senoidais, ver-se-á que é possível representá-las por meio de um vetor girante tornando as operações sobremodo simplificadas.

Isto é, uma grandeza senoidal está perfeitamente definida por um vetor OA que tem módulo igual ao valor máximo da função, e que gira em torno de seu extremo O com velocidade angular ω no sentido anti-horário e sua posição no instante t = 0 é tal a formar, com a reta que define a origem dos tempos, um ângulo igual à fase inicial da grandeza considerada, Figura. 3.2. É claro que a projeção do extremo A do vetor sobre uma reta perpendicular à origem dos tempos, descreverá a função senoidal:

Observa-se que o vetor OA está representando uma grandeza escalar; portanto, a fim de se evitar confusão o designamos por vetor girante.

363. CIRCUITOS DE CORRENTE ALTERNADA α ωt ω t=t1 t=0 A

Figura 3.2 - Representação de uma grandeza senoidal

A seguir será analisada a representação por vetores girantes de duas grandezas senoidais, y e y’ de mesma freqüência, f , ângulos iniciais, α e β, e módulos YM e Y’M . Essas duas grandezas serão representadas por dois vetores girantes de módulos YM e Y’M, defasados de ângulo ψ = α - β. Observa-se que ambos giram com mesma velocidade angular; portanto, sua posição relativa permanece imutável e a soma dos dois vetores girantes, que também é representada por um vetor girante, é equivalente à soma de Y e Y’.

A representação das grandezas senoidais por vetores girantes simplifica enormemente o procedimento de cálculo, porém, apresenta o inconveniente de se incorrer em erro quando se realizam todas as operações graficamente, devido à imprecisão gráfica. Assim, através da “representação simbólica” ou “fasorial” aplica-se aos vetores girantes um procedimento de cálculo sobremodo interessante que permite efetuar as operações analiticamente eliminando-se a necessidade de se recorrer somente a construções gráficas.

Da teoria dos números complexos, sabe-se que tcosjtsenetjω+ω=ω.

Então uma grandeza senoidal )t(senYyMα+ω= pode ser obtida por []tjMeYReyω=.

O vetor girante, da Figura. 3.2, pode ser representado por:

O termo )senj(cosYMα+α representa o vetor girante no instante t = 0, e o termo tjeωexprime a rotação do vetor de um ângulo tω.

ELETROTÉCNICA GERAL 37

em que 2YYM= representa o valor eficaz da grandeza senoidal.

Exemplo 3.1

Inicialmente determina-se o vetor que representa a grandeza no instante t = 0, isto é, um vetor cujo módulo vale 100 é cujo ângulo inicial vale 0,5236 rad = 30°. Suas componentes valem:

Então o vetor girante é dado por:

e o fasor que representa esta grandeza é:

3.2.3 Números Complexos

A seguir serão lembradas algumas propriedades dos números complexos que serão úteis nas operações com o método simbólico. Sejam dois números complexos A1 e A2, que podem ser expressos na forma retangular por:

383. CIRCUITOS DE CORRENTE ALTERNADA

As operações básicas entre esses números são:

-Soma ou Subtração: na forma retangular, basta respectivamente somar ou subtrair entre si as partes reais e as imaginárias, isto é:

-Multiplicação ou Divisão: na forma polar, basta respectivamente multiplicar ou dividir os módulos e somar ou subtrair os argumentos, isto é:

É importante ressaltar que F|M*A−= é o complexo conjugado de F|MA=

Exemplo 3.2

Exemplo 3.3 Dados os números complexos 3 + j 4 e -7 + j12, pede-se seu produto e seu quociente.

ELETROTÉCNICA GERAL 39 Tem-se:

E na forma retangular, tem-se:

i r i r isto é

3.3POTÊNCIA EM CIRCUITOS COM EXCITAÇÃO SENOIDAL

Seja o caso de ter-se um gerador C.A., cuja tensão em seus terminais varia com lei senoidal, alimentando carga que absorve corrente variável senoidalmente e que esteja atrasada de ângulo ϕ em relação à tensão. Isto é, sejam:

a tensão e a corrente nos terminais do gerador.

É claro que, em cada instante, a potência fornecida pelo gerador à carga, p, é dada pelo produto dos valores instantâneos da tensão e da corrente, isto é:

403. CIRCUITOS DE CORRENTE ALTERNADA resulta

ou ainda, sendo I2I e V2VMM==, resulta:

t2(senVIcosVIp1θ+π−ϕ−ω+ϕ=(3.10)

Da Equação. (3.10) verifica-se que a potência instantânea é composta por duas parcelas: uma constante ϕcosVI que representa a potência fornecida à carga e outra variável senoidalmente com freqüência dupla da tensão aplicada, que representa à energia que ora é fornecida pelo gerador à carga e ora é devolvida da carga ao gerador. Esta última parcela recebe a designação de potência flutuante.

O valor médio da potência num ciclo é dado por:

0 m cosVIpdtT

1P(3.1)

e recebe o nome de “potência ativa” ou mais simplesmente “potência”. Ao co-seno do ângulo de rotação de fase, ϕcos, dá-se o nome de “fator de potência”.

Observa-se que para fator de potência unitário (0=ϕ), a potência ativa será expressa pelo produto dos valores eficazes da tensão e corrente. Para fator de potência nulo (2π±=ϕ) a potência ativa será nula.

Definem-se ainda as grandezas potência aparente, potência reativa e potência complexa, que são apresentadas abaixo.

A potência aparente, S, é dada pelo produto dos valores eficazes da tensão e da corrente, isto é:

S = V. I (3.12) sendo medida em Volt × Ampère (VA).

A potência reativa, Q, é dada pelo produto dos valores eficazes da tensão e corrente pelo seno do ângulo de rotação de fase entre ambas, isto é:

ϕ=sen.I.VQ (3.13)

sendo medida em Volt Ampère reativo (VAr).

ELETROTÉCNICA GERAL 41

Convencionou-se adotar como positiva a potência reativa fornecida a uma carga na qual a corrente está atrasada em relação à tensão. Decorre que uma carga na qual a corrente está adiantada em relação à tensão (ϕ negativo) a potência reativa será negativa.

Das expressões anteriores, resulta:

A potência complexa, S, é expressa por um número complexo cuja parte real é a potência ativa e cuja parte imaginária é a potência reativa, isto é:

ϕ=ϕ=ϕ+ϕ=+=|S|VIsenjVIcosVIQjPS(3.14)

Observando-se que a tensão e a corrente consideradas são expressas pelos fasores:

em que ∗I& é o complexo conjugado da corrente, isto é:

3.4CIRCUITOS ELEMENTARES COM EXCITAÇÃO SENOIDAL

3.4.1 Resistência Pura Aplicando-se a uma resistência constante, R, uma tensão alternada senoidal dada por:

423. CIRCUITOS DE CORRENTE ALTERNADA

Conclui-se que: a corrente que percorre a resistência está em fase com a tensão de alimentação e seu valor máximo é dado pela relação entre o valor máximo da tensão e o da resistência.

Na notação simbólica tem-se, empregando valores eficazes, e supondo a tensão com fase nula: o0|V=&resulta:

Na Figura. 3.3 apresenta-se um circuito resistivo e o correspondente diagrama de fasores. A potência instantânea absorvida pela resistência é dada por:

A potência ativa ou real é dada por:

a) Circuitob) Diagrama de fasores Figura 3.3 - Circuito resistivo e seu diagrama fasorial

O fator de potência, ϕcos, é unitário, a potência reativa, Q é nula e a potência aparente coincide com a ativa.

Verifica-se, pois, que todas as relações entre valores eficazes coincidem com os valores que seriam obtidos alimentando-se a resistência R com tensão contínua de valor V. A expressão da lei de Joule permite, portanto, que se interprete o valor eficaz de uma corrente como sendo:

ELETROTÉCNICA GERAL 43

“O valor eficaz de uma corrente alternada é igual ao valor de uma corrente contínua que atravessando a mesma resistência produz igual quantidade de calor no mesmo intervalo de tempo”.

Salienta-se que esta conclusão obtida para grandezas senoidais é válida para grandezas alternativas quaisquer.

Exemplo 3.4

Aplica-se a uma resistência de 20Ω tensão senoidal de valor eficaz 100V e freqüência de 60 Hz. Pede-se:

a) O valor eficaz da intensidade de corrente na resistência. b) A potência dissipada na resistência. c) O valor instantâneo da corrente e da tensão.

Adotando-se tensão com fase inicial nula resulta:

A potência dissipada na resistência vale

O valor instantâneo da corrente é dado por:

tsenIi M ω= em que:

443. CIRCUITOS DE CORRENTE ALTERNADA

Aplicando-se uma tensão senoidal de freqüência f e de valor eficaz V a uma bobina de indutância L e resistência ôhmica nula ter-se-á a circulação, pela indutância, de uma corrente de valor instantâneo i (t) que irá criar uma f.e.m. dada por:

I = V / ωL 90o a) Circuitob) Diagrama de fasores Figura 3.4 - Circuito indutivo com excitação senoidal

isto é:

Sendo:

tsenV)t(v M ω= , resulta, imediatamente:

)t(iMπ−ωω=(3.16)

Esta equação mostra que a corrente numa indutância está atrasada de π/2 radianos (ou 90o) em relação à tensão aplicada e seu valor máximo é obtido dividindo-se o valor máximo da tensão por Lω que é designado por “reatância indutiva”, sendo representada por XL e tem a dimensão de uma resistência.

No método simbólico, leva-se em conta a rotação de fase da corrente representando-se a indutância por uma “impedância” que é dada por um número complexo no qual a parte imaginária é a reatância da bobina. Isto é:

L X VjjX

&&&−==

VI sendo:

ELETROTÉCNICA GERAL 45

Assim, numa indutância, a tensão e a corrente estão em quadratura e o fator de potência correspondente é dado por: 02/coscos =π=ϕ

A potência ativa é nula e a reativa que coincide com a aparente, é positiva e vale:

Nota-se que a indutância, quando ligada a uma fonte de corrente alternada, é percorrida por uma corrente sem que haja uma dissipação de energia.

Exemplo 3.5

Uma indutância de 0,08 H é alimentada com tensão senoidal de valor eficaz 240 V e 60 Hz. Pede-se: a) A intensidade de corrente na indutância. b) A potência ativa, aparente e reativa fornecidas à indutância. c) O valor instantâneo da corrente e tensão.

Solução:

a) Determinação da corrente Tem-se:

Ω=π=+=16,30Lf2Xe V0j240VL

logo:

b) Determinação da potência Tem-se:

463. CIRCUITOS DE CORRENTE ALTERNADA

c) Valores instantâneos Tem-se:

A2
Vt337sen4,339v

Um capacitor, de capacidade C, alimentado por uma tensão senoidal, de valor eficaz V e freqüência f, terá, em regime, carga q, dada por:

v(t) i(t) ϕ = 90o a) Circuitob) Diagrama de fasores Figura 3.5 - Circuito capacitivo com excitação senoidal

Verifica-se que a corrente num capacitor está adiantada de π/2 radianos em relação à tensão e seu valor eficaz é obtido multiplicando-se o valor correspondente da tensão por Cω. Analogamente, a quanto feito com uma indutância, o termo:

ELETROTÉCNICA GERAL 47

é chamado de “reatância” do capacitor ou de reatância capacitiva. A unidade da reatância capacitiva também é “Ohm”.

Na notação simbólica, a “impedância” de um capacitor será representada por um número complexo no qual a parte real será nula e a parte imaginária será –j XC. Isto é:

C X VjjX

resulta:

Assim, o fator de potência de um capacitor é dado por:

A potência ativa absorvida é nula enquanto que a aparente e a reativa coincidem em módulo e valem:

VI2 senVIQ

Exemplo 3.6

Determinar a intensidade de corrente num circuito formado por um capacitor de 10µF ligado a uma fonte de 120 V e 60 Hz.

483. CIRCUITOS DE CORRENTE ALTERNADA

3.4.4Circuito com Elementos em Série

Dado o circuito da Figura. 3.6, constituído pela associação em série de uma indutância, uma capacidade e uma resistência, alimentado por uma tensão senoidal de valor eficaz V e freqüência f deseja-se calcular a corrente e as quedas de tensão nos três elementos.

CLi R vR vL vC

Vj I

=− ϖ Figura 3.6 - Associação RLC série

Estando os três elementos em série, a corrente que circula, evidentemente, será a mesma para os três, portanto, pode-se adotar:

A queda de tensão em cada um dos elementos será dada por:

É claro que, em cada instante, a tensão aplicada deverá igualar a soma das quedas de tensão. Portanto, essa relação também deve valer para os fasores correspondentes:

[])X(jRIVVVVCLCLR−+=++=&&&&&

ELETROTÉCNICA GERAL 49

Define-se o “operador impedância” ao número complexo que, multiplicado pelo fasor da corrente no ramo do circuito, fornece o fasor da tensão aplicada ao mesmo. A impedância do circuito, Z, ora analisado, é:

Em particular, para os elementos individuais, isto é, uma resistência, uma indutância e uma capacidade, a impedância é dada por:

Passando-se a impedância Z para a forma trigonométrica (módulo Z e fase θ), ter-se-á:

Observa-se que o ângulo de defasagem entre a tensão e a corrente, ϕ, coincide com o argumento da impedância, e o fator de potência pode ser avaliado por:

Rcoscos 2 CL

Para a construção do diagrama de fasores, Figura.3.6, supõe-se conhecida a intensidade de corrente; portanto, a queda de tensão na resistência será representada por um fasor em fase com a corrente e de módulo igual a IR. Na indutância, o será por um fasor em quadratura e adiantado sobre a corrente e de módulo fLI2IXLπ=. Finalmente, no capacitor, a queda de tensão será dada por um fasor em quadratura e atrasado sobre a vetorialmente os três fasores. Como CLV e V&& estão em posição de fase, sua soma equivalerá à soma algébrica de seus módulos, isto é:

(Parte 1 de 2)

Comentários