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Geração e distribuição de energia elétrica

Eletrônica - REE IIIEletrotécnica - Teoria

Geração e distribuição de energia elétrica

Geração e distribuição de energia elétrica

Geração e distribuição de energia elétrica © SENAI-SP, 2003

Trabalho editorado pela Gerência de Educação da Diretoria Técnica do SENAI-SP, a partir dos conteúdos extraídos da apostila SENAI-SP. DMD. Eletrotécnica - Teoria. São Paulo, 1990 (Reparador de Equipamentos Eletrônicos I).

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Sumário

Apresentação 5 Geração e distribuição de energia7 Transformadores trifásicos 27 Referências bibliográficas 37

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Apresentação

O objetivo que norteou a elaboração do material didático Geração e distribuição de energia elétrica foi o de apresentar, de uma forma organizada, clara e objetiva, os aspectos fundamentais da eletrônica e da eletrotécnica.

Esperamos que esse manual sirva como instrumento de apoio ao estudo de uma matéria essencial para os que se iniciam ao campo da eletrônica.

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Geração e distribuição de energia

Introdução

O tipo de energia elétrica mais utilizado no mundo, sobretudo no Brasil, é o da energia elétrica em corrente alternada no sistema trifásico. De fato, trata-se de um sistema em que a energia é facilmente gerada, transmitida e distribuída.

Nesta lição, você vai aprender coisas importantes sobre os circuitos trifásicos. Você vai aprender, por exemplo, que eles podem ser ligados de duas maneiras: em estrela e em triângulo. Estudará também o comportamento das tensões e correntes nesses dois tipos de ligação. Por fim, você aprenderá a calcular a potência dos geradores trifásicos.

Para estudar os conteúdos desse capítulo, é imprescindível que você conheça o que é corrente alternada.

Usinas geradoras

Um dos modos de se produzir eletricidade é pela ação do magnetismo. Os geradores elétricos são os equipamentos que produzem eletricidade por meio desse processo. Para que isso aconteça, é necessário que eles sejam acionados por uma força mecânica.

Para produzir eletricidade, as usinas utilizam grandes geradores que são acionados por alguma forma de energia.

Existem vários tipos de usinas geradoras de eletricidade: • Usinas hidroelétricas;

• Usinas termoelétricas;

• Usinas termonucleares;

• Usinas eólicas.

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Usinas hidroelétricas As usinas hidroelétricas empregam a força da água represada que passa por uma tubulação e faz girar a turbina. A turbina, então, faz girar o gerador que produz eletricidade.

Usinas termoelétricas Para transformar a água em vapor, as usinas termoelétricas utilizam o calor gerado pela queima de lenha, carvão mineral ou óleo combustível. O vapor produzido por essa combustão faz girar a turbina. A turbina, por sua vez, aciona o gerador que produz eletricidade.

Usinas termonucleares As usinas termonucleares também utilizam o calor para a geração de energia. O calor, entretanto, é obtido por meio de uma tecnologia muito sofisticada.

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Nesse tipo de usina, temos o seguinte processo: o calor é produzido pela desintegração dos átomos no interior do reator. O calor, então, aquece a água e a transforma em vapor. Esse vapor, por sua vez, converte também em vapor a água do reservatório seguinte. Por fim, o vapor desse reservatório faz girar a turbina que aciona o gerador de eletricidade.

Usinas eólicas Nesse tipo de usina, aproveita-se a energia dos ventos. Assim, por meio de um catavento aciona-se o gerador.

No Brasil, empregam-se todos os tipos de usinas anteriormente citadas. As usinas hidroelétricas, entretanto, são as mais comuns, devido ao grande potencial hidroelétrico existente no país.

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Geração de energia elétrica

Os geradores de eletricidade podem produzir corrente contínua (C) ou corrente alternada (CA).

A corrente contínua é pouco usada devido às dificuldades para aumentar ou diminuir os valores de tensão e corrente. A corrente alternada, por sua vez, permite aumentar ou diminuir os valores de tensão e capacidade de corrente. Para isso, basta fazer uso de transformadores. A CA facilita bastante a geração, a transmissão e a distribuição de energia elétrica desde a usina geradora até os consumidores.

Vimos que no Brasil a energia elétrica é gerada em corrente alternada no sistema trifásico, na freqüência de 60Hz. Nesse sistema, utiliza-se, na geração de energia, um alternador ou gerador de CA. Diz-se que o sistema é trifásico porque esse alternador é constituído de três bobinas, chamadas também de fases. Deslocadas de 120º, essas bobinas localizam-se na parte fixa (estator) do alternador. O campo rotórico, que é a parte móvel do alternador, e constituído por um eletroímã.

A rotação para a freqüência de 60Hz depende do número de pólos e pode ser determinada pela fórmula:

t.f rpm = Onde:

• f = freqüência

• p = número de pólos

• t = 60 segundos (para determinar rpm)

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Para o alternador da figura anterior gerar uma tensão trifásica de 60Hz, sua rotação deverá ser de 3 600rpm, pois aplicando-se a fórmula, temos:

Um ciclo completo de corrente alternada corresponde a 360º (ou uma volta completa do eletroímã). Por isso as três correntes alternadas monofásicas produzidas por um alternador trifásico estão defasadas entre si de 120º elétricos ou 1/3 do ciclo.

Num gráfico, as correntes das bobinas I, I e II forneceriam a seguinte configuração:

A defasagem de 120º entre as correntes alternadas e as suas variações para valores positivos e negativos ocorrem tanto para os valores de tensão (E), quanto para os valores da intensidade da corrente elétrica (I).

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Valores de tensão (E) No gráfico que segue, A, B e C representam três momentos em que foram marcados os valores hipotéticos das tensões E1, E2 e E3.

No momento A, o valor da tensão E2 eqüivale a +300V, e os valores das tensões E1 e E3 correspondem a -150V, respectivamente.

No momento B, os valores das tensões E2 e E3 equivalem a +150V, respectivamente; o valor da tensão E1 corresponde a -300V.

No momento C, o valor da tensão E3 é de +300V; e os valores das tensões E2 e E1 correspondem a -150V, respectivamente.

Assim, a tensão total dos momentos A, B e C será: • Momento A

V000EEE

V300EE V300E

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• Momento B

V000EEE

V300E V300EE

• Momento C

V300EE V300E

Esses resultados demonstram que, em qualquer momento, a soma dos valores negativos e positivos das tensões E1, E2 e E3 de uma CA trifásica defasada de 120º será sempre igual a zero.

Valores da intensidade da corrente elétrica (I) Quando representamos graficamente uma CA, vemos que uma metade do ciclo apresenta tensão positiva e a outra, tensão negativa.

Na metade do ciclo, em que a tensão é positiva, a corrente elétrica está retornando ao gerador. Na metade do ciclo, em que a tensão é negativa, a corrente elétrica está saindo do gerador.

O sentido da corrente elétrica pode ser representado graficamente da seguinte maneira: I →→→→ corrente que retorna ao gerador I ←←←← corrente que sai do gerador

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Examinando o gráfico da CA trifásica apresentando abaixo, é possível determinar o sentido das três correntes elétricas em cada momento, bem como seus valores hipotéticos.

Momento AMomento BMomento C

Isso mostra que, em qualquer momento, uma CA trifásica defasada de 120º tem sempre duas correntes elétricas entrando e uma corrente saindo, ou uma corrente elétrica entrando e duas correntes saindo.

Determinando o sentido das correntes e analisando seus valores em cada um dos momentos assinalados, teremos:

Momento AMomento BMomento C

I1 ← 10A (entrando)I1 ← 5A (entrando)I1 → 5A (saindo) I2 → 5A (saindo)I2 → 10A (saindo)I2 → 5A (saindo).

I3 → 5A (saindo)I3 ← 5A (entrando)I3 ← 10A (entrando) Saída (I2 + I3) = 10ASaída (I2) = 10ASaída (I1 + I3) = 10A Entrada (I1) = 10AEntrada (I1 + I3) = 10AEntrada (I3) = 10A

Portanto, numa corrente CA trifásica, defasada de 120º, o total da corrente elétrica que sai do gerador é igual ao total da corrente elétrica que entra no gerador.

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Ligação em estrela e ligação em triângulo

Já vimos que, no Brasil, a energia elétrica é gerada industrialmente em corrente alternada no sistema trifásico. Vimos também que isso é possível graças aos alternadores trifásicos, que se constituem por três bobinas dispostas de tal forma que as tensões induzidas fiquem defasadas em 120º. As três fases são independentes entre si e geram formas de ondas também defasadas em 120º.

As três bobinas do gerador produzem três CAs monofásicas. Teoricamente, para transportar essas três CAs monofásicas até os consumidores, seriam necessários seis condutores.

Na prática, porém, é possível diminuir esse número de condutores para apenas três ou quatro. Para isso, o alternador poderá ser ligado de duas formas diferentes, a saber: • Por meio da ligação em estrela, representada simbolicamente pela letra Y;

• Por meio da ligação em triângulo (ou delta), representada simbolicamente pela letra ∆ (delta).

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Ligação em estrela Temos uma ligação em estrela quando unimos um dos extremos de cada fase da bobina geradora. Essa ligação pode ser feita com condutor neutro (4 fios) ou sem condutor neutro (3 fios).

A ligação em estrela com condutor neutro é chamada ainda de sistema a quatro fios. Nesse tipo de ligação, os três fios por onde retornam as correntes podem ser reunidos e formar um só condutor ou fio neutro. Esse condutor recolhe as três correntes das cargas e as conduz ao centro das fases geradoras.

A figura ao lado mostra de modo esquemático a ligação em estrela. O gráfico abaixo apresenta as respectivas curvas de tensão e corrente.

Outro dado a lembrar é o seguinte: a soma das três tensões num mesmo instante, eqüivale a zero. Isso acontece porque a tensão na fase I assume o seu valor máximo de +300V.

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Enquanto isso, as tensões das fases I e II apresentam respectivamente, e no mesmo instante, um valor correspondente a -150V. Matematicamente, esses valores se anulam:

fase I=+ 300V fase I + fase II=- 300V + fase l + fase l + fase I=000V

Isso significa que a soma das correntes de cada carga é nula no fio neutro. Por esse motivo, ele pode ser retirado. Disso resulta a ligação em estrela sem condutor neutro ou sistema a três fios. Veja abaixo a representação esquemática desse tipo de ligação.

Tensão de fase e tensão de linha na ligação em estrela

A tensão entre os dois extremos de cada bobina é chamada de tensão de fase (Ef). Veja, na representação esquemática abaixo, a localização das tensões de fase.

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A tensão entre as duas fases, seja entre a fase I e a fase I, entre a fase I e a fase II ou ainda entre a fase I e a fase II, é chamada tensão de linha (EL). observe a localização das tensões de linha no esquema abaixo.

Num sistema trifásico ligado em estrela, a tensão de fase em qualquer instante corresponde à tensão de linha dividida pela raiz de três. Isso acontece porque os valores instantâneos de tensão em cada fase não são coincidentes; estão defasados em 120º.

Assim a tensão de fase (Ef) é calculada com o auxílio da seguinte fórmula:

E Eou

E LfL f ==

A tensão de linha deveria ser calculada por meio da soma das tensões Ef1 e Ef3. Todavia, por causa da defasagem de 120º já citada, não é possível fazer a soma aritmética das duas tensões. Portanto, deduzindo a fórmula Ef = 73,1

EL teremos:

EL = Ef . 1,73

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Como por exemplo, vamos aplicar a fórmula EL = Ef . 1,73, na ligação em estrela apresentada a seguir.

Corrente de linha e corrente de fase na ligação em estrela

Numa ligação em estrela, chama-se corrente de linha (IL) a corrente que se encontra em cada uma das linhas. Observe, no esquema abaixo, a localização da corrente de linha.

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Na ligação em estrela, a corrente de cada bobina é chamada de corrente de fase (If). veja, no esquema abaixo, onde se localizam as correntes de fase.

Por exemplo, num sistema trifásico ligado em estrela, a corrente de linha é igual à corrente de fase, isto é, IL = If.

Isso acontece porque a corrente flui em série através da fase e da carga. Como não há ramificação da corrente, a intensidade de I na fase If é exatamente igual à corrente de linha (IL).

Potência A potência total fornecida por um sistema trifásico ligado em estrela é igual à soma das potências de correntes alternadas das três fases. Como as fases estão deslocadas de 120º, não é possível fazer uma soma aritmética. Assim, a potência é calculada através da seguinte fórmula:

p = 3 . Ef . If . cos ϕ

Observação

O cos ϕ é o co-seno do ângulo de defasagem entre tensão e corrente e corresponde ao fator de potência utilizado para cálculo da potência real.

E f L f

Ou p = 1,73 . EL . If . cos ϕ Ou ainda: ϕ=cos.I.E.3pfL

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Com auxílio da fórmula acima, calcula-se a potência aparente e a potência real. para calcular a potência aparente basta efetuar 1,73 . EL . If. O resultado desse cálculo é multiplicado pelo cos ϕ (fator de potência), o que dará a potência real.

Para calcular, por exemplo, a potência dum gerador ligado em estrela, com uma tensão de linha de 440V, uma corrente de 300A por linha e um fator de potência de 80%, basta aplicar a seguinte fórmula:

Potência aparente:

Potência real:

Pr = kVA . fator de potência Pr = 228,36 . 0,8 = 182,69kW

Ligação em triângulo Faz-se do seguinte modo a ligação em triângulo: o início de um enrolamento é ligado ao final do outro, formando graficamente um triângulo eqüilátero. Os condutores externos são ligados às junções de cada fase. Observe a figura a seguir.

Esse tipo de ligação forma um circuito fechado. Todavia, a corrente não circula por esse circuito, pois a tensão resultante é a soma das tensões geradas em cada fase. Como a tensão de uma fase é igual e oposta à soma das outras duas, elas se anulam.

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Tensão de fase e tensão de linha na ligação em triângulo Como acontece na ligação em estrela, na ligação em triângulo a tensão entre os dois extremos de cada bobina é chamada tensão de fase (Ef). A figura que segue mostra a localização das tensões de fase.

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