Você conhece os conceitos básicos de como geramos e comsumimos a energia elétrica? Neste artigo, abordarei sobre noções básicas de geração, transmissão e consumo de energia elétrica e como entender os principais parâmetros necessários para calcularmos o Fator de Potência de uma instalação.

1- Como ocorre a conversão de Energia Elétrica

Para que algum equipamento elétrico funcione, é imprescindível o estabelecimento de uma Corrente Elétrica (I, dada em Ampéres) passante em suas dependências. Essa corrente nada mais é do que o MOVimento ordenado de elétrons contidos nos condutores elétricos, motivados por um campo elétrico criado a partir de uma diferença de Potencial nos terminais do equipamento (Tensão Elétrica, V, dada em Volts).

energia elétrica corrente eletrica

Figura 1: Estabelecimento de Corrente Elétrica (energia elétrica).

O produto entre a Tensão (V) e a Corrente (I) elétrica aplicada a um determinado equipamento define a Potência Elétrica (P) consumida deste equipamento, que, através da aplicação de alguns componentes clássicos da engenharia elétrica (resistores, indutores, capacitores, etc.), poderá ser convertida (não na sua totalidade) em:

  • Potência Mecânica,
  • Potência Térmica,
  • Potência Luminosa ou até mesmo,
  • Potência Elétrica novamente.
energia elétrica formula da potencia

Equação 1

2. Qual a necessidade de se distribuir Energia Elétrica em Regime Alternado de Operação ?

2.1 Resistência Elétrica

Define-se Resistência elétrica (dada em ohms) como sendo a oposição à passagem da corrente elétrica por um determinado elemento (fio metálico, solo, corpo humano, etc), e se dá pela colisão dos elétrons com impurezas configuradas na estrutura do condutor.

energia elétrica resistencia eletrica

Figura 2: Representação da resistência elétrica em um condutor.

Estas colisões entre elétrons e impurezas provocam calor no condutor, que é diretamente proporcional à resistividade (constante que depende do tipo de material), à corrente passante, ao comprimento e à seção do condutor. É o chamado Efeito Joule.

energia elétrica comprimento e secao de um condutor

Figura 3: Comprimento e seção de um condutor

A resistência de um condutor é maior quanto:

  • menor a seção;
  • maior o Comprimento;
  • maior a resistividade.

Por esta razão, a resistência de um chuveiro, por exemplo, é feita de material fino, espiralado (a fim de aumentar-se o comprimento) e de alta resistividade.
O emprego de materiais com alta Resistência Elétrica é o meio mais eficaz de conversão de Potência Elétrica em Potência Térmica e pode ser observado em chuveiros, ferros de passar roupas, etc.

energia elétrica simbolo resistencia

Figura 4: Simbologia de uma resistência

2.2 Resistência e o Sistema Elétrico

Quando a técnica de manipulação da energia elétrica tinha dado provas de que seria, de fato, um salto gigantesco na evolução de processos industriais e residenciais, a forma mais coerente de se concretizar o feito, seria através de uma estação geradora de energia elétrica e conseqüente, a correta distribuição desta energia para os consumidores em potencial. Porém, os pesquisadores da época esbarraram num problema que, para sua resolução, talvez se tenha consumido um tempo maior do que o próprio tempo necessário para aprimorar a técnica de manipulação desse novo tipo de energia elétrica descoberta.
Este problema seria um fenômeno causado pela resistência dos condutores: a queda de tensão.

energia elétrica formula queda tensao

Equação 2

Onde, V é a Queda de Tensão, R é a Resistência do Condutor e I é a Corrente passante no condutor.
No início das idealizações sobre como distribuir energia elétrica para os consumidores, trabalhava-se apenas em Corrente Contínua (Regime CC). Sendo assim, suponha a seguinte situação: na época, criou-se uma lâmpada, relativamente eficaz, de 50V e 40W (Regime CC), alimentada através do circuito abaixo:

energia elétrica circuito eletrico lampada

Figura 5: Modelo elétrico, a partir de Bateria CC, para acionamento da lâmpada idealizada.

Comprovado o funcionamento deste modelo, o passo seguinte seria proMOVer o uso destas lâmpadas nas residências da época. Para tanto, seria necessário o uso de uma estação geradora de energia e uma rede de distribuição, que levaria a energia elétrica para os consumidores em potencial.

energia elétrica queda de tensao efeito joule

Figura 7: Demonstração da queda de tensão devido ao Efeito Joule. Quanto maior a distância entre estação geradora e consumidores, maior a resistência R e, menor é a tensão entregue aos consumidores. Para a distribuição de energia elétrica por este modelo, seria necessário um aumento de bitola do fio proporcional à corrente passante. O projeto começava a se tornar inviável.

Para se ter uma idéia de como seria utilizar um sistema elétrico semelhante a este, segue o exemplo:

Deseja-se alimentar um conjunto de casas que, juntas, consomem 30.000W. A tensão de entrega é de 100V. Para uma adequada operação dos equipamentos, permite-se uma variação de tensão de no máximo 5%, portanto a queda de tensão não poderá ser maior do que 5V.
Temos que a corrente passante no condutor alimentador será:

P = V.I
I = P/V
I = 30000/100 = 300A

Sendo que a queda de tensão do condutor não pode ultrapassar 5V, então a resistência do condutor não deve ser maior que:

V = R.I
R = V/I
R = 5/300 = 0,017 ohms

Sendo assim, este alimentador deverá ter as seguintes bitolas para que satisfaça as condições impostas (em função do comprimento da linha):

Tabela 1: Bitola  e  diâmetro  do Alimentador em função do comprimento da linha:

Comprimento (m) Bitola (mm²) Diâmetro (cm)
100 105,9 1,2
200 211,8 1,6
400 423,5 2,3
1000 1058,8 3,7
2500 2647,1 5,8
5000 5294,1 8,2

Então, percebe-se, pela tabela, que para se manter um nível tolerável de perdas Joule, seria necessário o uso de uma quantidade exorbitante de Cobre. Em uma distância de apenas 5kms, precisaríamos de um fio com 8,2 centímetros de diâmetro, ou seja, cerca de 500 toneladas de cobre!

Isto ocorre porque a opção de se distribuir a Potência solicitada num nível de tensão idêntico ao nível de consumo expõe o alimentador a elevadas correntes, o que eleva muito as perdas Joule.

A solução para este problema seria elevar a tensão após a geração, com o fim de se diminuir a corrente nos alimentadores, sem alterar a Potência fornecida, (ver equação I) e só então diminuir o nível de tensão nas localidades consumidoras. Porém, na época, não era possível realizar essa conversão de energia elétrica em regime de operação a corrente contínua*. Nascia o Sistema Elétrico de Operação em Regime Alternado.

* Hoje é possível operar um Sistema Elétrico com regime de operação a corrente contínua (a exemplo de algumas regiões do sul do Brasil). Com o advento dos semicondutores e da eletrônica de potência, pode-se desenvolver conversores CC-CC de alto rendimento e confiabilidade.

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2.3 Regime Alternado

Em Engenharia Elétrica, entende-se por Regime Alternado de Operação, aquele em que Tensão e Corrente Elétrica fluem de modo que o valor de suas amplitudes varia com o tempo. No Sistema Elétrico Brasileiro, esta variação é Senoidal de 60Hz (sessenta ciclos por segundo).

energia elétrica tensao eletrica tomada

Figura 8: Tensão elétrica numa Tomada de uso Geral residencial de 127V.

 

energia elétrica tensao eletrica em uma bateria

Figura 9: Tensão elétrica em uma Bateria de Carro de 12V.

Temos na figura 8 a forma de onda de tensão de uma Tomada de uso Geral residencial. Nota-se que a tensão de pico (máxima tensão atingida) é de aproximadamente 180V. Então porque se usa dizer que a tensão é de 127V? Isto ocorre porque as grandezas elétricas em regime CA são representas pelo seu valor eficaz (RMS), ou seja, o valor contínuo de tensão que realizaria o mesmo trabalho do que a tensão alternada em questão.

Em regime senoidal, o valor eficaz é igual ao Valor de pico dividido por raiz de dois:

energia elétrica formula tensao eficaz

Equação 3

 

energia elétrica formula tensao eficaz aplicada

Fórmula aplicada no caso particular da figura 8.

 

Como visto, no caso específico do Sistema Elétrico Brasileiro (60 Hz), um ciclo dura aproximadamente 0,016 segundos. Equivale a dizer que, em 0,016 segundos, a forma de onda percorre 360o ou 2π radianos.

energia elétrica sinal senoidal trigonometria

Figura 10: Representação trigonométrica de um sinal Senoidal. Esta denotação angular é muito útil para o correto entendimento do Fator de Potência.

O motivo primordial para se ter adotado o regime de operação alternado no Sistema Elétrico foi o simples fato de que, com ele, seria possível a conversão de energia elétrica , podendo-se trabalhar com vários níveis de tensão e corrente, sem que se altere a potência. Esta conversão se dá através dos Transformadores de Energia Elétrica, destacados na figura 11, cujo funcionamento é possível através do Indutor, elemento armazenador de energia que será explicado com maiores detalhes no artigo seguinte sobre Fator de Potência.

energia elétrica fator de potencia hidreletrica

fator de potencia transmissao

energia elétrica distribuicao

Figura 11: Processos do Sistema Elétrico: A energia elétrica produzida na geração (a) (em média tensão) passa por transformadores elevadores de tensão (b), para que esta possa ser transmitida em torres por meio de torres (c) com mínimas perdas Joule. Após a transmissão, a energia passa por uma subestação (d) que diminui a tensão ao nível de distribuição (13,8 a 36,2kV), de onde é levada até as localidades consumidoras, onde é transformada nos postes (d), novamente, para o nível de consumo (e).