Eletricidade Básica. RH/UP/ECTGE Michel Gonçalves Pinheiro Rota: Chave: mgp0 Natal - RN, 10 e 11/05/2012

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1 Eletricidade Básica RH/UP/ECTGE Michel Gonçalves Pinheiro Rota: Chave: mgp0 Natal - RN, 10 e 11/05/2012 Este material contém informações classificadas como <Corporativa> pelo <RH/UP/ECTGE>.

2 Modelo Atômico e Eletricidade

3 Modelo Atômico e Eletricidade A matéria de feita de átomos, a unidade básica da matéria. A eletricidade é uma das propriedades da matéria carga elétrica. Fonte: Modelo atômico: Núcleo: prótons carga elétrica positiva e nêutrons carga elétrica neutra. Eletrosfera: elétrons carga elétrica negativa. Massa do elétron é 1840 vezes inferior à massa do próton. Elétrons distribuídos em camadas. Um átomo possui várias órbitas, cada órbita contém uma quantidade de elétrons.

4 Modelo Atômico e Eletricidade Átomos H, O, C, N, Cu, Fe, Al, He... Moléculas H 2 H 2 0, O 2, CH 4, Cu, NaCl, H 2 S0 4,... Substâncias água, oxigênio, cobre metálico, gás metano,...

5 Modelo Atômico e Eletricidade Os átomos podem ganhar ou perder elétrons adquirindo carga elétrica e deixando de ser neutro. Íon = átomo que possui carga elétrica. - Cátion = íon com carga elétrica positiva. - Ânion = íon com carga elétrica negativa. A unidade de carga elétrica no Sistema Internacional (SI) para as substâncias é o Coulomb (C). Carga elementar do elétron = 1,9 x C. Lei da atração e repulsão das cargas elétricas: - Cargas elétricas de mesmo sinal se repelem. - Cargas elétricas de sinais opostos se atraem.

6 Corpos Eletricamente Neutros ELEMENTOS NEUTROS OU SEM CARGA, NADA ACONTECE. N N Fonte: FUNCOGE

7 Cargas Elétricas de Mesmo Sinal: Repulsão CARGAS IGUAIS: Fonte: FUNCOGE - -

8 Cargas Elétricas de Mesmo Sinal: Repulsão CARGAS IGUAIS: - Fonte: FUNCOGE

9 Cargas Elétricas de Sinais Opostos: Atração CARGAS DIFERENTES: + Fonte: FUNCOGE

10 Cargas Elétricas de Sinais Opostos: Atração CARGAS DIFERENTES: - Fonte: FUNCOGE

11 Magnetismo

12 Primeiras Observações do Magnetismo Óxido de ferro Grécia Antiga. Encontrado na cidade de magnésia. - Atraía materiais ferrosos; - Se orientava para o norte. Fonte: Magnetismo - Propriedade de atrair partículas de materiais ferrosos. Fonte:

13 Primeiras Observações do Magnetismo A atração é mais forte nos pólos. Como eles se orientam no sentido norte e sul, chamamos pólo norte e pólo sul. PÓLO NORTE N PÓLO SUL

14 Formas Construtivas dos Ímãs N S N S N S N S

15 A propriedade de atração é maior nas extremidades N S

16 Ação mútua entre dois ímãs S N N S

17 Ação mútua entre dois ímãs S N N S Pólos de mesmo nome se repelem

18 AÇÃO MÚTUA ENTRE DOIS ÍMÃS S N N S PÓLOS DE MESMA POLARIDADE SE REPELEM N S N S PÓLOS DE POLARIDADES DIFERENTES SE ATRAEM

19 O Campo Magnético Pode ser observado colocando limalhas de ferro sobre um plástico que esteja sobre um ímã.

20 N S

21 N S

22 Linhas de força S N Saem do pólo norte e entram no pólo sul

23 Uma barra de ferro sem magnetização pode ser considerada como tendo um grande número de pequenos ímãs dispostos de maneira desordenada

24 Quando magnetizamos esta barra, os pequenos ímãs se alinham, polarizando o material.

25 Quando magnetizamos esta barra, os pequenos ímãs se alinham, polarizando o material

26 Campo Magnético e Corrente Elétrica PILHA 1,5 V PILHA 1,5 V

27 Campo Magnético e Corrente Elétrica PILHA 1,5 V PILHA 1,5 V Quando uma corrente elétrica percorre um condutor, ela cria em torno deste um campo magnético.

28 Campo Magnético e Corrente Elétrica Linhas de força PILHA 1,5 V PILHA 1,5 V Quando uma corrente elétrica percorre um condutor, ela cria em torno deste um campo magnético.

29 Verificação da campo magnético provocado por corrente elétrica Uma bússola colocada próximo a um condutor percorrido por corrente. PILHA 1,5 V PILHA 1,5 V

30 Verificação da campo magnético provocado por corrente elétrica A

31 A O condutor atrai a agulha da bússola.

32 Como aumentar o campo magnético de uma bobina

33 Colocando um núcleo de ferro no interior da bobina O núcleo de ferro concentra as linhas de força do campo magnético

34 Aumentando a corrente elétrica A

35 Aumentando o número de espiras da bobina 600 Espiras

36 Aumenta o campo magnético Espiras

37 Polaridade do Campo Magnético Sentido das linhas de forças N S

38 Polaridade do Campo Magnético

39 Polaridade do Campo Magnético Invertendo o sentido da corrente S N

40 O eletroímã só age como ímã se percorrido por uma corrente elétrica

41 O eletroímã só age como ímã se percorrido por uma corrente elétrica

42 O mesmo campo magnético de um ímã possante podemos conseguir com um pequeno eletroímã

43 Energia e Potência

44 Grandezas Elétricas Energia e Potência Energia (joule, cal, kwh): capacidade de realizar trabalho. Função do tempo de utilização do equipamento. Faturamento de consumo e produção de uma instalação elétrica. Acompanhamento operacional. Potência (kw, cv, hp): trabalho por unidade de tempo Potência nominal potência requerida pelo equipamento em condições normais de serviço (plena carga). Projeto de uma instalação elétrica. Faturamento de consumo e produção de uma instalação elétrica. Acompanhamento operacional.

45 Corrente Elétrica

46 Tipos de Materiais Condutividade Isolantes. - a forte atração exercida pelo núcleo atômico sobre os elétrons das camadas mais externas do átomo, não possibilitam a existência dos ELÉTRONS LIVRES. Condutores - Os elétrons que se movem nas camadas mais distantes do núcleo atômico, são fracamente atraídos pelo núcleo, podendo escapar de um átomo para outro, constituindo-se nos ELÉTRONS LIVRES, abundantes nos metais. Semi-condutores.

47 Elétrons Livres Em um material condutor seus átomos possuem elétrons livres que ficam pulando de um átomo para outro.

48 Corrente Elétrica Fluxo ordenado de cargas elétricas em um material por unidade de tempo. I = Q t - + As cargas elétricas se movimentam do maior potencial para o menor potencial.

49 Grandezas Físicas Análogas à Corrente Elétrica Vazão de água de um rio. Fluxo de veículos em uma rodovia. iamais=74&todas=true Fonte:

50 Corrente Elétrica Unidade: ampère (A) = coulomb por segundo (C/s). Exemplos: 10 A, 100 A, 20 ka, 50 ka, 4 ma, 20 ma. O medidor de corrente é o amperímetro: analógico ou digital. Medição analógica e digital da corrente elétrica em um dos barramentos da UTE-MLG.

51 Corrente Elétrica - Aplicações Dados de Placa: motores, geradores, transformadores... Projeto de painéis, subestações, proteção contra descargas atmosféricas. Especificação de cabos, barramentos e suas formas de instalação. Dimensionamento de proteção: disjuntores, fusíveis, relés... Ajustes de proteção, coordenação de proteção, curvas de seletividade tempo x corrente. Acompanhamento operacional dos equipamentos.

52 Tensão Elétrica

53 Tensão Elétrica Trabalho por carga elétrica. Diferença de potencial elétrico entre 2 pontos de um circuito elétrico. Unidade: volt (V) = joule por coulomb (J/C). Exemplos: - 5V, 24V, 127V, 480V, 690 V Baixa tensão. - 4,16kV; 13,8 kv; 138 kv; 230 kv Alta tensão. O medidor de tensão é o voltímetro: analógico ou digital. Fonte: sistema supervisório da UN-RNCE/ATP-MO indicando correntes e tensões medidas em termos de valores eficazes. Fonte: Medição analógica de tensões e correntes na UTE-RA.

54 Analogia ao circuito hidráulico Temos uma diferença de nível d água Se abrirmos o registro Fonte: FUNCOGE

55 Fonte: FUNCOGE Analogia ao circuito hidráulico

56 Fonte: FUNCOGE Analogia ao circuito hidráulico

57 Analogia ao circuito hidráulico...não há mais desnível.

58 Analogia ao circuito hidráulico Para termos um movimento de água, é necessário um desnível de água (pressão). O mesmo acontece com os elétrons. Para que eles se movimentem, é necessário termos uma pressão elétrica.

59 Tensão - É a pressão exercida sobre os elétrons livres para que estes se movimentem no interior de um condutor. - Em outras palavras, é a energia necessária para movimentar uma carga elétrica em um condutor. Corrente Vazão Tensão Pressão

60 Tensão - Aplicações Especificação de equipamentos: motores, geradores, transformadores... Projeto de painéis, subestações, instalações elétricas. Definição de grupo tarifário de unidades consumidoras. Dimensionamento de proteção: disjuntores, relés... Acompanhamento operacional dos equipamentos.

61 Circuitos Elétricos

62 Componentes de um Circuito Elétrico I Chave a Chave aberta + Fonte de alimentação V ab Carga - b Chave fechada circuito conduz corrente. Chave aberta circuito não conduz corrente.

63 Corrente Contínua e Corrente Alternada

64 Alimentação Elétrica - Corrente Contínua CC Valor constante no tempo corrente (A) tempo (s)

65 Equipamentos Elétricos CC Baterias, carregadores de baterias (CB), retificadores. Conversores de freqüência (CF). Bobinas de abertura, fechamento e motor de carregamento das molas dos disjuntores relés, alarmes e sinalizações de subestações; circuitos de iluminação de emergência crítica; Motores CC, geradores CC. Valores típicos: 125 Vcc, 24V, 12V.

66 Alimentação Elétrica - Corrente alternada CA Mudança de polaridade no tempo Freqüência: número de ciclos por unidade de tempo. rotações por segundo rps Hz rotações por minuto rpm

67 Equipamentos Elétricos CA Motores de indução. Transformadores. Geradores. Lâmpadas fluorescentes. Reatores, resistores e capacitores. Valores típicos: 13,8 kv; 4,16 kv; 480 V; 120 V.

68 Medição de Grandezas Elétricas Os valores de tensão e corrente em equipamentos elétricos são especificados em termos de valores eficazes (RMS) valor médio quadrático. As tensões e correntes no motor são caracterizadas pelo: Módulo (valor eficaz) Ângulo de defasagem em relação à referência Freqüência da alimentação elétrica. A potência nominal do equipamento é calculada a partir dos valores eficazes de tensão e corrente.

69 Valor Eficaz de Tensão e Corrente Tensão (V) x Tempo (s) V V V pico eficaz eficaz = 622V = = V pico 2 440V

70 Resistores, Indutores e Capacitores

71 Resistores Dissipa energia na forma de calor Efeito Joule Resistência: Dificuldade à passagem da corrente elétrica no material. Unidade: ohm (Ω - ohm) I + - V Cargas resistivas: resistor, resistência de aterramento, resistência de aquecimento, aquecedor de RASF.

72 Lei de Ohm R = V R = ρ l I A V tensão nos terminais da resistência. I corrente que passa na resistência. ρ - resistividade (Ω.m) propriedade do material. l comprimento. A área da seção do condutor.

73 Associação de Resistores Série a mesma corrente percorre todas as resistências. R1 R2 Rn Re q = R 1 + R Rn Paralelo todos as resistências estão conectadas aos mesmos terminais da alimentação. R1 R2 Rn 1 R = 1 R + 1 R e q 1 2 Rn

74 Fenômenos Eletromagnetismo A passagem de corrente elétrica em um condutor provoca o surgimento de campo magnético nas vizinhanças do condutor. A passagem de corrente elétrica em um condutor induzirá um fluxo magnético (força contra-eletromotriz) de sentido contrário à corrente que o gerou. Indução magnética: a variação no tempo do fluxo magnético que passa pelas espiras do indutor induzirá uma tensão nos terminais deste indutor. Os pólos magnéticos existem na natureza aos pares e eles são inseparáveis. Isto é, não existe monopolo magnético.

75 Reatores Armazena energia no campo magnético. Outros nomes: indutor, bobina. Indutância: relação entre o fluxo magnético e a corrente. Unidade: Henry (H). L indutância L = φ Φ fluxo magnético em torno do condutor. I I corrente elétrica que flui pelo condutor.

76 Cargas Indutivas Reatores. Motores de indução trifásicos e monofásicos. Motores síncronos. Lâmpadas fluorescentes. Transformadores. Geradores elétricos. Fonte: Catálogo ABB Fonte: Catálogo Philips Fonte: Catálogo WEG

77 Capacitores Dielétrico (Isolante) Placas metálicas

78 Capacitor Um capacitor tem a propriedade de armazenar energia no campo elétrico. O tamanho das placas e do dielétrico influencia nesta propriedade. Capacitância: quantidade de cargas elétricas armazenadas por tensão. Unidade - Farad (F). C = Q V C capacitância. Q cargas elétricas armazenada em Coulomb. V tensão nos terminais do capacitor.

79 Cargas Capacitivas Bancos de capacitores para corrigir fator de potência. Dessalgadoras. Fonte: Catálogo WEG e apresentação eng. Janson (AB-RE)

80 Potências e Energias Elétrica nos Equipamentos

81 Potências Elétricas nos Equipamentos Potência Ativa (kw) potência elétrica que pode ser convertida em outra forma de potência; potência capaz de realizar trabalho. Potência Reativa (kvar) potência elétrica que circula continuamente entre os diversos campos elétricos e magnéticos de um sistema de corrente alternada; potência que não realiza trabalho. Potência Aparente (kva) potência total fornecida pela fonte de alimentação à carga; soma vetorial da potência ativa com a potência reativa.

82 Triângulo de Potências

83 Fazendo uma analogia... volume total = potência aparente colarinho = potência reativa chopp = potência ativa Foto: Michel Gonçalves Pinheiro.

84 Fator de Potência (FP) ou Cos φ É a relação entre a potência ativa e a potência aparente entregue à carga. Cosseno do ângulo φ entre a potência aparente e a potência ativa. FP = P S Indutivo (IND) potência reativa no campo magnético. Capacitivo (CAP) potência reativa no campo elétrico. FP mínimo = 0,92. FP abaixo de 0,92 multa.

85 O Conceito de Impedância

86 Impedância É uma resistência de corrente alternada. Unidade: ohm (Ω). Aplicações: V Z = I I V Impedância de um transformador. Reatância do gerador. Reatância do transformador. Reatância percentual do transformador: dado de placa.

87 Triângulo de Impedância Impedância Reatância Resistência XL = 2 π f L XC = 1 2 π f C

88 Sistemas Monofásicos e Sistemas Trifásicos

89 Alimentação em CA cargas monofásicas corrente(a) A B N tempo (s) A N I A I A M M I A V V A V A I A B Ligação Fase - Fase Ligação Fase - Neutro Pentrada = V I FP

90 Alimentação em CA carga trifásica tensão AB tensão BC tensão CA A B C N I A I B tensão (V) M V A V B V C I C tempo (s) Pentrada = 3 V I FP V - tensão entre fases. I - corrente por fase.

91 Equilíbrio e desequilíbrio entre fases Forma da tensão/corrente equilibrada Valor eficaz idêntico para as 3 fases: V A = V B = V C Defasagem de 120º entre as fases: θ A = 0, θ B = -120º, θ C = 120º. Desequilíbrio V A V B V C θ A = 0, θ B -120º, θ C 120º

92 Ligação em Y - Estrela A B V AN V AB I B I A V BN N V BC V CN V CA I C C V linha = 3 V fase I linha = I fase

93 Ligação em Delta - Anel A I A A I CA I AB V AB C B I B B I BC V CA V BC I C C V linha = V fase I linha = 3 I fase

94 Noções de Sistemas Elétricos

95 Sistema Elétrico de Potência Geração -> Transmissão -> Distribuição -> Ponto de Entrega Sistemas Elétricos Industriais Ponto de Entrega -> Subestação -> painéis de distribuição -> usos finais Usos finais da energia: iluminação, motores, equipamentos de medição, controle e proteção, ar condicionados, computadores, retificadores, baterias, acionamentos.

96 Sistema elétrico industrial típico

97 Diagrama unifilar Representação simplificada dos sistemas elétricos nos quais os condutores trifásicos são representados por uma única linha e os equipamentos por símbolos, em função da simetria entre as fases. Descreve a instalação elétrica de maneira prática. Apresenta dados principais dos equipamentos. Faz parte do projeto das instalações elétricas. Deve constar no Prontuário das Instalações Elétricas. A simbologia/legendas devem ser expressas em língua portuguesa.

98 Diagrama Unifilar UTE-ST

99 REDUC - SUB-500 PN ALIMENTAÇÃO VEM DOS DJ- 95 e DJ-105 SUB 220 DJ-95 DJ-105 PN-50000

100 Exemplo de tela de Sistema Supervisório Entrada de energia da concessionária (parte do diagrama unifilar das instalações). Grandezas elétricas monitoradas nas instalações Zoom do supervisório. Fotos: Michel Gonçalves Pinheiro. UN-RNCE/ATP-MO