Potência contínua e alternada (EL073)

Entenda neste artigo, que faz parte de nosso Curso de Eletrônica – Eletrônica de Potência das diferenças entre potência contínua e alternada e o que é ângulo de fase para uma corrente alternada.

EL017S

Uma corrente que flui sempre no mesmo sentido e com a mesma intensidade, como ocorre quando ligamos uma lâmpada a uma pilha, é chamada "corrente contínua". Podemos abreviar essa designação por CC ou ainda, usando o termo americano "direct current" por DC. Na figura 1 temos o gráfico que indica a intensidade de uma corrente contínua ao longo do tempo.

Figura 1 – Uma corrente continua não varia com o tempo. A tensão no circuito se mantém constante

Observe que, para provocar uma corrente contínua precisamos estabelecer em seu circuito uma tensão constante, ou seja, uma tensão que também seja contínua.

No entanto, nas aplicações de potência que fazem uso da energia da rede de distribuição, o tipo de corrente encontrado é outro.

Esta corrente é gerada por alternadores cujo princípio de funcionamento foi analisado no nosso curso de eletrônica analógica (Vol 2). O leitor poderá revisar seu princípio de funcionamento naquela edição do mesmo autor.

Conforme estudamos, na saída de um alternador temos uma corrente que varia entre máximos e mínimos regularmente, ou seja, inverte constantemente de sentido de circulação, o que corresponde a uma corrente alternada.

Vemos então que, se ligarmos um receptor a um gerador desse tipo, metade do tempo de um ciclo, a corrente circula num sentido, e na outra metade ela circula no sentido oposto. A energia da rede pública e utilizada nas indústrias e outras aplicações é desse tipo.

Conforme estudamos anteriormente, podemos representar a corrente gerada por esse tipo de gerador por uma curva chamada senóide, conforme mostra a figura 2.

Figura 2 – Representação da corrente alternada por uma senóide

O gerador que produz a energia que consumimos dá 60 voltas por segundo, o que quer dizer que em cada segundo a corrente circula 60 vezes num sentido e 60 vezes no sentido oposto. Dizemos que a corrente da rede pública que alimenta residências, instalações comerciais e industriais e outras é alternada com uma frequência de 60 Hertz (Hz).

Existem países, como a Argentina, em que a corrente gerada tem uma frequência diferente, como 50 Hz. O interessante é que os efeitos obtidos na transmissão de energia usando corrente alternada são os mesmos que seriam obtidos com a corrente contínua, com vantagens que ficarão claras no decorrer do curso. Tomemos o seguinte exemplo:

Passando pelo filamento de uma lâmpada ou por um elemento de aquecimento, os efeitos finais são sempre os mesmos: ao serem empurradas, as cargas transferem energia em forma de calor e ao serem puxadas também, o que quer dizer que as lâmpadas acendem do mesmo jeito e os aquecedores aquecem do mesmo jeito.

Formas de onda, frequência, fase e valores

A representação gráfica de uma corrente alternada tem uma forma muito especial: dizemos que se trata de uma forma de onda "senoidal", conforme estudamos no curso de eletrônica analógica.

Isso nos leva a dizer que a corrente alternada que é distribuída para casas, comércio e indústria é alternada com forma de onda senoidal e frequência de 60 Hz. Analisando essa forma de onda existem diversos valores importantes que o profissional da eletricidade e eletrônica de potência deve conhecer.

O primeiro, de que já falamos, é a frequência que é o número de vezes em cada segundo em que se completa um ciclo da geração dessa energia. A frequência é medida em hertz (Hz). O tempo de duração de um ciclo completo nos dá o período da corrente alternada.

Para uma corrente alternada de 60 Hz, por exemplo, o período ou tempo de um ciclo completo é 1/60 s, conforme mostra a figura 3.

Figura 3 – A corrente alternada de 60 Hz tem um período de 1/60 segundo

Veja que "o período é o inverso da frequência" ou, escrevendo isso como fórmula:

Onde:

T é o período (em segundos)

f é a frequência (em hertz)

A amplitude de uma tensão alternada é expressa de diversas formas, conforme podemos observar pela figura 4.

Figura 4 – Valores numa senóide

O valor máximo que uma tensão alternada atinge é o valor de pico. Indicamos esse valor por Vp. Metade do valor máximo nos dá o valor médio ou Vm.

No entanto, um valor muito importante é o "valor médio quadrático" ou "root mean square", do inglês, que nos leva a abreviação Vrms. Esse valor corresponde à raiz quadrada de 2 dividida por 2 vezes do valor máximo, ou conforme mostra a fórmula:

Onde:

Vrms é a tensão média quadrática (em volts)

Vp é a tensão de pico

0,707 é a raiz quadrada de 2 (1,41) dividido por 2

Levando em conta que a raiz quadrada de 2 é aproximadamente 1,41, dividindo esse valor por 2, obtemos 0,707. Isso significa que obtemos a tensão rms multiplicando a tensão de pico por 0,707. Da mesma forma, conhecendo a tensão rms obtemos o valor de pico, multiplicando-o por 1,41.

A tensão de "110 V" que encontramos na nossa rede de energia tem esse valor rms. Assim, no instante em que ela se encontra no seu máximo, o pico vai a:

O mesmo é válido para as intensidades de corrente: podemos falar em corrente de pico (Ip), corrente média (Im) e corrente rms (Irms) num circuito.

Outro valor importante que devemos observar na representação de uma tensão ou corrente senoidal é a sua fase. A cada instante, dentro de um ciclo, a tensão alternada tem certo valor. Este valor muda constantemente, dependendo da frequência da tensão alternada.

Em certas aplicações é importante saber o valor que a tensão ou a corrente num circuito de corrente alternada assume num certo instante dentro do ciclo.

Para esta finalidade o que se faz é dividir o ciclo em 360 graus (como numa circunferência) e indicar o instante por um ângulo entre 0 e 360, conforme o leitor poderá constatar pela figura 5.

Figura 5 – As medidas do círculo trigonométrico

Os 360 graus são adotados lembrando que um ciclo de uma corrente alternada é gerado numa volta completa do alternador. Dessa forma pode-se indicar o instante desejado num ciclo por um ângulo de fase, dado em graus.

Podemos também usar o mesmo conceito para comparar duas correntes ou tensões alternadas que não estejam perfeitamente sincronizadas, ou seja, que não atingem os pontos de máximo e mínimo no mesmo instante.

Dizemos que estas correntes estão "defasadas" e podemos indicar a diferença de fase entre elas por um ângulo, conforme pode ser observando se na figura 6.

Figura 6 – Defasagem entre duas correntes

Estes conceitos são muito importantes em eletrônica de potência.

Oposição de fase:

Quando a diferença de fase entre duas correntes ou tensões é de 180 graus, dizemos que elas estão em oposição de fase: quando uma é positiva a outra é negativa e vice-versa. Veja a figura 7

Figura 7 - Duas tensões em oposição de fase