A alimentação da maioria dos equipamentos de potência que encontramos nas instalações industriais é feita a partir de fontes de corrente alternada. É através de fontes de corrente alternada que a energia chega às instalações residenciais, comerciais industriais. Por outro lado, dentro das indústrias encontramos equipamentos que tanto funcionam com correntes alternadas como correntes contínuas. Isso significa que uma boa parte dos circuitos que controlam a energia aplicada a esses equipamentos devem ser capazes de operar com esse tipo de corrente assim como manusear as potências que eles necessitam.
Para entender como funcionam esses dispositivos e circuitos devemos então partir do próprio estudo da corrente alternada, neste artigo veremos alguns conceitos de corrente alternada com destaque a algumas características específicas que nos cursos básicos não são analisadas com a devida profundidade.
O que é corrente alternada
O movimento de elétrons num circuito fechado, na forma de uma corrente elétrica causada por uma tensão permite que energia seja transportada de um ponto a outro utilizando-se meios condutores, conforme mostra a figura 1.
Através de uma corrente elétrica podemos transferir energia de um gerador a um receptor. É esta propriedade da corrente elétrica que a torna tão importante como meio de transmissão de energia e amplamente adotada em nossos dias.
A forma como a corrente elétrica transporta energia de um gerador para um receptor pode ser feita basicamente de duas maneiras: através de uma corrente contínua e através de uma corrente alternada.
Corrente contínua
Para obtermos uma corrente contínua num circuito, estabelecemos uma tensão constante nas suas extremidades de modo que ela cause a circulação de uma corrente. Se a carga tiver uma resistência constante também será constante a corrente.
A corrente nesse circuito circula num único sentido sempre com a mesma intensidade, conforme mostra a figura 2.
Essa corrente é chamada Corrente Contínua e abreviada por CC ou DC.
O termo DC vem do inglês e refere-se à corrente direta (Direct Current).
Mas, para que seja considerada uma corrente contínua ela não precisa necessariamente ter sempre a mesma intensidade. Se o circuito alimentado consumir correntes que variam, por exemplo uma lâmpada em que controlamos o brilho através de um reostato, ainda assim teremos uma corrente contínua, pois ela continua circulando sempre no mesmo sentido.
Da mesma forma, se tivermos um relé abrindo e fechando seus contactos de modo intermitente, produzindo uma forma de onda conforme a mostrada na figura 3 teremos ainda assim uma corrente contínua pulsante.
É comum encontrarmos nos circuitos eletrônicos correntes contínuas com diversas formas de onda, como as mostradas na figura 4.
Onde a corrente contínua é usada depende muito da energia que deve ser transferida. Se bem que numa linha de alta tensão como as das usinas, o uso da corrente contínua tenha algumas vantagens, para o consumo direto, para a transmissão de energia a corrente contínua apresenta diversas desvantagens.
No entanto, determinados circuitos eletrônicos precisam para funcionar de alimentação contínua. Isso significa que existem pontos de um equipamento em que encontraremos também este tipo de tensão.
Corrente Alternada
Verifica-se que podemos transmitir energia através de um circuito de forma igualmente eficiente se fizermos os elétrons oscilarem, num movimento de vai e vem, conforme mostra a figura 5.
Quando os elétrons são empurrados num sentido, com a aplicação da tensão de determinada polaridade, eles forçam a passagem através da carga entregando sua energia. Por outro lado, quando eles são empurrados no sentido oposto, com a inversão da polaridade, eles também forçam a passagem pela carga entregando energia. Isso é mostrado na figura 6.
Em outras palavras, se fizermos com que os elétrons oscilem no circuito, indo para frente e para trás, teremos a transmissão de energia de um gerador para um receptor de forma igualmente eficiente.
Quando temos essa forma de transmissão de energia em que o gerador muda constantemente sua polaridade de modo a forçar os elétrons para frente e para trás num circuito, dizemos que este circuito é percorrido por uma corrente alternada, abreviadamente CA ou AC.
Novamente, é comum encontrarmos a abreviação correspondente ao termo inglês AC de Alternating Current ou Corrente Alternada.
A corrente alternada que usamos
Uma forma de se gerar corrente alternada é através de dispositivos denominados alternadores. Esses dispositivos geram uma corrente alternada cuja forma de onda é senoidal e, em nosso país, tem uma frequência de 60 hertz (60 Hz). Isso significa que, em cada segundo, a tensão empurra os elétrons num sentido 60 vezes e no sentido oposto 60 vezes. Temos então 120 inversões de polaridade por segundo.
Podemos falar então em tensão alternada para designar a tensão que se inverte constantemente e é capaz de causar a circulação de uma corrente alternada num circuito. E, dizemos senoidal porque ela varia no tempo proporcionalmente ao seno de um ângulo descrito por um segmento que gira em torno de um ponto denominado origem, com uma velocidade uniforme (constante).
Um alternador típico consiste num conjunto de bobinas que gira no interior de um campo magnético, conforme mostra a figura 7.
Esse movimento rotativo faz com que a tensão alternada gerada por esses dispositivos tenha a forma de onda denominada senoidal.
O que ocorre é que, cortando as espiras em ângulos que mudam com a rotação, a tensão gerada aumenta e diminui em cada volta do gerador, criando uma variação suave que corresponde justamente à senóide.
Para entender melhor como uma tensão senoidal é gerada, podemos partir da figura 8 em que temos um vetor girante.
Cada ponto desse vetor representa o valor instantâneo da tensão gerada que pode ser associado a um angulo de fase. Assim, num ciclo completo da geração de uma corrente alternada temos 360 graus e os valores instantâneos que essa tensão assume podem ser associados a um ângulo de fase.
Uma fórmula simples pode ser dada para representar o valor da tensão num certo instante t ou a tensão instantânea:
V = Vo cos ωt
Onde:
V é a tensão no instante t (em segundos)
ω é a pulsação ou velocidade angular, que é a velocidade com que o vetor gira em radianos por segundo.
É comum também adotar:
ω = 2 x Π x f
Onde:
Π vale 3,14
f é a frequência com que gira o fasor dada em Hertz
Corrente Contínua & Corrente Alternada – Qual a melhor?
Quando a eletricidade passou a ser explorada comercialmente como forma de energia consumível, houve uma séria “briga” entre os especialistas da época para decidir se ela deveria ser transmitida na forma de corrente contínua ou corrente alternada.
A briga teve como protagonistas os maiores inventores da época, Thomas Edison e Nikola Tesla que “inventaram” a maioria dos dispositivos que geravam eletricidade e também os primeiros motores.
Edison era a favor da corrente contínua enquanto que Tesla era a favor da transmissão da energia elétrica na forma de corrente alternada. O grande problema que se mostrou logo de início é que, alimentadas por corrente contínua as lâmpadas apresentavam instabilidades de funcionamento e além disso, na tensão gerada, as tensões contínuas não podiam ser transmitidas a distâncias maiores do que umas poucas milhas do gerador. As tensões contínuas não podiam ser alteradas pelo uso de transformadores.
Por outro lado, a corrente alternada tem por vantagem a facilidade com que ela pode ter seu valor alterado através de transformadores. Hoje, o sistema de distribuição de energia faz uso das duas formas de corrente: para a transmissão da usina até os centros de consumo são usadas linhas de altas tensões contínuas.
Para a distribuição para o consumidor é usada a corrente alternada.
Valores
Em função do que vimos será interessante analisar as características principais das tensões senoidais e correntes senoidais que entram em muitos cálculos e nos projetos de circuitos eletrônicos industriais.
Conforme podemos observar pela forma de onda senoidal de uma corrente alternada, o valor máximo ou valor de pico (Vp) é atingido apenas durante uma fração muito pequena do tempo de duração do ciclo. A figura 9 mostra o que ocorre.
Assim, esse valor não reflete o comportamento de uma tensão alternada em termos da energia que ele pode fornecer a um circuito. Se compararmos uma tensão senoidal com uma contínua que sejam aplicadas a um circuito com uma certa resistência R seria interessante saber que valor deveria ter a corrente alternada para transportar a mesma energia que a corrente contínua equivalente.
Conforme podemos ver pela figura 10, isso ocorre quando o valor da tensão contínua equivalente é 70,7% menor que o valor que a tensão de pico, conforme mostra a figura 10.
Para as tensões senoidais é interessante então especificar seu valor não pelo pico, mas por esse valor denominado “eficaz” ou “root mean square” (valor médio quadrático), também abreviado por RMS.
Veja que também podemos indicar outros valores para uma tensão senoidal como o valor médio e o valor pico-a-pico que são mostrados na figura 11.
Os valores de pico são importantes para o dimensionamento dos componentes de um circuito, pois eles indicam a tensão máxima que em determinado instante vai estar aparecendo sobre esses componentes.
Para calcular a tensão RMS a partir da tensão de pico e vice-versa podemos usar as seguintes fórmulas:
Vp = Vrms x 1,4142
Vrms = Vp x 0,707
Onde:
Vrms – valor médio quadrático da tensão (V)
Vp – valor da tensão de pico (V)
Outros valores importantes numa tensão e numa corrente alternada são sua frequência e seu período. Para a rede de energia de nosso país a frequência dotada para a transmissão de energia na forma de corrente alternada é 60 Hz. Existem países em que a frequência é 50 Hz. Na figura 12 temos a representação do período que é o tempo de duração de um ciclo de uma tensão ou corrente alternada.
Lembramos que as frequências são medidas em Hertz (Hz) e que é comum o uso de seus últimos:
kHz = quilohertz = 1 000 Hz
MHz = megahertz – 1 000 000 Hz
GHz = Gigahertz = 1 000 000 000 Hz
Circuitos Monofásicos e Trifásicos
Para a alimentação de residências, estabelecimentos comerciais e industriais pequenos é utilizada uma rede de energia monofásica.
Conforme mostra a figura 13, nessa rede temos um fio que corresponde ao “vivo” ou fase e um fio que corresponde ao “neutro”. Esse neutro normalmente é ligado à terra, sendo por isso também denominado “terra”.
Tomando como referência à terra que corresponde a uma tensão de 0 V, vemos que a tensão no polo vivo da rede de energia varia entre dois valores, positivo e negativo segundo uma forma de onda senoidal, conforme mostra a figura 14.
Isso significa que, em cada instante o polo vivo de uma tomada da rede de energia, inverte sua polaridade 120 vezes, ficando 60 vezes positivo em relação à terra e 60 vezes negativo. No nosso país temos diversas tensões disponíveis para este tipo de alimentação como: 110 V, 117 V, 127 V, 220 V, 240 V. Para efeitos práticos é muito comum que se indique simplesmente se uma rede é de “110 V” ou “220 V”.
Para as instalações industriais e mesmo comerciais de grande porte o fornecimento de energia pode ser feito através de uma rede trifásica.
Para gerar uma força eletromotriz trifásica ou seja, capaz de aplicar uma tensão trifásica nos dispositivos alimentados são utilizados alternadores como o representado na figura 15.
Na extremidade de cada enrolamento desse alternador obtemos uma tensão senoidal de 60 Hz. No entanto, a tensão de cada enrolamento está defasada em relação ao outro de 120 graus, conforme mostra a figura 16.
Em outras palavras, cada enrolamento tem uma fase diferente, o que nos leva à necessidade de ter 4 fios para a transmissão dessa forma de energia: 3 para as fases denominadas f1, f2 e f3 ou ?1,?2, ?3 e um fio neutro o terra, conforme mostra a figura 17.
Como as formas de onda são senoidais os valores podem de pico e médio podem ser calculados da mesma forma que no caso de uma tensão senoidal comum.
Observe que as tensões de cada uma da fases chegam aos seus pontos de máximo numa sequência bem definida (1,2 e 3). Assim, numa instalação que envolva a alimentação trifásica, por exemplo, de um motor é preciso observar cuidadosamente a ordem de ligação das fases, pois se houver uma inversão, por exemplo, 1,3,2 ocorrem sérios problemas de funcionamento até mesmo a queima do dispositivo que está sendo alimentado.
Da mesma forma, se faltar uma das fases na alimentação de um dispositivo qualquer um motor, por exemplo, também podem ocorrer sérios problemas de funcionamento.
O indicador de ausência de fase é um instrumento de grande utilidade para o profissional da manutenção industrial.
Os geradores trifásicos podem ser ligados de duas formas.
Na ligação em estrela, mostrada na figura 18, temos um fio de retorno comum ou neutro comum para as três fases. Observe que esse fio de retorno é percorrido pelas correntes das três fases.
A tensão medida entre dois fios quaisquer das fases é dada pela resultante das duas tensões de fase consideradas, conforme mostra a figura 19.
Essa tensão entre duas fases quaisquer é denominada “tensão concatenada”. Na ligação em triângulo, os enrolamentos do gerador são ligados conforme mostra a figura 20.
As tensões geradas nesse sistema, por convenção tem fases que giram um sentido anti-horário.
Artigo publicado originalmente em 2011