Entendendo a corrente contínua (cc) e a corrente alternada (ca)

A cc recebe este nome por ter a característica do fluxo dos elétrons e consequentemente da tensão e corrente serem unidirecional, contudo na ca, tanto a tensão quanto a corrente se movimentam para frente e para trás invertendo constantemente os polos positivos e negativos.

corrente2Cristiano Bertulucci Silveira

A cc recebe este nome por ter a característica do fluxo dos elétrons e consequentemente da tensão e corrente serem unidirecional. Hoje em dia ela é a forma de energia mais comumente produzida por fontes como células solares e baterias e muito utilizada em controle de máquinas em projetos de automação na indústria.

Para compreender melhor, pode-se dizer que a potência elétrica pode ser definida como a taxa de energia consumida em uma unidade de tempo. A unidade de medida de potência é Watt e este nome foi concebido devido ao famoso cientista do século XVIII, James Watt, que foi o inventor da máquina a vapor.

Enquanto nos sistemas mecânicos, a energia é conhecida como potência mecânica e é uma combinação de forças e movimento, em sistemas elétricos, a energia elétrica é a taxa de fluxo de energia elétrica que passa por um determinado ponto em um circuito fechado. A potência em Watts é o produto da tensão pela corrente. Assim, podemos utilizar a fórmula: P = V x I. Pela lei de Ohm, como tensão é o produto da corrente pela resistência (V = R x I), então podemos dizer que P = R x I². Portanto temos o seguinte:

P = V x I

P = R x I²

A energia elétrica pode ser classificada como energia em corrente alternada ou corrente contínua e o nome que ela recebe depende da direção do fluxo de energia. Como foi escrito anteriormente, caso o fluxo for somente em uma direção teremos então a corrente contínua fluindo no circuito em questão.

No alt text provided for this imageMais informações no link https://lnkd.in/d29TQ-T

Como padronização, dizemos que ca representa corrente alternada e cc representa corrente contínua. Explicando melhor, a energia que for um resultado da corrente fluindo na direção alternada é denominada de energia ca e outra que for resultado de corrente fluindo em apenas uma direção será chamada de energia cc.

Nos circuitos cc, o fluxo de carga elétrica (em outras palavras, elétrons) é unidirecional, ao contrário da corrente ca que reverte periodicamente a sua direção. A forma de onda típica da corrente alternada é uma onda senoidal pura, como mostrado na figura abaixo.

corrente3

A energia em corrente contínua é mais comumente produzida por fontes como células solares, baterias e termopares. Já com relação a aplicação, a energia cc é amplamente utilizada em aplicações de baixa tensão, como carregamento de baterias, controle de acionamentos na indústria, aplicações automotivas, aplicações de aeronaves e outras aplicações de baixa tensão e baixa corrente. Com relação à geração, todos os painéis solares hoje em dia produzem energia cc.

Aplicações comuns com energia em corrente contínua no setor fotovoltaico são sistemas solares portáteis e outros dispositivos instalados fora da rede de energia que conhecemos atualmente. Podemos encontrar também aplicações que não utilizam um inversor para converter CC em CA mantendo assim os custos baixos para tais sistemas.

Atualmente, a corrente alternada é usada principalmente na geração e distribuição de energia elétrica por possuir vantagens significativas sobre a corrente contínua tanto na transmissão quanto na transformação. Por outro lado, uma das maiores vantagens da energia cc é sua capacidade de ser usada em aplicações especiais.

Assim, adota-se uma regra básica onde sempre que a transmissão de energia ca não for praticamente viável ou possível em longas distâncias, utilizar a cc. Uma dessas aplicações são as linhas de transmissão cc de alta tensão submersas. Neste tipo, a eletricidade é produzida em forma de ca, convertida em cc em uma estação de comutação/terminal, transmitida por uma rede de cabos submarinos, reconvertida para ca por outra estação terminal e finalmente entregue aos clientes e consumidores.

Existem algumas linhas de transmissão no mundo em corrente contínua e muitas dessas linhas são funcionais até o momento. Alguns exemplos são: ligação do cabo do Báltico entre a Suécia e a Alemanha, com comprimento de 250 km; ligação do cabo da Noruega, entre a Noruega e a Holanda, com comprimento de 580 km.

Uma grande desvantagem dessas transmissões contínuas e em alta tensão é o custo elevado para construir estações terminais e pátios de comutação. As peças aplicadas também precisam de muita manutenção e somado ao fato de que a capacidade de sobrecarga é limitada, o que gera como resultado um alto custo de implantação e manutenção.

A maioria dos estudantes do nível fundamental e até de engenharia possuem dificuldade em entender a corrente alternada porque eles começam seu estudo com o que é conhecido como corrente contínua, que é a eletricidade que flui em uma direção constante, e/ou possui uma tensão com polaridade constante. A cc é o tipo de eletricidade produzida por uma bateria (com terminais positivos e negativos), ou o tipo de carga gerada pela fricção de certos tipos de materiais um contra o outro mas sempre com tensão contínua.

Por mais útil e fácil de entender que a cc seja, ela não é o único tipo de eletricidade em uso. A própria energia que chega em nossa residência chega pelo poste em ca. Certas fontes de eletricidade (mais notavelmente geradores eletromecânicos rotativos) naturalmente produzem tensões alternadas em polaridade, invertendo em um certo intervalo de tempo os ciclos positivo e negativo. Assim, na ca, tanto a tensão quanto a corrente se movimentam para frente e para trás invertendo constantemente os polos positivos e negativos.

corrente4

Enquanto o símbolo da bateria é usado como um símbolo genérico para qualquer fonte de tensão cc, o círculo com a linha ondulada no interior é o símbolo genérico para qualquer fonte de tensão de ca. Alguém poderia se perguntar por que deveria se preocupar com algo como ca?

É verdade que, em alguns casos, a ca não tem vantagem prática sobre a cc. Exemplo disso é que em aplicações onde a eletricidade é usada para dissipar energia na forma de calor, a polaridade ou direção da corrente é irrelevante, desde que haja tensão e corrente suficientes para a carga produzir o calor desejado (dissipação de energia).

No entanto, com a corrente alternada é possível construir geradores elétricos, motores e sistemas de distribuição de energia que são muito mais eficientes que do que se fossem em corrente contínua, e assim encontramos a ca como sendo a forma de energia predominante em todo o mundo nas aplicações de alta potência. Para explicar os detalhes do motivo pelo qual isso é acontece, vamos um pouco mais a fundo aos fundamentos da ca.

Se você construir uma máquina com um ímã em forma de C onde a parte vermelha seja o polo Norte e a parte verde seja o polo Sul e colocar uma bobina de forma que ela gire em torno do campo magnético criado pelo ímã, uma tensão CA será produzida através das extremidades da espira a medida que o eixo é girado, de acordo com a Lei de Indução Eletromagnética de Faraday. Este é o princípio básico de funcionamento de um gerador de corrente alternada, também conhecido como alternador.

corrente5

A polaridade da tensão entre as bobinas de fio é invertida à medida que os polos opostos do ímã giratório passam. Conectada a uma carga, a inversão da polaridade da tensão criará também uma inversão de corrente no circuito. Quanto mais rápido o eixo do alternador for girado, mais rápido a tensão e a corrente vão ficar mudando de direção com uma determinada frequência.

A energia que chega em nossa residência por exemplo possui uma frequência de 60 Hz e isso significa que em 1 segundo a espira realiza 60 voltas completas pelo campo magnético do ímã. Assim, a tensão e a corrente invertem o sentido 120 vezes (lembre-se que a cada 1/2 período acontece a inversão de polaridade).

Apesar dos geradores de corrente contínua trabalharem utilizando o mesmo princípio de indução eletromagnética do gerador de corrente alternada, sua construção não é tão simples. Em um gerador de corrente contínua, a espira deve ser acoplada diretamente no circuito da carga e as conexões elétricas são feitas a esta bobina através de escovas estacionárias de carbono que permitem fechar o contato entre a espira e a carga. Tudo isso é necessário para que a polaridade da saída da espira apesar de se inverter, não seja “enxergada” pela carga, mantendo nesta uma polaridade positiva constante.

O gerador pode produzir dois pulsos de tensão por rotação do eixo sendo que ambos os pulsos na mesma direção (polaridade). Para que um gerador de cc produza uma tensão constante, em vez de breves pulsos de voltagem a cada 1/2 volta, existem vários conjuntos de bobinas que fazem contato intermitente com as escovas.

Os problemas envolvidos na utilização de escovas para promover o contato elétrico com as espiras devem ser óbvios (geração de faíscas e calor), especialmente se o eixo do gerador estiver girando em alta velocidade. Se a atmosfera ao redor da máquina contiver vapores inflamáveis ou explosivos, os problemas dos contatos da escova que produzem faíscas são ainda maiores. Por outro lado um gerador de corrente alternada (alternador) não exige utilização de escovas e comutadores e portanto, estão imunes a esses problemas enfrentados pelos geradores de corrente contínua.

Os benefícios da corrente alternada sobre a corrente contínua no que diz respeito ao projeto do gerador também são refletidos nos motores elétricos. Enquanto os motores cc requerem o uso de escovas para fazer contato elétrico com bobinas móveis de fios, os motores ca não precisam disso. De fato, os projetos de motores ca e cc são muito semelhantes aos seus homólogos geradores, sendo o motor ca dependente do campo magnético de reversão produzido pela corrente alternada através de suas bobinas de fio estacionárias para girar o ímã rotativo ao redor de seu eixo, e o motor de cc sendo dependente dos contatos da escova fazendo e interrompendo as conexões para reverter a corrente através da bobina rotativa a cada 1/2 rotação (180 graus).

Agora sabemos que os geradores ca e os motores ca tendem a ser mais simples que os geradores cc e motores cc. Também não é difícil perceber que essa simplicidade se traduz em maior confiabilidade e menor custo de fabricação dos motores e geradores ca. Mas para que serve a ca?

Certamente deve haver mais do que detalhes de projeto de geradores e motores. E realmente há. Há um efeito de eletromagnetismo conhecido como indução mútua, em que duas ou mais bobinas de fio são colocadas de modo que o campo magnético variável criado por um induz uma voltagem no outro. Se tivermos duas bobinas mutuamente indutivas e energizarmos uma bobina com ca, criaremos uma tensão ca na outra bobina. Quando usado como tal, este dispositivo é conhecido como um transformador, conforme a figura abaixo.

corrente6

O principal recurso de um transformador é a sua capacidade de aumentar ou diminuir a tensão de uma bobina alimentada para outra bobina sem alimentação. Em um transformador, a tensão ca induzida na bobina não alimentada (secundária) é igual à tensão ca na bobina alimentada (primária) multiplicada pela relação de espiras da bobina secundária dividido pelo número de espiras primárias da bobina: EP/ES=N1/N2.

Outra característica do transformador é que se a bobina secundária estiver energizando uma carga, a corrente através da bobina secundária é exatamente o oposto da corrente primária e seu valor será a corrente primária da bobina multiplicada pela relação de voltas primárias dividido pela relação de bobinas secundárias. Esta relação tem uma analogia mecânica muito próxima, usando torque e velocidade para representar tensão e corrente, respectivamente: IP/IS=ES/EP.

corrente7

Se a relação do enrolamento estiver invertida de modo que a bobina primária tenha menos voltas que a bobina secundária, o transformador eleva a tensão do nível da fonte para um nível mais alto na carga, conforme figura abaixo.

corrente8

A capacidade do transformador de aumentar ou diminuir a tensão ca com facilidade dá à ca uma vantagem inigualável no domínio da distribuição de energia na figura abaixo. Ao transmitir a energia elétrica por longas distâncias, é muito mais eficiente fazê-lo com tensões aumentadas e correntes escalonadas (fio de menor diâmetro com menos perdas de energia resistiva) de pois passe a tensão de volta e a corrente de volta para indústria, negócios ou uso do consumidor.

corrente9

A tecnologia de transformadores tornou prática a distribuição de energia elétrica de longo alcance. Sem a capacidade de aumentar e diminuir a tensão eficientemente, seria proibitivo o custo de construir sistemas de energia para qualquer uso que não fosse de curto alcance (dentro de algumas milhas no máximo).

Tão útil quanto os transformadores, eles só funcionam com ca, não em cc. Como o fenômeno da indutância mútua depende da mudança dos campos magnéticos, e a corrente contínua só pode produzir campos magnéticos estáveis, os transformadores simplesmente não funcionarão com corrente contínua.

Naturalmente, a corrente contínua pode ser interrompida (pulsada) através do enrolamento primário de um transformador para criar um campo magnético variável (como é feito em sistemas de ignição automotivos para produzir energia de alta tensão de uma bateria cc de baixa tensão), mas cc pulsado não é tão diferente de ca. Talvez mais do que qualquer outro motivo, é por isso que a ca encontra uma aplicação tão ampla nos sistemas de energia.

Cristiano Bertulucci Silveira é engenheiro eletricista pela Unesp com MBA em Gestão de Projetos pela FVG e certificado pelo PMI. Atuou em gestão de ativos e gestão de projetos em grandes empresas como CBA-Votorantim Metais, Siemens e Votorantim Cimentos. Atualmente é diretor de projetos da Citisystems –cristiano@citisystems.com.br – Skype: cristianociti



Categorias:Opinião, Qualidade

Tags:, , , , ,

Deixe uma resposta

%d blogueiros gostam disto: