Teoria do circuito AC: o que é AC e como é gerado

Introdução

Um circuito elétrico é um caminho condutor completo através do qual os elétrons fluem da fonte para a carga e de volta para a fonte. A direção e magnitude do fluxo de elétrons, entretanto, dependem do tipo de fonte. Em Engenharia Elétrica, existem basicamente dois tipos de fonte de tensão ou corrente (Energia Elétrica) que definem o tipo de circuito e eles são; Corrente alternada (ou tensão) e corrente contínua.

Para os próximos dois posts, iremos nos concentrar na corrente alternada e passaremos por tópicos que vão desde o que é corrente alternada até formas de onda AC e assim por diante.

Circuitos AC

Os circuitos CA, como o nome (corrente alternada) indica, são simplesmente circuitos alimentados por uma fonte alternada, seja de tensão ou corrente. Uma corrente alternada ou tensão é aquela em que o valor da tensão ou da corrente varia em torno de um determinado valor médio e inverte a direção periodicamente.

A maioria dos aparelhos e sistemas domésticos e industriais atuais são alimentados por corrente alternada. Todos os aparelhos com base em CC conectados e dispositivos com base em bateria recarregável funcionam tecnicamente em corrente alternada, pois todos usam alguma forma de energia CC derivada de CA para carregar suas baterias ou alimentar o sistema. Assim, a corrente alternada é a forma pela qual a energia é fornecida à rede.

O circuito alternado surgiu na década de 1980, quando Tesla decidiu resolver a incapacidade de longo alcance dos geradores DC de Thomas Edison. Ele procurou uma maneira de transferir eletricidade em alta tensão e, em seguida, empregar o uso de transformadores para aumentá-la ou diminuí-la conforme necessário para a distribuição e, assim, foi capaz de minimizar a perda de energia em uma grande distância, que era o principal problema da Direct Atual na época.

Corrente alternada VS Corrente contínua (AC vs DC)

AC e DC diferem de várias maneiras de geração para transmissão e distribuição, mas por uma questão de simplicidade, vamos manter a comparação de suas características para este post.

A principal diferença entre CA e CC, que também é a causa de suas características diferentes, é a direção do fluxo da energia elétrica. Em DC, os elétrons fluem continuamente em uma única direção ou para frente, enquanto em AC, os elétrons alternam sua direção de fluxo em intervalos periódicos. Isso também leva a uma alternância no nível de tensão, uma vez que muda de positivo para negativo em linha com a corrente.

Abaixo está um gráfico de comparação para destacar algumas das diferenças entre CA e CC. Outras diferenças serão destacadas à medida que explorarmos mais os circuitos de corrente alternada.

Base de comparação	AC	DC
Capacidade de transmissão de energia	Viaja por longas distâncias com perda mínima de energia	Grande quantidade de energia é perdida quando enviada por longas distâncias
Geração Básica	Girando um ímã ao longo de um fio.	Magnetismo constante ao longo de um fio
Frequência	Normalmente 50 Hz ou 60 Hz dependendo do país	A frequência é zero
Direção	Inverte a direção periodicamente ao fluir através de um circuito	É um fluxo constante constante em uma direção.
Atual	Sua magnitude varia com o tempo	Magnitude Constante
Fonte	Todas as formas de geradores CA e rede elétrica	Células, baterias, conversão de AC
Parâmetros Passivos	Impedância (RC, RLC, etc)	Resistência apenas
Fator de potência	Encontra-se entre 0 e 1	Sempre 1
Forma de onda	Sinusoidal, Trapezoidal, Triangular e Quadrado	Linha reta, às vezes pulsante.

Fonte CA básica (gerador CA de bobina única)

O princípio da geração de CA é simples. Se um campo magnético ou ímã é girado ao longo de um conjunto estacionário de bobinas (fios) ou a rotação de uma bobina em torno de um campo magnético estacionário, uma corrente alternada é gerada usando um gerador AC (alternador).

A forma mais simples de gerador CA consiste em um laço de fio que é girado mecanicamente em torno de um eixo enquanto é posicionado entre os pólos norte e sul de um ímã.

Considere a imagem abaixo.

À medida que a bobina da armadura gira dentro do campo magnético criado pelos ímãs dos pólos norte e sul, o fluxo magnético através da bobina muda e as cargas são forçadas através do fio, dando origem a uma voltagem efetiva ou voltagem induzida. O fluxo magnético através do loop é o resultado do ângulo do loop em relação à direção do campo magnético. Considere as imagens abaixo;

A partir das imagens mostradas acima, podemos deduzir que, certo número de linhas do campo magnético serão cortadas conforme a armadura gira, a quantidade de 'linhas cortadas' determina a saída de tensão. Com cada mudança no ângulo de rotação e o movimento circular resultante da armadura contra as linhas magnéticas, a quantidade de 'linhas magnéticas cortadas' também muda, portanto, a tensão de saída também muda. Por exemplo, as linhas do campo magnético cortadas a zero grau são zero, o que torna a tensão resultante zero, mas a 90 graus, quase todas as linhas do campo magnético são cortadas, portanto a tensão máxima em uma direção é gerada em uma direção. O mesmo vale para 270 graus, mas é gerado na direção oposta. Existe, portanto, uma mudança resultante na voltagem conforme a armadura gira dentro do campo magnético, levando à formação de uma forma de onda senoidal. A tensão induzida resultante é, portanto, senoidal, com uma frequência angular ω medida em radianos por segundo.

A corrente induzida na configuração acima é dada pela equação:

I = V / R

Onde V = NABwsin (wt)

Onde N = velocidade

A = Área

B = campo magnético

w = frequência angular.

Geradores CA reais são obviamente mais complexos do que isso, mas funcionam com base nos mesmos princípios e leis de indução eletromagnética descritos acima. A corrente alternada também é gerada usando certos tipos de transdutores e circuitos osciladores como os encontrados em inversores.

Transformadores

Os princípios de indução em que se baseia a CA não se limitam apenas à sua geração, mas também à sua transmissão e distribuição. Como na época em que o AC entrou em consideração, um dos principais problemas era o fato de o DC não poder ser transmitido a uma longa distância, portanto, um dos principais problemas, o AC tinha que ser resolvido para se tornar viável, era ser capaz de para entregar com segurança as altas tensões (KVs) geradas aos consumidores que usam tensões na faixa de V e não KV. Esse é um dos motivos pelos quais o transformador é descrito como um dos maiores habilitadores da CA e é importante falar sobre isso.

Nos transformadores, duas bobinas são ligadas de forma que, quando uma corrente alternada é aplicada em uma, induz tensão na outra. Transformadores são dispositivos usados para diminuir ou aumentar a tensão aplicada em uma extremidade (bobina primária) para produzir uma tensão mais baixa ou mais alta, respectivamente, na outra extremidade (bobina secundária) do transformador. A tensão induzida na bobina secundária é sempre igual à tensão aplicada no primário multiplicada pela razão entre o número de espiras na bobina secundária e a bobina primária.

Um transformador sendo um transformador redutor ou redutor depende, portanto, da relação entre o número de voltas na bobina secundária e o número de voltas do condutor na bobina primária. Se houver mais espiras na bobina primária em comparação com a secundária, o transformador diminui a tensão, mas se a bobina primária tem menos número de espiras em comparação com a bobina secundária, o transformador aumenta a tensão aplicada no primário.

Transformers tornou a distribuição de energia elétrica em longo alcance muito possível, econômica e prática. Para reduzir as perdas durante a transmissão, a energia elétrica é transmitida de estações geradoras em alta tensão e baixa corrente e, em seguida, distribuída para residências e escritórios em baixas tensões e altas correntes com o auxílio de transformadores.

Portanto, vamos parar por aqui para não sobrecarregar o artigo com muitas informações. Na parte dois deste artigo, discutiremos as formas de onda CA e entraremos em algumas equações e cálculos. Fique ligado.