A corrente alternada (CA) é usada para distribuição de energia em edifícios porque pode ser eficientemente aumentada ou diminuída em voltagem usando transformadores.Isto permite que a eletricidade percorra longas distâncias a uma tensão muito elevada, minimizando a perda de energia resistiva, sendo então reduzida de forma segura a 120 V.A corrente contínua (DC) não pode usar transformadores, tornando a transmissão de corrente contínua de longa distância historicamente impraticável.
A única razão mais importante pela qual a corrente alternada venceu a corrente contínua no final do século XIX é que os transformadores só funcionam com corrente alternada.
Um transformador opera com indução eletromagnética (lei de Faraday): uma mudança de campo magnético na bobina primária induz uma tensão na bobina secundária.Produz um campo magnético estático, sem indução., por isso um transformador simples não pode mudar a tensão de CC.
Com AC, a tensão pode ser:
- Aumentado na central a centenas de kilovolts (por exemplo, 230 kV, 500 kV, 765 kV) para transmissão de longa distância.
- Reduzido nas subestações locais para níveis de distribuição (por exemplo, 11 kV, 33 kV).
- Reduzido novamente perto ou dentro do edifício para 120 V, 240 V ou 230 V para uso final.
Esta transformação de tensão em vários estágios é a espinha dorsal da rede moderna e só é possível porque a corrente alternada inverte a direção 50 ou 60 vezes por segundo.
A electricidade perdida como calor durante a transmissão segue a fórmula:
P_perda = I2 × R
Onde I é a corrente e R é a resistência da linha.
P = V × I
Para uma quantidade fixa de potência, aumentar a tensão (V) diminui a corrente (I).Mesmo uma modesta redução na corrente produz uma queda dramática na energia desperdiçada.
Exemplo concreto: fornecer 100 MW a 12 kV requer cerca de 8.333 A de corrente. A 230 kV, os mesmos 100 MW exigem apenas cerca de 435 A.que reduz a perda de calor na linha em aproximadamente 360 vezes.
É por isso que as centrais elétricas enviam eletricidade a tensões extremas através de linhas de transmissão de alta tensão, e depois a reduzem progressivamente à medida que se aproxima dos utilizadores finais.Um sistema de CC sem transformadores teria que transmitir na mesma baixa, a tensão a nível do edifício que o cliente utiliza, resultando em perdas de energia catastróficas, mesmo em distâncias curtas.
O CA também tem vantagens na fonte e em toda a rede:
- Os geradores AC são mecanicamente mais simples. Uma bobina giratória em um campo magnético produz naturalmente corrente alternada.A geração de corrente contínua requer um comutador, um interruptor mecânico giratório que retifica a saída, o que aumenta o desgaste, manutenção e pontos de falha.
- A sincronização da rede é direta. Os sistemas de CA sincronizam-se naturalmente na mesma frequência (50 Hz ou 60 Hz), permitindo que várias usinas de energia se conectem a uma rede e compartilhem a carga.
- Uma infraestrutura global padronizada, mais de um século de domínio da CA produziu um ecossistema universal de transformadores, interruptores, dispositivos de proteção, motores,e aparelhos, todos concebidos em torno de CA.
Uma vez que a eletricidade chega a um edifício, os transformadores de CA tornam-na segura para fornecer em voltagens baixas e padronizadas:
- 120 V (América do Norte) e 230 V (Europa, Ásia, Austrália) são baixos o suficiente para reduzir a gravidade do choque elétrico, enquanto ainda alimentam a maioria das cargas domésticas.
- Os disjuntores e fusíveis interrompem a corrente alternada de forma mais confiável do que a corrente contínua na mesma tensão, porque a corrente alternada atravessa naturalmente o zero volts 100×120 vezes por segundo, ajudando a extinguir arcos durante condições de falha.
- As tomadas e os recipientes normalizados (NEMA, Schuko, Tipo A/B, etc.) criam uma interface de segurança universal.
DC, em contraste, arcos continuamente e é mais difícil de interromper a razão de que os disjuntores DC-rated são fisicamente maiores e mais caros.
A história não é inteiramente unilateral. Hoje, a CC de Alta Tensão (HVDC) é usada para aplicações específicas:
- Transmissão a muito longa distância (centenas a milhares de quilómetros), onde as linhas de CC apresentam perdas capacitivas/indutoras inferiores às de CA.
- Cabos submarinos, onde a capacidade AC através da água do mar torna-se proibitiva.
- Interligação de redes assíncronas que operam em diferentes frequências ou fases.
A HVDC resolve o problema da transformação de voltagem não com transformadores, mas com eletrônicos de potência (AC→DC) no extremo de envio e inversores (DC→AC) no extremo de recepção.Estes só se tornaram acessíveis nas últimas décadas.
Enquanto isso, dentro dos edifícios, muitos dispositivos já funcionam com corrente contínua: telefones, laptops, iluminação LED, carregadores de veículos, painéis solares e servidores de data center.Eles usam retificadores embutidos ou fontes de alimentação para converter AC de volta para conversão DC que desperdiça alguma energia e adiciona custoÉ por isso que alguns novos edifícios e centros de dados estão a experimentar a distribuição de corrente contínua no local, mas a própria rede de transmissão continua a ser predominantemente AC.
Porque não podemos usar DC de alta tensão em toda a rede?
A HVDC é excelente para a transmissão de ponto a ponto de longa distância, mas é dispendiosa a conversão de volta para CA para distribuição local,e DC não tem a infra-estrutura transformador simples que lida com circuitos de ramificaçãoA HVDC funciona como uma "estrada de transmissão" que alimenta a rede AC, não substituindo a distribuição a nível do edifício.
Os edifícios realmente usam AC internamente, ou DC?
As tomadas de saída fornecem corrente alternada, mas quase todos os dispositivos eletrônicos a convertem em corrente contínua internamente..Os painéis solares e os carregadores de veículos elétricos produzem ou utilizam corrente contínua, exigindo inversores ou conversores para interagir com a rede AC.
A AC está a ser eliminada em favor da DC?
A corrente alternada não está sendo eliminada para transmissão de energia. No entanto, a corrente contínua está crescendo nas bordas na energia solar em telhados, armazenamento de bateria, carregamento rápido de veículos elétricos e centros de dados.AC para distribuição de longa distância e edifícios, com segmentos de CC embutidos onde faz sentido econômico.
Conclusão
O CA tornou-se o padrão para a transmissão de energia para edifícios porque resolveu os dois problemas que definiram a eletrificação inicial:uma transmissão eficiente a longa distância (através de transformadores de alta tensão e transmissão de baixa corrente) e seguraA distribuição prática de uso final (voltagens reduzidas, interrupção confiável e equipamento padronizado)O CA continua a ser a forma mais económica e universalmente compatível de fornecer eletricidade de uma central eléctrica para uma tomada de saída na parede.
