No início da eletrificação, na segunda metade do século XIX, a corrente elétrica utilizada nas redes urbanas era principalmente corrente contínua. As primeiras instalações de geradores alimentavam diretamente lâmpadas e motores localizados nas proximidades. As tensões eram baixas, as distâncias curtas e as perdas aceitáveis.
Com o rápido aumento da demanda por iluminação, força motriz e, mais tarde, eletrodomésticos, tornou-se necessário transportar energia por dezenas, depois centenas de quilômetros. A corrente contínua esbarrava então em um limite físico simples: para transportar muita potência sem perdas excessivas, é necessário aumentar a tensão e diminuir a intensidade.
A corrente elétrica existe em duas formas complementares: a corrente alternada e a corrente contínua. A primeira varia periodicamente, enquanto a segunda mantém uma polaridade constante. No entanto, nos sistemas modernos, essas duas formas não são opostas: a corrente contínua é muito frequentemente obtida retificando uma corrente alternada.
A corrente alternada é gerada diretamente por um alternador, cuja rotação cria uma tensão sinusoidal. Esta forma de energia é ideal para o transporte em alta tensão, pois pode ser facilmente transformada graças ao transformador.
A corrente contínua, historicamente produzida por dínamos, provém hoje majoritariamente da retificação de uma corrente alternada. A eletrônica de potência permite converter uma tensão alternada em uma tensão contínua estável, utilizada em baterias, eletrônica, sistemas de armazenamento e ligações HVDC. Assim, a corrente contínua moderna não é uma forma independente, mas uma transformação da corrente alternada.
A potência elétrica transportada é expressa por \(P = U \times I\), onde \(P\) é a potência, \(U\) a tensão e \(I\) a intensidade. Para uma potência dada, se a tensão for dobrada, a intensidade pode ser reduzida pela metade. No entanto, as perdas por efeito Joule nas linhas são proporcionais a \(I^{2} \times R\), sendo \(R\) a resistência dos cabos. Reduzir a intensidade é, portanto, o meio mais eficaz de limitar as perdas em longas distâncias.
Na prática, isso leva ao uso de tensões muito elevadas para o transporte e, em seguida, à redução dessas tensões o mais próximo possível dos locais de consumo. Isso é exatamente o que a corrente alternada permite, graças a um dispositivo-chave da engenharia elétrica: o transformador.
Consideremos uma potência elétrica de \(P = 1\ \text{GW}\), ordem de grandeza da potência fornecida por um reator nuclear. Suponhamos que esta potência deva ser transportada por \(100\ \text{km}\) por uma linha cuja resistência equivalente (ida e volta) é \(R = 3\ \Omega\), o que corresponde a cerca de \(0{,}03\ \Omega/\text{km}\). Comparemos um transporte a \(50\ \text{kV}\) e a \(400\ \text{kV}\), que faz parte dos padrões atuais.
1) Transporte a 50 kV
A intensidade necessária é:
\(I = \frac{P}{U} = \frac{1\ \text{GW}}{50\ \text{kV}} = 20.000\ \text{A}\).
As perdas por efeito Joule são então:
\(P_{\text{perdas}} = I^{2} \times R = (20.000)^{2} \times 3 = 1{,}2 \times 10^{9}\ \text{W}\).
As perdas atingem cerca de 1,2 GW na forma de calor, o que significa que seria necessário fornecer muito mais de 1 GW na entrada da linha para entregar 1 GW na outra extremidade. Em uma tensão tão baixa, o transporte se torna totalmente ineficiente.
2) Transporte a 400 kV
A intensidade se torna:
\(I = \frac{1\ \text{GW}}{400\ \text{kV}} = 2.500\ \text{A}\).
As perdas associadas são:
\(P_{\text{perdas}} = (2.500)^{2} \times 3 = 18{,}75 \times 10^{6}\ \text{W}\).
Perde-se apenas cerca de 18,75 MW, ou seja, menos de 2% da potência transportada.
Ao passar de \(50\ \text{kV}\) para \(400\ \text{kV}\), a tensão é multiplicada por 8, a intensidade é dividida por 8 e as perdas são divididas por \(8^{2} = 64\). Com uma resistência de linha realista, vê-se que a muito alta tensão é indispensável para transportar a potência de um reator nuclear com perdas aceitáveis.
Um transformador funciona apenas com corrente alternada. Ele se baseia na variação temporal do fluxo magnético em um circuito de ferro, que induz uma tensão em um enrolamento secundário quando um enrolamento primário é alimentado. Ajustando o número de espiras de cada enrolamento, eleva-se ou abaixa-se a tensão de maneira muito eficiente.
Esta propriedade tornou possível a estrutura em níveis das redes modernas: produção em média tensão, elevação a muito alta tensão para o transporte e, em seguida, redução progressiva até as tensões domésticas. Sem transformadores, cada nível de tensão teria exigido máquinas específicas e conversões complexas. A corrente alternada impôs-se, portanto, como a solução mais simples e robusta para uma rede extensa.
A famosa "guerra das correntes" opôs Thomas Edison (1847-1931), defensor da corrente contínua, a Nikola Tesla (1856-1943) e George Westinghouse (1846-1914), defensores da corrente alternada. Edison já havia investido em redes de distribuição em corrente contínua e temia que seu modelo de negócios fosse questionado. Tesla, por sua vez, havia projetado sistemas polifásicos especialmente adaptados à corrente alternada.
Demonstrações espetaculares de transporte a longa distância, como o fornecimento de eletricidade à cidade de Buffalo a partir das Cataratas do Niágara no final do século XIX, mostraram a superioridade prática da corrente alternada para grandes potências. As usinas podiam ser instaladas onde a energia primária estava disponível, e a eletricidade podia ser transportada para os centros urbanos com perdas limitadas.
A corrente alternada apresenta várias vantagens principais para uma rede em grande escala. Primeiro, a possibilidade de transformar facilmente a tensão permite otimizar cada trecho da rede de acordo com a distância e a potência a ser transportada. Segundo, as máquinas rotativas, como os motores assíncronos, são simples, robustas e pouco custosas quando alimentadas por corrente alternada.
Além disso, a sincronização de vários geradores em uma mesma rede é facilitada pela natureza periódica da corrente alternada. As grandes interconexões continentais baseiam-se nesta propriedade de sincronismo. Por fim, a medição e a proteção das linhas foram historicamente mais simples com grandezas alternadas, o que contribuiu para a confiabilidade global das redes.
A corrente contínua não desapareceu, no entanto. Com o avanço da eletrônica de potência, tornou-se possível converter eficientemente a corrente alternada em corrente contínua e vice-versa. As ligações de muito alta tensão em corrente contínua, chamadas HVDC, são hoje utilizadas para conectar redes distantes ou para transportar grandes potências submarinas.
Nestas aplicações, a corrente contínua oferece vantagens como a redução de certas perdas e a ausência de problemas de sincronização entre redes. No entanto, estes sistemas ainda dependem de um ambiente majoritariamente de corrente alternada, no qual a produção, a distribuição e a maioria dos usos permanecem alternados. A escolha histórica da corrente alternada continua, portanto, a estruturar a arquitetura global das nossas redes.
O sucesso da corrente alternada não é apenas uma questão de física. Resulta também de um compromisso entre as tecnologias disponíveis no final do século XIX, os custos de infraestrutura e as escolhas industriais dos pioneiros da eletricidade. Uma vez construídas as primeiras grandes redes alternadas, os efeitos de padronização reforçaram esta escolha inicial.
Até hoje, a frequência de 50 Hz na Europa e de 60 Hz na América do Norte é um legado dessas decisões históricas. Mudar de paradigma implicaria modificar bilhões de dispositivos e milhões de quilômetros de linhas. A corrente alternada continua, portanto, a ser a espinha dorsal da nossa civilização elétrica, enquanto a corrente contínua ocupa nichos especializados onde suas qualidades particulares são aproveitadas.
| Característica | Corrente alternada | Corrente contínua | Comentário |
|---|---|---|---|
| Transformação da tensão | Fácil com um transformador | Durante muito tempo difícil, requer eletrônica de potência | Ponto-chave para o transporte a longa distância |
| Perdas em linha | Reduzidas graças à alta tensão | Reduzidas em HVDC em distâncias muito longas | As duas soluções são hoje complementares |
| Máquinas rotativas | Motores assíncronos simples e robustos | Motores mais complexos ou específicos | Vantagem histórica para a indústria |
| Interconexão de redes | Sincronização necessária | Permite conectar redes não síncronas | HVDC usado como "ponte" entre sistemas |
| Usos típicos | Distribuição pública, indústria, habitação | Ligações longas, eletrônica, armazenamento | Arquitetura híbrida CA + CC |
Fonte: Agência Internacional de Energia – Informação sobre Eletricidade e CIGRE – Estudos sobre ligações HVDC.
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