Apostila ETE parte 2_2012_01

10. CIRCUITO TRIFÁSICO
A maior parte da geração, transmissão e utilização em alta potência da
energia elétrica envolve sistemas polifásicos, ou seja, sistemas nos quais são
disponíveis diversas fontes de mesma amplitude com uma diferença de fase entre
elas. Por possuir vantagens econômicas e operacionais, o sistema trifásico é o mais
difundido.
Uma Fonte Trifásica é constituída de três fontes de tensões iguais
defasadas 120° uma da outra. As figuras abaixo apre sentam o esquema de um
gerador trifásico com as tensões produzidas.
10.1 PRODUÇÃO DA TENSÃO TRIFÁSICA
Fig. 74 - Gerador
Supondo o rotor girando no sentido anti-horário com 3600 RPM (f = 60 Hz) um
seu campo magnético corta os rolamentos do induzido, induzindo neles as tensões
senoidais ilustrados na figura. Estas tensões atingem seus valores máximos e
mínimos com uma distância de 1/3 de um período, ou seja, com uma defasagem de
120°, e isto devido ao deslocamento espacial de 120 ° dos enrolamentos do induzido.
Como resultado, visto que as bobinas são iguais (mesma seção e mesmo número de
espiras), o alternador produz 3 tensões de mesmo valor eficaz com uma defasagem
de 120 ° entre elas. Normalmente estas tensões são geradas em 13,8 kV. Tem-se
portanto:
2
O diagrama fasorial destas tensões é apresentado a seguir.
Fig. 75: Fasores trifásicos
Dependendo do autor, poderá ser usada uma nomenclatura diferente para
indicar as tensões, como V1, V2, V3, A, B, C ou R, S, T, mas sempre serão 3 fases e
defasadas de 120° uma da outra.
10.2 VANTAGENS DO SISTEMA TRIFÁSICO
- Permite transmissão de potência de forma mais econômica.
- Motores trifásicos não necessitam de capacitores para a partida, motores
monofásicos sim.
- Maior versatilidade para a montagem do circuito, pois de um circuito trifásico,
podem derivar vários monofásicos.
3
SISTEMAS EM TRIÂNGULO E ESTRELA
Fig. 76: Enrrolamentos do motor
Variando o modo de ligação destes 3 enrolamentos do gerador, se obtém 2
tipos de ligações em circuitos trifásicos, a ligação em estrela (Y) e a ligação em
triângulo (∆).
10.3 LIGAÇÃO EM ∆.
A figura abaixo apresenta o esquema de ligações que deve ser realizado com
os três enrolamentos do gerador para que se obtenha uma conexão em ∆.
Fig. 77: Ligação triângulo
Quando um gerador tem seus enrolamentos ligados em ∆, as tensões de
linha são iguais as tensões de fase e as correntes de linha são diferentes das
correntes de fase. A figura abaixo apresenta a nomenclatura utilizada para as
tensões e correntes em um circuito em ∆.
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Figura 78: Tensão e corrente em triângulo
E deste tipo de ligação, se obtém as equações fundamentais para circuito
trifásico em ∆:
10.4 LIGAÇÃO EM Y
A figura abaixo apresenta o esquema de ligações que deve ser realizado com
os três enrolamentos do gerador para que se obtenha uma conexão em Y.
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Figura 79: Ligação em estrela
Quando um gerador tem seus enrolamentos ligados em Y, as tensões de
linha são diferentes das tensões de fase e as correntes de linha são iguais as
correntes de fase. A figura abaixo apresenta a nomenclatura utilizada para as
tensões e correntes em um circuito em Y.
Figura 80: Tensão e corrente em estrela
E deste tipo de ligação, se obtém as equações fundamentais para circuito
trifásico em ∆:
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10.5 EXERCÍCIO RESOLVIDO:
10.5.1 Três resistências de 20Ω cada são ligadas em Y a uma linha de 3-Ø de 240V
funcionando com um FP de uma unidade. Calcule a corrente através de cada
resistência, a corrente da linha e a potência consumida pelas três resistências.
10.5.2 Calcule as correntes e a potência agora para uma ligação em triângulo.
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Em Y:
Em ∆:
10.6 EXERCÍCIOS
10.6.1 Desenhe uma rede trifásica ligada em estrela com tensão de linha de 380V
mais neutro, nesta rede ligue 2 circuitos monofásicos de iluminação com 220V, um
motor monofásico, um motor trifásico e um banco de capacitores.
10.6.2 Um gerador ligado em Y fornece 40A para cada linha e tem uma tensão de
fase de 50V. Calcule a corrente de cada fase e a tensão de linha.
10.6.3 Em um sistema trifásico em ∆ a corrente de linha é 30A, se a tensão de linha
for 220V qual a potência liberada (considerar F.P. unitário)?
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10.6.4 Para cada um dos circuitos que se seguem, determinar (a) a corrente de
linha e (b) a impedância Z. Sabe-se que, em ambos os casos, a carga consome
15,8kW com FP = 0,8.
10.6.5 Para o circuito trifásico abaixo determine:
a) A potência ativa do motor trifásico, do conjunto de iluminação e do conjunto
de motores monofásicos.
b) A potência reativa do motor trifásico, do conjunto de iluminação e do
conjunto de motores monofásicos.
c) Potência aparente da fonte.
d) Corrente de linha.
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10.6.6: Para o circuito abaixo determine:
a) As potências ativa, reativa e aparente do motor trifásico.
b) As potências ativa, reativa e aparente do conjunto de motores
monofásicos.
c) O triângulo de potência total do circuito.
d) A corrente de linha do circuito.
11 MOTORES ELÉTRICOS
11.1 HISTÓRICO
O ano de 1866 pode ser considerado, em termos práticos, como o ano de
nascimento da máquina elétrica, pois foi nesta data que o cientista alemão Werner
Siemens inventou o primeiro gerador de corrente contínua auto-induzido. Entretanto,
deve-se mencionar que esta máquina elétrica, que revolucionou o mundo
em
poucos anos, foi o último estágio de um processo de estudos, pesquisas e
invenções de muitos outros cientistas, durante quase três séculos.
Foi o engenheiro eletricista Dobrowolsky, da firma AEG, de Berlim, que,
persistindo na pesquisa do motor de corrente alternada entrou, em 1889, com o
pedido de patente de um motor trifásico com rotor de gaiola. O motor apresentado
tinha uma potência de 80 watts, um rendimento aproximado de 80% em relação à
potência consumida e um excelente conjugado de partida. As vantagens do motor
com rotor de gaiola em relação ao de corrente contínua eram marcantes: construção
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mais simples, silencioso, menor manutenção e alta segurança em operação.
Dobrowolsky desenvolveu, em 1891, a primeira fabricação em série de motores
assíncronos, nas potências de 0,4 a 7,5kW.
Fig. 85: O Universo Tecnológico em Motores Elétricos
11.2 MOTOR SÍNCRONO
Os motores síncronos são motores de velocidade constante e proporcional
com a freqüência da rede, desta forma são amplamente utilizados na geração de
energia elétrica.
Os pólos do rotor seguem o campo girante imposto ao estator pela rede de
alimentação trifásica. Assim, a velocidade do motor é a mesma do campo girante.
Basicamente, o motor síncrono é composto de um enrolamento estatórico trifásico,
que produz o que se designa de campo girante, e de um rotor bobinado (de pólos
salientes ou de pólos lisos) que é excitado por uma tensão CC.
11
Fig. 86: Motor síncrono
11.3 MOTOR ASSÍNCRONO
Os motores assíncronos ou de indução, por serem robustos e mais baratos,
são os motores mais largamente empregados na indústria. Nestes motores, o campo
girante tem a velocidade síncrona, como nas máquinas síncronas.
Teoricamente, para o motor girando em vazio e sem perdas, o rotor teria
também a velocidade síncrona. Entretanto ao ser aplicado o conjugado externo ao
motor, o seu rotor diminuirá a velocidade na justa proporção necessária para que a
corrente induzida pela diferença de rotação entre o campo girante (síncrono) e o
rotor, passe a produzir um conjugado eletromagnético igual e oposto ao conjugado
externamente aplicado.
Basicamente os motores assíncronos se subdividem em dois tipos principais,
o Rotor de Gaiola e o Rotor Bobinado
11.3.1 Rotor Gaiola
Os motores deste tipo também são comumente chamados de motores de
GAIOLA DE ESQUILO, pois seu enrolamento rotórico tem a característica de ser
curto-circuitado, assemelhando-se a tal, como mostrado na figura a seguir:
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Fig. 87: Motor assíncrono de rotor gaiola
Este é o motor mais utilizado em todo mundo, pois é muito mais barato que os
demais, sua manutenção também e barata e dificilmente apresenta problema, se
comparado aos outros tipos de motores.
11.4 MOTOR CC
As máquinas de corrente contínua, em função do seu princípio de
funcionamento, permitem variar a velocidade de zero até a velocidade nominal aliada
com a possibilidade de se ter conjugado constante. Esta característica é de
fundamental importância, pois dessa forma torna-se possível fazer o acionamento em
várias aplicações que exigem ampla faixa de variação de velocidade com uma ótima
regulação e precisão de velocidade.
Sendo um sistema específico e direcionado a aplicações dedicadas, os
motores de corrente contínua são dimensionados de forma a ter as suas
características definidas especialmente ao acionamento, vindo com isto a acarretar
em uma elevação dos custos de produção e ser considerado como uma máquina
diferenciada, onde na maior parte das situações é produzida sob encomenda.
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Outra característica destes motores é que possuem em sua maioria ventilação
independente e classe de isolamento melhorada (classe F), para que permitam a
sua operação em velocidades reduzidas sem problemas de sobreaquecimento e
redução de sua vida útil.
Fig. 89: Motor Corrente Contínua
11.5 VELOCIDADE NOMINAL
É a velocidade (rpm) do motor funcionando à potência nominal, sob tensão e
freqüência nominais. A velocidade nominal depende do escorregamento (para
motores assíncronos) e da velocidade síncrona.
A velocidade síncrona nS (para motores síncronos) é função do número de
pólos e da freqüência de alimentação:
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Tabela 2: Velocidades síncronas para os diferentes números de pólos
11.6 RELAÇÃO ENTRE UNIDADES DE POTÊNCIA
11.7 LIGAÇÕES DOS MOTORES
11.7.1 Motores Monofásicos
Os motores monofásicos normalmente possuem dois enrolamentos principais
e um circuito auxiliar de partida, composto por uma chave centrífuga, enrolamento
auxiliar e capacitor, como mostra a figura a seguir.
Fig. 90: Bobinas de motor monotásico
Para fazer a ligação em 127 V, os enrolamentos principais são ligados em paralelo,
juntamente com o circuito auxiliar. Observe a Figura 1.12.
15
Fig. 91: Bobinas de motor monotásico
Em 220 V, os enrolamentos principais são ligados em série e o circuito
auxiliar é ligado em paralelo com um dos enrolamentos. A Figura 1.13 traz esta
ligação.
Fig. 92: Bobinas de motor monotásico
Para fazer a inversão de um motor monofásico, basta inverter os auxiliar de
partida, ou seja, trocar os bornes 5 e 6.
11.7.2 Motores Trifásicos
Os motores Irifásicos não necessitam de circuito auxiliar de partida e
normalmente possuem um enrolamento por fase. A Figura 1.14 mostra a
configuração dos bornes de um motor trifásico.
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Fig. 93: Enrrolamentos
Existem duas formas básicas de ligação de um motor trifásico: estrela e
triângulo. A Figura 1.15 traz a ligação estrela e a Figura 1.16 a ligação triângulo.
Fig. 94: Ligação em Y
Fig. 95: Ligação triângulo
Na a ligação triângulo, a tensão sobre os enrolamentos é a mesma da tensão
de rede, enquanto que a corrente se divide Para a ligação estrela, a tensão de rede
é dividida entre’es enrolamentos enquanto que a tensão se divide. Observe a Figura
1.16
17
.
Fig. 96: Ligação estrela e triângulo
As relações entre as tensões e correntes de linha e sobre enrolamentos são:
Para a ligação triângulo:
Para a ligação estrela:
Para o motor, o que é inalterável é a tensão sobre os enrolamentos, que é a
mesma para ambas ligações. Então, para um motor ligado em triângulo com uma
tensão de 220 V (que é a tensão sobre o enrolamento), para ser ligado em estrela
deverá ser ligado numa rede de 380 V, a fim de que se tenha os mesmos 220 V
sobre os enrolamentos.
11.8 EXERCÍCIOS
1) Explique com suas palavras o que é motor elétrico.
2) Quais as vantagens e desvantagens de um motor CC.
3) O que são motores síncronos?
4) Qual é o motor mais utilizado nas indústrias e por quê?
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5) Qual a corrente de um motor de 20CV ligado na tensão trifásica nominal de
Joinville?
6) Se o motor da questão anterior fosse ligado estrela na tensão trifásica de
Joinville, este poderia ser ligado em alguma cidade com tensão nominal
trifásica de 220V? Se sim, qual seria a corrente de linha deste?
7) Faça o esquema de ligação em uma rede trifásica em Joinville de um motor
monofásico, um motor trifásico ligado em estrela e outro motor trifásico ligado
em triângulo.
8) Se um motor ligado em estrela tem a tensão nominal de 380V, qual é a
tensão de ligação em triângulo? Explique sua resposta.
9) Calcule a rotação de um motor síncrono de VI pólos ligados em 60Hz.
10) Calcule a rotação de um motor assíncrono de II pólos, 60Hz com 3% de
escorregamento.
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12.TRANSFORMADORES
12.1 Princípio De Funcionamento
Vimos anteriormente que a indução corresponde a geração de uma corrente
elétrica a partir do deslocamento de um campo magnético próximo a um condutor,
ou vice-versa.
Quando se tem uma corrente elétrica circulando em uma bobina, um campo
magnético é gerado. Se a corrente elétrica for variável o campo magnético também
será variável. Sendo assim, existe um movimento do campo magnético em relação
ao condutor.
Se próxima a esta bobina (primeira bobina ou bobina indutora) houver uma
segunda bobina, esta também será cortada pelas linhas de força. Em conseqüência
surgirá nesta segunda bobina uma tensão (figura 2 e 3). Esta tensão é conhecida
por tensão induzida, e seu valor depende de:
- Intensidade da tensão aplicada na bobina indutora;
- Número de espiras da bobina indutora (primeira bobina);
- Número de espiras da segunda bobina.
Fig. 97: Indução Eletromagnética
Fig. 98 – Campo magnético devido a uma corrente elétrica.
20
Fig. 99 – Indução de uma tensão na bobina secundária devido a estar próxima de uma bobina
indutora.
Um transformador consiste em duas (ou mais) bobinas enroladas sobre um
núcleo de material magnético ou, então, próximas de modo que as linhas de fluxo de
uma bobina (bobina indutora ou bobina primária) cortem as espiras de outra bobina
(bobina induzida ou bobina secundária). A figura 4 mostra um transformador Ideal,
sem perdas, já a figura 5, mostra um esquema eletromagnético de um transformador
real.
Fig. 100: Transformador Ideal
Fig. 101: Transformador Real
21
O campo magnético pode induzir uma tensão noutro indutor, se este for
enrolado sobre uma mesma forma ou núcleo. Pela Lei de Faraday, a tensão
induzida será proporcional à velocidade de variação do fluxo, e ao número de
espiras deste indutor.
E2 = N2 df/dt
Aplicando aos dois enrolamentos, a lei permite deduzir a relação básica do
transformador.
E1/E2 = N1/N2
A relação de correntes é oposta à de tensões.
I1/I2 = N2/N1
O índice 1 se refere ao indutor ao qual se aplica tensão, o primário, e 2,
àquele que sofre indução, o secundário.
O transformador é um conversor de energia elétrica, de alta eficiência
(podendo ultrapassar 99%), que altera tensões e correntes, e isola circuitos.
PERDAS
Além das perdas no cobre dos enrolamentos (devidas à resistência), os
transformadores e bobinas apresentam perdas magnéticas no núcleo.
Histerese: Os materiais ferromagnéticos são passíveis de magnetização, através do
realinhamento dos domínios, o que ocorre ao se aplicar um campo (como o gerado
por um indutor ou o primário do transformador). Este processo consome energia, e ao
se aplicar um campo variável, o material tenta acompanhar este, sofrendo sucessivas
imantações num sentido e noutro, se aquecendo. Ao se interromper o campo, o
material geralmente mantém uma magnetização, chamada campo remanente.
Perdas por correntes parasitas ou de Foucault: São devidas à condutividade
do núcleo, que forma, no caminho fechado do núcleo, uma espira em curto, que
22
consome energia do campo. Para minimizá-las, usam-se materiais de baixa
condutividade, como a ferrite e chapas de aço-silício, isoladas uma das outras por
verniz. Em vários casos, onde não se requer grandes indutâncias, o núcleo contém
um entreferro, uma separação ou abertura no caminho do núcleo, que elimina esta
perda.
12.2 TIPOS DE TRANSFORMADORES
12.2.1 Transformador de alimentação:
É usado em fontes, convertendo a tensão da rede na necessária aos circuitos
eletrônicos. Seu núcleo é feito com chapas de açosilício, que tem baixas perdas, em
baixas freqüências, por isto é muito eficiente. Às vezes possuem blindagens,
invólucros metálicos.
Fig. 102: Transformadores de alimentação
12.2.2 Transformador de áudio:
Usado em aparelhos de som a válvula e certas configurações a transistor, no
acoplamento entre etapas amplificadoras e saída ao alto-falante. Geralmente é
semelhante ao t. de alimentação em forma e no núcleo de aço-silício, embora
também se use a ferrite. Sua resposta de freqüência dentro da faixa de áudio, 20 a
20000 Hz, não é perfeitamente plana, mesmo usando materiais de alta qualidade no
núcleo, o que limita seu uso.
23
Fig. 103: Transformador de áudio
12.2.3Transformador de potência e distribuição:
Encontrado nos postes e entradas de força em alta tensão (industriais), são
de alta potência e projetados para ter alta eficiência (da ordem de 99%), de modo a
minimizar o desperdício de energia e o calor gerado. Possui refrigeração a óleo, que
circula pelo núcleo dentro de uma carapaça metálica com grande área de contato
com o ar exterior. Seu núcleo também é com chapas de aço-silício, e pode ser
monofásico ou trifásico (três pares de enrolamentos).
24
Fig. 104- Transformador de distribuição
Tabelas 3 e 4
Fig. 105- Transformador seco
25
12.2.4 Transformadores de potencial:
Encontra-se nas cabines de entrada de energia, fornecendo a tensão
secundária de 220V, em geral, para alimentar os dispositivos de controle da cabine reles de mínima e máxima tensão (que desarmam o disjuntor fora destes limites),
iluminação e medição. A tensão de primário é alta, 13.8kV ou maior. O núcleo é de
chapas de aço-sílicio, envolvido por blindagem metálica, com terminais de alta
tensão afastados por cones salientes, adaptados a ligação às cabines. Podem ser
mono ou trifásicos.
Fig. 106: Transformador de potencial
12.2.5 Transformador de corrente:
Usado na medição de corrente, em cabines e painéis de controle de
máquinas e motores. Consiste em um anel circular ou quadrado, com núcleo de
chapas de aço-sílicio e enrolamento com poucas espiras, que se instala passando o
cabo dentro do furo, este atua como o primário. A corrente é medida por um
26
amperímetro ligado ao secundário (terminais do TC). É especificado pela relação de
transformação de corrente, com a do medidor sendo padronizada em 5A, variando
apenas a escala de leitura e o número de espiras do TC.
Fig. 107: Transformador de corrente
12.3 Autotransformadores
Se aplicarmos uma tensão a uma parte de um enrolamento (uma derivação),
o campo induzirá uma tensão maior nos extremos do enrolamento. Este é o princípio
do autotransformador.
Fig. 108:
Autotrasformador
27
Fig. 109- Autotransformador
Uma característica importante dele é o menor tamanho, para certa potência,
que um transformador. Isto não se deve apenas ao uso de uma só bobina, mas ao
fato da corrente de saída ser parte fornecida pelo lado alimentada, parte induzida
pelo campo, o que reduz este, permitindo um núcleo menor, mais leve e mais barato.
A desvantagem é não ter isolação entre entrada e saída, limitando as aplicações.
São muito usados em chaves de partida compensadoras, para motores
(circuitos
que
alimentam
motores
com
tensão
reduzida
fornecida
pelo
autotransformador, por alguns segundos, reduzindo o pico de corrente durante a
aceleração) e em estabilizadores de tensão (autotransformador com várias
derivações - taps - , acima e abaixo do ponto de entrada, o circuito de controle
seleciona uma delas como saída, elevando ou reduzindo a tensão, conforme a
entrada).
Fig. 110: Autotransformador
28
12.4 Formas De Ligação De Transformadores Trifásicos
Seguidamente
apresentam-se
as
diferente
formas
de
ligação
dos
enrolamentos de transformadores trifásicos:
Fig. 111: Ligações dos enrolamentos do transformador
As duas primeiras formas são as ligações em Estrela e Triângulo. A terceira
forma – ligação em zig-zag – pressupõe a partição de cada um dos três
enrolamentos em dois semi-enrolamentos, interligados da maneira apresentada na
figura – é uma espécie de estrela “desmembrada”.
12.5 TAP
Tap é um conjunto de conexões que podem ser feitas no primário de um
transformador de potência que permite variar a tensão no secundário.
•Pode-se variar a relação entre as espiras de um transformador quando se
deseja controlar a tensão em um dos terminais.
•O termo utilizado para nomear a tomada para variar a relação de espiras
“tap” do transformador;
•O tap pode ser variado manual ou automaticamente.
é
29
No caso de variação automática a tensão num dos terminais é
a uma referência e o erro é utilizado para gerar um sinal que
comparada
corrige a posição
do tap.
Fig. 112: Placa de identificação do transformador
12.6 Valores Nominais
Como O Estudo Dos Transformadores Envolve As Principais Grandezas
Elétricas, A ABNT (Associação Brasileira De Normas Técnicas) Estabeleceu
Normas Nacionais De Operação, Construção, Manutenção E Uso Dos Mesmos.
Segundo A NBR 5440, As Potências Padronizadas Para Transformadores De
Distribuição, Em kVA, São:
a) Transformador Monofásico Instalado Em Poste: 3; 5; 10; 15; 25; 37,5; 50;
75; 100
b) Transformador Trifásico Instalado Em Poste: 15; 30; 45; 75; 112,5; 150
c) Transformador Trifásico Instalado Em Plataforma: 225; 300; 500; 750; 1000
30
Fig. 113: Transformador Monofásico
Fig. 114 : Transformador Trifásico Em Poste
Fig. 115: Transformador Trifásico Em Subestação Abrigada
12.7 EXERCÍCIOS
1) Um transformador para uma campainha reduz a tensão de 110 para 11V, se
houver 20 espiras no secundário, qual o número de espiras no primário?
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2) Calcule a tensão nas velas de ignição ligadas ao secundário de uma bobina
com 60 espiras no primário e 36.000 espiras no secundário, se o primário está
ligado a um alternador de 12V.
3) Explique com suas palavras o princípio de funcionamento de um
transformador.
4) Quais as vantagens e desvantagens dos transformadores a seco e a óleo?
5) Um transformador ligado em triângulo na alta e estrela na baixa, com 380V no
primário, com mesmo número de expiras no primário e secundário, alimenta
uma carga ligada em estrela. Qual é a tensão de linha e de fase em ambos os
lados do transformador?
6) Um
conjunto
de
cargas
trifásicas
consomem
uma
demanda
de
aproximadamente 110kW, com um FP de 0,92. Qual seria o melhor
transformador para este caso?
7) Desenhe o esquema de ligação de um transformador de potência ligado na
rede de média tensão e Joinville, indicando as tensões no primário e
secundário, tensão de fase e de linha e as ligações do transformador.
13. DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO E COMANDO
A instalação de máquinas diversas requer uma grande gama de dispositivos
que possibilitem o perfeito funcionamento, de preferência o mais automatizado
possível, com proteção em caso de falhas. Os quadros de comando proporcionam
essa confiabilidade, além de garantir uma maior segurança ao operador da máquina,
já que o mesmo não estará em contato direto com a alimentação de força da
máquina. O acionamento é remoto, através de chaves que se encontram fora do
painel de comando, não havendo necessidade de se abrir o painel para ligar ou
desligar uma máquina. Além disso, o equipamento fica protegido contra eventuais
32
problemas causados por fatores diversos, como sobrecarga, curto-circuito ou erro de
operação.
Estudaremos agora os principais componentes de quadros de comando,
levando nosso foco para a partida de motores elétricos.
13.1 FUSÍVEL
O fusível é um dispositivo de proteção contra as correntes de curto-circuito.
Sua atuação é baseada no elemento fusível, que é um condutor geralmente de
cobre, prata ou estanho, de pequena seção que se funde ao ser atravessado por
uma corrente de valor maior que a estipuladá pela sua curva de atuação.
Os fusíveis de uso industríal, para correntes maiores, são feitos de um corpo
cerâmico ladeado por placas metálicas, os contatos, que estão ligadas pelo
elemento fusível. No interior do corpo cerâmico há areia de quartzo epvolvendo o
elemento fusível, cuja função é de extinguir o arco elétrico criado pela queima do
fusível. Também possuem uma chapa ou pino colorido, que indica quando o fusível
atua.
Os fusíveis podem ser classificados:
a) Quanto à capacidade de interrupção: em fusíveis retardados, para
proteção de motores e máquinas em geral ou ultra-rápidos, para proteção
de equipamentos eletrônicos sensíveis;
b) Quanto ao nível de tensão: de baixa ou alta tensão;
c) Quanto à forma construtiva: Diazed (diametral) ou NH.
Os fusíveis de efeito retardado são fabricados para suportar uma corrente
maior que sua corrente nominal durante um certo tempo. Assim, durante a partida de
um motor, em que a corrente alcança valorõs maiores do que as de trabalho, os
fusíveis não queimam. Em outro tópico, vamos aprender como usamos a curva dos
fusíveis para dimensioná-los.
A Figura 116 mostra um fusível Diazed, que são fabricados no valores
nominais de corrente 2,4, 6, 10, 16, 20, 25, 35, 50 e 63 A.
Os fusíveis NH são idênticos aos Diazed em funcionamento, porém seu
33
formato é diferente, pois são montados em bases com contatos tipo faca e devem
ser removidos com o uso de sacadores especiais. A Figura 2 mostra um fusível NH
em corte.
Figura 116: Fusível Diazed E Peças
Os fusíveis NH são fabricados de 4 até 630 A. Por questões econômicas,
sempre que possível, é preferível que se use fusíveis Diazed.
Figura 117: Fusível NH
13.2 RELÉ TÉRMICO
Também chamado de relé de sobrecarga ou bimetáfico, seu funcionamento
baseia-se no princípio da dilatação térmica dos metais. A cada fase é ligado um
componente chamado bimetálico, que consiste em duas lâminas de metais
34
diferentes soldadas entre si. Quando a corrente percorre o relé térmico, as lâminas,
por efeito Joule aquecem e se dilatam. Como os metais são diferentes, a dilatação
também é diferente, fazendo com que as lâminas se enverguem. Como a
temperatura é função direta da intensidade de corrente que circula, pode-se fazer
uma relação entre a corrente e o ângulo de desvio do bimetálico. Desta forma o relé
funciona como um equipamento de proteção contra sobre corrente.
Figura 118: Relé térmico
13.3. DISJUNTORES
Um disjuntor é um equipamento que une as funções do relé térmico e do
fusível e tem mais a função se seccionadora, desta forma ele protege contra
correntes de curto circuito, sobre carga e também interrompe o circuito.
Figura 119: Disjuntor
35
Como disjuntor mais comum fabrica-se o disjuntor magnetotérmico que possui
um relé eletromagnético que protege contra curto – circuitos e um relé térmico,
constituído por uma lâmina bi metálica, que protege contra sobrecargas.
13.4 DISJUNTOR – MOTOR
Os disjuntores-motor possuem as mesmas características básicas de um
disjuntor termomagnético convencional, juntamente com a característica de retardo
dos fusíveis retardados e o ajuste da corrente de desarme por sobrecarga.
Normalmente, os disjuntores-motor possuem acionamento por alavanca
rotativa e indicação de disparo (TRIP). A Figura 2.5 mostra um disjuntor motor da
Siemens.
Figura 120: Disjuntor Motor
13.5 CONTATOR
Por definição, o contator é uma chave de operação eletromagnética, com uma
única posição de repouso e é capaz de estabelecer, conduzir e interromper
correntes
em
condições
normais
no
circuito,
inclusive
sobrecargas
no
funcionamento. E o principal dispositivo de comando e o mais utilizado.
Os principais elementos construtivos são contatos, núcleo, bobina, molas e carcaça.
36
A Figura 6 mostra um contator.
Figura 121: Contator
Os contatos são divididos em contatos principais ou de força e contatos
auxiliares ou de comando. Os contatos prindpais têm a função de interromper ou
estabelecer a corrente de carga, assim suas dimensões acompanham a magnitude
da corrente que são capazes de conduzir. Os contatos auxiliares têm a função de
implementar a lógica de comando, interrompendo ou estabelecendo a corrente que
vai alimentar os dispositivos que fazem a seqüência lógica de operação da carga,
muitas vezes, limentando a própria bobina do contator.
Normalmente os contatores possuem apenas um ou nenhum contato auxiliar,
mas boutros contatos podem ser adicionados através de encaixes específicos na
superfície superior ou lateral do contator. São os chamados blocos de contatos, que
podem ser contatos abertos ou fechados ou contatos conjugados, um aberto e um
fechado. Há outros acessórios para contatores, como: bloco pneumático
temporizado, que faz um comando temporizado regulável; dispositivo de
intertravamento, que impede mecanicamente que dois contatores sejam ligados ao
mesmo tempo; bloco de retenção mecânica, que impede o contator de se desligar
em caso de queda brusca de tensão e outros.
Assim, é importante aplicar cada tipo de contator corretamente, conforme
categoria de emprego, observe a Tabela 5.
37
Tabela 5
13.6 BOTOEIRAS,
SINALIZADORES
CHAVES
MANUAIS,
CHAVES
FIM-DE-CURSO
E
Para ligar ou desligar motores, selecionar modos de funcionamento ou
realizar qualquer operação manualmente, é necessário que existam dispositivos
comandados pelo operador. As botoeiras são dispositivos de comando manual que
possuem uma única posição de repouso, ou seja, depois de terem sido acionados
voltam à sua posição normal pela torça de molas.
Ficam afixadas nas portas dos
painéis, de forma que o operador tenha acesso rápido. Possuem encaixe universal,
normalmente três, para blocos de contatos NA ou NF. Alguns modelos possuêm
38
superfície translúcida para o encaixe de soquetes de lâmpadas, integrando a função
de sinalizador. Outros tipos possuem uma trava para que permanepam acionados,
sendo necessário girar o botão para que se solte e volte à posição normal. E ocaso
de botões de emergência do tipo cogumelo.
Os seletores são chaves de acionamento giratório que possuem duas ou mais
posições de repouso. São utilizados para selecionar operações ou fazer comando
liga e desliga de máquinas ou processos; São mais comumente chamados de knob.
Os sinalizadores indicam situações específicas, como energização, defeitos
ou operações transitórias.
Fig. 122: Botoeiras
A tabela 6 indica o significado usual, definido segundo a IEC 733 VDE 0199,
das cores de botões e sinalizadores.
39
Tabela 6: Identificações de cores
13.7 SIMBOLOGIA
Segue alguns itens da simbologia usada nos diagramas elétricos, os símbolos
do Contator, mostrado na figura 8, uma chave de partida direta, figura 9 e uma
tabela com alguns dos principais componentes usados em instalações elétricas,
tabela 4.
40
Fig123:Diagrama da chave de partida direta
13.8 SOFT START
O Soft-starter é uma chave de partida que utiliza chaves eletrônicas
chamadas tiristores que permitem que se controle a abertura ou o fechamento da
chave através de pulsos de corrente. Essas chaves recortam a forma de onda de
tensão da entrada á cada ciclo, jogando para o motor uma tensão eficaz menor do
que a nominal durante a partida, aumentando gradativamente até atingir tensão
nominal, desta forma, a corrente de partita aumenta gradativamento junto com a
tensão.
41
Fig. 124: Tiristores
Os tiristorês atuam de forma unidirecional, ou seja, ó conduzem corrente em
um sentido. Assim, é necessário ter dois tiristores em anti-paralelo para conduzir a
corrente nos dois semi-ciclos. Na figura, o tiristor de baixo conduz a corrente no
semi-ciclo positivo, a partir do ponto mostrado no gráfico.
Antes disso, o tiristor está bloqueado e a tensão de entrada U não passa para
a carga. No semi-ciclo negativo, é o tiristor de cima que conduz, já que a corrente flui
da carga para a rede, mas também apenas uma parte do tempo. Dessa
forma,
é
visível qua tensão eficaz que passa para a carga é menor do que a tensão eficaz de
entrada. Para partir o motor, o Soft-stãrter gera uma rampa de tensão, aplicando
uma tensão inicial e aumentando-a gradatiamente (diminuindo o tempo de disparo
dos tiristores no semi-ciclo) até chegar à tensão nominal.
42
- Ligação do Soft-Start
Fig. 125: Ligação do Soft – Start
Fig. 125: Soft - Start
13.9 INVERSOR DE FREQÜÊNCIA
Atualmente, a necessidade de aumento de produção e diminuição de
custos, se fez dentro deste cenário surgir a automação, ainda em fase inicial no
Brasil, com isto uma grande infinidade de equipamentos foram desenvolvidos para
as mais diversas variedades de aplicações e setores industriais, um dos
43
equipamentos mais utilizados nestes processos é o Inversor de Freqüência, um
equipamento versátil e dinâmico. Vamos expor agora o princípio básico do inversor
de freqüência. Um inversor de frequência é um dispositivo capaz de gerar uma
tensão e freqüência trifásicas ajustáveis, com a finalidade de controlar a velocidade
de um motor de indução trifásico.
A figura abaixo mostra resumidamente o diagrama em blocos de um inversor
de freqüência escalar:
Fig. 126: Blocos do Inversor de Frequência
Baseado no diagrama de blocos simplificado do inversor de frequencia, notase que a primeira etapa do processo de conversão de frequencia, consiste na
retificação da tensão trifásica CA que é aplicada na alimentação do equipamento.
Retificação, é a transforamção de corrente alternada em corrente comtínua (CA/CC).
Após a tensão ser retificada, a mesma passa por um filtro, que é indicada pelo
capacitor, este filtro deixa a forma de onda da tensão sem variações bruscas. E após
produzir uma tensão contínua, esta é transformada novamente em alternada, porém
com não mais na forma de senoide pura, e sim em várias formas de onda que
possam controlar a velocidade do motor de indução trifásico.
Além da velocidade o inversor de frequência pode inverter o sentido de
rotação do motor, e deixar o eixo parado mas com torque.
44
Fig. 127: Inversor de Frequência
12.10 EXERCÍCIOS
1) Explique o funcionamento do fusível.
2) Qual a função do Relé Térmico?
3) Qual a função de um disjuntor?
4) Qual a diferença entre um Disjuntor e um Disjuntor Motor?
5) Qual a finalidade de um Contator?
6) Com relação a botoeiras, qual o significado da cor vermelha, preto, amarelo e
azul?
7) E com relação aos sinalizadores, qual o significado da cor vermelha, verde,
45
amarelo e branca?
8) Desenho o símbolo de um contator, uma botoeira e um fusível.
9) Desenhe o diagrama de força e comando de uma chave de partida que liga
simultaneamente 2 motores.
10) Desenhe um diagrama de comando para ligar:
a) 3 contatores simultaneamente, k1, k2 e k3
b) 2 contatores simultaneamente, k1 e k2, e k3 separado, sendo que k3 não
pode ser ligado quando k1 e k2 estão acionados e vice-versa.
11) Qual a função do Soft-Start?
12) Quais as funções do Inversor de frequência?
14. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS
14.1 CONTEÚDO PROGRAMÁTICO
Para a execução de uma instalação elétrica, devem ser seguidos os
seguintes itens:
•
Lay-out industrial
•
Estimativa de carga, consulta prévia
•
Normas de fornecimento em baixa e alta tensão
•
Dimensionamento de condutores e proteção
•
Locação dos pontos de força e comando de motores e demais cargas.
•
Elaboração de um projeto elétrico industrial
•
Levantamento de material
14.2 DADOS FUNDAMENTAIS
•
Tipo de instalação,
•
Potência,
•
Tensão,
46
•
Regime de funcionamento das cargas;
•
Localização das cargas;
•
Tipo de partida.
14.3 EXERCÍCIO 1 – LAYOUT DA FÁBRICA
Elabore um layout de um galpão contendo as seguintes cargas:
a) 6 luminárias com lâmpadas vapor de metálico de 400W cada e FP 0,85.
b) 2 injetoras de plástico com potência aproximada de 35kW cada e FP 0,92.
c) 1 estrusora de 45kW e FP 0,92.
d) 1 triturador de plástico com um motor de 50cv e FP 0,85.
e) Tomadas monofásicas e trifásicas para cargas diversas de 3kW
aproximadamente.
14.4 CONSUMO E DEMANDA DA INSTALAÇÃO
- Consumo
Consumo refere-se ao registro do quanto de energia elétrica foi consumida
durante determinado período. No cálculo das faturas é considerado o período
mensal e este é expresso em kWh (quilo watts hora).
- Demanda
Demanda corresponde ao consumo de energia dividido pelo tempo adotado
na verificação. Conforme legislação brasileira é determinado para fins de
faturamento que este período seja de 15 minutos.
A demanda também serve para dimensionar o transformador da instalação
elétrica em análise.
47
14.4.1 Curva Diária de Demanda
Fig. 128:
14.4.2 Exercícios de Consumo e Demanda
1 - Baseado na figura abaixo, responda as questões a seguir.
48
Fig. 129:
GELADEIRA - 300W, FERRO - 1000W, CHUVEIRO - 5000W, LÂMPADA - 100W, COMPUTADOR 200W, FORNO - 1500W, AR COND. - 600W, MICROONDAS - 1600W
a) Calcule o consumo de cada aparelho e o valor a ser pago pelo consumo
considerando o kWh a R$=_______ no período de um dia e de um mês.
b) Qual é a demanda da instalação.
c) Como diminuir a demanda sem mudanças drásticas nas cargas?
2 - Escolha um transformador para fornecer energia para a fábrica do layout feito
anteriormente.
49
14.4.3 Fator de Demanda
Relação entre demanda máxima em um intervalo de tempo e carga instalada
(nominal)
f dem =
∑
max
Ddiv
nom
D
i
i =1, n
nom
max
sendo Di
a potência nominal da carga i em W ou VA (observar que Ddiv tem
de estar na mesma unidade)
Pode ser definido para
− um sistema
− parte de um sistema
− uma carga
Geralmente ≤ 1 (fdem>1 significa operar com sobrecarga)
O fator de demanda é um item muito importante em uma instalação elétrica, pois
é através deste que se obtém a demanda real da instalação e consequentemente o
dimensionamento do transformador da instalação, disjuntores geral e condutores.
Porém a obtenção deste fator não é algo preciso, varia muito de acordo com a
instalação elétrica, o que geralmente é feito é utilizar um fator de demanda baseado
na experiência do profissional ou utilizar tabelas com valores aproximados por
concessionárias.
14.4.4 Tarifações de energia elétrica.
Carga instalada
É a soma das potências nominais dos equipamentos elétricos instalados na
unidade consumidora, em condições de entrar em funcionamento, expressa em
quilowatts (kW).
50
Concessionária ou permissionária
Agente titular de concessão ou permissão federal para prestar o serviço
público de energia elétrica.
Consumidor
Pessoa física ou jurídica, ou comunhão de fato ou de direito, legalmente
representada, que solicitar a concessionária o fornecimento de energia elétrica e
assumir a responsabilidade pelo pagamento das faturas e pelas demais obrigações
fixadas em normas e regulamentos da ANEEL, assim vinculando-se aos contratos
de fornecimento, de uso e de conexão ou de adesão, conforme cada caso.
Consumidor livre
Consumidor que pode optar pela compra de energia elétrica junto a qualquer
fornecedor, conforme legislação e regulamentos específicos.
Demanda contratada
Demanda de potência ativa a ser obrigatória e continuamente disponibilizada
pela concessionária, no ponto de entrega, conforme valor e período de vigência
fixados no contrato de fornecimento e que deverá ser integralmente paga, seja ou
não utilizada durante o período de faturamento, expressa em quilowatts (kW).
Demanda de ultrapassagem
Parcela da demanda medida que excede o valor da demanda contratada,
expressa em quilowatts (kW).
Demanda faturável
Valor da demanda de potência ativa, identificado de acordo com os critérios
estabelecidos e considerada para fins de faturamento, com aplicação da respectiva
tarifa, expressa em quilowatts (kW).
51
Demanda medida
Maior demanda de potência ativa, verificada por medição, integralizada no
intervalo de 15 (quinze) minutos durante o período de faturamento, expressa em
quilowatts (kW).
Estrutura tarifária horo-sazonal
Estrutura caracterizada pela aplicação de tarifas diferenciadas de consumo de
energia elétrica e de demanda de potência de acordo com as horas de utilização do
dia e dos períodos do ano, conforme especificação a seguir:
a) Tarifa Azul: modalidade estruturada para aplicação de tarifas diferenciadas
de consumo de energia elétrica de acordo com as horas de utilização do dia e os
períodos do ano, bem como de tarifas diferenciadas de demanda de potência de
acordo com as horas de utilização do dia.
b)
Tarifa
Verde:
modalidade
estruturada
para
aplicação
de
tarifas
diferenciadas de consumo de energia elétrica de acordo com as horas de utilização
do dia e os períodos do ano, bem como de uma única tarifa de demanda de
potência.
c) Horário de ponta (P): período definido pela concessionária e composto por
3 (três) horas diárias consecutivas, exceção feita aos sábados, domingos e feriados
nacionais, considerando as características do seu sistema elétrico.
d) Horário fora de ponta (F): período composto pelo conjunto das horas
diárias consecutivas e complementares àquelas definidas no horário de ponta.
e) Período
úmido (U):
período
de
5 (cinco) meses
consecutivos,
compreendendo os fornecimentos abrangidos pelas leituras de dezembro de um ano
a abril do ano seguinte.
f) Período seco (S): período de 7 (sete) meses consecutivos, compreendendo
os fornecimentos abrangidos pelas leituras de maio a novembro.
Tensões de Fornecimento.
-
Tensão secundária de distribuição: quando a carga instalada na unidade
consumidora for igual ou inferior a 75kW;
52
-
Tensão primária de distribuição inferior a 69kV: quando a carga instalada na
unidade consumidora for superior a 75kW e a demanda contratada ou estimada pelo
interessado, para o fornecimento, for igual ou inferior a 2.500kW;
-
Tensão primária de distribuição igual ou superior a 69kV: quando a demanda
contratada ou estimada pelo interessado, para o fornecimento, for superior a
2.500kW.
14.4.5 – Exercício Tarifação
1) Calcule a demanda contratada da empresa do layout.
2) Qual a tensão de fornecimento?
3) Se esta empresa vir a trabalhar das 7:30 as 17:30, qual a melhor tarifação?
4) Se a empresa passar a trabalhar 24h por dia qual a melhor tarifação?
Explique sua resposta.
14.5 NBR 5410 – INSTALAÇÕES ELÉTRICAS DE BAIXA TENSÃO
A NBR 5410 é a norma que regulamenta a forma de instalação, manutenção
e reparos das instalações elétricas de baixa tensão, é a bíblia dos profissionais da
eletrotécnica.
É dividida basicamente nos seguintes itens:
1) Objetivo;
2) Referências normativas;
3) Definições;
4) Princípios fundamentais e características gerais;
5) Proteção para garantir segurança;
6) Seleção e instalação do componente;
7) Verificação final e Inspeção;
8) Manutenção.
53
14.6 DIMENSIONAMENTO DE DISJUNTORES
Para dimensionar um disjuntor deve ser levando em consideração a tensão,
corrente e tipo de carga/partida na qual o disjuntor fará a proteção.
Para proteção de circuito com cargas resistivas, utiliza-se disjuntores Curva B, para
cargas resistivas e Indutivas, Curva C e para cargas puramente indutivas e grande
corrente de partida, Curva D. A diferença entre as curvas é o efeito de retardo de
disparo, semelhante aos fusíveis diazed usados para partirem motores, como já foi
estudado anteriormente.
Fig. 130
E os valores comerciais dos disjuntores monofásicos em AMPÉRES são: 0,5,
1, 2, 4, 6, 10, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63 e raramente acima disso.
Para disjuntores trifásicos: 10, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 70, 80, 90, 100, 125,
150, 175, 200, 225, 250, 300, 350, 400... até correntes elevadas em torno de 1200A.
54
14.6.1 – Exercício de Disjuntores
5) Dimensione o transformador da Instalação elétrica.
6) Dimensione os disjuntores para os circuitos do Layout.
7) Dimensione o disjuntor geral da instalação elétrica.
14.7 Dimensionamento de Condutores
O dimensionamento dos condutores é feito com base na corrente que irá
passar por estes e outros fatores como fator de agrupamento, queda de tensão
permitida, tipo de acionamento, tipo de duto, ventilação, temperatura, freqüência e
tipo de cabo que será utilizado como condutor.
Desta forma é necessário calcular a corrente de cada circuito e mais uma série de
considerações devem ser feitas para ter a bitola exata do condutor a ser utilizado.
Para nosso estudo, vamos utilizar como base a tabela 36 da NR5410/2004,
que utiliza cabo de cobre do tipo PVC, que suporta 70°C no condutor a 30°C de
temperatura ambiente.
Porém outras tabelas podem ser usadas para dimensionamento de
condutores, não necessariamente as da NR5410, mas também de qualquer
fabricante de cabos, bem como cabos específicos que não se encontram na norma,
como cabos de silicone e outros.
55
Fig. 131
Tabela 7
56
Tabela 8
14.7.1 Queda de tensão segundo NBR 5410
57
14.7.2 Exercícios de dimensionamento de cabos
1 - Determine, utilizando a tabela 36 da NR5410/2004, a bitola dos cabos para os
seguintes casos:
a) Um aquecedor monofásico de 5kW;
b) Um motor trifásico de 50CV, com F.P. 0,92.
c) Um motor de 100CV com F.P. de 0,85.
2 - Para as cargas definidas no exercício 14.3 Layout, determine:
a) O condutor do secundário do transformador;
b) Os condutores de cada circuito.
14.8 Simbologia e Diagrama Unifilar
Nesta parte do nosso estudo teremos uma análise superficial a respeito de
Simbologia usada em projetos de instalações elétricas, visando o entendimento do
Diagrama Unifilar.
Diagrama Unifilar é a representação de um ou mais circuitos de forma
resumida e compacta, porém, com todos os dados necessários para a análise
completa do circuito.
Todo Diagrama Unifilar deve conter no mínimo os seguintes itens:
•
Tensões aplicadas no circuito;
•
Condutores dos circuitos;
•
Bitola dos condutores do circuito;
•
Corrente nominal dos disjuntores;
•
Tipo de disjuntores (mono, bi ou trifásicos);
•
Indicação dos componentes de proteção.
Segue um exemplo de diagrama unifilar:
58
59
60
14.8.1 Exercício de Simbologia e Diagrama Unifilar
1) Faça o diagrama unificar da fábrica dos exercícios anteriores.