Aula 20 - Motores elétricos, Materiais e Equipamentos ...

Eletrotécnica para Engenharia de Produção – (TE160)

Aula 20 - Motores elétricos, Materiais e Equipamentos Elétricos

P R O F. D R . S E B A S T I Ã O R I B E I R O J Ú N I O R

Materiais e Equipamentos Elétricos

De modo geral para a especificação de materiais e equipamentos, é necessário conhecer:

• Tensão nominal;

• Corrente Nominal;

• Frequência nominal;

• Potência nominal;

• Tensão suportável de impulso;

• Capacidade de corrente de curto‐circuito.

Exemplos:

1. Motor 50 cv, 380 V, IV pólos, 68,8 A, relação Ip/In=6,4, rotor bloqueado 12s, do tipo rotor em curto‐circuito (gaiola);

2. Transformador trifásico de 750 kVA, tensão nominal primária 13.800 V, tensão nominal secundária 380V/220V, com

derivações 13.800/13.200/12.600, ligação delta/estrela aterrado, impedância percentual 5 ,5 %, frequência 60 Hz, tensão

suportável de impulso 95 kV;

Materiais e Equipamentos Elétricos

Diagrama UnifilarEspecificações do Sistema:• Tensão Nominal Primária: 13,8 kV;• Tensão Nominal Secundária: 380 V;• Tensão de Fornecimento: 13,8 kV;• Potência simétrica de curto‐circuito no ponto de entrega (A): 250 MVA;• Tensão suportável de impulso: 95 kV;• Tensão máxima de operação entre fase e terra: 12 kV;• Capacidade de Transformação: 2x750 MVA;• Corrente de curto‐circuito simétrica na Barra B: 40 kA;• Corrente de curto‐circuito simétrica na Barra C: 20 kA;

Para-Raio de Distribuição (1)

Para-Raio de Distribuição

• Tensão nominal eficaz, em kV.• Frequência nominal.• Máxima tensão disruptiva de impulso sob frente de

onda, em kV;• Máxima tensão residual de descarga, com onda de

8 × 20 μs, em kV;• Máxima tensão disruptiva, à frequência industrial,

em kV;Corrente de descarga, em A;

• Tipo (distribuição, ou estação).

Danos causados por Descargas Atmosféricasna Rede de Distribuição

Descarga disruptiva suplementar FONTE: Electric Power Distribution Handbook – T.A. Short

Danos causados por Descargas Atmosféricasna Rede de Distribuição

• Na maioria dos casos, as descargas atmosféricas causam interrupções temporárias na rede de distribuição.

• Menos de 20 % das descargas causam falhas permanentes.

• Na Flórida, apenas 11 % das interrupções coincidem com a ocorrência de descargas atmosféricas.

• Falhas em transformadores, cabos, religadores, equipamentos de medição, etc. causam defeitos permanentes.

• Proteção ineficiente causa elevação da taxa de falhas de equipamentos.

• Estratégia de proteção:

• Uso de pára-raios para proteger equipamentos suscetíveis de defeitos permanentes;• Uso de religadores para reenergizar os circuitos faltosos devido a descargas

atmosféricas.

FONTE: Electric Power Distribution Handbook – T.A. Short

Danos em Equipamentos do Sistema de Distribuição por Descargas Atmosféricas

FONTE: Desconhecida - Internet

Danos causados por Descargas Atmosféricas na Rede de Baixa Tensão

• Nos Estados Unidos, em 1997:

• Perdas anuais da ordem de US$ 4-5 bilhões;

• 30% de equipamentos danificados por descargas atmosféricas;

• 101 mil computadores danificados (US$ 125 milhões).

• Na Alemanha, em 1999 (6.800 solicitações de indenizações):

Surtos

Atmosféricos e

de Manobra

27,8%

Tempestades

1,1%

Falta de

manutenção

35,1%

Água 5,1%Vandalismo

13,0%

Diversos 18,0%

FONTE: Overvoltage Protection of Low Voltage Systems – Peter Hasse

Danos causados por Descargas Atmosféricas na COPEL Distribuição

• Inexistência de banco de dados para avaliar índices de qualidade do sistema e falhas nas instalações da concessionária e de consumidores em decorrência de descargas atmosféricas.

• Curitiba atendia 50 % das solicitações de ressarcimento, com valor indenizado da ordem de R$ 1 milhão (2002).

• As descargas atmosféricas são responsáveis por aproximadamente 30 % das solicitações de ressarcimento.

• Danos não eram indenizados até 2003, devido à característica fortuita do fenômeno.

• Maior número de defeitos em equipamentos eletrônicos conectados a serviços de telefone, TV a cabo e Internet.

• Não há registros de falhas simultâneas de equipamentos da concessionária e consumidores.

Danos causados por Descargas Atmosféricasna COPEL Distribuição

Taxa de Falhas de Transformadores de Distribuição na COPEL

Taxa de Transformadores

Urbanos Rurais Total Falhas (%) Avariados

1.986 127.028 4 5.081

1.987 155.321 4 6.212

1.988 177.425 4 7.097

1.989 189.131 4 7.565

1.990 201.171 4 8.046

1.991 207.329 4 8.293

1.992 216.131 4 8.645

1.993 227.767 4 9.110

1.994 239.552 4 9.582

1.995 249.449 3,34 8.331

1.996 257.728 3,61 9.303

1.997 58.778 207.495 266.273 3,08 8.201

1.998 62.236 213.536 275.772 2,42 6.673

1.999 64.537 218.588 283.125 1,79 5.067

2.000 66.609 221.381 288.188 2,02 5.821 (*)

2.001 68.706 225.856 297.760 2,06 6.133 (*)

2.002 70.470 (*) 231.654 (*) 305.404 2,07 6.321 (*)

Total 125.481

(*) Valores estimados

AnoTransformadores Instalados

Medidas adotadas para a Redução da Taxa de Falhas de Transformadores

• Especificação técnica mais criteriosa.

• Controle de qualidade no recebimento de transformadores de distribuição

novos.

• Suspensão do processo de recuperação de transformadores avariados, até

a definição de novos critérios.

• Emprego de pára-raios poliméricos para proteção dos terminais do

enrolamento de alta tensão, instalados junto ao tanque.

• Substituição gradual de centelhadores por pára-raios para a proteção de

transformadores em áreas rurais.

• Aprimoramento das técnicas de aterramento.

Causas Registradas de Falhas de Transformadores de Distribuição

• 62,5 % das falhas foram causadas por descargas atmosféricas.

• 6,5 % devido a componentes danificados ou desregulados.

• De 40 mil transformadores avariados por descargas atmosféricas, 86,3 % pertencia à rede rural, 60 % com o neutro aterrado junto com o tanque e apenas 21,4 % retornou ao sistema após recuperação.

• Em quase 30 % dos casos não houve operação dos elos fusíveis.

• Interrupções de 3,9 horas em áreas urbanas e de 7,1 horas em áreas rurais.SEM PROTEÇÃO

5,2%

CENTELHADOR EM

BOM ESTADO

63,3%

PÁRA-RAIOS

DANIFICADO

4,4%

PÁRA-RAIOS COM

DESLIGADOR ATUADO

0,6%

PÁRA-RAIOS EM BOM

ESTADO

24,6%

CENTELHADOR

DESREGULADO

1,9%

Danos em Instalações de Consumidores Industriais por Descargas Atmosféricas

FONTE: Overvoltage Protection of Low Voltage Systems – Peter Hasse

Chave Fusível de Distribuição (2)

• Tensão nominal eficaz, em kV.• Corrente nominal, em A.• Frequência nominal.• Capacidade de ruptura, em kA.• Tensão suportável de impulso, em kV.

Chave Fusível de Distribuição (2)

Terminal Primário, Terminação ou Mufla (3)

Transformador de Corrente (TC) (5)

Transformador de Corrente (TC)

Transformador de Potencial (TP) (6)

Chave Seccionadora Primária (8)

Relé Primário de Média Tensão (9)

Disjuntor de Potência – Média Tensão (10)

Fusível Limitador de Corrente – Média Tensão (11)

Disjuntor de Baixa Tensão (14)

Fusível de Baixa Tensão (17)

Tipo NH e Diazed (diferenças na curva característica de atuação – tempo x corrente).• Utilizados principalmente para limitação de correntes de curto‐circuito (redução da capacidade de

ruptura do disjuntor)

Fusível de Baixa Tensão (17)

O fusível possui na extremidade um indicador que tem a cor correspondente à sua corrente nominal, que é a mesma cor do parafuso de ajuste.

Fusível diazed

Fusível NH

O fusível NH (N-baixa tensão; H-alta capacidade) é usado nos mesmos casos do Diazed, porém é fabricado para correntes de 4 a 630 A (Vmax = 500V e Icc = 120 kA).

O conjunto é formado por fusível e base. A colocação e/ou retirada do fusível é feita com o punho saca-fusível. Existe nele um sinalizador de estado (bom/queimado), porém não em cores diferentes, como no Diazed.

Fusível NH

Dimensionamento dos fusíveis

No dimensionamento dos fusíveis retardados, deve-se levar em consideração os seguintes

aspectos:

1. Tempo de fusão virtual (tempo e corrente de partida):

Os fusíveis devem suportar, sem fundir, o pico de corrente de partida (Ip) durante o

tempo de partida do motor (Tp). Com os valores de Ip e Tp entramos na curva para

dimensionar o fusível.

2. Ifusivel >= 1,2*Inominal:

deve-se dimensionar para uma corrente no mínimo 20% superior a corrente nominal

(In) do motor.

CURVA TEMPO x CORRENTE PARA O FUSÍVEL “D”(Tempo de fusão virtual x Corrente de Partida)

FONTE: Catálogo WEG de fusíveis

CURVA TEMPO x CORRENTE PARA O FUSÍVEL “NH”(Tempo de fusão virtual x Corrente de Partida)

FONTE: Catálogo WEG de fusíveis

Especificações de motores WEG

W21


1) Dimensionar o fusível para proteger o motor de 5cv, 220V/60Hz, IV pólos, supondo que o seu

tempo de partida seja de 5s (partida direta).

Pelo catálogo WEG de motores, tipo W21:

In = 14A; Ip/In = 7,2, logo: Ip = 7,2*14 = 100,8A.


a) Com o valor de Ip (100,8A) e Tp (5s), tanto na curva do fusível D ou NH, o fusível será de 35A.


b) Pelo segundo critério:

If >= 1,2*In

logo:

Ik = 1,2 * 14 = 16,8 A

If >= 16,8 A. (Assim o fusível de 35A TAMBÉM atende este critério).

Como o motor é trifásico, são necessários 3 conjuntos D ou NH

Contator Magnético (19) e Relé Bimetálico de Sobrecarga (20)

Acionamento em carga

Um dos grandes problemas existentes em instalações elétricas é a abertura e o fechamento de circuitos em carga, ou seja, quando existe corrente elétrica.

Se o acionamento for feito de forma incorreta, lenta, o faiscamento nos contatos que, é inevitável, terá proporções maiores, provocando danos ao equipamento.

Para minimizar os efeitos da faísca, os dispositivos projetados para operarem em carga têm acionamento rápido e podem também ter seus contatos imersos em ambientes que fazem a extinção do arco mais rapidamente.

Contatos

São elementos que tem por objetivo dar continuidade ou não à passagem de corrente elétrica. São definidos no seu estado de repouso, sem atuação de agentes externos, como sendo normalmente abertos (NA) ou normalmente fechados (NF).

Assim, quando os contatos estão no estado aberto, não permitem a passagem da corrente elétrica e quando estão no estado fechado permitem.

Contatores

Contatores são dispositivos que se utilizam de princípios eletromagnéticos para acionar contatos, da seguinte forma:

◦ Uma bobina ao ser percorrida por uma corrente elétrica produz um fluxo magnético, que atrai um núcleo móvel.

◦ Ao ser aberto o circuito elétrico desta bobina o fluxo magnético é interrompido, fazendo com que cesse a força de atração, e o núcleo móvel volta a sua posição de repouso, pela ação de uma mola.

◦ Junto com este movimento são “arrastados” os contatos, fazendo com que se abram ou se fechem.

Funcionamento

Contatores

Os contatores possuem três contatos NA, chamados de contatos principais ou de força, destinados a fechar e a abrir as três fases de alimentação de um motor trifásico, por exemplo.

Sabendo-se que para cada potência de motor é solicitada uma corrente diferente da rede, os contatores devem ser especificados de acordo com esta corrente nominal.

Além destes três contatos, que têm que ter a corrente nominal coerente com a corrente do motor, os contatores possuem outros contatos auxiliares (NA) ou (NF), acionados pelo mesmo núcleo, com capacidade de corrente fixa normalmente(5 A), chamados de contatos auxiliares, que são destinados para fazer a automação.

A quantidade destes contatos varia de acordo com o modelo e o fabricante do contator, sendo que em muitos casos se pode colocar blocos adicionais destes contatos.

Contatores

A maioria dos fabricantes utiliza a seguinte numeração dos contatos:• Contatos Principais: L1/T1; L2 /T2; L3/T3, ou 1/2, 3 /4, 5/6• Contatos Auxiliares: NA com finais 3 e 4 e NF com finais 1 e 2. Ex.: contatos NA 13/14 e 43/44 e NF 21/22 e 31/32.

Especificação – Contator Magnético

Automação de Processos Industriais

Para ler e compreender a representação gráfica de um circuito elétrico, é imprescindível conhecer os componentes básicos dos comandos elétricos e também suas finalidades.

◦ Selo: O contato de selo é sempre ligado em paralelo com o contato de fechamento da botoeira. Sua finalidade é de manter a corrente circulando pelo contator, mesmo após o operador ter retirado o dedo da botoeira.


Intertravamento: Processo de ligação entre os contatos auxiliares de vários dispositivos, pelo qual as posições de operação desses dispositivos são dependentes umas das outras. Através do intertravamento, evita-se a ligação de certos dispositivos antes que os outros permitam essa ligação.

Automação de Processos IndustriaisIntertravamento com dois contatos:


Proteção do sistema:

Os contatos auxiliares dos relés de proteção contra sobrecarga, por exemplo, e as botoeiras de desligamento devem estar sempre em série.


Intertravamento com botoeiras:

O intertravamento, também pode ser feito através de botoeiras. Neste caso, para facilitar a representação, recomenda-se que uma das botoeiras venha indicada com seus contatos invertidos.


Esquema multifilar: Nesta representação todos os componentes e conexões são representados.

Os dispositivos são mostrados de acordo com sua sequência de instalação, obedecendo a construção física dos mesmos.

A posição dos contatos é feita com o sistema desligado.

A disposição dos elementos do circuito pode ser qualquer uma, com a vantagem de que eles são facilmente reconhecidos.


Esquema funcional: Neste diagrama, todos os condutores estão representados. Não é levada em conta a posição construtiva e a conexão mecânica entre as partes.

O sistema é subdividido de acordo com os circuitos de correntes existentes. Estes circuitos devem ser representados sempre que possível, por linhas retas, livres de cruzamentos. A posição dos contatos é desenhada com o sistema desligado. A vantagem consiste no fato de que se torna fácil ler os esquemas e respectivas funções.

Automação de Processos IndustriaisSimbologia numérica e literal

Assim como cada elemento em um circuito de comando elétrico tem o seu símbolo gráfico específico, também, a numeração dos contatos e a representação literal dos mesmos, tem um padrão que deve ser seguido. (NBR 5280 ou a IEC 113.2)

A numeração dos contatos que representam os terminais de força é feita como segue.◦ → 1, 3 e 5 = Circuito de entrada (linha)

◦ → 2, 4 e 6 = Circuito de saída (terminal)

Já a numeração dos contatos auxiliares segue o seguinte padrão:◦ → 1 e 2 = Contato normalmente fechado (NF), sendo 1 a entrada e 2 a saída

◦ → 3 e 4 = Contato normalmente aberto (NA), sendo 3 a entrada e 4 a saída

Numeração de um contator de potência com dois contatos auxiliares 1 NF e 1NA.


Nos relés e contatores tem-se A1 e A2 para os terminais da bobina. Os contatos auxiliares de um contator seguem um tipo especial de numeração, pois, o número é composto por dois dígitos, sendo:

◦ → Primeiro dígito: indica o número do contato

◦ → Segundo dígito: indica se o contato é do tipo NF (1 e 2) ou NA (3 e 4)

Numeração de um contator de auxiliar com 4 contatos NA e 2 contatos NF

Conceitos básicos

Simbologia literal


Partida Direta de Motores (plena tensão).


Partida Direta com reversão de velocidade.


Redução da tensão e consequente redução da corrente de partida do MIT


Chave de partida Compensadora (23)


Chave de partida Soft-Starter (22)

Chave de partida com Inversor de Frequência (24)

• O circuito retificador (I) transforma a tensão alternada de entrada (RST) em tensão continua que é filtrada no circuito intermediário (II). Esta tensão contínua alimenta o circuito inversor (III). Através de tiristores ou transistores, o circuito inversor fornece um sistema de correntealternada (UVW) de frequência e tensão variáveis. Deste modo, um motor de indução trifásico acoplado pode ser operado com variação de tensão e velocidade.

• O inversor de frequência pode ser utilizado para a partida suave da máquina, mantendo a corrente limitada a um valor pré-especificado.

• A principal vantagem da partida via inversor de frequência é a capacidade de fornecer torque de partida nominal durante todo o processo de partida (i.e., em qualquer velocidade) e simultaneamente limitar a corrente em seu valor nominal.

• Isso é feito partindo-se a máquina com frequência e tensão reduzida mas mantendo-se a relação Volts/Hertz em seu valor nominal.

• Mais complexo e caro, usualmente só é economicamente justificado no caso em que o inversor é utilizado para controle de velocidade. Também introduz distorção harmônica no sistema.

Métodos de Partida de Motores

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