Eletrotecnica-basica - Reinaldo Bolsoni

Prof. Reinaldo C. R. Bolsoni Eletrotcnica 1/23

Apostila para

Eletrnica

ELETROTCNICA

BSICA


NDICE 1 ENERGIA ELTRICA ...............................................................................3

1.1 GERAO ................................................................................................................... 3 1.2 - TRANSMISSO........................................................................................................... 4 1.3 - DISTRIBUIO .......................................................................................................... 5

2 - CORRENTES TRIFSICAS.......................................................................6 3 - TENSES NO CIRCUITO TRIFSICO...................................................6 4 - TENSO, CORRENTE E POTNCIA ......................................................7 5 - CIRCUITOS TRIFSICOS.........................................................................9 6 - CORRIGINDO O FATOR DE POTNCIA ............................................10 7 - CONDUTORES ..........................................................................................11

7.1 - DIMENSIONAMENTO DE CONDUTORES......................................................... 12 8 - LMPADAS................................................................................................13 9 - QUADRO DE DISTRIBUIO................................................................14 10 - INSTALAO RESIDENCIAL .............................................................15 11 PROTEO ELTRICA........................................................................15

11.1 CURTO-CIRCUITO ............................................................................................... 15 11.2 SOBRECARGA ....................................................................................................... 15

12 COMPONENTES DE PROTEO.......................................................15

12.1 - FUSVEIS.................................................................................................................. 15 12.2 - DISJUNTORES ........................................................................................................ 16 12.3 INTERRUPTOR DE FUGA ................................................................................... 17 12.4 RELE TRMICO .................................................................................................... 18

13 CIRCUITOS CLSSICOS......................................................................18

13.1 PARTIDA DIRETA................................................................................................. 18 13.2 PARTIDA COM REVERSO ............................................................................... 19 13.3 PARTIDA Y/ (estrela-tringulo).......................................................................... 20 13.4 CHAVE COMPENSADORA ................................................................................. 22


1 ENERGIA ELTRICA

Podemos definir energia eltrica como a energia resultante do movimento de cargas eltricas em um condutor. companheira inseparvel da era moderna. No difcil imaginar como nossa vida seria diferente sem ela.

Mas o que a faz to importante a ponto de se tornar praticamente indispensvel vida atual? So muitos os motivos. Seguem alguns essenciais: a) facilmente transportvel. Pode ser produzida no local mais conveniente e transmitida

para consumidores distantes por uma simples rede de condutores (fios). b) facilmente transformvel em outras formas de energia. Exemplo: calor, luz, movimento. c) elemento fundamental para a ocorrncia de muitos fenmenos fsicos e qumicos que

formam a base de operao de mquinas, equipamentos, etc. dos tempos atuais. Exemplo: eletromagnetismo, efeito terminico, efeito semicondutor, fotovoltaico, oxidao e reduo, etc.

Entretanto, como qualquer forma de energia, ela deve obedecer ao primeiro princpio

da termodinmica. Assim, quando dizemos gerao de energia eltrica, devemos entender como uma transformao de uma outra forma de energia, em energia eltrica.

A energia eltrica, para chegar ao consumidor final, passa por trs etapa: gerao, transmisso e distribuio.

1.1 GERAO

Existem vrias formas de se gerar energia eltrica. Mas as opes diminuem quando se trata de quantidades para consumo de uma sociedade. A seguir as mais comuns:

Trmica: a energia que se transforma o calor resultante da queima de algum combustvel (derivado de petrleo como leo combustvel, gs natural, carvo, madeira, resduos como bagaos, etc.). Em nvel mundial representa provavelmente a maior parcela. As instalaes usam basicamente caldeiras que geram vapor que aciona turbinas que acionam geradores. Ou ento mquinas trmicas como motores diesel ou turbinas a gs. No aspecto ecolgico apresenta problemas. A queima de combustveis joga na atmosfera poluentes variados como o enxofre alm do dixido de carbono, responsvel pelo j preocupante efeito estufa (aquecimento global). Se madeira ou carvo vegetal so usados, a conseqncia o desmatamento.

Nuclear: pode ser entendida como uma trmica que usa caldeira, sendo a fonte de calor um reator nuclear em vez da queima de combustvel. Por algum tempo foi considerada a soluo do futuro para a gerao de energia eltrica. Mas os vrios acidentes ocorridos ao longo do tempo revelaram um enorme potencial de risco. Os resduos (lixo atmico) so outro grave problema. Em vrios pases, no mais permitida a construo de novas usinas nucleares.

Hdrica: a energia potencial de uma queda d'gua usada para acionar turbinas que, por sua vez, acionam geradores eltricos. Em geral as quedas d'gua so artificialmente construdas (barragens), formando extensos reservatrios, necessrios para garantir o suprimento em perodos de pouca chuva. No um mtodo totalmente inofensivo para o ambiente. Afinal, os reservatrios ocupam reas enormes, mas um problema consideravelmente menor que os anteriores. Evidente que a disponibilidade totalmente dependente dos recursos hdricos de cada regio. No Brasil representa a maior parcela da energia gerada.

Outros meios, considerados ecologicamente limpos, vm sendo usados cada vez mais, embora a participao global seja ainda pequena: solar e elico.


Solar: em geral, a energia da radiao solar convertida diretamente em eltrica com o uso de clulas fotovoltaicas. H necessidade de acumuladores (baterias) para suprir picos de demanda e fornecer energia durante a noite. Usado principalmente para pequenas unidades residenciais em zonas rurais.

Elico: o arraste dos ventos aciona ps acopladas a geradores. claro que a viabilidade depende das caractersticas climticas da regio. Em alguns pases sua participao vem aumentando, devido possibilidade de se obter quantidades razoveis de energia com quase nenhum prejuzo ecolgico. Entretanto, sempre um sistema complementar a um outro, uma vez que a irregularidade dos ventos no permite um fornecimento constante.

1.2 - TRANSMISSO

Muitas vezes, a gerao de energia eltrica ocorre em locais distantes dos centros consumidores. No caso predominante no Brasil (gerao hdrica) a natureza impe os locais onde sejam viveis as construes das barragens. comum usinas geradoras distantes centenas ou milhares de quilmetros dos grandes centros. Assim, so necessrios meios eficientes de levar essa energia.

A Figura 1 d o esquema simplificado de uma transmisso. Aps o gerador, transformadores da subestao elevadora aumentam a tenso para um valor alto. Dependendo da cada regio, pode variar de 69 a 750 KV. Uma vez que as linhas transmissoras aproximam-se dos centros de consumo, transformadores de uma subestao redutora diminuem a tenso para um valor de distribuio, objeto do prximo tpico.

Mas por que a tenso de transmisso precisa ser to alta? Podemos fazer uma analogia com uma tubulao de gua. Seja uma tubulao pela qual passa uma determinada vazo de gua: se aumentamos a presso no incio, a vazo tambm aumentar sem necessidade de um tubo de maior dimetro.

Fig. 1 No caso da energia eltrica, se transmitida com baixas tenses na potncia necessria

para atender milhares de consumidores, a bitola dos condutores precisariam ser to grande que tornaria o sistema economicamente invivel.

claro que, na prtica, os sistemas de transmisso no so to simples assim. Usinas normalmente dispem de vrios conjuntos turbina-gerador que trabalham em paralelo. As transmisses de diferentes usinas e diferentes centros consumidores so interligados de forma a garantir o suprimento em caso de panes e outros problemas.


1.3 - DISTRIBUIO

Uma rede de distribuio deve fazer a energia chegar at os consumidores de forma mais eficiente possvel.

Conforme tpico anterior, quanto mais alta a tenso menor a bitola dos condutores para transmitir a mesma potncia. Assim, redes de distribuio em geral operam com, no mnimo, duas tenses. As mais altas para os consumidores de maior porte e as mais baixas para os pequenos.

A Figura 2 mostra o esquema simplificado de uma distribuio tpica. A subestao redutora diminui a tenso da linha de transmisso para 13,8kV, chamada distribuio primria, que o padro geralmente usado nos centros urbanos no Brasil. So aqueles 3 fios que se v normalmente no topo dos postes de energia e ainda classificada como alta tenso. Essa tenso primria, que continua sendo trifsica podendo variar de 630V a 208V, fornecida aos consumidores de maior porte como industrias, por sua vez, dispem de suas prprias subestaes para rebaixar a tenso ao nvel de alimentao dos seus equipamentos.

Fig. 2 A tenso primria tambm alimenta aqueles transformadores localizados nos postes

que reduzem a tenso ao nvel de ligao de aparelhos eltricos comuns de 127/220V (fase, neutro, fase), para consumidores de pequeno porte como residncias. a chamada distribuio secundria.

A rede formada pelos quatro fios (separados e sem isolao ou juntos e com isolao) que se observam na parte intermediria dos postes.

evidente que uma distribuio simples assim tpica de uma cidade de pequeno porte. Cidades maiores podem ser supridas com vrias linhas de transmisso, dispondo de vrias subestaes redutoras e estas podem conter mltiplos transformadores, formando assim vrias redes de distribuio. Tambm pode haver vrias tenses de distribuio primria.

Indstrias de grande porte, consumidoras intensivas de energia eltrica, em geral so supridas com tenses bastante altas, s vezes a da prpria transmisso, para evitar altos custos da rede, ento coletam a energia diretamente da linha de alta tenso. Nesse caso, dentro da prpria planta industrial, existe um transformador abaixador que fica dentro de uma cabine primria, cuja entrada de 13,8KV, e a sada de acordo com a necessidade (440V, 380V, 220V).

Industrias de pequeno porte so abastecidas em baixa tenso, onde a origem o transformador externo (poste da rede pblica).


2 - CORRENTES TRIFSICAS

A gerao e distribuio de energia eltrica para consumo pblico sempre feita em corrente alternada senoidal. Isto significa que a tenso e a corrente variam ao longo do tempo em forma de uma funo senoidal e a variao por unidade de tempo, isto , a freqncia, constante. No Brasil foi adotada a freqncia padro de 60 Hz (corresponde a 60 ciclos por segundo). Alguns pases usam o padro de 50 Hz.

So bastante fortes as razes para o uso da corrente alternada e no da contnua. Geradores e motores de corrente alternada so muito mais simples e eficientes. Correntes contnuas no podem ter suas tenses facilmente convertidas (aumentadas ou reduzidas). Na realidade, preciso transform-las em alternadas, converter com transformadores e transformar novamente em contnuas. Tambm podem ser usados conjuntos motores-geradores. Para as alternadas, basta o transformador.

Entretanto, a corrente contnua apresenta uma vantagem: as perdas na transmisso so menores. Para distncias e potncias muito altas pode ser economicamente vivel a transformao em contnua na gerao e o processo inverso no destino. Mas o assunto foge do nosso objetivo.

Alm disso, por razes de eficincia, a gerao sempre feita em forma trifsica. Significa que os condutores no sero dois mas sim trs, cujas tenses ou correntes esto igualmente deslocadas entre si em relao ao tempo.

Desde que um perodo completo eqivale a 360, o deslocamento ou diferena de fases entre cada ser de 360/3 = 120. A Figura 3 d uma representao grfica da defasagem. comum designar os condutores pelas letras R, S, T (ou L1, L2, L3). E so genericamente chamados fases.

Fig. 3

De acordo com as normas tcnicas da CPFL, o fornecimento de energia eltrica para um sistema monofsico dever possuir uma carga instalada de at 12KW. Para um sistema bifsico dever possuir uma carga instalada entre 12KW e 25KW. Para um sistema trifsico dever possuir uma carga instalada entre 25KW e 75KW.

3 - TENSES NO CIRCUITO TRIFSICO

A tenso entre duas fases quaisquer de uma linha trifsica a mesma, sendo esta a sua referncia de tenso (s vezes chamada tenso de linha ou tenso entre fases).

Transformadores (e outros elementos trifsicos como motores) podem ter seus enrolamentos ligados em dois arranjos distintos: tringulo e estrela.

A Figura 4 mostra o esquema tpico de uma ligao de um transformador para a distribuio secundria.


Fig. 4

O primrio tem seus enrolamentos ligados em tringulo e, assim, cada um recebe a tenso de 13,8KV (poderia ser tambm em estrela, mas foi colocado desta forma para visualizar as diferenas). J o secundrio tem os enrolamentos ligados em estrela e o n central chamado de neutro, o que adiciona um quarto condutor ao circuito (so os 4 fios que se v na parte intermediria dos postes).

O condutor neutro geralmente ligado a um aterramento, ficando portanto com um potencial nulo em relao terra. Nesta configurao, a tenso entre fases igual a 3 vezes a tenso entre fase e neutro (s vezes chamada simplesmente tenso de fase). Pode-se conferir que 220 aproximadamente igual a 127 vezes 3.

Este arranjo d uma flexibilidade na ligao aos consumidores. Para a maioria dos consumidores de pequeno porte basta os 127V de uma fase e o neutro, o que chamado de ligao monofsica.

Se o consumidor tem um nmero de cargas maior, pode ser interessante fornecer duas fases e o neutro (ligao bifsica), para um melhor equilbrio de cargas na rede.

Notar que o consumidor bifsico tem, alm dos 127V entre fases e neutro, a tenso de 220V entre fases. Assim, ele pode optar por usar esta tenso para aparelhos de maior potncia (chuveiro, por exemplo), a fim de reduzir o custo da instalao (bitola menor do condutor).

A ligao trifsica deve ser usada se o nmero de cargas ainda maior e/ou se existem equipamentos trifsicos como motores. Lembrar que motores trifsicos so mais simples e eficientes e apresentam menos problemas que os monofsicos.

Para consumidores de grande porte, indstrias e outros, ligados distribuio primria e que tm, portanto, suas prprias subestaes, existem padres mais elevados de tenso para menores custos das instalaes. Valores usuais so 220/380V ou 254/440V ou maiores.

4 - TENSO, CORRENTE E POTNCIA

Em um circuito de corrente contnua, a potncia demandada por uma carga o simples produto da tenso pela corrente que circula pela mesma (P=V.I). Para corrente alternada tambm, mas com algumas diferenas.

Seja o circuito simples da Figura 5: um gerador de corrente alternada que fornece uma tenso (V) para uma carga genrica (c) e por esta circula uma corrente (I).

Se a carga (c) for puramente resistiva, o produto da tenso pela corrente ser realmente a potncia absorvida pela mesma. Mas se for uma carga indutiva (motor, reator de lmpada fluorescente, etc.), haver uma defasagem entre a tenso e a corrente no circuito conforme indicado. Tambm ocorrer defasagem se a cagar for capacitiva.


Fig. 5

A potncia total (produto da tenso pela corrente) ser a soma ortogonal de dois componentes. E temos as seguintes definies e igualdades:

Potncia aparente ou total: P = V I. Potncia ativa: PA = P cos = V I cos . Potncia reativa: PR = P sen = V I sen . Como P PA, isto representa um importante dado em circuitos de corrente alternada,

uma vez que a potncia resultante de trabalho til na carga somente a potncia ativa, mas o gerador fornece potncia aparente. Isto significa que a potncia reativa indesejvel. Ela no produz trabalho til, mas demandada do gerador e contribui para carregar a fiao entre este e a carga.

O parmetro cos chamado fator de potncia da instalao. Portanto, uma instalao ideal deve ter cos = 1. Como isto s ocorre com cargas puramente resistivas (ex.: lmpadas incandescentes, resistncias de aquecimento), para as demais sempre menor que 1.

A unidade de potncia do Sistema Internacional o watt (W). Em instalaes eltricas mais comum o uso do mltiplo quilowatt (KW). Entretanto, para designar a potncia aparente, comum usar o quilo volt-ampre (KVA). Fisicamente as unidades se eqivalem, isto , 1 KVA = 1 KW. apenas para distinguir uma de outra. Analogamente, para potncia reativa, usado KVAr, que tambm eqivale ao KW.

No Figura 5 est considerado um gerador como fonte da energia eltrica, mas poderia perfeitamente ser um transformador alimentado a partir de uma rede eltrica. Assim, para transformadores e geradores, a especificao de potncia sempre dada em KVA (potncia aparente) para ficar independente do fator de potncia da carga. Exemplo: um gerador ou transformador com capacidade de 100 KVA poder fornecer 100 KW de potncia til se o fator de potncia da carga for 1. Se for 0,8, por exemplo, a potncia til que poder fornecer ser 100 x 0,8 = 80 KW.

Para os circuitos trifsicos a energia reativa ocorre de forma similar conforme a seguir, mas importante no confundir a defasagem entre tenses ou entre correntes das trs fases com a defasagem entre tenso e corrente devido presena de carga indutiva. So coisas completamente distintas.


5 - CIRCUITOS TRIFSICOS

A Figura 6 mostra as configuraes tringulo e estrela de cargas genricas (c) em um circuito trifsico.

Fig. 6

Lembramos as definies: Tenso de linha V: tenso entre duas fases da linha. Corrente de linha I: corrente que circula por cada fase. Tenso de fase Vf: tenso sobre a carga. Corrente de fase If: corrente que circula pela carga. Na configurao tringulo, a tenso de linha igual de fase. Assim: V = Vf e, para a corrente, I = 3 If. Na configurao estrela, a corrente de linha igual de fase. Assim: I = If e, para a tenso, V = 3 Vf. Para a potncia, vale em ambos os casos: Potncia aparente: P = 3 V I. Potncia ativa: PA = 3 V I cos . Potncia reativa: PR = 3 V I sem . Obs.: todas estas igualdades supem um sistema equilibrado, isto , as tenses entre

fases so idnticas e as cargas (c) tambm. Agora um exemplo prtico: suponhamos que V = 220V e que as cargas (c) sejam os

enrolamentos de um motor trifsico com tenso nominal de 220V. Assim, na configurao tringulo, o motor estar operando em condies normais, pois a tenso em cada enrolamento ser 220V. A corrente If depender da potncia do motor. Entretanto, se ligado em estrela, a tenso em cada enrolamento ser Vf = 220/3. Isto significa que o motor ir operar com uma potncia menor.

Logo que so ligados, isto , na partida, os motores demandam um pico elevado de corrente da rede, pois ainda no atingiram a rotao nominal. Se a partida dada na configurao estrela, o pico ser menor devido menor tenso em cada enrolamento. Esta


tcnica bastante utilizada para reduzir os picos de partida onde chamada de partida em estrela-tringulo. Isto feito por um conjunto de chaves magnticas que ligam o motor na configurao estrela e certo tempo depois comutam para o tringulo. Essa comutao pode ser manual ou automtica com temporizadores.

6 - CORRIGINDO O FATOR DE POTNCIA

Conforme j visto, qualquer fator de potncia menor que 1 significa desperdcio. A energia reativa suprida pela fonte fornecedora, mas no se transforma em trabalho til para o consumidor. dissipada na rede. Assim, as empresas geradoras e distribuidoras de energia eltrica agem para manter o fator de potncia no mais alto valor possvel.

Provavelmente devido a razes de custo-benefcio, no h controle sobre os pequenos consumidores. Para consumidores de maior porte fixado um fator de potncia mnimo, abaixo do qual o consumidor penalizado com multa.

O mtodo comum para correo do fator de potncia dado na Figura 7 A. Supomos que (c) uma carga indutiva.

Fig. 7

Em um indutor a corrente fica atrasada em relao tenso. E, em um capacitor, ocorre o contrrio. Assim, um capacitor em paralelo com a carga e adequadamente dimensionado, poder fazer com que a corrente fique perfeitamente em fase com a tenso e, portanto, fator de potncia unitrio.

Na prtica, um consumidor no tem apenas uma carga. Numa indstria, por exemplo, normalmente so muitas e podem ser ligadas ou desligadas ao longo do dia e a potncia demandada das mesmas varia dependendo do equipamento.

Desde que no possvel construir capacitores variveis nos valores de capacitncia exigidos, normalmente usada uma seqncia de capacitores comutados por chaves magnticas conforme Figura 7 B. Um circuito eletrnico monitora o fator de potncia e liga ou desliga cada capacitor para mant-lo o mais prximo possvel da unidade.

Evidente que num sistema trifsico os capacitores devem ser instalados em cada par de fases. Formam assim uma srie de elementos e muitas vezes o conjunto chamado banco de capacitores.

Normalmente o banco de capacitores instalado na entrada de energia do consumidor (quadro ou subestao prpria se ligado distribuio primria). Ver Figura 8.


Fig. 8

Se em subestao prpria, deve ser ligado ao secundrio do transformador. A instalao no primrio pode atender os requisitos da concessionria, mas o transformador do consumidor continuar fornecendo energia reativa para sua rede interna.

Se o consumidor tem uma carga significativamente alta em relao s demais, pode ser interessante um banco de capacitores especfico junto mesma. A eficincia da rede melhora.

7 - CONDUTORES

Em geral, d-se o nome de cabo ao conjunto de condutor, camada isolante e capa de

proteo conforme Figura 9.

Fig. 9

evidente que a nica parte essencial o condutor. As demais podem existir ou no. Exemplos: existem cabos completamente sem isolao (cabos nus), usados em linhas areas, aterramento, para-raio e em outros casos. Nos cabos usados em instalaes residenciais, tomadas, ligaes internas de aparelhos e outros, isolante e capa so normalmente uma nica camada. Cabos para alta tenso geralmente tm uma camada a mais, metlica, entre o isolante e a capa (blindagem).

O condutor pode ser um nico fio (cabo rgido) ou ser formado por um agrupamento de fios mais finos, o que d uma flexibilidade ao cabo (cabo flexvel). mais comum a designao fio rgido ou fio flexvel.

A maioria das instalaes residenciais e comerciais usa fios rgidos por uma questo de custo. Melhor se fossem flexveis. Estes tm menos tendncia de se soltarem dos terminais e bornes de ligao.

O material do condutor quase sempre o cobre. o metal que apresenta melhor compromisso entre condutividade eltrica e custo. Em alguns casos, como linhas de transmisso, usado o alumnio.

A capacidade de conduo de corrente de um cabo depende basicamente da bitola do condutor. Entretanto, isso no deve ser o nico critrio de dimensionamento.

Exemplo: uma carga alimentada por um cabo de comprimento 10 m. Se for deslocada e o cabo agora tem 100 m, poder ser necessria uma bitola maior para manter a queda de tenso dentro do tolervel.


A padronizao dos cabos segundo a capacidade dada pela rea da seo transversal do condutor em milmetros quadrados (mm). A tabela abaixo d os valores usuais de capacidade de conduo em corrente para as sees padronizadas.

Seo mm22 condutores carregados

3 condutores carregados Seo mm

2 2 condutores carregados

3 condutores carregados

0,5 9 8 50 151 1341 13,5 12 70 192 171

1,5 17,5 15,5 95 232 2072,5 24 21 120 269 2394 32 28 150 309 2726 41 36 185 353 31010 57 50 240 415 36416 76 68 300 473 41925 101 89 400 566 50235 125 111 500 651 578

Tais valores se referem a cabos isolados com PVC, a 70 C, temperatura ambiente de

30 C, instalados em calhas ou dutos. Ver catlogos dos fabricantes para mais detalhes. Padronizao de cores de cabos para instalaes; Na maioria das instalaes residenciais e comerciais, no h qualquer critrio para

diferenciar os condutores. Uma distino por meio de cores altamente vantajosa, tanto para os servios de instalao quanto eventuais reparos e substituies. Abaixo temos o padro normalmente adotado.

Fase R - preto Fase S - branco Fase T - vermelho Neutro - azul claro Terra - verde

7.1 - DIMENSIONAMENTO DE CONDUTORES

Abordaremos um tipo de carga indutiva, mais precisamente motores. A razo disso bvia, pois os motores (alm de ser equipamentos de maior nmero em uma instalao industrial) so o tipo de carga mais critica. Sabendo como trabalhar com eles, todas as demais (lmpadas, resistivas, etc.) podem ser analisados sem tantos pontos crticos. Outro aspecto importante a ser analisado antes do dimensionamento a normalizao. Todas as frmulas, tabelas e dispositivos tem como base a norma NBR 5410. Essa norma estabelece todos os padres a serem seguidos em instalaes eltricas de baixa tenso. O dimensionamento de condutores deve contemplar a capacidade corrente em funo da mxima queda de tenso permitida. J a corrente considerada a nominal do motor. Para dimensionarmos o condutor necessitamos apenas saber a sua demanda total de corrente. Uma vez determinada, basta consultarmos a tabela relativa. As duas frmulas bsicas para calcular-se a demanda de corrente so: Para redes monofsicas. I = P / V Cos Para redes trifsicas. I = P / V Cos 3


Onde: P = potncia do motor convertido em watts V = tenso da rede Cos = fator de potncia do motor = rendimento do motor A potncia do motor em CV equivale a 736W e a potncia em HP equivale a 746W. Com exceo da tenso da rede de alimentao, todos os demais dados so constantes e devem ser fornecidos pelo fabricante. Normalmente eles esto disponveis em plaquetas fixadas no prprio motor. Alguns motores possuem o que chamamos de FS (fator de servio) maior do que 1. O fator de servio um parmetro que trata da capacidade de suportar sobrecargas contnuas. Essa caracterstica melhora o desempenho do motor em condies desfavorveis, porm, caso ele seja maior do que 1, deve ser considerada nos clculos de corrente. It FS I Onde: It = corrente total FS = fator de servio I = corrente de clculo determinado pelas frmulas anteriores Quando temos um fator de potncia igual a 1 (FS = 1) significa que o motor foi projetado para funcionar continuamente acima de sua potncia nominal. A seguir temos uma tabela para o limite de temperatura para os isolantes dos cabos.

ISOLAO TEMP. MXIMA CONTNUA (C)TEMP. LIMITE

SOBRECARGA (C)

TEMP. LIMITE CURTO-CIRCUITO

(C)PVC 70 100 160EPR 90 130 250XLPE 90 130 250

A queda de tenso na partida do motor no deve ultrapassar 7% da tenso nominal Alm disso a NBR 5410 impe (independente de clculo) que a seo mnima para os cabos de alimentao seja igual a 2,5mm2 (condutores de cobre).

8 - LMPADAS

As lmpadas incandescentes, , so bastante conhecidas e aqui no cabem mais detalhes. So de baixo custo e fceis de instalar. O problema a baixa eficincia. Apenas aproximadamente 5% da energia consumida transformada em luz. O restante perdido em forma de calor.

Como alternativas mais eficientes, existem as lmpadas de descarga a gs, sendo a fluorescente a mais usada em ambientes comerciais e residenciais. Em ambientes indstrias e para iluminao de grandes reas so usados tambm os tipos vapor de mercrio e vapor de sdio.


A Figura 10 mostra o funcionamento de uma lmpada fluorescente comum, tubular. A estrutura um bulbo tubular de vidro, com um filamento em cada extremidade, contendo uma pequena quantidade de mercrio e um gs nobre (argnio, criptnio ou nenio) em baixa presso. H tambm um revestimento opaco interno. Sob ao do potencial eltrico aplicado nos filamentos, os eltrons se movem de um lado a outro em alta velocidade. A coliso com os tomos do mercrio emite radiao ultravioleta. Um revestimento interno com material apropriado, por exemplo, halofosfato de clcio, converte esta radiao em luz visvel. A eficincia de uma lmpada fluorescente est na faixa de 23%.

Fig. 10

Entretanto, a lmpada fluorescente exige dispositivos adicionais para operar. Na parte inferior da Figura 10, o esquema de ligao mais simples, com partida

manual. O reator R (bobina com ncleo de ferro) necessrio para limitar a corrente e fornecer

a tenso adequada. Para acender necessrio pressionar por um breve perodo o boto S (interruptor), de

forma a aquecer os filamentos e formar o arco entre as extremidades. Uma vez acesa o filamento pode e deve ser desligado, pois a descarga se mantm enquanto houver tenso aplicada. Evidente que este mtodo pouco prtico. Existem dispositivos chamados starters que fazem esta operao automaticamente.

H tambm reatores que dispensam starters, chamados de partida rpida. E tambm os reatores eletrnicos.

Desde a ltima dcada, so bastante usadas as lmpadas fluorescentes compactas, em formato de U ou circular. Contendo o reator na prpria base e soquete padro, tornam a instalao to simples quanto a das incandescentes.

9 - QUADRO DE DISTRIBUIO

Em uma residncia tem que ser colocado um quadro de distribuio, tambm conhecido como quadro de disjuntores.

A local de onde ir ficar o quadro de disjuntores, dever ser sempre que possvel, no centro imaginrio das cargas, porm no muito visvel, mas em local de fcil acesso, para facilitar uma manuteno e/ou emergncia.

Para efetuar as divises dos disjuntores, o profissional poder efetuar da melhor forma que achar necessrio, porm usual dividir em dois circuitos para a iluminao e mais dois circuitos para as tomadas. Dever colocar um circuito para cada chuveiro e um circuito para cada ar condicionado.


comum fazer uma tabela do quadro de disjuntores, para poder identificar cada circuito bem como todas suas caractersticas. No existe uma norma especfica que menciona quais caractersticas deve constar na tabela, mas no mnimo deve ter: nmero do circuito, tenso, potncia, corrente, seo do condutor, disjuntor, localizao e o balanceamento das fases, que a forma para representar aproximadamente as cargas para cada fase.

10 - INSTALAO RESIDENCIAL Os tipos de ligao para instalao de iluminao so: simples, paralelo e

intermedirio, onde so utilizados interruptores simples, paralelos e intermedirios, como veremos nos diagramas eltricos.

Para instalao eltrica residencial necessrio a execuo de um projeto eltrico, onde no representado os diagramas eltricos, mas a planta baixa da residncia com as devidas distribuio de tomadas, lmpadas e interruptores, e tambm o desenho da tabela do quadro de disjuntores.

Para a instalao eltrica residencial de iluminao, podemos efetuar trs tipos de ligao dos interruptores: simples, paralelo e intermedirio.

11 PROTEO ELTRICA

A NBR5410 prescreve que todo circuito deve ser protegido por dispositivos que interrompam a corrente eltrica em caso de curto-circuito ou sobrecarga.

11.1 CURTO-CIRCUITO

O curto-circuito o contato direto acidental entre os condutores de uma rede. Pode ser entre fases ou entre fase e neutro. Pode ocorrer devido a algum problema na prpria rede ou no interior de alguma mquina ou equipamento. A corrente atinge valores elevados, limitada apenas pela resistncia hmica dos condutores ou capacidade da fonte geradora. Sem uma proteo adequada, danos graves ocorrero e o risco de incndio grande.

11.2 SOBRECARGA

A sobrecarga difere do curto-circuito pelas amplitudes das grandezas no fenmeno. A sobrecarga resulta na sobrecorrente, que no tende ao infinito, porm assume valores acima da nominal da carga. A tenso de alimentao, na sobrecarga, no cai a zero como no curto-circuito.

Ela pode at sofrer uma queda devido a sobrecorrente, mas raramente diminui mais de 10% da tenso nominal. A sobrecarga pode ser momentnea ou permanente.

12 COMPONENTES DE PROTEO

12.1 - FUSVEIS


O fusvel um dispositivo de proteo simples e econmico e, por isso, amplamente utilizado. Nada mais que um pequeno trecho condutor de um material de baixo ponto de fuso. O aquecimento provocado por uma corrente elevada funde o elemento, abrindo o circuito.

Os pequenos fusveis usados em circuitos eletrnicos so geralmente simbolizados por . Em instalaes eltricas comum o smbolo . A principal caracterstica de um fusvel a sua corrente nominal, isto , o valor

mximo de corrente que o mesmo suporta em regime contnuo sem abrir. Correntes maiores que a nominal iro provocar a ruptura do fusvel aps algum tempo e esta relao, tempo x corrente de ruptura a curva caracterstica do fusvel. A Figura 11 d um exemplo tpico, onde In a corrente nominal.

Fig. 11

Os fusveis tambm tm uma tenso mxima de operao que deve ser obedecida. Diferentes tipos de fusveis, ainda que considerando as mesmas correntes nominais,

podem ter curvas diferentes. Alguns tipos, as vezes chamados de retardados, apresentam um tempo relativamente

longo para abrir. Outros, chamados rpidos, abrem em um tempo bem menor, na mesma corrente. Esta diversidade necessria, uma vez que cargas comuns como motores tm um pico de corrente na partida que deve ser suportado e, portanto, o tipo retardado deve ser usado. Equipamentos sensveis como os eletrnicos precisam de uma ao rpida para uma correta proteo. importante evitar confuses. Um fusvel rpido colocado no lugar de um retardado provavelmente ir abrir ao se ligar a carga. E um retardado no lugar de um rpido poder no proteger os componentes em caso de um curto interno no equipamento.

Fusveis so uma boa proteo contra curtos-circuitos. No so muito adequados contra sobrecargas. Para tais casos devem ser usados disjuntores.

12.2 - DISJUNTORES

Disjuntores so dispositivos eletromecnicos de proteo que funcionam sob ao magntica e/ou trmica, interrompendo o circuito em caso de curto-circuito e/ou sobrecarga. A ao magntica funciona na ocorrncia de curtos-circuitos e um disjuntor somente

magntico seria simbolizado por . Um disjuntor somente trmico tem o smbolo e protege contra sobrecargas. Em geral, os disjuntores combinam ambas as formas de proteo.

So chamados de termomagnticos, com o smbolo . claro que tais smbolos se referem a disjuntores monofsicos. Para os tipos bi e trifsicos, eles so agrupados de forma similar s chaves seccionadoras como visto anteriormente.

Existe uma ampla variedade de tipos e capacidades, que aqui no cabe detalhar. Entretanto, vale lembrar que, em instalaes residenciais comuns, eles so muitas vezes os nicos meios de proteo usados, substituindo fusveis e chaves.

A Figura 12 mostra o esquema simplificado de um disjuntor termomagntico.


Fig. 12

Entre os bornes 1 e 2, a corrente passa pela resistncia de baixo valor R (que est prxima da lmina bimetlica B), pela bobina do eletrom E e pelo par de contatos C. Este tende a abrir pela ao da mola M2 mas o brao atuador A impede com ajuda da mola M1.

O eletrom E dimensionado para atrair a extremidade do atuador A somente em caso de corrente muito alta (curto circuito) e, nesta situao, A ir girar no sentido indicado, liberando a abertura do par de contatos C pela ao de M2. De forma similar, R e o bimetal B so dimensionados para que este ltimo no toque a extremidade de A dentro da corrente nominal do disjuntor. Acima desta, o aquecimento do bimetal o levar a tocar o atuador A, interrompendo o circuito de forma idntica do eletrom.

12.3 INTERRUPTOR DE FUGA

Tambm chamado interruptor diferencial, na realidade um disjuntor. Mas no se destina proteo contra curtos ou sobrecargas e sim contra falhas na isolao de aparelhos.

Na Figura 13 o princpio de funcionamento: um equipamento ligado rede monofsica e o conjunto interruptor formado pelas partes dentro do retngulo tracejado. A alimentao da rede passa pelo ncleo da bobina L que alimenta o atuador A que, por sua vez, comanda o grupo de contatos C.

Fig. 13

Em situao normal, a corrente no condutor fase igual do neutro mas em sentidos opostos. Assim, os campos magnticos se anulam e no h tenso induzida na bobina L. Entretanto, se houver uma fuga F de corrente entre o circuito do equipamento e sua carcaa que est aterrada, a corrente na fase ser maior que a do neutro. Isso induz uma tenso na bobina L e o atuador A faz a abertura dos contatos. Opera de forma similar com circuitos trifsicos.


Notar que pode funcionar tambm como uma proteo contra choques. Se a carcaa do equipamento no estiver aterrada e houver uma fuga e for tocada por uma pessoa, o desequilbrio de corrente ocorrer e poder fazer o interruptor atuar.

A principal caracterstica, alm da mxima tenso e corrente que pode suportar, a sensibilidade, isto , a menor corrente de fuga que provoca a abertura (o conceito est no sentido inverso, ou seja, quanto menor a corrente, maior a sensibilidade).

Interruptores de baixa sensibilidade, como por exemplo 500 mA, so usados para proteo somente contra fugas e as carcaas dos equipamento devem estar corretamente aterradas. J os de alta sensibilidade como 30 mA so usados onde o aterramento no existe ou deficiente. Entretanto, tais dispositivos no podem ser considerados substitutos do aterramento. O aterramento deve ser sempre usado.

12.4 RELE TRMICO

A proteo contra sobrecarga utilizada em motores o rel trmico. O princpio de funcionamento deste dispositivo est baseado na ao da dilatao

trmica diferencial de uma haste bimetlica, que composta de dois metais distintos. Como os dois metais so diferentes, o coeficiente de dilatao tambm . Quando h

uma sobrecorrente, a haste aquece, porm, devido aos diferentes coeficientes de dilatao, um metal dilata mais do que o outro. A haste, ento, sofre uma curvatura abrindo os contatos e interrompendo o circuito. Normalmente os contatos do rel trmico no esto ligados diretamente ao motor, mas sim a bobina de comando de contato de acionamento.

O rel possui um ajuste para sua atuao. Portanto, dimensionar o rel trmico na realidade, significa determinar seu tipo e seu ponto ideal de ajuste em funo da carga.

13 CIRCUITOS CLSSICOS

Para analisarmos um circuito industrial, o tcnico deve ter em mente que um circuito tem duas partes separadas (circuito de comando e circuito de fora).

O circuito de comando mostra a lgica com que o circuito de fora deve operar. O circuito de fora por sua vez, e como o prprio nome diz, estabelece ou no a

energia para a carga. Um circuito de fora composto de trs fusveis (um para cada fase), contator tripolar (liga ou desliga o motor), rel trmico e motor de induo trifsico.

Vamos ver a seguir, os mais comuns tipos de partidas de motores na indstria: partida direta, partida automtica com reverso, partida automtica Y/ (estrela-tringulo) e chave compensadora.

13.1 PARTIDA DIRETA

Em uma partida direta de um motor, o nico componente de manobra o contator K1. No diagrama de comando desse motor, temos o contato do rel trmico (proteo) em

srie com o boto desliga (NF) para deslig-lo, e o boto liga (NA) para lig-lo e finalmente a bobina do contator. Em paralelo com o com o boto liga temos um contato do contator K1, o qual chamado de auxiliar ou de selo. O contato de selo serve para manter o contator fechado na ausncia da atuao do boto liga, aps o sistema ter sido acionado.


Ligao: Quando apertarmos o boto liga (BL), o contator (K1) acionado (entra) fechando o contato de selo. Como ele est em paralelo com boto liga (BL), mesmo aps tirar o dedo, o sistema continuar ligado.

Interrupo: Para desligar, basta pressionarmos o boto desliga (BD) que, por ser normalmente fechada (uma vez acionada) interromper o processo.

Sinalizao: A lmpada (SL) acender quando o contator (K1) for energizado fazendo com que seu contato (43 e 44) feche, indicando que o motor est ligado.

A lmpada (SD) inicialmente estar acesa indicando que o motor est desligado e quando o contator (K1) for energizado fazendo com que seu contato (21 e 22) abra, a lmpada apagar.

A lmpada (SA) de alarme ascender quando o rel (F1) atuar com sobrecarga fazendo com que seu contato (97 e 98) feche, indicando defeito.

A figura 14 ilustra o diagrama de fora e de comando desse sistema.

Fig. 14

13.2 PARTIDA COM REVERSO

A partida de reverso a inverso do sentido de rotao de motores trifsicos. Para inverter o sentido de giro de um motor AC trifsico, basta inverter as fases R e

T da sua alimentao. Com dois contadores (K1 e K2) intertravados, podemos inverter as fases R e T nos

bornes do motor.


Quando K1 est energizado K2 est aberto e a fase R est conectada no borne U do motor, fase S em V e fase T em W. Quando entra K2, K1 sai e a fase R muda para W, e a fase T para U, revertendo o sentido de rotao.

Ligao: Quando apertarmos o boto liga (BL1), o contator (K1) acionado (entra) fechando o contato de selo. Com isso o motor entra em funcionamento girando para um dos sentidos, por exemplo, direita.

Comutao: Quando apertarmos o boto liga (BL2), o contator (K1) desenergizado e o contator (K2) acionado (entra) fechando o contato de selo. Com isso o motor frenado passando a girar no sentido contrrio, esquerda.


Sinalizao: A lmpada (SL1) acender quando o contator (K1) for energizado, indicando que o motor est ligado girando para a direita.

A lmpada (SL2) acender quando o contator (K2) for energizado, indicando que o motor est ligado girando para a esquerda.

A lmpada (SD) inicialmente estar acesa indicando que o motor est desligado e quando o contator (K1) ou o contator (K2) for energizado, a lmpada apagar.

A lmpada (SA) de alarme ascender quando o rel (F1) atuar com sobrecarga, indicando defeito.


Fig. 15

13.3 PARTIDA Y/ (estrela-tringulo)

Uma das necessidades da industria proporcionar a partida suave para motores de grande porte (acima de 10CV). Uma das tcnicas utilizadas a partida Y/.

Isso conseguido mudando o fechamento das bobinas internas de um motor Y para . Para isso vamos utilizar dois recursos: intertravamento de motores e rel de tempo.


O intertravamento de contatores uma tcnica onde a entrada de um contator significa, necessariamente, a sada do outro. Se o contator (K1) entrar sem que (K2) saia, haver um curto-circuito entre as fases de alimentao. O intertravamento realizado atravs de um contato auxiliar (selo) de cada contator, de modo a interromper cada respectivo comando segundo a lgica de operao.

O rel de tempo, na essncia, um contator temporizado. Uma vez energizado, segundo seu ajuste, permite que determinada manobra ocorra com o tempo desejado. Esse tempo, no caso de partida de motores, depender de cada motor. Na prtica, ele pode variar de 100ms (motores pequenos) at vrios segundos.

Quando o contator (K1) e (K2) entrarem, teremos a ligao estrela (Y). Nesse instante (K3) deve estar desenergizado. Aps o tempo ajustado, (K2) deve sair e, ento, (K3) energizado, estabelecendo a ligao tringulo ().

A ligao estrela feita atravs do curto-circuito dos terminais U2-V2-W2, e a ligao tringulo atravs das conexes entre U1-W2, V1-U2, E W1-V2.

Ligao: Quando apertarmos o boto liga (BL), energizado o contator (K2) e o rel de tempo (RT1). Um contato de (K2) aciona o contator (K1), fazendo com que o motor entra em funcionamento em estrela.

Comutao: Decorrido um tempo para o qual foi ajustado o rel de tempo (RT1), este opera, desligando o contator (K2), onde ocorrer a abertura de seus contatos fechados e fechamento dos contatos abertos do contator (K2). Nesse instante o contato (K2) em srie com a bobina de (K3) fechado energizando (K3), fazendo com que o motor entra em funcionamento em tringulo.


Sinalizao: A lmpada (SL1) acender quando o contator (K1) for energizado, indicando que o motor est ligado.

A lmpada (SD) inicialmente estar acesa indicando que o motor est desligado e quando o contator (K1) for energizado, a lmpada apagar.



Fig. 16


13.4 CHAVE COMPENSADORA

Outro modo de proporcionar a reduo do pico de corrente gerado pela partida de motores, a partida atravs da chave compensadora. O componente principal desse circuito um autotransformador que, atravs de um tap (derivao), dispe uma tenso reduzida de 65% da nominal.

Atravs de trs contatores ligamos o motor (instante da partida), nesse tap. Como a tenso est reduzida, sua partida torna-se mais suave. Uma vez vencida a inrcia, o motor ligado diretamente a rede eltrica, funcionamento de 100% da tenso.

Na partida, os contatores (K2 e K3) esto energizados e (K1) desenergizado. Assim temos (K3) fazendo o fechamento de autotransformador, e (K2) conectando-o a rede. Aps algum tempo, (K2 e K3) so desenergizados, desligando o autotransformador, e (K1) entra. Nesse momento, 100% da tenso passa a alimentar o motor.

Ligao: Quando apertarmos o boto liga (BL), energizado o contator (K2) e o rel de tempo (RT1). Um contato de (K2) aciona o contator (K1), fazendo com que o motor entra em funcionamento em estrela.

Comutao: Decorrido um tempo para o qual foi ajustado o rel de tempo (RT1), este opera, desligando o contator (K2), onde ocorrer a abertura de seus contatos fechados e fechamento dos contatos abertos do contator (K2). Nesse instante o contato (K2) em srie com a bobina de (K3) fechado energizando (K3), fazendo com que o motor entra em funcionamento em tringulo.


Sinalizao: A lmpada (SL1) acender quando o contator (K1) for energizado, indicando que o motor est ligado.

A lmpada (SD) inicialmente estar acesa indicando que o motor est desligado e quando o contator (K1) for energizado, a lmpada apagar.




Fig. 17

OBS.: Podemos encontrar no mercado, sistemas que substituam as tcnicas de

comandos eltricos, seus princpios de funcionamento originam-se na eletrotcnica, Podemos citar alguns dos equipamentos para partidas de motores como, o soft-starter, inversores de frequncia e o PLC.

Eletrotecnica-basica - Reinaldo Bolsoni

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