ELETRICIDADE INDUSTRIAL

© SENAI - PR, 2001

CÓDIGO DE CATÁLOGO :

Trabalho elaborado pela Diretoria de Educação e Tecnologiado Departamento Regional do SENAI - PR , através doLABTEC - Laboratório de Tecnologia Educacional.

Coordenação geralElaboração técnica SENAI - Rio branco do Sul - PR

Equipe de editoração

CoordenaçãoDigitação

DiagramaçãoIlustração

Revisão técnica SENAI - Rio Branco do SulCapa

Referência Bibliográfica.NIT - Núcleo de Informação TecnológicaSENAI - DET - DR/PR

S474i SENAI - PR. DET Eletricidade Industrial Curitiba, 2001, 180 p

CDU

Direitos reservados ao

SENAI — Serviço Nacional de Aprendizagem IndustrialDepartamento Regional do ParanáAvenida Cândido de Abreu, 200 - Centro CívicoTelefone: (41) 350-7000Telefax: (41) 350-7101E-mail: senaidr@pr.senai.brCEP 80530-902 — Curitiba - PR

SUMÁRIO

1. MOTORES ELÉTRICOS .......................................................................................... 052. MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO ......................................................................... 172.1 Motor Trifásico de Seis Terminais ........................................................................... 182.2 Motor Trifásico de Doze Terminais .......................................................................... 193. CHAVES MANUAIS .................................................................................................... 203.1 Chave Reversora Tripolar Manual ........................................................................... 203.2 Ligação do Motor Trifásico ...................................................................................... 213.2 Montagem e Instalação Chave Manual para Partida Estrela-Triângulo de Motor Trifásico ........................................................................................................ 234. MOTORES DE MÚLTIPLAS VELOCIDADES ........................................................... 294.1 Motor Trifásico de Duas Velocidades com dois Enrolamentos ............................... 294.2 Motor Trifásico de Duas Velocidades com um único Enrolamento (Dahlander) ..... 294.3 Chaves de Comutação Polar .................................................................................. 314.4 Chaves de Comutação Polar Manual apara Comando de Motor Trifásico de Duas Velocidades................................................................................................... 314.5 Chaves de Comutação Polar Manual com Reversão para Comando de Motor Trifásico de Duas Velocidades ................................................................................ 335. DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO E CONTROLE..................................................... 355.1 Apresentação .......................................................................................................... 355.2 Fusíveis ................................................................................................................... 365.3 Botões de Comando ............................................................................................... 495.4 Chave Auxiliar Tipo Fim de Curso ........................................................................... 565.5 Contatores............................................................................................................... 635.6 Relês de Proteção................................................................................................... 795.7 Disjuntor Industrial ................................................................................................... 895.8 Sinalização .............................................................................................................. 935.9 Relês de Tempo ...................................................................................................... 965.10 Transformadores para Comandos Elétricos ....................................................... 1025.11 Conectores Unipolares ........................................................................................ 1106. SISTEMAS DE PARTIDA DE MOTORES ELÉTRICOS ......................................... 1176.1 Direta ..................................................................................................................... 1176.2 Partida Direta com Reversão ................................................................................ 1246.3 Sistema de Partida Estrela-Triângulo de Motores Trifásicos................................. 1266.4 Sistema de Partida com Autotransformador (compensadora) de Motores Trifásicos ................................................................................................. 1316.5 Comparação entre Chaves Estrela-Triângulo e Compensadoras Automáticas.... 1356.6 Sistemas de Frenagem de Motores Trifásicos ..................................................... 1396.7 Partida Consecutiva Automática de Motores Trifásicos ........................................ 1457. SISTEMA DE PARTIDA COM ACELERAÇÃO ROTÓRICA AUTOMÁTICA .............. 146

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1. Motores elétricos

Sempre que necessitamos de um equipamento para re-

alizar um determinado trabalho, utilizamos atuadores, que são

dispositivos capazes de converter uma forma de energia em

outra. Assim, podemos classificar esses atuadores em dois

grandes grupos, a saber:

� atuadores lineares;

� atuadores rotativos.

Atuadores lineares

Dispositivos que operam em linha, realizando trabalho

com movimentos de ida e volta.

� Exemplo

Cilindros pneumáticos e/ou hidráulicos.

Atuadores rotativos

Dispositivos que desenvolvem trabalho através do movi-

mento rotativo de um eixo.

� Exemplo

Motores pneumáticos, hidráulicos, a explosão e elétri-

cos.

Embora sejam de fundamental importância

todos os tipos de motores citados, centralizaremos

nossos estudos nos motores elétricos, que são o

objeto principal para o desenvolvimento do conteú-

do de que estamos tratando.

O motor elétrico tem como função transfor-

mar a energia elétrica em mecânica. Por ter custo

reduzido, devido à sua simplicidade de construção

e grande versatilidade de adaptação às cargas dos

mais diversos tipos, é o mais usado de todos os

tipos de motores.

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Tipos de motores elétricos

Motores de corrente alternada

São os de maior uso, devido ao fato de a energia elétrica

ser distribuída normalmente em corrente alternada. Classifi-

cam-se em dois grupos principais:

Motor síncrono - Funciona com velocidade fixa. Seu

uso é limitado a grandes potências, devido ao seu alto custo

em tamanhos menores, ou quando é necessária uma veloci-

dade invariável.

Motor de indução - É utilizado na grande maioria das

máquinas e equipamentos encontrados na prática. É, sem

dúvida, o mais utilizado devido à sua simplicidade, robustez e

baixo custo. Sua velocidade sofre ligeiras variações em fun-

ção da variação da carga mecânica aplicada ao eixo.

Motor de corrente continua

Motor de custo elevado, requer alimentação especial,

fonte de corrente contínua. Presta-se a controles de grande

flexibilidade e precisão, devido à elevada gama de valores de

ajuste de velocidade. O uso desse motor é restrito a casos

onde tais exigências compensam o elevado custo da instala-

ção.

Ligação de cargas a um sistema monofásico

Podemos ligar duas ou mais cargas a um sistema

monofásico de duas formas:

� série;

� paralelo.

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Série - As duas cargas são atravessadas pela corrente

total ou máxima do circuito. A tensão em cada carga é igual à

metade da tensão aplicada ao circuito, caso as cargas sejam

iguais.

Paralelo - A corrente em cada carga é igual à metade

da corrente total do circuito, considerando-se cargas iguais. A

tensão em cada carga é igual à tensão aplicada ao circuito.

Sistema de corrente alternada trifásico

Um sistema trifásico é formado pela associação de três

sistemas monofásicos, de tensões V1, V2 e V3, defasadas en-

tre si, de 120º elétricos. Assim, temos que os atrasos de V1

em relação a V3, V2 em relação a V1 e V3 em relação a V2 são

iguais a 120º, considerando-se um ciclo completo igual a 360º.

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Um sistema trifásico equilibrado é o sistema no qual as

três tensões (V1, V2 e V3) têm o mesmo valor eficaz. Os fatos

mencionados são ilustrados na figura que segue.

Características de ligações elétricas

de sistemas trifásicos

Ligação triângulo ou ∆∆∆∆∆

Se ligarmos três sistemas monofásicos entre si, confor-

me mostrado na figura abaixo, poderemos eliminar três fios,

utilizando apenas um em cada ponto de conexão, ficando o

sistema reduzido a três fios R, S e T.

9SENAI-PR

A tensão entre duas fases quaisquer (R, S ou T) deno-

mina-se tensão de linha (VL), e a corrente em cada um desses

fios, corrente de linha (IL). Analogamente, a tensão em cada

grupo ou elemento do circuito (Z1, Z2 e Z3) denomina-se tensão

de fase (VF) e a corrente em cada um desses elementos, cor-

rente de fase (IF).Na ligação triângulo, a tensão de linha é igual

à tensão de fase, e a corrente de linha é igual à soma (fasorial)

das correntes de fase de dois elementos do circuito, ou sim-

plesmente, IL = IF . 1,732.

VL = VF

IL = IF . 3 = IF

. 1,732

Os voltímetros V1, V2 e V3 medem tensão de fase, en-

quanto V4 e V5 medem tensão de linha.

Os amperímetros A1, A2 e A3 medem corrente de fase,

enquanto A4, A5 e A6 medem corrente de linha.

� Exemplo

Um sistema trifásico equilibrado, de tensão nominal igual

a 220V, fornece uma corrente de linha a uma carga trifásica,

composta por três cargas iguais ligadas em triângulo, igual a

100A. Determine os valores da tensão e da corrente em cada

uma das cargas.

V

Solução

VL = V

F = 220V

IL = IF . 1,732 ∴ IF =`IL/1,732 ∴ ΙF = 100A/1,732 ∴IF = 0,58 . 100A = 58A

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Ligação estrela ou Y

Se ligarmos um dos fios de cada sistema monofásico a

um ponto comum entre os três, os três fios que restam for-

mam um sistema trifásico em estrela.

Esse ponto comum, às vezes, é aterrado, originando um

quarto fio denominado neutro (N), formando um sistema trifásico

em estrela a quatro fios.

As tensões e correntes são definidas do mesmo modo

que na ligação triângulo.

Assim, a corrente em cada fio (R, S ou T), denominada

corrente de linha (IL), é igual à corrente em cada elemento (Z1,

Z2 ou Z3), e a tensão entre dois fios quaisquer (R, S ou T),

denominada tensão de linha (VL) é igual à soma (fasorial) das

tensões nos elementos ligados a esses dois fios, denominada

tensão de fase (VF) ou simplesmente VL = VF . 1,732.

A figura abaixo à direita ilustra o que foi mencionado..

IL = IF VL = VF . 3

Os voltímetros V1, V2 e V3 medem tensão de fase, en-

quanto V4 e V5 medem tensão de linha.

V

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Os amperímetros A1, A2 e A3 medem corrente de linha,

que neste caso é igual à corrente de fase.

� Exemplo

Tem-se uma carga trifásica, de cargas iguais, ligada a

uma rede trifásica. Sabendo-se que a tensão em cada carga é

de 220V e a corrente é de 8A, determine os valores de tensão

da rede que alimenta a carga trifásica e da corrente absorvida.

Solução

VL = VF . 1,732 ∴ VL = 220V . 1,732 ∴VL - 381,05V

IL - IF = 8A

Características importantes dos motores elétricos

Conjugado

Denomina-se conjugado (também chamado de torque,

momento ou binário), a medida do esforço necessário para

girar um eixo. Esse esforço é igual ao produto da força pela

distância radial do eixo, onde está é aplicada (raio da polia),

expresso por:

T = F . a

Onde

T - conjugado ou torque em kgfm (quilo - grama - força -

metro)

F - força aplicada em kgf (quilo - grama - força)

a - raio da polia em m (metro)

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� Exemplo

Deseja-se mover uma carga de peso igual a 20kgf, usan-

do um motor elétrico com polia de diâmetro igual a 40cm. Qual

o torque desenvolvido?

Solução

T = F . ∴ T = 20kgf . 0,2m ∴ T = 4kgfm

Potência mecânica

A potência exprime a rapidez com a qual a energia ou

trabalho é aplicado. É determinada dividindo-se o trabalho rea-

lizado pelo tempo gasto para fazê-lo. A propósito, o trabalho

(W) representa o produto da força aplicada (F) pelo desloca-

mento (d). Assim, temos:

P = W/t e W = F-d

Onde

P - potência mecânica em kgfm/s (quilo - grama - força

- metro por segundo)

W - trabalho em kgfm (quilo - grama - força - metro)

d - distância em m (metros)

t - tempo em s (segundo)

� Exemplo

Um guincho elétrico ergue um peso de 200 kgf a uma

altura de 15m em 25s. Qual é a potência do motor do guin-

cho?

Solução

P = W/t ∴ P = F . d/t ∴ P = 200kgf . 15m/25s ∴

P = 120kgfm/s

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A unidade usual de potência mecânica é o CV (cavalo

vapor) e vale 75kgfm/s. Assim, a potência do motor anterior,

expressa em CV, será:

P (CV) = 120kgfm/s ∴ 75kgfm/s

P (CV) = 1,6CV

Potência elétrica

Em um sistema monofásico com carga resistiva, a po-

tência representa o produto da tensão da rede pela corrente,

dado por:

P = V . I

Em se tratando de sistema trifásico, com carga resistiva,

a potência em cada fase da carga será:

PF = VF . IF

A potência total do sistema trifásico será igual à soma

das potências das três fases, ou seja, P = 3PF ou 3 . VF . IF.

Sabendo-se que, para a ligação triângulo, VL = VF e IL = I .

1,732 e para a ligação estrela VL = VF . 1732 e IL = IF, a equação

de potência para qualquer caso será:

P = 3 V . I

Esse produto exprime o valor da potência aparente em

sistemas trifásicos (Pa).

Considerando-se cargas reativas, ou seja, onde existe

defasagem (atraso ou adiantamento) da tensão em relação à

corrente, esta tem que ser levada em consideração. Isso ocorre

com os motores de indução, passando a expressão anterior a

valer:

V

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P = 3 . V . I . cos ϕ ou P = Pa . cos ϕ

A potência elétrica tem como unidade usual o watt (W),

com múltiplos e submúltiplos, dentre os quais citamos o quilo-

watt (kW), cujo valor é 1000W. Essa unidade é válida somente

quando se considera a defasagem. Caso contrário, teremos

expresso o valor da potência aparente, cuja unidade de medi-

da usual é o volt-ampère (VA) ou seu múltiplo, o quilo-volt-am-

père (kVA).

Observação

1CV = 736W ou 0,736kW.

Rendimento (ηηηηη)

Representa a eficiência com a qual a energia elétrica

absorvida é transformada em energia mecânica disponível no

eixo do motor. Considerando a potência mecânica útil disponí-

vel no eixo (Pu) e a potência elétrica absorvida da rede (Pe, o

rendimento será a relação entre elas, expresso por:

η = Pu ou η % = Pu

Pe Pe

Onde

η - rendimento

Pu - potência mecânica útil em W (736 . P (CV))

Pe - potência elétrica em W

V

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Fator de potência (cos ϕϕϕϕϕ)

Expressa a relação entre a potência elétrica real ou ativa

(Pe) e a potência aparente (Pa). Assim, tem-se:

cos ϕ = Pe

Pa

Fator de serviço (Fs)

É a fator que, aplicado à potência nominal, indica a car-

ga permissível que pode ser aplicada continuamente ao mo-

tor, sob condições especificadas.

Velocidade nominal

É a velocidade (rpm) do motor funcionando à potência

nominal, sob tensão e freqüência nominais.

Corrente nominal (A)

É a corrente que o motor absorve da rede quando funci-

ona à potência nominal, sob tensão e freqüência nominais.

Corrente de partida dos motores de indução

A partida dos motores trifásicos de indução deverá, sem-

pre que possível, ser direta, por meio de contatores. Porém,

há casos em que a corrente de partida do motor é elevada,

tendo as seguintes conseqüências prejudiciais:

� queda de tensão elevada no sistema de alimentação

da rede. Isso provoca perturbações em equipamen-

tos instalados no sistema;

� elevação no custo da instalação, uma vez que o sis-

tema de proteção e controle (cabos, contatores, etc.),

deverão ser superdimensionados;

� imposição da concessionária de energia elétrica, que

limita a queda de tensão da rede.

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Caso o sistema de partida direta não seja possível, devi-

do às implicações citadas acima, pode-se optar por um siste-

ma de partida indireta, a fim de reduzir a corrente de partida.

Em alguns casos, pode-se necessitar ainda de um alto

conjugado de partida, com corrente de partida baixa, devendo-

se então utilizar um motor de anéis.