40
ELETRICIDADE I 2013

Apostila Eletricidade i

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Apostila Eletricidade i

ELETRICIDADE I

2013

Page 2: Apostila Eletricidade i

2

SUMÁRIO

1 – CONCEITOS FUNDAMENTAIS EM ELETRICIDADE 3

1.1 Corrente Elétrica

1.2 Resistência Elétrica

1.3 Potência Elétrica

1.4 Análise de Circuitos Elétricos em CC

1.5 Noções de Eletromagnetismo

2 – GERAÇÃO DE CORRENTE ALTERNADA 13

2.1 - Gerador de Corrente alternada

3 – ANÁLISE DE CIRCUITOS ELÉTRICOS EM CA 15

3.1 – Circuito resistivo em CA

3.2 – Circuito capacitivo em CA

3.3 – Circuito indutivo em CA

3.4 – Diagrama de fasores

3.5 – Circuito RLC em CA

4 – MOTORES ELÉTRICOS 22

4.1 – Motores Elétricos Síncronos e Assíncronos

4.2 – Ligação dos Motores Elétricos

4.3 – Cálculo da corrente nominal

4.4 – Esquemas de instalação de motores elétricos

4.5 –Análise de Diagramas de comando e força

4.5.1 – Dispositivos de seccionamento de motores elétricos

4.5.2 – Diagramas de comando e força

5 – REFERÊNCIAS 40

Page 3: Apostila Eletricidade i

3

1 – CONCEITOS FUNDAMENTAIS EM ELETRICIDADE

1.1 - Corrente elétrica

Movimento ordenado de cargas elétricas ao longo de um condutor

orientado pela ação de uma diferença de potencial elétrico entre suas

extremidades. Podemos equacionar esta definição da seguinte forma:

Unidade: Coulomb/segundo = Amper

1.2 - Resistência elétrica

Consiste na oposição que os materiais possuem a passagem de cargas

elétricas. Determinados materiais apresentam baixa oposição a passagem de

cargas elétricas e por isso são chamados de condutores. Outros oferecem grande

dificuldade a esse movimento de cargas elétricas e, por isso, são chamados de

isolantes.

A resistência elétrica depende das características do material pelo qual

se dá a passagem da carga elétrica e sua magnitude está relacionada com a

resistência específica do material, chamada de resistividade (), com o

comprimento do material, com a seção reta e com a temperatura.

Onde,

- resistividade do material;

L – comprimento do material

A – área da seção reta

Unidade de R:

Page 4: Apostila Eletricidade i

4

A resistência elétrica também varia com a temperatura segundo a

seguinte relação:

R = R0[1+ T]

- coeficiente de temperatura

T – variação de temperatura

R0 – resistência a 0ºC

1.3 - Potência elétrica

A potência elétrica dissipada por um condutor é definida como a quantidade de

energia térmica que passa por ele durante uma quantidade de tempo.

A unidade utilizada para energia é o watt (W), que designa Joule por segundo

(J/s)

Ao considerar que toda a energia perdida em um circuito é resultado do efeito

Joule, admitimos que a energia transformada em calor é igual a energia perdida por

uma carga q que passa pelo condutor. Ou seja:

Mas, sabemos que:

Então:

Logo:

Mas sabemos que

,

Page 5: Apostila Eletricidade i

5

Então, podemos escrever que:

Portanto, a potência é calculada como o produto da tensão aplicada

multiplicada pela corrente no dispositivo.

1.4 – Análises de Circuitos Elétricos em CC

Neste item trataremos de diversos métodos empregados para resolução

de circuitos que, pela sua complexidade, não podem ser calculados com os

conhecimentos das equações para circuitos em série ou paralelo.

Inicialmente, abordaremos o método de Kirchhoff através de suas duas

leis que permitem o cálculo das correntes e tensões em circuitos elétricos.

Primeiramente, vejamos a Lei dos Nós definidos como pontos de

concorrência de três ou mais caminhos do circuito, conforme representado abaixo.

Figura 1 – Identificação dos nós em um circuito elétrico

Observando a figura vemos que A,B,C,D e E representam os nós do

circuito resistivo.

Com a compreensão do conceito de nós podemos enunciar a primeira lei

de Kirchhoff ou Lei dos Nós: “A soma das correntes que chegam em um nó é igual

à soma das correntes que saem do nó.”

Page 6: Apostila Eletricidade i

6

A segunda lei de Kirchhoff é enunciada da seguinte forma: “A soma algébrica

das tensões ao longo de qualquer laço é igual a zero”.

onde Vj representa a tensão registrada em cada componente do laço.

Para a obtenção das equações referentes a 2ª Lei há necessidade de

seguir as normas abaixo relacionadas:

1– arbitrar um sentido para a corrente em cada caminho do circuito;

2– adotar UM SENTIDO COMUM PARA TODOS OS CIRCUITOS FECHADOS;

3- dar sinal negativo a toda f.e.m que se opuser ao sentido do percurso adotado;

Vejamos um exemplo, onde se deseja determinar as correntes e tensões

em cada elemento que compõe o circuito abaixo.

1ª Lei:

Precisamos de duas equações da 2ª lei que podem ser escolhidas entre as que

vemos abaixo:

1) Considerando o circuito fechado R1, E1, E2 e R2:

Page 7: Apostila Eletricidade i

7

2) Considerando o circuito fechado formado por R1, E1, R3, E3 e R4:

3) Considerando o circuito fechado formado por R2, E2, R3, E3 e R4:

Basta agora relacionarmos três equações dentre as existentes para

calcularmos os valores das correntes I1, I2 e I3.

Vejamos outro exemplo resolvido, onde queremos calcular as

intensidades de corrente no circuito:

1) Arbitramos em cada ramo uma intensidade de corrente.

Page 8: Apostila Eletricidade i

8

2) Aplicamos a Lei dos Nós à 3 dos 4 nós do circuito

3) Aplicamos a 2ª Lei para completar as 6 equações necessárias para resolver o

problema.

4) Resolvemos o sistema de equações obtido:

Outro método existente para determinação das correntes e tensões em

cada elemento que compõe um determinado circuito elétrico é o método das malhas.

Vejamos inicialmente o que se entende por malha:

Page 9: Apostila Eletricidade i

9

Malha de um circuito elétrico é todo trecho fechado do circuito.

Considere o circuito esquematizado abaixo.

Podem ser identificadas sete malhas

Temos nesse método uma modalidade de corrente chamada corrente

cíclica ou de malha, de modo que em lugar de se apreciar a corrente que circula em

cada caminho ou braço do circuito, aprecia-se a corrente que circula na malha (

circuito fechado).

A corrente que percorre cada braço que limita duas malhas vizinhas é a

soma ou a diferença das correntes nessas malhas, dependendo de serem iguais ou

não em seus sentidos arbitrados.

Normalmente, considera-se o sentido das correntes cíclicas como o que

realizam os ponteiros do relógio, e, assim, para esse sentido, a corrente que passa no

braço que limita duas malhas vizinhas é a diferença entre as duas correntes de

malha.

Page 10: Apostila Eletricidade i

10

Vejamos um exemplo onde se deseja calcular a corrente através do

resistor de 600 ohms, aplicando o método das malhas.

Utilizaremos apenas duas malhas, pois teremos duas variáveis (I1 e I2)

que serão as correntes nas malhas representadas na figura abaixo.

Relacionando as equações, temos:

Multiplicando a segunda equação por três, temos:

Portanto,

OBS: O sinal de menos em I1 indica que seu sentido é contrário ao que arbitramos na

resolução.

Page 11: Apostila Eletricidade i

11

1.5 - Noções de Eletromagnetismo

Geração de Campo magnético

Um campo magnético será produzido quando uma corrente elétrica

atravessar um determinado condutor e suas linhas de campo magnético localizar-

se-ão ao redor deste condutor, conforme a figura.

Figura 2 –Linhas de campo magnético ao longo de um condutor

Outro exemplo de geração de campo magnético ocorre em um elemento

chamado solenoide que consiste em um conjunto de espiras interligadas entre si,

isoladas em torno de um núcleo de ferro. O campo magnético produzido pelas

espiras irá se somar dando origem a um campo resultante, conforme representado

na figura.

Figura 3–Linhas de campo magnético ao longo de um solenóide

Um outro aspecto relevante dentro do eletromagnetismo consiste na

atuação da força magnética sobre uma corrente elétrica. Para facilitar o

entendimento sobre a produção dessa força, suponhamos que por um fio de

comprimento L passe uma corrente de intensidade i, além disso, suponha que este

condutor esteja submetido a ação de um campo magnético B . Por definição a

força magnética é dada pela relação:

onde ,

Page 12: Apostila Eletricidade i

12

q – carga elétrica

- velocidade com que os elétrons se deslocam no condutor

B – intensidade do campo magnético

A força magnética que atuará neste condutor será dada por:

Substituindo a relação da carga na equação da força, teremos:

Portanto,

Por meio desta equação obtemos a força magnética que age sobre um

segmento do fio condutor, imerso em um campo magnético perpendicular ao fio.

Veremos a seguir a importância desta força magnética para a geração

de corrente alternada em equipamentos chamados de geradores.

2 – GERAÇÃO DE CORRENTE ALTERNADA

Antes de adentrarmos pela analise dos processos de geração de

corrente alternada é importante o entendimento da lei de indução de Faraday.

Para tal, vejamos uma simples experiência que ilustra o processo de indução.

Page 13: Apostila Eletricidade i

13

Figura 4 – Experimento que comprova a Lei de Indução de Faraday

Na figura podemos observar um ímã se aproximando de uma espira,

ligada a um galvanômetro. Na prática percebe-se que durante a aproximação ou

afastamento do ímã da espira, a agulha do galvanômetro sofre deflexão, já

mantendo o ímã parado a uma determinada distância da espira não há nenhum

movimento na agulha do galvanômetro.

Tal fenômeno é explicado pelo processo de indução magnética

provocado pela ação de linhas de campo magnético sobre a espira, gerando um

fluxo de campo magnético( número de linhas de campo que atravessam a seção

reta da espira)( . Como este fluxo magnético através da espira está

variando no tempo, pois o ímã se movimenta (aproximação ou afastamento),

teremos o aparecimento de uma força eletromotriz induzida ( nos

terminais da espira e consequentemente uma corrente induzida medida pelo

galvanômetro.

2.1 - Gerador de Corrente alternada

Em linhas gerais um gerador de corrente alternada consiste em um

conjunto de espiras condutoras introduzidas em uma região onde existe um campo

magnético. Para a geração da força eletromotriz induzida há necessidade de que

este conjunto de espiras gire mecanicamente. A força eletromotriz induzida na

bobina( conjunto de espiras) é coletada por meio de anéis, ligados ao eixo que

sofre rotação e cada um deles conectado a um dos terminais do enrolamento,

conforme a figura.

Page 14: Apostila Eletricidade i

14

Figura 5 – Esquema simplificado de funcionamento um gerador CA

Vejamos a análise do funcionamento de um gerador de corrente

alternada.

O fluxo magnético através da espira será calculado por:

Para um enrolamento com N espiras, o fluxo total será:

cos

Como as espiras giram com velocidade angular , teremos para o cálculo da fem:

Que representa a equação para um gerador de corrente alternada.

Comercialmente, um gerador de corrente alternada possui em sua

constituição, uma parte fixa chamada ESTATOR que é conjunto de elementos ligados

rigidamente à carcaça e o ROTOR, sistema rígido que gira em torno de um eixo

apoiado em mancais fixos na carcaça. Sob o ponto de vista funcional distinguem-se o

indutor, que produz o campo magnético, e o induzido que engendra a corrente

induzida.

Vejamos no próximo item a análise dos circuitos elétricos operando em

Corrente alternada.

Page 15: Apostila Eletricidade i

15

3 – ANÁLISE DE CIRCUITOS ELÉTRICOS EM CA

3.1 - Circuito Resistivo em CA

A figura abaixo mostra um circuito contendo apenas um elemento

resistivo submetido a uma força eletromotriz alternada.

Figura 6 – Circuito resistivo em CA

Aplicando a lei das malhas, teremos:

Das equações observa-se que ambas representam funções senoidais,

indicando que as funções de onda da tensão e da corrente estão em fase, conforme

representado na figura.

Figura 7 – Ondas de tensão e corrente no resistor

3.2- Circuito Capacitivo em CA

A figura abaixo mostra um circuito que contém um capacitor associado a

uma força eletromotriz alternada.

Page 16: Apostila Eletricidade i

16

Figura 8– Circuito capacitivo em CA

Pela lei das malhas temos as seguintes relações:

Pela definição de capacitância temos:

Para calcularmos a corrente que circula pelo capacitor, teremos:

Através da análise das funções de onda da tensão e da corrente no

capacitor, percebe-se que a tensão nos terminais do capacitor possui um atraso de

90º em relação a corrente.

Figura 9 – Ondas de tensão e corrente no capacitor

Em circuitos capacitivos operando em corrente alternada, surge no

componente uma grandeza chamada de reatância capacitiva que funciona como uma

espécie de resistência elétrica, expressa em ohms, no entanto, dependente da

frequência do gerador. Sua relação é extraída da equação da corrente no capacitor

quando o cos t assume a unidade, então:

Page 17: Apostila Eletricidade i

17

3.3 - Circuito Indutivo em CA

A figura abaixo mostra um circuito que contém um indutor associado a

uma força eletromotriz alternada.

Figura 10 – Circuito indutivo em CA

Pela lei das malhas temos as seguintes relações:

Pela lei de indução de Faraday temos:

Para calcularmos a corrente que circula pelo indutor, teremos:

Através da análise das funções de onda da tensão e da corrente no

indutor, percebe-se que a tensão nos terminais do indutor está adiantada de 90º em

relação a corrente.

Figura 11 – Ondas de tensão e corrente no indutor

Em circuitos indutivos operando em corrente alternada, surge no

componente uma grandeza chamada de reatância indutiva que funciona como uma

espécie de resistência elétrica, expressa em ohms, no entanto, dependente da

frequência do gerador. Sua relação é extraída da equação da corrente no indutor

quando o cos t assume seu valor máximo, então:

Page 18: Apostila Eletricidade i

18

3.4 – Diagrama de fasores

Ao observarmos as equações que representam as tensões e correntes

nos resistores, capacitores e indutores operando em CA, devemos ter em mente que

são funções temporais (seno ou cosseno) e, muitas vezes, a análise desses circuitos

torna-se complexa a medida que combinamos esses elementos em um mesmo

circuito elétrico.

Para facilitar a compreensão e análise, adotamos uma representação

chamada fasorial que nada mais é do que a representação vetorial das grandezas

tensão e corrente. Portanto, de agora em diante, utilizaremos o fasor tensão e o fasor

corrente para os circuitos.

Iniciaremos a análise pelo circuito puramente resistivo, onde

percebemos analiticamente que não há defasagem entre a tensão e a corrente e,

portanto, nossa representação fasorial será apresentada abaixo, conforme a figura.

Figura 12 – Diagrama fasorial circuito resistivo

Observemos que os vetores (fasores) tensão e corrente estão em fase e

apresentam seus módulos indicados na figura. Além disso, esse conjunto de vetores

sofre rotação com o tempo, como em um movimento circular periódico.

Passemos a análise do circuito puramente capacitivo, representado no

diagrama abaixo.

Figura 13 – Diagrama fasorial circuito capacitivo

Page 19: Apostila Eletricidade i

19

Para esse circuito a tensão está atrasada em relação a corrente de 90º.

Finalmente, veremos o diagrama fasorial para o circuito puramente indutivo.

Figura 14 – Diagrama fasorial circuito indutivo

3.5 – Circuito RLC em CA

Analisaremos neste momento o circuito elétrico formado pela junção dos

três elementos anteriormente estudados.

Figura 15- Circuito RLC em CA

Para esse circuito temos um gerador com função de onda

V(t) = Vo senωt

Como o circuito é paralelo, todos os elementos que o compõem estão

submetidos a mesma diferença de potencial, portanto a corrente em cada elemento

será diferente. O diagrama fasorial terá a seguinte característica, conforme

representado na figura.

Figura 16 - Diagrama de fasores para o circuito RLC paralelo

Page 20: Apostila Eletricidade i

20

Podemos determinar a, neste caso, a corrente resultante no circuito

através da soma vetorial das correntes em cada componente, conforme representado

na figura.

Figura 17 - Diagrama de fasores de corrente e tensão total

Perceberemos pelo diagrama que a corrente está atrasada em relação a

tensão de um ângulo φ, além disso podemos determinar a amplitude de corrente em

cada elemento através das relações abaixo especificadas:

Note que a amplitude de tensão é a mesma em todos os componentes e

que XL e XC são respectivamente, as reatâncias indutiva e capacitiva.

O módulo da impedância do circuito que representa a resistência total

oferecida a passagem de corrente elétrica pode ser determinada pela razão entre a

amplitude de tensão total aplicada e a amplitude de corrente total, conforme

apresentado abaixo.

Finalmente, para determinarmos o ângulo de defasagem entre a

corrente e tensão no circuito basta aplicarmos a relação:

Desta forma poderemos verificar se há no circuito predomínio do

elemento capacitivo ou do elemento indutivo no circuito RLC.

Page 21: Apostila Eletricidade i

21

Como exercício, resolveremos o circuito RLC série em CA e notaremos

algumas diferenças com relação às equações, pois neste caso, a corrente é a mesma

em todos os componentes. Vejamos:

Page 22: Apostila Eletricidade i

22

4 – MOTORES ELÉTRICOS

4.1 Motores Síncronos e Assíncronos

Motor elétrico é uma máquina capaz de transformar energia elétrica em

energia mecânica através da realização de um trabalho. Um motor elétrico é

constituído basicamente de duas partes, principais, denominadas rotor e estador. O

tipo de alimentação (corrente contínua ou alternada) é que definirá os demais tipos de

componentes que irão constituir o motor.

(a) (b)

Figura 18 - Principais partes de um motor elétrico: (a) Estator, (b) Rotor

Analisaremos, apenas, os motores elétricos em Corrente Alternada por

serem os mais encontrados e devido ao fato de quase a totalidade das fontes de

suprimento de energia elétrica ser em CA.

Page 23: Apostila Eletricidade i

23

Os motores de CA são classificados quanto a sua rotação em síncronos

ou assíncronos, vejamos essas definições.

- Motores síncronos: a rotação do eixo é igual à rotação síncrona e, dentro dos

limites de trabalho do motor, a velocidade praticamente não varia com a carga. O

Estator desses motores é alimentado com CA, enquanto pelo rotor passa corrente

contínua produzida por um pequeno dínamo, com o objetivo de transformá-lo em um

ímã que se alinhará com o campo magnético girante produzido no estator, mantendo

sempre a velocidade constante. Utilização: compressores de grande potência, turbo

bombas; grupos motor- gerador, ventiladores de grande capacidade;

- Motores assíncronos (indução): proporcionam deslizamento ou defasagem em

relação à rotação síncrona. O estator produz da mesma forma que no síncrono um

campo magnético girante, porém não há passagem de corrente contínua pelo rotor. O

rotor empregado nesses motores pode ser o bobinado para potências maiores que

500CV ou o gaiola de esquilo para potências de até 500CV. Utilização: devido a sua

simplicidade e robustez é utilizado em grande parte dos equipamentos comerciais,

industriais, rurais e agroindustriais.

Figura 19 - Rotores

Podemos através de uma equação bem simples definir o percentual de

deslizamento produzido pelo motor assíncrono em operação.

O deslizamento ou escorregamento S(%) verificado nos motores

assíncronos, designado pela letra S, é expresso pela equação,

Sendo: – S (%) - deslizamento; síncrona – rotação síncrona do motor (rpm); motor -

rotação verificada no eixo do motor (rpm), e

Page 24: Apostila Eletricidade i

24

Np - números de pólos do motor.

Exercício: Um motor de indução (assíncrono) de 2 pólos, 60 Hz de freqüência,

apresenta rotação em seu eixo de 3.400 rpm. Desta forma: (a) qual é a rotação

síncrona do motor? e, (b) qual é o deslizamento ocorrido em seu funcionamento?

4.2 Ligação dos motores elétricos

Os motores elétricos trifásicos apresentam três enrolamentos dispostos

no estator. Esses enrolamentos são interligados de tal forma que podem compor uma

ligação tipo estrela ou uma ligação tipo triângulo, para o acoplamento desses

enrolamentos à rede trifásica.

Figura 20– Esquema de ligação dos enrolamentos do estator em estrela e triângulo

Analisaremos a ligação delta ou triângulo para os enrolamentos do

estator.

Inicialmente, cabe ressaltar que, a rede trifásica apresenta três fases

que atingem seus valores máximos e mínimos de tensão em tempos diferentes, ou

seja, possuem defasagem uma em relação as outras. Essa defasagem é de 120º

entre quaisquer duas fases, conforme representado na figura.

Dando continuidade a ligação delta, percebe-se que os enrolamentos

tem um aspecto idêntico ao de um triângulo.

Page 25: Apostila Eletricidade i

25

Figura 21– Esquema de ligação dos enrolamentos do estator em triângulo

Observando a disposição dos enrolamentos, se extrairmos a tensão

entre quaisquer duas fases, percebe-se que os enrolamentos estarão em paralelo e

consequentemente teremos:

Já com relação a corrente de linha (corrente total) que sai do gerador

será a soma vetorial da corrente de fase dos enrolamentos envolvidos, defasadas de

120º, de modo que:

IL2 =IF

2+IF2+2IF.IF.cos120º (soma vetorial das correntes)

A potência por fase é determinada pela expressão:

A potência total do sistema é igual a três vezes a de uma fase:

Page 26: Apostila Eletricidade i

26

Na ligação em estrela, representada na figura abaixo, os enrolamentos

são ligados entre si por meio de um de seus extremos, dando origem a um ponto

comum de onde sai o fio designado pela letra N, chamado fio neutro. Dos outros

extremos saem os condutores designados pelas letras A,B e C chamados fios fase.

Como mostra a figura, podemos obter uma tensão menor, entre

qualquer fio fase e o neutro e uma tensão maior, entre dois fios fase quaisquer.

Figura 22 – – Esquema de ligação dos enrolamentos do estator em estrela

A intensidade da corrente em um fio fase é igual à intensidade da

corrente em cada enrolamento do induzido da máquina. A intensidade da corrente no

fio neutro é a soma vetorial das correntes de linha, como são chamadas as correntes

nos fios fases.

Para facilidade de expressão, designamos as grandezas do seguinte modo:

IL = corrente de linha do gerador

IF = corrente de fase no enrolamento

EL = tensão entre dois fios fase quaisquer ( tensão de linha)

EF = tensão induzida em cada enrolamento

Observando a figura vemos que entre quaisquer duas fases, teremos

sempre dois enrolamentos em série, portanto, a corrente será a mesma em ambos os

enrolamentos, o que significa:

IL = IF

EL2 =EF

2+EF2+2EF.EF.cos120º (soma vetorial das tensões)

A potência total fornecida por um sistema trifásico deste tipo, é a soma

das potências das três fases:

Page 27: Apostila Eletricidade i

27

Onde, cos é chamado de fator de potência.

Um dado extremamente importante na análise de qualquer instalação de

força motriz é a corrente nominal do equipamento, pois é a partir dela que são

dimensionados os condutores e os dispositivos de proteção para a instalação elétrica.

Portanto, a compreensão desse conceito é de vital importância e passaremos a

analisar esse conceito no item seguinte.

4.3 – Cálculo da Corrente Nominal

Após o estudo sintético dos tipos de motores, vejamos o dado mais

importante para a sua instalação e funcionamento. É a determinação da corrente

nominal de operação do motor elétrico. Para calculá-la precisamos entender algumas

considerações relevantes, quais sejam:

Potência por definição é o produto da tensão aplicada pela corrente que

percorre o circuito elétrico. Para o caso de motores elétricos, como este equipamento

apresenta vários enrolamentos (indutores) que em corrente alternada apresentam

potência reativa consequentemente, teremos que considerar no cálculo o fator de

potência. Outro aspecto trata-se do rendimento do motor que não consegue converter

toda a energia que recebe em trabalho. Portanto, a equação final para a corrente

nominal do motor elétrico será:

Page 28: Apostila Eletricidade i

28

Potência nominal = HP x 746 = KW

OBS: Para o caso do motor elétrico trifásico acrescentamos ao denominador da

relação da corrente .

4.4 - Esquemas de instalação de motores elétricos

Conforme já estudado anteriormente, os motores elétricos trifásicos

apresentam três enrolamentos dispostos no estator. Esses enrolamentos são

interligados de tal forma que podem compor uma ligação tipo estrela ou uma ligação

tipo triângulo, para o acoplamento desses enrolamentos à rede trifásica.

Tendo estabelecido o tipo de ligação que será realizada nos

enrolamentos do motor, o próximo passo é efetuar a instalação do motor a rede

elétrica que fornecerá a energia necessária para sua operação.

A figura abaixo representa o esquema simplificado de uma instalação

elétrica de um motor elétrico, com o circuito alimentador partindo do quadro de

distribuição de força, onde se encontra também a proteção do alimentador (disjuntor),

atendendo dois ramais.

Figura 23 – Esquema de simplificado de instalação elétrica de circuito de força

Page 29: Apostila Eletricidade i

29

Quando os motores se encontram próximos ao quadro de distribuição de

força pode-se suprimir a proteção dos ramais (PM), restando apenas a proteção do

circuito alimentador (PA).

Figura 24 – Esquema de simplificado de instalação elétrica de circuito de força

Em síntese, a instalação elétrica de força motriz é composta de um

circuito alimentador que apresenta um quadro de distribuição de força e condutores

vivos e acoplados a esse último um ou mais ramais com todos os componentes

listados anteriormente.

4.5 Análise dos diagramas de comando e força

O objetivo deste tópico é mostrar os fundamentos utilizados para partida

e parada de motores, em situações semelhantes às encontradas nas indústrias.

Pretende-se mostrar circuitos simples de força, de comando, de controle

e de proteção, tendo em vista que outros mais sofisticados se derivam destes.

Comecemos com conceitos elementares dos dispositivos de

seccionamento que devem atuar sobre os condutores vivos utilizados em instalações

de força motriz.

Importante destacar que cada motor deverá ser dotado de uma chave

separadora colocada antes do dispositivo de proteção com capacidade de corrente de

115% da corrente nominal do motor, no entanto, para motores com potência de até

2CV e tensão inferior a 300V o controle pode ser feito por interruptor comum, mas

com capacidade de corrente igual ou superior ao dobro da corrente nominal do motor.

Page 30: Apostila Eletricidade i

30

4.5.1 Dispositivos de Seccionamento de Motores Elétricos

CHAVES SECCIONADORAS

Também chamadas de chaves faca, são aquelas que através de um

movimento de rotação de uma lâmina condutora, abrem ou fecham os seus contatos.

Servem apenas para dar continuidade aos circuitos ou isolá-los para manutenção.

DISJUNTORES

São dispositivos de manobra que permitem o acionamento em carga por

possuírem um disparo por molas fazendo com que o movimento dos contatos seja

rápido.

Os disjuntores não são apenas dispositivos de comando, pois possuem

também elementos de proteção, térmico para sobrecorrente e magnético para curto-

circuito.

O relé magnético, utilizado como proteção de curto circuito, consiste de

uma bobina em série com a alimentação, que ao ser percorrida por uma corrente da

ordem de 10 vezes a nominal, (valor este que varia com o fabricante e o tipo do

disjuntor), cria uma força magnética que vence a ação de uma mola fazendo com que

se abra o contato instantaneamente interrompendo o circuito.

Os disjuntores são dispositivos de comando que devem ser usados para

operações com baixa frequência. Para acionamentos mais frequentes devem ser

usados contatores, que serão vistos a seguir.

Page 31: Apostila Eletricidade i

31

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.

Os chamados de contatos auxiliares são destinados a fazer o

automatismo. A quantidade destes contatos varia de acordo com o modelo e o

fabricante do contator, sendo que em muitos casos se podem colocar blocos

adicionais destes contatos.

Page 32: Apostila Eletricidade i

32

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.

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. 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.

RELÉS TEMPORIZADOS E RELÉS CÍCLICOS

Relés temporizados são aqueles que quando têm que comutar seus

contatos eles contam um tempo antes de o fazê-lo. Eles podem ser temporizados na

energização ou na desenergização. Temporizados na energização são aqueles que

quando as bobinas recebem tensão, contam um tempo para comutar os seus

contatos, sendo que, ao se retirar a tensão, o retorno às condições iniciais se faz de

forma instantânea. Temporizados na desenergização é o caso inverso, ou seja,

quando a sua bobina é energizada comuta seus contatos instantaneamente e quando

é desenergizada, conta um tempo para retornar à sua posição de repouso.

Relés Cíclicos são aqueles que comutam os seus contatos em uma

seqüência pré-determinada no tempo, e ao terminá-la, recomeçam novamente. São

usadas por exemplo para repetir operações todos os dias ou à cada intervalo de

horas pré ajustadas.

BOTOEIRAS

São elementos de comando que servem para energizar ou desenergizar

contatores, sendo que comutam seus contatos NA ou NF através de acionamento

manual. Podem variar quanto às cores, formato e proteção do acionador, quantidade

e tipos de contatos, e reação ao acionamento. Quanto ao formato e proteção do

acionador temos desde as botoeiras tipo soco, que têm o acionador grande na forma

de “cogumelo”, sendo de fácil acionamento, destinadas à situações de emergência;

Page 33: Apostila Eletricidade i

33

até as botoeiras com acionador protegido por tampa, que evitam o acionamento por

toque acidental e somente devem ser operadas conscientemente.

A variação quanto à reação ao acionamento consiste de dois tipos: as de

posição mantida que trocam a condição do contado NA ou NF toda vez que são

operadas e permanecem na nova posição até o próximo acionamento; e as

pulsantes, que trocam a condição do contato somente enquanto existir a pressão

externa, voltando às condições iniciais assim que cesse a mesma.

FUSÍVEIS

São elementos de proteção contra curto-circuito que operam pela fusão

de seu elo, que é o elemento especialmente projetado para se fundir com o

aquecimento provocado pela passagem de corrente elétrica acima de determinado

valor. Existem vários tipos, sendo os mais simples e baratos os dos tipos rolha e

cartucho. O rolha é como um soquete de lâmpada, feito em porcelana, com o seu

elo visível, sem proteção, feito de chumbo. O cartucho é rolha aquele em que o elo é

uma fita também de chumbo, envolta em um cartucho 8 9 canudo de papelão.

RELÉ TÉRMICO

O relé térmico é um relé de sobrecorrente de atuação temporizada

efetuada por um bimetal. O bimetal consiste de duas lâminas, de dois materiais com

coeficientes de dilatação diferentes, coladas longitudinalmente, e sendo enrolado

sobre elas um condutor, no qual passa a corrente da carga. Com a passagem desta

Page 34: Apostila Eletricidade i

34

corrente, o calor dissipado faz com que estas duas lâminas se dilatem de forma

desigual, fazendo uma deflexão, responsável pela abertura/fechamento de contatos

auxiliares, localizados na sua extremidade livre.

A atuação da proteção, com consequente parada do motor, se dá

através da bobina do contator. Esta proteção é usada como sobrecarga e é

normalmente regulada para um aumento de corrente da ordem de 20 a 60%. É

temporizada por ser realizada através de efeito térmico, o qual leva um tempo para se

propagar/estabilizar.

Construtivamente o relé térmico já vem com seus terminais próprios para

serem ligados diretamente no contator.

RELÉ DE FALTA DE FASE

Para um motor a falta de uma fase leva-o à queima, pois o mesmo pode

não girar, ficando travado, puxando muita corrente da rede. Para proteger o sistema

da falta de fase, que pode ocorrer pela queima de um fusível, existe um relé que

sente esta falta e manda desligar o contator, impedindo a energização do motor.

RELÉS DE SUB E DE SOBRETENSÃO

Como o próprio nome diz, eles operam com baixa tensão e com alta

tensão respectivamente, fazendo com que se desenergize a rede nestas condições. O

relé de subtensão pode entrar no automatismo fazendo com que, na inexistência de

tensão na alimentação principal, providencie a entrada de outra como segurança, por

exemplo, um grupo gerador-diesel.

Page 35: Apostila Eletricidade i

35

4.5.2 Diagramas de comando e força

Antes da abordagem sobre os diagramas de comando e força de uma

instalação motriz é importante ressaltar que, os motores elétricos durante suas

operações ficam susceptíveis a sobrecargas e curto-circuito, portanto, faz-se

necessária a utilização de dispositivos de proteção contra essas ocorrências para

garantir a integridade do equipamento. Os dispositivos utilizados para proteção são os

fusíveis, os disjuntores, os relés térmicos, já abordados anteriormente.

Para proteção do equipamento contra sobrecargas, os motores cuja

elevação de temperatura admissível seja de 40ºC ou com fator de serviço, igual ou

superior a 1,15, a capacidade nominal dos dispositivos de proteção deverá ser de

125% da correte nominal do motor e de 115% nos demais casos.

Passemos, neste momento, a discorrer sobre os diagramas de controle

e força dos motores. Pretende-se mostrar circuitos simples de força, de comando e de

controle, tendo em vista que outros mais sofisticados se derivam destes.

Vejamos o diagrama trifilar e o funcional para a ligação básica de um

motor, a qual deverá atender os seguintes requisitos:

• Ligar e desligar um motor através de um contator e botoeiras pulsantes.

• Utilizar fusíveis para proteção de curto-circuito e relé térmico para sobrecarga.

• A atuação do térmico deverá parar o motor através do contator e sinalizar a sua

atuação.

•Sinalizar também as condições de motor ligado e desligado.

Page 36: Apostila Eletricidade i

36

LIGAÇÃO BÁSICA DE UM MOTOR

Vejamos a análise do diagrama: Nas colunas 0, 2 e 5 está apresentado

o diagrama trifilar da ligação de um motor elétrico trifásico, alimentado em 220V.

Page 37: Apostila Eletricidade i

37

Primeiro a corrente elétrica passa pelos fusíveis, depois pelo contator e finalmente

pelo relé térmico antes de chegar ao motor. Na derivação temos a medição da tensão

entre as três fases através de uma chave de transferência voltimétrica (9), e a

medição de corrente da fase V (10).

Tendo como tensão de comando 220V através das fases A e B

protegidas por fusíveis, encontramos nas colunas 25 a 35 a parte de comando

propriamente dito do motor. Para ligar o motor é necessário que se energize o

contator C1 (27) pressionando-se a botoeira de liga BL-1 (27), fazendo com que a

corrente passe pelos contatos NF do relé térmico 49-1 (27) e da botoeira de desliga

BD-1 (27). Com a energização de C1 seus contatos principais (0, 2 e 5) se fecham,

alimentando o motor, e fechando também seu contato auxiliar (31), permitindo uma

auto-alimentação da sua bobina quando a botoeira BL-1 (27) voltar ao seu normal NA.

Este contato é chamado de “selo”.

Desta forma o motor está ligado através do contator que está “selado”.

Para desligá-lo é necessário que se pressione a botoeira BD-1 (27),

fazendo com que se interrompa o circuito de alimentação da bobina do contator C1

(27), provocando a sua desenergização e consequentemente a volta às condições

iniciais, ou seja: abertura dos contatos principais (0, 2 e 5) levando à parada do motor,

e a abertura do contato de selo (31), fazendo com que cesse a auto-alimentação.

Desta forma, quando a botoeira BD-1 (27) voltar ao seu normal NF, o

circuito ficará aberto, no contato da botoeira BL-1 (27) e no contato de selo de C1

(31), permanecendo assim o motor desligado.

A proteção de curto-circuito do motor é feita diretamente através de

fusíveis (0, 2 e 5), pois a fusão interrompe a corrente de alimentação. Para a proteção

de sobrecarga é utilizado um relé térmico 49-1 (6), que quando acionado abre o seu

contato NF (27), provocando a desenergização do contator C1 (27) e

consequentemente a parada do motor.

A sinalização é feita para as condições de motor ligado, desligado e

térmico atuado. Para motor ligado, utiliza-se um sinaleiro vermelho VM1 (44) que é

acionado por um contato auxiliar NA do contator C1 (44), o qual se fecha

simultaneamente com os contatos principais (0, 2 e 5) que alimentam o motor. Para a

situação de motor desligado, um sinaleiro verde VD1 (52) é energizado através de um

contato auxiliar NF do contator C1 (52). A sinalização de térmico atuado é feita em um

sinaleiro de cor amarela AM1 (58) que é energizado por um contato NA do relé

térmico 49-1 (58) que se fecha quando há sobrecarga.

Page 38: Apostila Eletricidade i

38

Dentro desse contexto, cabe ressaltar que, durante a partida de um

motor, o fato dele estar com o rotor parado, se assemelhando à condição de rotor

bloqueado, faz com que o mesmo solicite uma corrente maior para vencer a inércia, a

qual normalmente é oito vezes a sua corrente nominal. Este pico de corrente provoca

perturbações na rede. Para minimizar esta condição, existem vários artifícios para

diminuir a corrente de partida, sendo um deles a partida com tensão reduzida,

provocada por um fechamento temporário em estrela do motor.

Vejamos como é feito este controle: Primeiro o motor parte em estrela,

com tensão reduzida em três vezes, e após algum tempo, quando a rotação se

estabiliza, o fechamento é mudado para triângulo, fazendo com que o motor funcione

normalmente, na tensão para a qual foi projetado. O objetivo é montar um esquema

no qual se pressionando um único botão de partida, o motor liga com fechamento em

estrela e após um tempo pré-determinado, um temporizador provoca a mudança do

fechamento para triângulo através dos contatores. O diagrama abaixo mostra os

dispositivos de controle empregados.

Page 39: Apostila Eletricidade i

39

PARTIDA ESTRELA/TRIÂNGULO

Page 40: Apostila Eletricidade i

40

O esquema básico de ligação consiste de um contator principal C1 (06),

que permite a passagem de energia para o motor e dois outros contatores, cada um

responsável por um tipo de ligação. O contator C2 (13) fecha o motor em triângulo e o

C3 (13) fecha em estrela. Estas ligações, juntamente com os fusíveis e o térmico,

estão representadas no diagrama trifilar (00 - 19).

No esquema de comando parte-se de um esquema normal de partida de

motores (4 e 27), sendo composta de relé térmico, botoeira de desliga, botoeira de

liga, selo e bobina do contator C1. Junto com a energização de C1, energiza-se C3

(27) através dos contatos NF de C2 e T1 (27), fazendo o fechamento do motor em

estrela, e energiza também T1 (31), temporizador que após decorrido seu tempo pré-

selecionado desenergiza C3 (27), e energiza C2 (35) após checar a abertura de C3

(35). O contator C2, responsável pelo fechamento em triângulo, se sela (39) e derruba

o temporizador T1, não permitindo a sua energização e nem do contator C3 enquanto

ele, C2, estiver energizado.

As sinalizações de térmico atuado e motor desligado são as normais. A

condição de motor ligado é feita através do contator C2 (40) de forma contínua, e a

condição de motor ligando é feita através do contator C3 (37) através do pisca, no

mesmo sinalizador VMI (40) de motor ligado.

Finalmente, como estamos tratando dos dispositivos de partidas dos

motores elétricos, é importante destacar que conforme a NBR 5410, o

dimensionamento dos condutores que alimentam os motores deve ser tal que garanta

uma queda de tensão nos terminais dos dispositivos de partida de no máximo 10% da

tensão nominal.

5 – REFERÊNCIAS

CREDER, HÉLIO, INSTALAÇÕES ELÉTRICAS, 15ªED – RIO DE JANEIRO:LTC,

2007.

NBR 5410/2004 – INSTALAÇÕES ELÉTRICAS DE BAIXA TENSÃO.

NBR 5419/2005 – PROTEÇÃO DE ESTRUTURAS CONTRA DESCARGAS

ATMOSFÉRICAS.