Curso Fundamentos de Eletricidade Industrial

Unidade 3Dimensionamento de circuitos industriais

Curso Fundamentos de Eletricidade Industrial

SENAI/SP1

DIMENSIONAMENTO DE CIRCUITOS INDUSTRIAIS

Dimensionar uma instalação elétrica significa executar cálculos para conhecer variáveis utilizadas nas especificações de condutores, dispositivos de proteção, eletrodutos, dimensões de painéis, distância máxima de condutores, resistência elétrica, calha, canaletas, perfilados e qualquer componente elétrico utilizado na instalação.

Quando falamos de dimensionamento de circuitos industriais, pensamos logo em redes trifásicas porque a maioria das máquinas industriais são trifásicas. Todas as especificações mínimas para fios, dispositivos de proteção, eletrodutos e outros componentes da instalação estão previstas na NBR 5410.

Então, para iniciar, vamos verificar uma rede trifásica em um circuito simples, lembrando que o aterramento é obrigatório. Acompanhe os cálculos que permitem o dimensionamento do projeto elétrico.

Projeto

Em uma instalação industrial temos um equipamento elétrico de 70 KW, sendo que ele tem como característica:

40KW – Potência de aquecimento (resistências) 30KW – Motores elétricos

Ele está ligado em uma rede de 440 Vac a uma distância de 120m com os condutores passando por eletrodutos.De acordo com a carga, iremos dimensionar:

• os condutores - seção e isolação;• conexão – bornes e emendas;• eletrodutos - diâmetro e robustez;• sistema de proteção - fusíveis, disjuntores, etc.

Devemos efetuar o dimensionamento levando em consideração vários fatores que, devido às características da instalação, poderiam ocasionar algum dano ao condutor. Por este motivo, devemos calcular a corrente nominal da carga antes de dimensionar o condutor.A fórmula da corrente elétrica em circuito trifásico é:



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I = P x 1 V x FP x sqrt3

Sendo que:

I = Corrente elétrica em AmpéreP = Potência elétrica em WattsV = Tensão elétrica em VoltsFP = Fator de potência (valor =1 para cargas resistivas e 0,98 para motores elétricos)Sqrt 3 = Raiz quadrada de três (3), por ser rede trifásica, vamos adotar 1,73.

Com esses dados, acompanhe a seqüência para calcular:

1. A seção dos condutores que devem ser utilizados2. O tipo de isolação destes condutores3. O tipo de conexão que deve ser usado para conectar os

condutores à carga e à rede de alimentação4. O diâmetro dos eletrodutos 5. O dispositivo de proteção que devemos utilizar neste projeto6. A lista de material que será utilizado na instalação.

Passo 1 – seção dos condutores

Para determinar a seção do condutor, neste caso condutor-fase, devemos:

• verificar a seção mínima em função da aplicação do circuito;• dimensionar pelo critério da máxima capacidade de condução de

corrente;• dimensionar pelo critério da queda de tensão admissível nos

condutores. Obs: Se você quiser saber mais detalhes sobre condutores, fios, barras e isolação, consulte as informações complementares.

Vamos começar com o cálculo do valor da corrente que é consumida pela carga resistiva (Ir). Neste caso o FP = 1.

Ir = P x 1 V x FP x sqrt3

Ir = 40.000 x 1 440 x 1 x 1,73



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IR = 52,55A

Agora vamos calcular a corrente consumida pelos motores (Im).

Im = P x 1 V x FP x sqrt3

Im = 30.000 x 1 440 x 0,98 x 1,73

Im = 59,46A

Como neste projeto a instalação elétrica é a mesma para ambas as cargas, então a corrente que circulará pelos condutores é o resultado da soma.

It = Ir + Im It = 52,55 + 59,46

It = 112A

Com o valor da corrente elétrica, podemos dimensionar o condutor-fase. Para esta corrente, levando em conta apenas os valores da potência consumida temos de acordo com a tabela abaixo um condutor de 50mm2. Contudo, é preciso levar em consideração que há motores (que precisam de corrente de partida) participando da corrente total, e que devemos pensar em fator de proteção. Portanto, o mais recomendado seria o condutor de 70mm2 .

Veja a tabela resumida abaixo, extraída de uma tabela de um fabricante. Para consultar uma tabela completa, procure os fabricantes de condutores elétricos.

Seções do condutor em relação à corrente

Seções nominais docondutor em mm

Corrente do condutorem Ampére

1,5 15,52,5 214,0 286,0 3610 5016 6825 8935 11050 13470 171



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Contudo sabemos que todo condutor oferece uma resistência elétrica, no caso do condutor de cobre, ele oferece uma resistência elétrica dada pela formula:

R∂ = ρ x L S

Sendo:R∂ = Resistência do condutor em Ohm Ωρ = Resistividade do material em Ωmm2 / m (Para o cobre 0,0178, para o alumínio 0,0286)L = Comprimento do condutor em metro mS = Seção do condutor em mm2

Para calcular a resistência dos condutores, devemos conhecer o comprimento destes condutores. Em nosso projeto podemos ter três condutores de 50mm2 ou 70 mm2 que percorrem um percurso de 120m (distância dada no início do projeto), estão temos:

R∂ = 0,0178 x 120 50

R∂ = 0,043 Ω por condutor, em circuito trifásico temos:

R∂t = 0,043 x 3

R∂t = 0,129 Ω para condutores de 50mm2

R∂ = 0,0178 x 120 70

R∂ = 0,031 Ω por condutor, em circuito trifásico temos;

R∂t = 0,031 x 3

R∂t = 0,093 Ω para condutores de 70mm2

O próximo passo é calcular a máxima queda de tensão. Segundo a NBR 5410/04, em qualquer ponto de utilização, a queda de tensão verificada não deve ser superior aos valores citado abaixo:



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7% - Calculado a partir dos terminais secundário do transformador MT/BT, no caso de transformador de propriedade da unidade consumidora. Ou calculado a partir dos terminais secundário do transformador MT/BT da empresa distribuidora de eletricidade, quando o ponto de entrega for aí localizado. Ou a partir dos terminais de saída do gerador, no caso de grupo gerador próprio.

Para definirmos corretamente que condutor utilizar ou para verificar se o condutor escolhido pelo cálculo da corrente atende às especificações, devemos calcular a queda de tensão total no circuito oferecido pelos condutores.

VQ = It x R∂t;VQ = 112 x 0,129VQ = 14,49V

VQ = It x R∂t;VQ = 112 x 0,093VQ = 10,42V

Portanto, a queda de tensão oferecida pela resistência dos condutores é 14,49 V.Então a tensão que alimenta o consumidor (VC - carga, máquina) é calculada subtraindo a queda de tensão dos condutores (VQ) da tensão de alimentação (VE): Obs: a tensão de alimentação foi fornecida no início do projeto (440 V)

VC = VE – VQVC = 440 – 14,49VC = 425,51V

Sendo:VE = Tensão de alimentação, fornecida diretamente por uma subestação de transformação a partir de uma instalação de alta tensão;VC = Tensão que alimenta a carga após as quedas de tensão;VQ = Queda de tensão em um condutor. Se 440V é a tensão total de entrada, isto é 100%, então para que o

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condutor seja adequado à instalação, de acordo com a NBR5410, a máxima queda de tensão deve ser menor ou igual a 7% da tensão total. Utilizando regra de três simples e utilizando a maior queda de tensão temos:

440V = 100 %14,49 = x%

X = 14,49 x 100 440 X = 3,29 %

Como a queda de tensão total é apenas 3,29%, tanto o condutor de 50mm2 quanto o de 70mm2 atendem as especificações.

Ainda em relação aos condutores, precisam ser determinada a seção do condutor neutro e do condutor terra (condutor de proteção).

O condutor neutro, em circuitos monofásicos, sempre deve utilizar a mesma seção dos condutores fase. No circuito trifásico, é admitido pela NBR 5410/04 o emprego de condutor neutro com seção reduzida em relação ao condutor fase, verificando a tabela 48 da NBR 5410/04 temos:

Seção de condutores neutros para circuitos trifásicos.

Seção do condutor fase mm2

Seção mínima do condutor neutro mm2

S <= 25 S35 2550 2570 3595 50120 70150 70185 95240 120300 150400 185

Concluindo a primeira parte de dimensionamento do projeto, podemos dizer que:

A instalação industrial tem um equipamento elétrico de 70 KW ligado em uma rede de 440 Vac a uma distância de 120m, os condutores passam por eletrodutos, sendo que 40KW refere-se à potência de



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aquecimento (resistências) e 30KW refere-se a motores elétricos.De acordo com os cálculos, vimos que os condutores fase de 50mm2 ou de 70mm2 atendem perfeitamente às especificações e o condutor terra pode ser de 25mm2 ou 35mm.

Passo 2 - condutor e isolação

De acordo com a NBR 5410, em uma instalação industrial só é permitido o uso de um cabo de alumínio se este tiver seção nominal igual ou maior a 35 mm2. Contudo vamos optar por cabos de cobre, por se tratar de um melhor condutor e ser mais utilizado em instalações elétricas.

Como os nossos condutores estarão em eletrodutos embutidos e sua temperatura ambiente e a temperatura máxima para serviço contínuo não ultrapassarão à 700C, então optaremos pela isolação plástica de PVC.

Tipo de IsolaçãoTemperatura máxima para serviço contínuo “0C”

Temperatura limite de sobrecarga “0C”

Temperatura limite de curtcircuito”0C”

PVC até 300 mm2 70 100 160PVC maior 300 mm2 70 100 140EPR (antichama) 90 130 250XLPE (antichama) 90 130 250

Após verificação da tabela 33 da NBR 5410/04 vemos que estamos enquadrados no método de instalação elétrica número1 que corresponde ao método de referência B1 (condutores isolados ou cabos unipolares em eletroduto de seção circular aparente sobre parede). Neste método, três condutores carregados de 50mm2 só poderão suportar uma corrente máxima de 134A, ou três condutores carregados de 70mm2 só poderão suportar uma corrente máxima de 171A. Como a corrente nominal do circuito é de 112A estamos dentro das especificações da norma (tabela 36 da NBR 5410/04).Para concluir a especificação do tipo de isolação que deverá ser usado, devemos prever uma isolação que suporte no mínimo duas vezes a tensão nominal de alimentação e tolere a temperatura ambiente do projeto. De acordo com a tabela acima temos que a isolação em PVC está adequada à esta especificação. A isolação de PVC é a mais comum do mercado, sendo a mais em conta para o projeto.

Passo 3 – tipo de conexãoAs conexões dos condutores entre si e com outros componentes da instalação devem garantir continuidade elétrica durável, adequada



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suportabilidade mecânica e adequada proteção mecânica. Na hora de selecionar os meios de conexão, deve-se considerar:

- O material dos condutores, incluindo a sua isolação;- A qualidade de fios e formato dos condutores;- A seção dos condutores;- O numero de condutores a serem conectados conjuntamente.

Obs: Mais informações sobre conexões podem ser encontradas no texto complementar com o mesmo nome.

Neste ponto do dimensionamento, devemos dimensionar a conexão adequada para este projeto. O que já sabemos até aqui sobre o projeto dessa instalação elétrica?

A instalação industrial tem um equipamento elétrico de 70 KW ligado em uma rede de 440 Vac a uma distância de 120m, os condutores passam por eletrodutos, sendo que 40KW refere-se à potência de aquecimento (resistências) e 30KW refere-se a motores elétricos.

Portanto, de acordo com o projeto a carga é uma máquina que possui pontos específicos para alimentação e necessita de bornes de conexão. Nas conexões com a rede devemos utilizar conectores de aperto para cabos de 50mm2, pois para emendar cabos com seção igual ou superior 10mm2 os conectores proporcionam maior qualidade e confiabilidade para a emenda.

Conexão com a rede

Bornes de conexão encontrados em máquinas e equipamentos, disponíveis em vários tamanhos.

Obs. Quando houver necessidade, a fita isolante recomendada deve ser uma liga plástico/borracha e suportar a tensão aplicada à carga.



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Passo 4 – diâmetro dos eletrodutos

Eletroduto é todo condutor de fios ou cabos, que foi produzido para este fim, e possibilita a passagem de fios ou cabos pelo seu interior, com a finalidade de protege-los contra impacto mecânico e ação do tempo tais como umidade (chuva), ressecamento (calor do sol) e outros fatores. Os eletrodutos são cilíndricos e podem ser metálicos ou plásticos.

Obs: Veja mais sobre eletrodutos no texto complementar com o mesmo nome.

O eletroduto usado na instalação deve ter uma taxa de ocupação de no máximo 40% de acordo com NBR 5410. Como estamos utilizando três condutores de 50mm2 e um condutor de 25mm2 ou três condutores de 70mm2 e um condutor de 35mm2 poderíamos calcular a área total e em seguida o diâmetro do eletroduto. Contudo, para facilitar o dimensionamento podemos utilizar tabelas prontas, fornecidas por fabricantes de eletrodutos.

A = π x r2, sendo.

A = Área do condutor;r = Raio do condutor;π = 3,141592

Tabela existente no mercado.

Seção nominal

mm2

Número de condutores no eletroduto2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tamanho nominal do eletroduto1,5 16 16 16 16 16 16 20 20 202,5 16 16 16 20 20 20 20 25 254 16 16 20 20 20 25 25 25 256 16 20 20 25 25 25 25 32 3210 20 20 25 25 32 32 32 40 4016 20 25 25 32 32 40 40 40 4025 25 32 32 40 40 40 50 50 5035 25 32 40 40 50 50 50 50 6050 32 40 40 50 50 60 60 60 7570 40 40 50 60 60 60 75 75 7595 40 50 60 60 75 75 75 85 85120 50 50 60 75 75 75 85 85 -150 50 60 75 75 85 85 - - -185 50 75 75 85 85 - - - -240 60 75 85 - - - - - -



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Para dimensionar o eletroduto basta consultar a tabela. Veja o seguinte exemplo:

Um eletroduto que possua 4 condutores de 50mm2 deverá possuir, no mínimo 40mm de diâmetro. Se forem utilizados condutores de 70mm2, o eletroduto utilizado deverá ter 50mm.

Passo 5 – Dispositivos de proteção

Dispositivos de proteção são dispositivos destinados a garantir a segurança de pessoas, de animais domésticos e de bens, contra os perigos e danos que possam resultar da utilização das instalações elétricas em condições que possam ser previstas. São divididas de acordo com NBR 5410 em:

• Proteção contra choques elétricos;• Proteção contra efeito térmico;• Proteção contra sobrecorrente;• Proteção contra sobretensões.

Proteções contra choques elétricos (dispositivo de proteção Diferencial-Residual – DR)- O DR é obrigatório, como expresso na NBR 5410 e comentado na NR10 para proteção de pessoas e animais em circuitos que alimentam aquecedores de água, chuveiros, tomadas de uso geral e máquinas de lavanderias.

Proteção contra efeito térmico e sobrecorrente – A sobrecorrente acontece quando em um circuito ha uma sobrecarga, isto é, quando é colocada uma carga superior a que foi projetados para o circuito. Um circuito com sobrecarga provoca um aumento na corrente elétrica e este aumento de corrente provoca aquecimento na instalação, o aumento da corrente elétrica pode ser provocado por uma falta.

Se uma falta for provocada por dois condutores de potencial diferente (fase x fase, fase x neutro ou fase x terra) colocados diretamente em contato, isto denomina-se curto-circuito.

Para proteger o circuito elétrico (instalação) são empregados disjuntores termomagnéticos ou fusíveis.

1. Disjuntores termomagnéticos – São dispositivos religáveis utilizados para proteção contra sobrecarga e curto-circuito. Os disjuntores termomagnéticos possuem as seguintes funções básicas:



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- Operação manual de chaveamento para abertura e fechamento do circuito através de alavancas;

- Abertura automática de circuito sobre condições de sobrecarga mantida ou curto-circuito.

2. Fusíveis – São basicamente constituídos por uma proteção de

material isolante e um condutor de seção reduzida (elo fusível). Diferentemente dos disjuntores o fusível interrompe a passagem da corrente elétrica, antes que ocorra algum dano à instalação, rompendo o elo fusível. Por este motivo não é rearmável devendo ser substituído após a sua atuação.

Proteção contra sobretensão – A Proteção contra sobretensão é um dos requisitos da NBR 5410/04. Esta proteção tem que atender pessoas, animais e equipamentos. O DSP (Dispositivo de Proteção Contra Sobretenção) deve ser instalado junto o ponto de entrada da linha elétrica na edificação ou no quadro de distribuição principal, o mais próximo possível do ponto de entrada.

Obs: Para saber mais sobre dispositivos de proteção consulte o texto complementar a respeito.

Voltando ao projeto do qual estamos tratando, o dispositivo de proteção deve proteger a instalação e suportar a corrente nominal do equipamento. Em nosso caso não poderemos utilizar disjuntores termomagnéticos, pois são fabricados para no máximo 125A. Então podemos utilizar uma chave trifásica com portas fusíveis. Essas chaves são empregadas em instalações industriais para ligamento de máquinas e equipamento. Devemos levar em consideração também que todo painel já possui seus dispositivos de proteção. Nesta condição a chave selecionada deve possuir trava para não possibilitar a abertura da mesma com a tampa de proteção aberta, deve possuir dispositivos corta arco-voltaico e base para colocação dos fusíveis, os fusíveis devem ser do tipo NH retardado.

Quando temos motores, temos corrente de partida, que pode ser de até 10 vezes superior à corrente nominal. Contudo, para motores acima de 5KW é recomendado partida suave, ou por meio de partida em estrela/triângulo ou por meio de chaves softstart, que atualmente são muito empregadas. Entretanto sempre haverá uma corrente de partida, prevendo que em no nosso projeto os motores partem com as cargas de aquecimento ligadas, ou seja com uma carga de 40KW, isto elevará em muito a nossa corrente nominal. Por este motivo vamos optar por um condutor de 70mm2 e fusíveis NH retardados de 166A.



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Passo 6 – Lista de Material

Item Quantidade Unidade Descrição Capacidade01 02 peça Chave seccionadora com fusíveis 200 A02 400* metros Cabo de 70mm2 70mm2

03 150* metros Cabo flexível de cor Verde/Amarelo 35mm2

04 03 peça Conector de aperto para cabo 70mm2

05 01 peça Conector de aperto para cabo 35m m2

06 04 peça Eletroduto curvo em 900 50mm07 44 barras Eletroduto em PVC 50mm

*Foi utilizado um fator de garantia de 10% a 20% para o comprimento dos condutores, isto garante que os condutores não fiquem esticados e nem haja emendas.

Esquema multiflar e uniflar do projeto.

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