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Tipologia: Notas de estudo
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Centro Federal de Ensino Tecnológico Celso Suckow da Fonseca – CEFET-RJ versão 2005
Centro Federal de Ensino Tecnológico Celso Suckow da Fonseca – CEFET-RJ versão 2005
È também considerado um seccionador. É uma chave seca de baixa tensão, de construção e características elétricas adequadas à manobra de circuitos de iluminação em instalações prediais, de aparelhos eletrodomésticos e luminárias, e aplicações equivalentes. Nota: Essa manobra é entendida como sendo em condições nominais de serviço. Portanto, o interruptor deve interromper cargas nominais.
Móvel
Contato fixo Molas
Núcleo fixo
A B Espira
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Funcionamento do contator. Conforme definido e comentado anteriormente, o contator é um dispositivo de manobra não manual e com desligamento remoto e automático, seja perante sobrecarga (através do relé de sobrecarga) seja perante curto-circuito (através de fusíveis). Quem liga e desliga o contator é a condição de operação de uma bobina eletromagnética, indicada no desenho acima. Essa bobina, no estado de desligado do contator, ou seja, contato fixo e contato móvel abertos, também está desligada ou desenergizada. Seu principio de funcionamento baseia-se na força magnética que tem origem na energização de uma bobina e na força mecânica proveniente do conjunto de molas que o sistema tem. Quando, por exemplo, através de uma botoeira, a bobina eletromagnética é energizada, o campo magnético criado e que envolve o núcleo magnético fixo, atrai o núcleo móvel, com o que se desloca o suporte de contatos com os contatos principais móveis, vencendo a força das molas, que assim encontram os contatos principais fixos, fechando o circuito. Estando o contator ligado (a bobina alimentada), e havendo uma condição de sobrecarga prejudicial aos componentes do sistema, o relé de proteção contra sobrecarga (bimetálico ou eletrônico) interromperá um contato NF desse relé, que está em série com a bobina do contator, no circuito de comando. Com a abertura do contato é desenergizada a bobina eletromagnética, o contator abre e a carga é desligada. Para efeito de religação, essa pode ser automática ou de comando remoto, dependendo as condições a serem atendidas pelo processo produtivo ao qual esses componentes pertencem. Além dos contatos principais, um contator possui contatos auxiliares dos tipos NA e NF, em número variável e informado no respectivo catálogo do fabricante. (Lembrando: NA significa N ormalmente A berto e NF, N ormalmente F echado). As peças de contator têm seus contatos feitos de metal de baixo índice de oxidação e elevada condutividade elétrica, para evitar a criação de focos de elevada temperatura, o que poderia vir a prejudicar o seu funcionamento. Nesse sentido, o mais freqüente é o uso de liga de prata.
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comparação com a dos relés de sobrecarga (bimetálicos ou eletrônicos), podendo ser esquematizado, como segue:
A bobina eletromagnética do relé é ligada em série com os demais componentes do circuito. Sua atuação apenas se dá quando por esse circuito passa a corrente Ik , permanecendo inativo perante as correntes nominais (In) e de sobrecarga (Ir ). Pelo que se nota, a sua função é idêntica à do fusível, com a diferença de que o fusível queima ao atuar, e o relé permite um determinado número de manobras.
Fusíveis Diazed. Fusíveis NH.
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Pára-raio Elemento de proteção contra sobretensões causados por descargas atmosféricas que porventura caiam em uma linha de transmissão ou de distribuição. Tendo como função escoar a corrente proveniente do raio para a Terra.
Transformador de força Tem como função elevar ou reduzir a tensão em um determinado trecho do sistema mantendo-se a freqüência inalterada.
Exemplo de um sistema completo com diversos componentes (unifilar)
Os motores elétricos são a principal carga industrial que encontramos ligada ao sistema elétrico de potência. Em termos globais, de recente levantamento estatístico, o mercado brasileiro de consumo se apresenta como representado abaixo.
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f) Fator de Potência (cos ϕ ) : É a defasagem angular entre a tensão e a corrente no motor.
g) Rendimento ( μ ) : Relação entre potência de entrada e de saída (os motores de alto rendimento tem rendimento 88.5 %) com apresentado abaixo no exemplo.
h) Corrente Nominal (IN ): É a corrente que o motor solicita da rede sob tensão, freqüência e potência nominais. O valor da corrente depende do rendimento e do fator de potência do motor sendo dado pela seguinte relação:
ϕ μ 3 * cosϕ μ
Exemplo: Dado um motor de 15 hp (11,18kW), trifásico de 220V fase com fator de potência de 90% e rendimento de 80%. Qual a corrente nominal?
i)Letra código (IP /IN ): Letra código é a relação existente entre a potência de rotor bloqueado e a potência nominal. A NEMA define os códigos de letras conforme a tabela abaixo:
Letra Código
KVA que o motor necessita para partida direta (por KVA) A 0,00 a 3, B 3,15 a 3, C 3,55 a 3, D 4,00 a 4, E 4,50 a 4, F 5,00 a 5, G 5,60 a 6, H 6,30 a 7, J 7,10 a 7, K 8,00 a 8, L 9,00 a 9, M 10,00 a 11, N 11,20 a 12, P 12,50 a 13, R 14,00 a 15, S 16,00 a 17, T 18,00 a 19, U 20,00 a 22, V 22,
Para a ABNT, 5 códigos são definidos, conforme a tabela seguinte:
Letra Código Corrente de partida direta (Motores com enrolamentotipo gaiola)
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A ALTA Até 6 x I (^) N B NORMAL 3,80 a 6,00 x I (^) N C NORMAL 3,80 a 6,00 x I (^) N D NORMAL 3,80 a 6,00 x I (^) N F BAIXA Até 4 x I (^) N
j)Fator de serviço : É um fator que aplicado à potência nominal, indica a carga permissível que pode ser aplicada ao motor. Esse fator refere-se a uma capacidade de sobrecarga contínua, ou seja, uma reserva de potência que dá ao motor uma capacidade de suportar melhor o funcionamento em condições desfavoráveis. O motor que tem funcionamento intermitente tem fator de serviço alto.
k)Corrente de partida (I (^) partida ) : É a corrente solicitada pelo motor para ele entrar em regime. A obtenção é feita pela relação IP /IN que normalmente vem descrito na placa.
Exemplo: Motor de 2,5 cv com tensão de 220v , cos ϕ=0.8 e rendimento=0.96. letra código G e IP /IN =5,
Resposta: IN =6,6A e IP =37,7A
l)Rotação nominal( ω n ) e rotação síncrona ( ω s ) : É a velocidade (rpm) do motor funcionando à potência nominal, sob tensão e freqüência nominais. Para motores síncronos, esta é a velocidade que o motor gira realmente. A velocidade n 1 do campo magnético girante do estator está relacionada com a freqüência da rede e o número P de pólos do motor através da seguinte equação:
Para motores assíncronos ou de indução, o motor gira com velocidade inferior a de sincronismo.
O rotor do motor de indução gira a uma velocidade n menor do que a velocidade n 1 do campo magnético girante do estator: A diferença entre as duas velocidades é chamada escorregamento. Devido ao escorregamento, um campo magnético girante é induzido no enrolamento do rotor e, da interação entre os dois campos magnéticos, resulta o conjugado eletromagnético do motor que o faz girar. O escorregamento é tomado sempre em valores percentuais ou em p.u. da velocidade síncrona, ou seja:
1
Estamos utilizando nas equações (4) e (5) a letra n para representar a velocidade do motor em RPM. Em muitas equações que serão apresentadas mais adiante a velocidade será dada em radianos por segundo e
ω =
Conforme visto anteriormente, a velocidade mecânica depende do escorregamento, do número de pólos e da freqüência da rede de alimentação. A velocidade do motor de indução varia muito pouco entre a condição a vazio e plena carga, cerca de 10%. Desta forma, o motor de indução alimentado a partir da rede da concessionária não é muito adequado onde se exige velocidade variável. No entanto, quando alimentado por meio de um conversor estático, a variação de velocidade é possível numa faixa bastante ampla.
Exercício:
Uma indústria tem um motor de 3φ com 5cv de potência, 2 pólos, velocidade nominal de 3520 rpm. Outro motor de 2,5cv e 4 pólos apresenta na sua placa um escorregamento de 3%. Ambos são alimentados pela
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No Regime de Tempo limitado S2, o motor aciona uma carga constante durante um tempo relativamente curto, seguido de um tempo de repouso suficientemente longo para que a sua temperatura retorne à temperatura do meio ambiente refrigerante. Por esta descrição sucinta do regime S2 podemos deduzir que o motor que opera neste tipo de regime, e que foi fabricado para operar em regime S1, teria condições de acionar uma carga maior do que a que ele acionaria no regime contínuo S1. A relação entre as perdas admissíveis do motor no regime S2 e as perdas nominais no regime S1 deve ser tal que, durante o tempo de funcionamento em carga constante, a elevação de temperatura não ultrapasse o valor máximo Θm admissível pela sua classe de isolamento térmico. Os exemplos típicos de máquinas que operam neste tipo de regime são os portões elétricos, sistemas de báscula, dispositivos para abertura e fechamento de válvulas, etc. Os motores que operam em regimes S2 são motores especiais e possuem indicada, na sua placa de identificação, a potência que eles desenvolvem nesta condição de trabalho, seguida do tempo máximo que eles podem funcionar com carga constante. Os valores de tempo recomendados pelas normas são 10 minutos, 30 minutos, 60 minutos e 90 minutos. Hoje em dia, os fabricantes de motores elétricos só fabricam este tipo de motor sob encomenda. Além disso, os motores fabricados para o regime S1, que são motores de linha normal de fabricação, podem ser especificados para operar em regime de tempo limitado, como será mostrado mais adiante. No Regime Intermitente Periódico S3, o motor aciona uma carga que repete uma seqüência de ciclos de trabalho idênticos, cada ciclo constituído de um período de trabalho a carga constante, seguido de um período de repouso. Após ter operado um tempo suficiente longo, sua elevação de temperatura fica oscilando entre um valor máximo Θm, correspondente à sua classe de isolamento térmico e um valor Θo , acima da temperatura ambiente do meio refrigerante. A figura acima mostra o regime S3. Neste tipo de regime não se considera o aquecimento devido às perdas elétricas provocadas pela corrente de partida do motor. Isto significa dizer que o número de partidas do motor durante um período de tempo padronizado (uma hora) deve ser pequeno. A duração de um ciclo padronizado pelas normas brasileiras no regime S3 é de 10 minutos, o que significa dizer que o motor pode ter, no máximo, 6 partidas por hora. No Regime Intermitente Periódico com Partidas S4, o motor opera em uma seqüência de ciclos idênticos, à semelhança do Regime S3, só que não se pode desprezar a influência do calor produzido pela corrente de partida. Isto significa dizer que num período de tempo padronizado (uma hora) o número de partidas do motor é elevado, comparado com o regime S3. Os motores para operar em regime S4 devem suportar 150, 300 e até 600 partidas num período de uma hora. Como se pode ver pela figura, o calor produzido pela corrente de partida tem influência sobre a temperatura do motor que, após um número elevado de operações, fica oscilando entre dois valores, sendo que o valor inferior é maior do que a temperatura ambiente, e o valor superior não pode ultrapassar o limite correspondente à classe de isolamento térmico.
n) Categorias de Conjugado Variando a construção das ranhuras, o formato dos condutores dentro dessas ranhuras e o metal utilizado nessa construção, variam os conjugados, notadamente os de partida. Conforme as suas características de conjugado em relação à velocidade e corrente de partida, os motores são classificados em categorias, cada uma adequada a um tipo de carga. Estas categorias são definidas em norma, e são as seguintes:
Categoria A - Conjugado de partida normal; corrente de partida alta; baixo escorregamento (cerca de 5%). Motores usados onde não há problemas de partidas nem limitações de corrente. Categoria N: Conjugado e corrente de partida normais, baixo escorregamento. Destinam-se a cargas normais tais como bombas, máquinas operatrizes e ventiladores. Constituem a maioria dos motores encontrados no mercado. Categoria H: Alto conjugado de partida, corrente de partida normal, baixo escorregamento. Usados para cargas que exigem maior conjugado na partida, como peneiras, esteiras transportadoras, cargas de alta inércia, britadores e trituradores; Categoria D: Alto conjugado de partida, corrente de partida normal, alto escorregamento (mais de 5%). Usado em prensas excêntricas e máquinas semelhantes, onde a carga apresenta picos periódicos. Usados também em elevadores e cargas que necessitam de conjugados muito altos e corrente de partida limitada. Categoria F - Conjugado de partida baixo; corrente de partida baixo; baixo escorregamento. Pouco usados, destina-se a cargas com partidas freqüentes, porém sem necessidade de altos conjugados e onde é importante limitar a corrente de partida.
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o) Classe de isolamento : A classe de isolamento, indicada por uma letra normalizada, identifica o tipo de materiais isolantes empregados no isolamento do motor. As classes de isolamento são definidas pelo respectivo limite de temperatura; são as seguintes, de acordo com a ABNT (NBR 7034):
Classificação térmica dos motores isolantes
A coluna da esquerda é a classificação dos materiais isolantes por meio de letras recomendadas pelas Normas Brasileiras. Por extensão, os motores recebem a mesma classificação térmica, isto é, motores classes A, B, F, etc. A coluna da direita representa os valores limites de temperatura que os materiais podem suportar. Os materiais das classes A, B e F são os mais comumente usados na fabricação dos motores elétricos industriais. No site da WEG e da SIEMENS há dados mais aprofundados sobre as tintas isolantes. Os seguintes materiais compõem estas classes:
Classe A: tecidos de algodão, papel, fibras de celulose, seda e similares, todos eles impregnados com verniz. Classe B: mica, asbesto e fibras de vidro aglomeradas por substâncias orgânicas. Classe F: os mesmos materiais da classe B impregnados com verniz ou outra substância sintética.
Cada uma dessas classes é formada de materiais, particularmente isolantes, que são os termicamente mais sensíveis, suportando menores temperaturas do que os metais utilizados. Os materiais que suportam as temperaturas mencionadas estão indicados em cada classe da norma, do mesmo modo como o exemplificado na tabela que segue:
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Explicando: na parte sólida, tendo 2 mm, se tivermos um invólucro IP 3, que protege para sólidos > 2, mm, a poeira vai penetrar. Logo, será o IP 4. Na parte líquida, a proteção contra pingos e respingos, também é o IP. Logo, resulta o GRAU DE PROTEÇÃO correto dado por IP 44.
Outro exemplo: No ambiente, temos corpos sólidos com um tamanho de 10 mm, mas a instalação é feita em ambiente protegido (onde não existe líquido). Qual o IP necessário?
A correta seleção de motores para realizar um acionamento, principalmente nas plantas industriais, constitui um dos mais importantes problemas da eletrotécnica aplicada, pelos aspectos técnicos e econômicos envolvidos. Ao longo de muitos anos, o fato de a energia elétrica ter sido um insumo relativamente barato na composição dos custos dos produtos industriais, criou entre muitos técnicos uma cultura de relativa indiferença quanto a uma correta seleção dos motores elétricos para realizar um determinado acionamento. Desde que o acionador colocasse a máquina em operação na velocidade correta, fornecendo a potência necessária, outros aspectos do problema, tais como superdimensionamento do motor, teriam importância secundária. Porém, com o custo da energia elétrica se tornando cada vez maior, principalmente nas regiões onde ela é gerada a partir de combustíveis fósseis, a preocupação dos engenheiros eletricistas com um melhor rendimento dos motores elétricos e, conseqüentemente, com uma correta escolha do motor para acionar uma determinada máquina, foi se tornando um ponto relevante no problema do acionamento industrial. Atualmente, a energia elétrica produzida no Brasil é consumida nos seguintes segmentos: 44% é para atender o consumo industrial, 27% é consumo residencial, 14% é consumo comercial e 15% outros setores. Cerca de 49% do consumo industrial é devido aos motores elétricos e também 37% do consumo comercial, o que dá um total de 26,74%. Se levarmos em conta que no consumo residencial há um grande número de motores que acionam aparelhos eletrodomésticos, podemos estimar que o consumo de energia elétrica anual no Brasil pelos motores representa cerca de 30% do total produzido. É, pois, importante que a técnica de escolher motores elétricos para realizar acionamentos seja estudada e aplicada com critérios a fim de se evitar maiores desperdícios de energia.
Industrial 44%
Residencial 27%
Comercial 14%
Outros 15%
Uma das maiores dificuldades que se coloca para o eletrotécnico ao lidar com o problema do acionamento é a de fazer uma escolha adequada do motor elétrico dentre os comercialmente disponíveis. Não se trata de calcular um motor elétrico. Este é um problema do fabricante do motor. Trata-se de saber, a partir de informações e dados da máquina, do meio ambiente onde o motor será instalado e dos tipos de motores disponíveis, qual o mais adequado para realizar o acionamento. Os dados e informações deverão permitir que o tipo de motor a ser escolhido atenda aos seguintes requisitos:
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Embora o assunto mereça um estudo mais profundo, em espacial para grandes potências, podemos sugerir a seguinte seqüência, para a escolha de um motor:
a. Fonte de energia: contínua ou alternada, monofásica ou trifásica, freqüência.
b. Potência necessária : Deverá ser a mais próxima possível da exigência da carga.
c. Fator de serviço : tendo em vista a economia, pode-se escolher um motor com potência um pouco inferior à máquina operatriz, sem o mesmo risco, desde que a tensão, número de fases e a freqüência sejam nominais.
d. Velocidade do motor: Precisamos saber se o acoplamento do motor à máquina acionada é direto ou indireto (engrenagens, caixas redutoras, polias com correias ou cabos). Os dados de placa do motor referem-se a rpm em plena carga; em vazio, a rotação dos motores de indução é ligeiramente superior. A maioria dos motores, emprega-se a rotação constante. (Ex. bombas, compressores, ventiladores, tornos, etc.) Quando há necessidade de variar a rotação pode-se usar: para pequenas potências (fração de HP), reostato divisor de tensão, e para potências maiores, motores de corrente contínua ou de indução com rotor bobinado. Se o motor aciona a máquina operatriz por meio de correia, deve-se manter a correia razoavelmente frouxa, pois correias muito apertadas se estragam, além de danificar os mancais e o motor; elas aumentam a potência necessária à máquina.
e. Torque ou conjugado: Precisamos saber se o motor parte em vazio ou em carga, para escolhermos um motor de baixo ou alto conjugado de partida. Segundo a ABNT os motores de baixo conjugado de partida são da categoria B e os de alto conjugado de partida , categoria C (vide item Categoria de conjugado). Deve-se escolher sempre um motor com um conjugado máximo pelo menos 30% maior que os picos de carga. É evidente que, para escolha mais criteriosa do motor necessitamos conhecer o comportamento da carga; durante a fase de partida, isto é, desde o repouso até a velocidade nominal, o motor deverá desenvolver um comportamento.
f .Tipo de carcaça : conforme o ambiente em que vai ser usado, o motor deve ser especificado com as seguintes características: à prova de explosão: destina-se a trabalhar em ambiente contendo vapores etílicos de petróleo, gases naturais, poeira metálica, explosivos, etc. totalmente fechados: em ambientes contendo muita poeira, corrosivos e expostos ao tempo. à prova de pingos: para ambientes normais de trabalho razoavelmente limpos, tais como residências, edifícios, indústrias, etc.
Relação entre tensão de linha e tensão de fase
Os motores elétricos podem ser ligados em delta ou estrela. As relações entre tensão e corrente podem ser descritas assim:
Estrela:
Z
Z Z
L F
L F
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Motor trifásico de 6 terminais
O motor de indução trifásico em gaiola (Squirrel Cage) é o motor mais utilizado em acionamentos. Geralmente são ligados em Y e o neutro fica sendo o quarto fio. Em sistemas trifásicos, os vetores de tensão são defasados de 120° elétricos um do outro.
Conexões do Motor Trifásico
A grande maioria dos motores trifásicos são fornecidos para operação em pelo menos duas tensões diferentes, o que os torna aptos a operarem em dois sistemas com tensões diferentes. A escolha de uma ou outra ligação é feita a partir da tensão disponível no local onde o motor deverá operar, sendo que suas características não se alteram devido a reconexão. A adaptação da tensão do motor à da rede é feita por meio da reconexão dos terminais. Os principais tipos de ligação dos terminais são: ligação estrela- triângulo e ligação com 12 terminais. Estas conexões estão ilustradas nas figuras abaixo e são brevemente explicadas no que segue.
Estrela Triangulo
Z
Z Z
Z Z
Z
Nesta conexão ambos os terminais dos enrolamentos de fase são acessíveis na caixa de ligação, sendo assim possível à ligação da máquina tanto em estrela quanto em triângulo, conforme ilustrado na figura. A escolha de uma ou de outra ligação depende da tensão da rede onde o motor será ligado. A relação entre a tensão mais alta e a tensão mais baixa é de 3. A figura mostra o exemplo de uma máquina construída para operar tanto na tensão de 380 Volts como 220 Volts (entre fases). Caso a tensão da rede seja 380 Volts deve-se ligar o motor em estrela; ao contrário, caso a rede seja de 220 Volts, deve-se ligá-lo em triângulo. Desta forma, fica assegurado que a tensão em cada uma das fases seja de 220 volts. Caso o motor for conectado em triângulo e ligado numa rede de 380 volts haverá um sobreaquecimento do motor causado pela corrente excessiva, decorrente da tensão ser maior que a nominal. Nesta condição, o motor poderá vir a ser danificado. Por outro lado, ligando-se o motor em estrela e conectando-o a uma rede de 220 volts, haverá uma tensão menor que a nominal aplicada em cada fase. Nesta condição, caso o motor consiga partir e atingir a rotação nominal, a corrente será menor que a nominal e motor não conseguirá desenvolver a sua potência nominal. Também poderá ocorrer que o motor não consiga partir e atingir a velocidade nominal, ficando bloqueado e aumentando a corrente que nele circula. Resumindo,
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nenhuma destas condições é aconselhável para a operação do motor e deve em termos práticos ser evitada.
Motor trifásico de 12 terminais
Delta paralelo 2
5
3
6
1
4
8
11
9
12
7
10
Estrela paralelo 2
5
3
6
1
4
8
11
9
12
7
10
Estrela série 2
5
3
6
1
4
8
11
9
12
7
10
Delta série 2
5
3
6
1
4
8
11
9
12
7
10
Relação de tensão e corrente em motor de 6 terminais
L LY
F
L
F
L
L
LY
2
∆
∆
