Apostila de Eletricidade Industrial, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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ELETRICIDADE

INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS

SENAI-RS – SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL

DEPARTAMENTO REGIONAL DO RIO GRANDE DO SUL

CONSELHO REGIONAL

Presidente Nato Francisco Renan O. Proença – Presidente do Sistema FIERGS

Conselheiros Representantes das Atividades Industriais – FIERGS

Titulares Suplentes Manfredo Frederico Koehler Deomedes Roque Talini Astor Milton Schmitt Arlindo Paludo Valayr Hélio Wosiack Pedro Antonio G. Leivas Leite

Representantes do Ministério da Educação

Titular Suplente Edelbert Krüger Aldo Antonello Rosito

Representantes do Ministério do Trabalho e Emprego

Titular Suplente Neusa Maria de Azevedo Elisete Ramos

Diretor do Departamento Regional do SENAI-RS José Zortéa

DIRETORIA REGIONAL DO SENAI-RS

José Zortéa – Diretor Regional Paulo Fernando Presser – Diretor de Educação e Tecnologia Jorge Solidônio Serpa – Diretor Administrativo-Financeiro

ELETRICIDADE ; INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS

© 2002, SENAI-RS

Trabalho organizado por técnico do Centro de Educação SENAI de Eletromecânica, sob a coordenação e supervisão da Unidade de Negócios em Educação Profissional da Diretoria de Educação e Tecnologia do Departamento Regional do SENAI-RS.

Coordenação Geral

Coordenação Técnica

Coordenação Local

Elaboração

Revisão lingüística

Normalização bibliográfica

Paulo Fernando Presser Jaures de Oliveira Paulo Pires da Silva Márcio Rogério Basotti Regina Maria Recktenwald

Cristiane Mesquita T. Luvizetto

DET DET/UNEP CEP SENAI de Eletromecânica CEP SENAI de Eletromecânica consultora

CEP SENAI de Eletromecânica

Reprodução gráfica CEP SENAI de Artes Gráficas Henrique d”Ávila Bertaso

SENAI Departamento Regional do Rio Grande do Sul Av.: Assis Brasil 8787 – Bairro Sarandi 91140-001 – Porto Alegre, RS Tel.: (0xx51) 33478697 Fax.: (0XX51) 3347-8813 e-mail: unep@dr.rs.senai.br

SENAI – Instituição mantida e administrada pela indústria

B316e BASOTTI, Márcio Rogério. Eletricidade ; instalações industriais. Sapucaia do Sul, Centro de Educação Profissional SENAI de Eletromecânica, 2001. 124 p.

1. Instalação Industrial. I. Título

CDU – 621.316.

A reprodução total ou parcial desta publicação por quaisquer meios, seja eletrônico, mecânico, fotocópia de gravação ou outros, somente será permitida com prévia autorização, por escrito, deste Departamento Regional.

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO...................................................

1 MOTORES ELÉTRICOS MONOFÁSICOS (FASE AUXILIAR)...........

2 MOTORES ELÉTRICOS TRIFÁSICOS.............................

2.1 MOTOR TRIFÁSICO DE MÚLTIPLA VELOCIDADE..................

2.1.1 Motor de enrolamentos separados............................ 2.1.2 Motor Dahlander........................................... 2.1.3 Motor de tripla velocidade................................... 2.2 MOTOR DE ANÉIS............................................

3 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS E MECÂNICAS DOS MOTORES TRIFÁSICOS................................................ 3.1 TENSÃO DE FUNCIONAMENTO................................ 3.1.1 Ligação estrela-triângulo.................................... 3.1.2 Ligação série-paralelo..................................... 3.2 CORRENTES DO MOTOR TRIFÁSICO........................... 3.2.1 Corrente nominal (In)........................................ 3.2.2 Corrente de partida (Ip/In).................................... 3.3 ROTAÇÃO DO MOTOR TRIFÁSICO............................. 3.3.1 Invertendo a rotação........................................ 3.3.2 Determinando a rotação (rpm)................................ 3.3.3 Velocidade síncrona (ns).................................... 3.3.4 Velocidade assíncrona (n)................................... 3.3.5 Escorregamento (s)......................................... 3.4 TORQUE................................................... 3.5 POTÊNCIA MECÂNICA........................................ 3.6 POTÊNCIA ELÉTRICA........................................ 3.7 RENDIMENTO (n)............................................ 3.8 FATOR DE SERVIÇO......................................... 3.9 REGIME DE SERVIÇO......................................... 3.10 CLASSE DE ISOLAMENTO....................................

6.20.3 Dimensionando um fusível.................................. 6.21 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL (CLP)................. 6.22 TRANSFORMADOR DE COMANDO.............................

7 SIMBOLOGIA.................................................

8 SISTEMAS DE PARTIDA PARA MOTORES TRIFÁSICOS – ESQUEMAS. 8.1 PARTIDAS MANUAIS......................................... 8.1.1 Partida direta.............................................. 8.1.2 Partida estrela-triângulo..................................... 8.1.3 Partida série-paralelo....................................... 8.1.4 Partida compensada........................................ 8.1.5 Partida de motores de múltiplas velocidades................... 8.2 PARTIDAS AUTOMÁTICAS.................................... 8.2.1 Partida direta.............................................. 8.2.2 Partida estrela-triângulo..................................... 8.2.3 Partida série-paralelo....................................... 8.2.4 Partida compensada........................................ 8.2.5 Partida de motor de múltiplas velocidades..................... 8.2.6 Partida de motor de anéis (rotor bobinado)..................... 8.2.7 Frenagens para motores elétricos............................

9 INFORMAÇÕES ÚTEIS........................................ 9.1 NORMAS TÉCNICAS......................................... 9.2 CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO DE MOTORES ELÉTRICOS.. 9.3 LIMITES DOS SISTEMAS DE PARTIDAS........................ 9.4 CAPACIDADE DE CONDUÇÃO DE CORRENTE DE CONDUTORES...

ANEXO EXERCÍCIOS – EXEMPLOS DE INSTALAÇÕES ELÉTRICAS INDUSTRIAIS

ANOTAÇÕES....................................................

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................

1 MOTORES ELÉTRICOS MONOFÁSICOS (FASE AUXILIAR)

Os motores monofásicos de fase auxiliar são um dos vários tipos de motores monofásicos existentes. Utilizados principalmente em máquinas como motobombas, compressores, furadeiras, serras, cortadores de grama etc., são, em geral, máquinas de pequeno porte, já que são fabricados normalmente em potências de até 2 cv. É raro serem encontrados acima desta potência, pois a utilização de motores trifásicos fica economicamente mais viável.

O estator desses motores é constituído resumidamente por dois bobinados, chamados bobinado principal (ou de trabalho) e bobinado auxiliar (ou de partida; arranque). Na partida do motor, os dois bobinados ficam energizados; tão logo o rotor atinja sua velocidade, o bobinado de arranque é desligado, permanecendo em funcionamento somente as bobinas de trabalho.

A bobina de arranque do motor possui ligado em série consigo um capacitor e um interruptor automático (e é normalmente feita com fio mais fino). O interruptor automático (na maioria dos motores formado por um interruptor centrífugo associado a um platinado, embora não seja o único modelo existente) desliga a bobina de arranque após a partida do motor. Já o capacitor faz com que surja no interior do motor um campo magnético girante, que impulsionará o motor a partir.

Para que possa funcionar em duas tensões diferentes (110 ou 220 V), a bobina de trabalho desses motores é dividida em duas, tendo a possibilidade de as partes serem conectadas em série ou em paralelo, de acordo com a tensão da rede elétrica. Cada parte deve receber no máximo 110 V, que corresponde à menor tensão de funcionamento do motor (Figura 3). A inversão da rotação é feita invertendo-se o sentido da corrente na bobina auxiliar, ou seja, troca-se o terminal 5 pelo 6.

2 MOTORES ELÉTRICOS TRIFÁSICOS

São máquinas que produzem energia mecânica a partir de energia elétrica. Esses motores são alimentados por redes trifásicas, daí seu nome, tendo vários tipos e formas de ligações.

Os motores elétricos trifásicos são os mais utilizados na indústria, por terem o melhor custo benefício na comparação com os demais (evidentemente que nas aplicações compatíveis).

Fonte: http://www.eberle.com.br/imagens/m1.gif 10/04/ Figura 4 – Motores elétricos trifásicos

2.1 MOTOR TRIFÁSICO DE MÚLTIPLAS VELOCIDADES

Este tipo de motor proporciona velocidades diferentes em um mesmo eixo. Na grande maioria, são para apenas um valor de tensão, pois as religações disponíveis geralmente permitem apenas a troca das velocidades. A potência e a corrente para cada rotação são diferentes. Existem basicamente dois tipos: motor de enrolamentos separados e motor tipo Dahlander.

2.1.1 Motor de enrolamentos separados

Baseado em que a rotação de um motor elétrico (rotor gaiola) depende do número de pólos magnéticos formados internamente em seu estator, este tipo de motor possui na mesma carcaça dois enrolamentos independentes e bobinados com

números de pólos diferentes. Ao alimentar um ou outro, se terá duas rotações, uma chamada baixa e outra, alta.

As rotações dependerão dos dados construtivos do motor, não havendo relação obrigatória entre baixa e alta velocidade. Exemplos: 6/4 pólos (1200 /1800 rpm); 12/4 pólos (600/1800 rpm), etc.

Atenção : Ao alimentar uma das rotações, deve-se ter o cuidado de que a outra esteja completamente desligada, isolada e com o circuito aberto, pelos seguinte motivos:

• não há possibilidade de o motor girar em duas rotações simultaneamente;
• nos terminais não conectados à rede haverá tensão induzida gerada pela bobina que está conectada (neste sistema tem-se construído basicamente um transformador trifásico);
• caso circule corrente no enrolamento que não está sendo alimentado surgirá um campo magnético que interferirá com o campo do enrolamento alimentado;
• não é interessante que circule corrente no bobinado que não está sendo utilizado, tanto por questões técnicas como econômicas (consumo de energia).

Essas são as razões pela quais os enrolamentos destes motores são fechados internamente em estrela (Y).

Figura 5 – Comparação de um motor dupla velocidade com um transformador trifásico

2.1.2 Motor Dahlander É um motor com enrolamento especial que pode receber dois fechamentos diferentes, de forma a alterar a quantidade de pólos, proporcionando, assim, duas velocidades distintas, mas sempre com relação 1:2.

Exemplos: 4/2 pólos (1800/3600 rpm); 8/4 (900/1800 rpm).

baixa alta

1 2 3 4 5 6

motor: numeração e maneira de ligar

primário secundário

transformador: montagem semelhante ao motor

Figura 8 – Motores de três velocidades

2.2 MOTOR DE ANÉIS

O motor de anéis tem um rotor que não está fechado em curto-circuito. Nele o rotor é bobinado e os terminais estão acessíveis externamente através de anéis coletores e escovas (carvão).

Através das escovas (carvão), é inserida resistência ao circuito do rotor no instante da partida, que é diminuída aos poucos, conforme o motor vai atingindo velocidade, até que chegue a zero (curto). Neste momento, o comportamento é exatamente igual a um motor tipo gaiola.

Figura 9 – Esquematização da ligação de um motor de rotor bobinado

1ª velocidade 3ª velocidade

(^1 2 3 4 5 )

motor com três enrolamentos comuns

7 8 9

2ª velocidade

motor com enrolamento Dahlander e comum

7

4

3 2 5

6

1

1ª velocidade / 2ª velocidade 3ª velocidade

8 9 10

rede^ rede

M 3~

reostato

estator

rotor

coletor escovas

Como todo motor de indução forma basicamente um transformador, onde o estator é o primário e o rotor o secundário, e neste tipo específico o rotor não está em curto- circuito, não há grande pico de corrente na partida do motor de anéis. A corrente de partida e a corrente nominal têm basicamente o mesmo valor se o motor parte sem carga. Evidentemente, quando parte com carga, há um aumento da corrente de partida, mas esta é muito baixa (Ip/In ≅ 2,5) se comparada com motores de rotor em curto.

Esse tipo de motor é indicado para partidas com carga, devido ao grande conjugado de partida. Pode ser usado também em máquinas que necessitam de controle de rotação, pois, conforme se retira ou insere resistência ao rotor, sua velocidade varia. Nesta situação deve-se compensar a carga no motor para evitar o sobreaquecimento, já que a auto-refrigeração (ventoinha) diminui.

O valor das resistências de partida, bem como suas potências, devem ser dimensionados especificamente para cada motor conforme as necessidades de torque na partida. Na placa de identificação pode-se ver a tensão e a corrente do rotor, valores que servirão de bases para cálculos.

O comando dos circuitos para a instalação desses motores deve ser projetado para que o motor não dê partida se as resistências não estiverem na posição exata (máxima resistência), para evitar o uso incorreto.

Estes motores são mais caros que os de rotor em curto, e exigem maiores cuidados de manutenção. Os inversores de freqüência e os soft-starters têm tomado o mercado deles.

T

R

S

1 4 2 5

3

6

220V triângulo (∆)

T R

S

1

4 3

6 2

5

380 V

220V

estrela (Y)

3 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS E MECÂNICAS DOS MOTORES

TRIFÁSICOS

Um motor elétrico é acompanhado de uma placa de identificação onde são informados suas principais características. Outras precisam ser obtidas com o fabricante através de catálogos ou consultas diretas. Destacam-se nas características dos motores elétricos trifásicos:

3.1 TENSÃO DE FUNCIONAMENTO

A grande maioria dos motores elétricos são fornecidos com os terminais religáveis, de modo que possam funcionar ao menos em dois tipos de tensões.

No presente capítulo descrevem-se os principais tipos de religações.

3.1.1 Ligação estrela-triângulo

Este tipo de ligação exige seis terminais do motor, e serve para quaisquer tensões nominais duplas, desde que a segunda seja igual à primeira multiplicada por 3.

(Exemplos: 220/380 V - 380/660 V - 440/760 V)

Nota: Uma tensão acima de 600 V não é considerada baixa tensão; está na faixa de alta tensão, onde as normas são outras. Nos exemplos 380/660 V e 440/760 V a tensão maior declarada serve somente para indicar que o motor pode ser ligado em estrela-triângulo, pois não existem linhas nesses valores.

Figura 10 – Bobinas e ligações de um motor trifásico de seis terminais

1 2 3

4 5 6 Motor seis terminais

3.1.2 Ligação série-paralelo

Este tipo de ligação exige nove terminais no motor, e é usado com tensões nominais duplas, sendo a segunda o dobro da primeira.

Existem basicamente dois tipos de religações para estes motores: estrela / duplo- estrela e triângulo / duplo-triângulo.

Figura 11 – Bobinas e ligações de um motor trifásico de nove terminais

Os motores de doze terminais não possuem ligações internas entre bobinas, o que possibilita os quatro tipos de religação externamente no motor. As possíveis são 220, 380, 440 e 760V (somente para partida).

Figura 12 – Bobinas e ligações de um motor trifásico de doze terminais

motor nove terminais (triângulo/duplo-triângulo)

(^1 2 )

4 5 6

9 7 8

1 2 3

4 5 6 7 8 9

motor nove terminais (estrela/ duplo estrela )

T 3 8 5 2 S

(^47)

1

6

9

R

220V 220V 440 V triângulo (∆)

(^2) S T 3

1 9

R

7

5 8

4 6

220 V duplo-triângulo (∆∆ )

7 8

9

4 5

6 3

R (^1 2) S

T

220 V

220 V

760 V

estrela (Y)

1 4

7

3

65

2

8

9

R (^) S

T

220 V

380 V

duplo-estrela (Y )Y

220 ∆∆ 1 2 3 6 4 5 7 8 9 12 10 11 R S T

380 YYY

1 2 3 7 8 9

10 11 12

R S T

440 ∆

1 2 3

7 8 9

4 5 6

12 10 11 R S T

(760 Y)*

1 2 3

7 8 9

10 11 12

4 5 6

R S T

4 5 6 4 5 6 7 8 9

1 2 3

10 11 12 motor 12 terminais (quatro tensões)

(*) somente na partida