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Circuito Elétrico
O circuito elétrico mais simples é composto por um gerador (ou fonte), por um receptor (ou carga do circuito) e pelos condutores que os interligam.
Funcionamento do Gerador
O gerador elétrico recebe energia externa (mecânica, química ou luminosa) e energiza eletricamente as cargas de seu interior à medida que as força a se deslocarem todas em direção a um de seus terminais (ou pólos do gerador). Tal movimento continua até o limite da capacidade de energizaçaõ do gerador, quando então o movimento cessa. Um dos terminais fica então eletricamente energizado em relação ao outro terminal. A energia entregue à cada unidade de carga eletrica (joule por coulomb) é medida em volt – V - e é chamada de tensão ou voltagem – simbolizada por E (para os geradores ) e U (para os
circuitos).Às vezes a tensão é simbolizada por V. A tensão é também denominadadiferença de potencial
elétrico – ddp -
Se um circuito elétrico externo interliga os terminais do gerador, a energia das cargas elétricas dos terminais do gerador se propaga para as cargas elétricas desse circuito que, energizadas, pôe-se em movimento através do circuito. Pelo fato de colocar as cargas em movimento a tensão do
gerador é chamada tambémforça eletromotriz ( fem ).
Corrente elétrica
À medida que se movem, as cargas transferem ao circuito receptor a energia que receberam no gerador. No receptor essa energia é transformada em outra forma de energia.
O citado movimento é a corrente elétrica, e sua intensidade, também chamadaamperagem
(quantidade de cargas que passam por segundo; coulombs por segundo) –simbolizada por I -, é medida em ampère - A -.
A movimentação das cargas é tantomaior quanto mais energia recebem. Ou seja quanto
maior for a tensão aplicada maior é a corrente. A constituição física do circuito de corrente facilita ou dificulta o movimento das cargas. Se os elétrons de valência dos átomos que compôem o circuito estão muito presos ao átomos então o circuito apresenta grande dificuldade à movimentação das cargas. Quanto maior for a quantidade de energia necessária para por em movimento as cargas elétricas do circuito, maior é a chamada resistência elétrica de tal circuito.
A movimentação das cargas é portanto menor, quanto maior for a dificuldade ou
resistência – R - imposta pelo circuito à passagem das cargas. Para se conseguir a movimentação das cargas é necessária diferença de potencial de valor tanto maior quanto maior for a movimentação desejada e também quanto maior for a resistência do circuito: U=RI
Tal equação denomina-se lei de Ohm. A razão entre tensão e corrente tem como unidade o ohm – Ω -
A equação mostrada pode é claro ser reescrita :
I=V / R Ou^ R=V^ / I
A energia elétrica no receptor pode ser calculada por:
onde E é a energia em joules (^) E=VxIxt V a tensão em volts I a corrente em ampères t o tempo em segundos. R é a resistência em ohms, Ω.
Potência Elétrica
A velocidade de transferência ou conversão da energia elétrica por unidade de tempo, - a energia por segundo - é denominada potência elétrica A potência elétrica – P - é medida em watts - W - e pode ser calculada pelo produto da tensão (V) pela corrente (I).
Obs.: Tal fórmula é válida para circuitos onde as variações da tensão provocam proporcionais e simultânea variação da corrente. Alguns circuitos chamados reativos não apresentam tal simultaneidade e para tais circuitos a fórmula acima não pode ser aplicada.
P=VxI
Cada receptor tem a função de converter a energia elétrica em um determinado tipo de energia. Por exemplo:
motor elétrico -> mecânica lâmpada -> luminosa bateria em recarga -> química resistores -> térmica
Como não se podem construir condutores práticos commateriais supercondutores
(resistência zero) já que isso além de caro necessita de temperatura muito baixa menor que 150 graus celcius negativos, todos os circuitos elétricos apresentam resistência não só no receptor (seria o ideal) como também nos condutores e até no gerador. As cargas perdem energia para transpor a resistência do circuito. Essa energia é convertida em energia térmica, que produz aquecimento. O efeito de aquecimento produzido pela passagem da corrente na resistência se chama efeito joule.
Dimensionamento de condutores
O dimensionamento do condutor que servirá a uma instalação deve em primeiro lugar levar em consideração a corrente que deve conduzir; em segundo lugar a queda de tensão admissível no circuito.
Os fabricantes de condutores fornecem tabelas com os condutores fabricados identificados pelas suas bitolas e capacidades correspondentes
em ampères, também chamadaampacidade.
♦ Pela capacidade de corrente basta procurar na tabela qual bitola suporta a corrente da carga. A tabela a baixo mostra a capacidade de corrente de fios Pirelli de cobre isolados com pvc, quando instalados unidos e à temperatura ambiente de 50^0 C. Outras condições determinam outros valores de capacidade que devem ser procuradas nas tabelas dos fabricantes.
Capacidade de corrente Ampères Secção nominal mm^2
2 condutores carregados
3 condutores carregados 1.0 13.5 12 1,5 17,5 15. 2.5 24 21 4 32 28 6 41 36 10 57 50 16 76 68 25 101 89 35 125 111 50 151 134 70 192 171 95 232 207 120 269 239 150 309 272 185 353 310 240 415 364 300 473 419 400 566 502 500 651 578
♦ Pela queda de tensão pode-se usar a fórmula a seguir, que fornece a bitola em função da queda de tensão, da corrente e da distância com fórmulas distintas, para sistema monofásico ou CC e para o sistema trifásico:
Para sistema monofásico ou CC:
2 x Ix L
S= 56 x u
Onde S é a bitola em mm^2 I a corrente em ampères u=queda de tensão absoluta em volts
L= distância ao gerador em metros
Para sistema trifásico:
√3x Ix L
56 xu
S=
Deverá ser escolhida a maior entre as bitolas conseguidas por cada método (ampacidade e queda de tensão).
Ex.1: Deseja-se alimentar um circuito de iluminação ( monofásico) de 6kW (potência elétrica), tensão de 220V, fator de potência 0,8, que se encontra a 200m do gerador. Qual deve ser o condutor para essa função? Considere uma queda admissível de 3%.
R: A corrente no sistema monofásico é calculada por:
Onde
P
Vxηx c osϕ
I=
I é a corrente em ampéres
P é a potência em watts
6000^ V^ a tensão em volts
I= 220x0,8 =34,09A η o rendimento e
cos ϕ é o fator de potência
♦ Pelo critério da capacidade de corrente, usando a tabela, o condutor deve ser o de 6mm^2
♦ Pelo critério de queda de tensão tem-se:
2x34,09x
56x220x0,
S= =36,9mm 2
O condutor deve ser então o de 50mm^2. Aceitando-se uma queda de tensão um pouco maior poderia ser usado nesse caso o condutor de 35mm^2 , que está muito próximo do valor calculado.
♦ Pelo critério da capacidade de corrente, usando a tabela, o condutor deve ser o de 70mm^2.
♦ Pela queda de tensão:
√3x133.8x
56x440x0,
S=
=15,05mm 2
O condutor escolhido deve ser então o de 70mm^2
Exercício
- Um motor trifásico é instalado a 45m do gerador, e admite-se uma queda de 4% nos condutores de sua instalação.
Na placa do motor encontram-se Pn=50cv; Vn=440/760; η=0,9; cosφ=0,
Dimensione os condutores.
- Na placa de um motor trifásico encontram-se os seguintes dados: Pn=20cv; Vn=220/380; η=0,9; cosφ=0,85.
Dimensione os condutores para a instalação do motor a 120m do gerador, admitida queda de tensão de 6%
Diagramas esquemáticos
Nos diagramas a seguir vêm-se circuitos simples, onde o gerador está identificado por G, o receptor por R e os condutores são as linhas que os interligam. A maioria dos circuitos reais não se resume apenas nos componentes do diagrama 1, pois há a necessidade de se dispor de um dispositivo para ligar e desligar o circuito, e isso é conseguido pela adição de uma chave (contato elétrico) em série com o receptor, como se vê no diagrama 2. A chave está identificada por S Valores excessivos de corrente provocam aquecimento também excessivo, que pode determinar a destruição tanto do gerador quanto do receptor e condutores. Por isso, para evitar que a corrente atinja valores excessivos, coloca-se, também em série, um elemento que interrompa rápida e automaticamente a corrente caso esta ultrapasse muito o valor estimado como normal para o circuito. O elemento mais simples para esta função é o fusível e é representado no circuito 3 e identificado por (F).
Diagrama 1 Diagrama 2 Diagrama 3
G R
S
G R
S
F
G R
A utilização de chaves e outros dispositivos que permitem ligar e desligar cargas elétricas, nos momentos adequados para que essas cargas desempenhem suas funções se denomina comando elétrico.
Além de poder ligar e desligar, é de suma importância proteger e sinalizar o estado de funcionamento das cargas.
Os principais dispositivos utilizados no comando, proteção e sinalização elétricos são vistos a seguir.
M
F1 F2 F
C
R
RAMAL DISTRIBUIDOR
M
FUSÍVEIS
CHAVE
MOTOR
RELÉ TÉRMICO
DISPOSITIVOS DE COMANDO, PROTEÇÃO E SINALIZAÇÃO
Comando
Chave : É também denominado contato. Tem a função de conectar e desconectar dois pontos
de um circuito elétrico. A chave tem dois terminais: um deve ser ligado à fonte (ou gerador) e outro ligado à carga (ou receptor). É feita de metal de baixa resistência elétrica para não atrapalhar a passagem de corrente e alta resistência mecânica, de modo a poder ligar e desligar muitos milhares de vezes. A
estrutura metálica tem área de secção transversal proporcional à corrente que comandam: quanto
maior for a corrente que se deseja comandar, maiores são as superfícies de contato e maior a
chave. O valor de corrente a ser comandada também influencia na pressão de contato entre as partes
móveis do contato: maiores correntes exigem maiores pressões de contato para garantir que a
resistência no ponto de contato seja a menor possível. A separação dos contatos na condição de desligamento deve ser tanto maior quanto maior for a tensão para a qual o contato foi produzido. A velocidade de ligação ou desligamento deve ser a mais alta possível, para evitar o desgaste provocado pelo calor proveniente do arco voltáico, provocado no desligamento quando a carga for indutiva. O contato pode ser do tipo com trava (por exemplo, o tipo alavanca usado nos interruptores de iluminação) e também pode ser do tipo de impulso, com uma posição normal mantida por mola e uma posição contrária mantida apenas enquanto durar o impulso de atuação do contato. Nesse caso se chama fechador ou abridor conforme a posição mantida pela mola.
Fechador : Também chamado ligador, é mantido aberto por ação de uma mola e se fecha
enquanto acionado. Como a mola o mantém aberto é ainda denominado normalmente aberto (ou NA ou
do inglês NO). Abridor ou ligador: é mantido fechado por ação de uma mola e se abre enquanto acionado.
Como a mola o mantém fechado, é chamado também de normalmente fechado (ou NF, ou do inglês NC).
símbolos NA NF
O contato pode ter diversos tipos de acionamento, como por exemplo, por botão, por pedal, por alavanca, por chave (chave de tranca), por rolete por gatilho, ou ainda por ação do campo magnético de uma bobina (eletroímã), formando neste último caso um conjunto denominado contator magnético ou chave magnética.
Chave magnética ou contator magnético
É formada basicamente por um eletroímã e um conjunto de chaves operado pelo fluxo magnético do eletroímã quando energizado.
A seguir vê-se o símbolo de uma chave magnética com a identificação típica das chaves: os terminais do eletroímã são identificados por letras, em geral a1 e a2 ou a e b, e os terminais das chaves são identificados com numeração.
O número de chaves do contator é bem variado dependendo do tipo. De acordo com o fim a que se destinam, as chaves do contator recebem denominações específicas:
Chaves principais: São mais robustas e destinam-se a comandar altos valores de corrente típicos de motores e outras cargas. São sempre do tipo NA. Sua identificação se faz com números unitários de 1 as 6. Chaves auxiliares: Bem menos robustas, se prestam a comandar as baixas correntes de funcionamento dos eletroímãs (bobinas) de outras chaves magnéticas, lâmpadas de sinalização ou alarmes sonoros. As chaves auxiliares podem ser do tipo NA ou NF. A identificação das auxiliares se faz com dezenas de final 3 e 4 para as NA e com 1 e 2 para as dotipo NF. Essas numerações podem aparecer identificando terminais de contatos mesmo que não sejam operados por chave magnética e sim por botão ou rolete por exemplo.
b
a 13
O eletroímã (formado por bobina e entreferro) da chave magnética deve ser ligado à tensão nominal e obedecendo ao tipo: CA ou CC.
Um eletroímã feito para operar em CC, se for ligado em CA de valor suficiente para acioná-lo ficará superaquecido no entreferro por causa do alto valor da corrente de Foucaut induzida no entreferro. No caso do eletroímã de CA, o entreferro é laminado para evitar essas correntes e no de CC o entreferro é maciço. Um eletroímã de CA, caso seja ligado em CC (com mesmo valor de tensão de CA) ficará superaquecido no eletroímã pela alta corrente, já que em CC só haverá resistência enquanto em CA há resistência e reatância indutiva. O eletroímã alimentado por CC gera alto valor de tensão de auto-indução e isso provoca suavidade na ligação e um arco voltáico na chave que o comanda, durante o desligamento, bem maior que em CA. Este arco no desligamento exige alguns cuidados para diminuir os seus efeitos destrutivos.
Contator de potência e contator auxiliar
Alguns contatores magnéticos são construídos apenas com contatos de alta potência, quando então se denominam chaves (ou contatores) de potência. Há também contatores magnéticos que só possuem chaves auxiliares sendo por isso chamados de contatores (ou chaves) auxiliares.
O contator tem diversas aplicações, entre elas :
- Inversão de lógica: usa-se uma chave ou contato NF acionado pelo contator para acionar uma carga e isso provoca uma inversão na lógica de funcionamento da chave ou contato que comanda o eletroímã do contator.
No exemplo, a chave 1 é NA, porém a carga será acionada (pela chave 41-42) como se a chave S1 fosse NF pois sempre que a mesma estiver em repouso a carga estará acionada e quando a chave S estiver acionada a carga estará desligada.
Caso a chave 1 fosse NF a carga ficaria acionada como se a chave fosse NA, ligando-se e desligando-se juntamente com a mesma.
b
a
127V CA^42
S1 carga
- Memorização de acionamento: Através de uma das chaves (então chamada chave ou contato de selo ou de auto-retenção-) pode-se manter o contator acionado após um acionamento momentâneo da chave que o acionou.
Após se acionar a chave S1 as cargas ficarão acionadas como se a chave se mantivesse acionada pois o contato 13-14 manterá o contator acionado mesmo após a abertura da chave 1, até que a alimentação do contator seja desfeita, o que pode ser fieto pela abertura de um contato NF, inserido em série com o eletroímã, como o S2 no diagrama visto a seguir. O botão 1 aciona o contator que se mantem por selo. O botão 2 desliga o contator.
b
a 13
127V CA
S
b
a
127V CA
S1 cargas
S2 K
K 1
Associações de chaves
Série
Associadas em série entre si as chaves só permitem o acionamento da carga ligada a elas (em
série, é claro) se todas estiverem fechadas. Uma chave ligada em série com outras garante através
de sua abertura o desligamento da carga.
”A carga só se ligará se todas as chaves estiverem fechadas” , executando uma lógica
chamadalógica E.
G
R
S
S
Paralelo
Associadas em paralelo entre si as chaves acionam a carga (ligada a elas em série é claro),
desde que pelo menos uma chave esteja fechada. Uma chave ligada em paralelo com outras garante
através de seu fechamento a ligação da carga.
”A carga só se desligará se todas as chaves estiverem abertas” , executando uma lógica
chamadalógica OU.
G
R
S1 S
Proteção
Os dispositivos de proteção objetivam proteger os equipamentos e condutores de uma instalação dos danos de uma corrente de alto valor e de grande duração.
Fusíveis
Símbolos
Os fusíveis são dispositivos de proteção contra curto-circuito (e contra sobre-carga caso não seja usado relé para este fim) de utilização única: após sua atuação devem ser descartados.
São compostos por: elemento fusível, corpo, terminais e dispositivo de indicação da atuação do fusível.
- Elemento fusível: é um fio ou fita de metal com constituição e dimensões calculadas para entrar em fusão (daí o nome fusível) quando atravessado por corrente elétrica de determinado valor.
- Corpo: São feitos de material isolante (porcelana no caso dos industriais, mas existem também de papelão de vidro e de plástico). Serve para sustentar o elemento fusível e os terminais. No corpo há a indicação de sua corrente de atuação da tensão em que pode funcionar e do seu tipo se rápido ou retardado. Dentro do corpo dos fusíveis usados em instalações industriais existe uma espécie de areia que tem por função extinguir a chama proveniente da fusão do elemento fusível.
- Terminais: São feitos de metal com robustez bastante para que não sofrer com a corrente que flui pelo fusível. Fazem o contato do elemento fusível com o porta fusível. O porta fusível é um compartimento que fica fixo no circuito e serve de encaixe para o fusível.
- A indicação pode ser feita pela transparência do corpo, que permite ao operador ver o elemento partido, ou por um pequeno botão (em geral vermelho) que se solta do corpo em caso de atuação.
Os fusíveis de acordo com seu formato e forma de conexão podem ser :
NH - Usados em circuito de alta potência e conectados por encaixe, com ferramenta própria (punho) para proteção do operador;
Diazed - Usados em circuitos baixa potência e conectados através do porta-fusível que se monta por rosca. O próprio suporte do fusível protege o operador contra choque elétrico.
Neozed – muito parecido com o diazed, só que menor, esse fusível é usado para a proteção de circuitos de comando.
Velocidade
O fusível interrompe o circuito quando houver correntes maiores que 160% da sua corrente nominal. O tempo de atuação diminui a medida em que aumenta o valor relativo da sobrecarga. Assim uma sobrecarga de 190% da corrente nominal será interrompida mais rapidamente que uma de 170%.
Correntes de até 120% do valor nominal não atuam o fusível.
A velocidade de ação dos fusíveis varia conforme sua aplicação:
- Rápidos : Estes tipos são os que têm atuação mais rápida..
- Retardados : Fusíveis para circuitos de motores elétricos e de capacitores normalmente são mais lentos pois há a necessidade de não se romper durante os picos de corrente existente durante alguns instantes após sua ligação. Na partida dos motores há corrente de até oito vezes o valor nominal, porém caso a corrente seja muito maior que oito vezes a normal o fusível passa a agir tão rápido quanto um de ação rápida.
A escolha do fusível se faz pela corrente, pela tensão e pelo tipo de circuito (se sujeito a grandes variações de corrente, ou não).
