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INSTALAÇÕES ELÉTRICAS INDUSTRIAIS AULA 1 Prof. Juliano de Mello Pedroso 2 CONVERSA INICIAL A corrente elétrica é muito importante no processo produtivo das indústrias. Podemos separá-la em dois tipos básicos: a corrente elétrica contínua, que não altera seu valor ao longo do tempo, e a corrente elétrica alternada, que altera seu valor ao longo do tempo baseada em uma frequência específica. A maior parte do conteúdo desta disciplina é dedicada ao estudo da corrente elétrica alternada. Esse tipo de energia é usado na indústria por conta da facilidade de se transportá-la até o consumidor. O Brasil tem por característica a geração dessa energia por fontes hídricas, que são abundantes na maior parte do país, porém atualmente também se deve estudar e implantar novas fontes energéticas, pois ao longo do tempo a energia tem se tornado cada vez mais escassa. Por essa razão, é papel do engenheiro e da sociedade, em conjunto, achar formas de gerar energias alternativas e renováveis. Entretanto, no início dessa disciplina abordaremos apenas os efeitos da energia, sem levar em consideração como é gerada. Nesta primeira aula falaremos sobre os seguintes assuntos: grandezas senoidais, magnetismo, transformador, indutor e indutância e circuito em C.A. com indutância pura. Bom estudo! TEMA 1 – GRANDEZAS SENOIDAIS Ao contrário da corrente elétrica contínua, que tem a mesma intensidade ao longo do tempo, a corrente alternada tem uma componente diferente, que é a frequência. A corrente elétrica alternada é caracterizada pela alternância de intensidade e determinada frequência. Na prática devemos conhecer alguns tipos de correntes alternada, quais sejam: 3 Figura 1 – Tipos de corrente alternada: (a) forma de onda senoidal; (b) forma de onda quadrada; (c) forma de onda triangular. A corrente alternada senoidal é uma das mais importantes e por isso é a corrente que mais trataremos nesse momento. Iremos considerar uma circunferência de raio Vm e um vetor OA, que gira com rotação constante no sentido anti-horário. A ponta do vetor descreve uma circunferência, e o ângulo formado entre o eixo horizontal e a direção do vetor, α, varia com o tempo, como descrito na Figura 2. Figura 2 – Circunferência de raio Vm O ângulo por unidade de tempo da velocidade angular ou frequência angular, é representado pela letra grega ômega (ω). ω = α t Sendo α expresso em radianos (rad), t em segundos (s), teremos como resultado ω em radianos por segundo (rad/s). Uma volta completa é 2π rad ou 360°. O tempo que o vetor OA leva para completar uma volta é chamado de período (T), logo podemos considerar a seguinte equação: 𝜔 = 2𝜋 𝑇 4 O número de voltas, a que chamaremos de ciclos, completados por segundo serão nomeados como frequência (f), e é expresso em ciclos por segundo ou Hertz (Hz). 1 ciclo/s = 1hz A relação da frequência com o período nos dá a seguinte fórmula: 𝑓 = 1 𝑇 Então podemos descrever a velocidade angular pela seguinte fórmula se considerarmos a frequência: 𝜔 = 2𝜋 . 𝑓 Agora que conhecemos as grandezas básicas, poderemos analisar outras variáveis: tomamos como b sendo a projeção do vetor OA no eixo vertical; então, pelas regras da trigonometria, teremos: b = Vm . senα = Vm . senωt = Vm . sen2π.f.t Podemos verificar que a projeção de OA no eixo vertical, b, segue a lei senoidal: α = 0° → b = Vm . sen0° = 0 α = 90° → b = Vm . sen90° = Vm α = 180° → b = Vm . sen180° = 0 α = 270° → b = Vm . sen270° = -Vm α = 360° → b = Vm . sen360° = 0 Podemos analisar também de modo gráfico na Figura 3: Figura 3 – Representação gráfica senoidal Fasor é o nome dado a um vetor que gira. Na Figura 2, OA é um fasor, pois gira com velocidade angular ω. Um fasor pode ser usado para representar 5 uma grandeza senoidal. Na Figura 4, quando o ângulo α varia, a projeção do vetor OA no eixo vertical, mostrará uma sucessão de valores instantâneos da grandeza senoidal. O lado esquerdo da Figura 4 é nomeado de diagrama fasorial, e o outro lado é a onda senoidal correspondente. Figura 4 – Diagrama fasorial e onda senoidal correspondente Pode-se usar o diagrama fasorial no lugar das equações apresentando uma resposta gráfica em vez de uma equação matemática. Nota-se que no instante t=0 há uma formação de um ângulo Φ com o eixo horizontal, o valor instantâneo da grandeza será dado por: b = Vm . sen (ωt + Φ) O ângulo ϕ (letra grega fi) é chamado de ângulo de fase inicial. O diagrama fasorial correspondente e a sua forma de onda estão indicados na Figura 5. Figura 5 – Diagrama fasorial Foi tomado como base dois vetores de amplitudes Vm1 e Vm2 com a mesma fase. O diagrama fasorial e as formas de onda estão indicadas na Figura 6. 6 Figura 6 – Diagrama fasorial combinado As equações das duas grandezas senoidais são: b1 = Vm1 . sen ωt b2 = Vm2 . sen ωt Na Figura 6, os dois vetores estão em fase. Se os dois vetores estiverem defasados de um ângulo ϕ, as suas formas de onda também estarão defasadas do mesmo ângulo ϕ. Na Figura 7 as duas formas de onda estão defasadas em 90°, sendo que b1 está adiantada em relação a b2. Figura 7 – Defasagem entre b1 e b2 de 90° (quadratura) As equações das duas grandezas são: b1 = Vm1 . sen ωt b2 = Vm2 . (sen ωt –π/2) O ângulo de fase inicial de b2 é –π/2. Os cálculos em circuitos C.A. às vezes envolvem somas e subtrações de grandezas senoidais (tensões e correntes). 7 Podem-se considerar duas grandezas senoidais cujas equações são: b1 = Vm1 . sen ( ωt + ϕ 1 ) b2 = Vm2 . sen ( ωt + ϕ 2 ) A sua soma será: b = b1 + b2 = Vm1 . sen ( ωt + ϕ 1 ) + Vm2 . sen ( ωt + ϕ 2 ) Para se obter a soma pode-se usar certas propriedades da trigonometria, mas em vez disso é possível utilizar o diagrama fasorial descrito na Figura 8. Figura 8 – Diagrama fasorial Usando as regras para adição de vetores, obtemos o vetor resultante, que terá amplitude Vm e fase ϕ. Da Figura 8 do gráfico da esquerda tiramos: X1 = Vm1 . cos ϕ1 Y1 = Vm1 . sen ϕ1 X2 = Vm2 . cos ϕ2 Y2 = Vm2 . sen ϕ2 X = X1 + X2 Y = Y1 + Y2 𝑉𝑚2 = 𝑋2 + 𝑌2 ou 𝑉𝑚 = √𝑋2 + 𝑌2 𝑡𝑔∅ = 𝑌 𝑋 1.1 Valor eficaz Tomamos como base o circuito da Figura 9, a tensão aplicada é a senoidal. V = Vm. Senωt 8 Pela 1ª Lei de Ohm o valor instantâneo da corrente será: 𝑖 = 𝑣 𝑅 = 𝑉𝑚. 𝑠𝑒𝑛𝜔𝑡 𝑅 = 𝐼𝑚. 𝑠𝑒𝑛𝜔𝑡 Em que 𝐼𝑚 = 𝑉𝑚 𝑅 Figura 9 – Circuito com resistor A potência instantânea entregue à carga será dada por: p = v . i A Figura 10 mostra os gráficos de v, i e p. Pode-se notar que a potência é uma grandeza pulsante e positiva (o sentido da energia é do gerador para a carga). Figura 10 – v, i, p Define-se valor eficaz de uma tensão alternada ao valor de uma tensão contínua que produz a mesma dissipação de potência da tensão alternada em questão num mesmo resistor. 9 Figura 11 – Interpretação da tensão eficaz Na Figura 11, a dissipação de potência é a mesma nos dois casos, logo dizemos que o valor da tensão contínua, na Figura 11b, é igual ao valor eficaz da tensão alternada na Figura 11a. No caso de uma tensão alternada senoidal usa-se: 𝑉𝐸𝐹 = 𝑉𝑚 √2 ou 𝑉𝐸𝐹 = 0,707. 𝑉𝑀 É claro que o mesmo vale para a corrente. No caso de um circuito puramente resistivo, a potência dissipada pode ser calculada pelas mesmas equações já vistas em circuitos C.C., somente lembrando que os valores de tensão e corrente são eficazes. Em uma grandeza senoidal, a quantidade Vm é chamada de valor de pico, portanto 2Vm é chamado de pico-a-pico (Vpp) como descrito na Figura 12. Figura 12 – Valor pico-a-picoDa Figura 13 observa-se que a tensão e a corrente estão em fase, logo o diagrama fasorial correspondente será: 10 Figura 13 – Diagrama fasorial Os comprimentos dos vetores representam os valores eficazes da tensão e corrente ou valores de pico. TEMA 2 – MAGNETISMO Os fenômenos magnéticos que ocorrem num ímã são estudados por uma área especifica chamada magnetismo, a qual é de suma importância ao estudo dos circuitos elétricos em corrente alternada. A primeira premissa que devemos analisar quando estamos falando de magnetismo é o significado de campo magnético. Sua definição se dá por ser uma região próxima a um material ferromagnético ou um ímã propriamente dito, no qual existe uma influência da forma magnética. Um ímã de proveniência natural é composto por minérios e substâncias com propriedades magnéticas, ou seja, tem um campo magnético ao seu redor, como o diagrama descrito na Figura 14. Os ímãs apresentam polaridades norte e sul, as quais, quando iguais, têm a tendência de se repelir; quando opostas, se atraem. Figura 14 – Campo magnético de um ímã Fontes: <http://www.ece.neu.edu/fac-ece/nian/mom/work.html>; <https://quizizz.com/admin/quiz/570fc33ac93ee0d6555824af>. 11 Os polos de um ímã são inseparáveis. Se um ímã for partido, serão obtidos dois novos ímãs, cada um com ambas as polaridades. Assim como o campo gravitacional é caracterizado em cada ponto pelo vetor aceleração da gravidade (g), o campo magnético é caracterizado em cada ponto pelo vetor indução magnética. As linhas de campo – ou linhas de indução, além de permitir ver a forma do campo, também dá a ideia de intensidade. Quanto maior o número de linhas por unidade de volume, mais intenso é o campo. Temos outras premissas para representar o campo magnético por meio de suas linhas de campo. As linhas do campo magnético deixam norte e entram no polo sul; Duas linhas de campo magnético não podem se cruzar; As linhas de campo formam um ângulo reto com a superfície do ímã. Na Figura 15, há exemplos de ímã e a forma de seu campo magnético. Figura 15 – Exemplos de ímãs Fonte: <https://es.slideshare.net/nicolealchipi/electronegatividad-14857761>. As linhas de campo podem ser visualizadas na prática se colocarmos limalha de ferro ao redor do ímã. As limalhas de ferro tenderão a se orientar ao longo das linhas de campo 2.1 Eletroímã Um eletroímã é uma bobina enrolada num núcleo de “ferro doce”, ou seja, ferro com alto teor de pureza, pois isto aumenta a intensidade do campo. Quando fazemos passar uma corrente por esse metal, o ferro se imanta. Cessada a corrente, cessa a imantação. 12 Figura 16 – Ímã e eletroímã Um exemplo da aplicação de um eletroímã é a construção de um guindaste eletromagnético, como demonstrado na Figura 17. Figura 17 – Eletroímã Fonte: <http://www.solucoesindustriais.com.br/empresa/metais-e-artefatos/imatec-produtos- magneticos-ltda-epp/produtos/servicos/manutencao-em-eletroimas-servicos-de>. TEMA 3 – TRANSFORMADOR O transformador é um componente elétrico que modifica a corrente elétrica alternada (quando em corrente contínua ele tem outros comportamentos). Com esse componente podemos aumentar, diminuir ou isolar a corrente elétrica alternada. Figura 18 – Transformador ou trafo Fonte: <http://www.multipecastec.com.br/loja/produto/trafo-12v-800s-hayama>. 13 Um transformador típico – ou trafo, como é comumente chamado – é constituído por dois enrolamentos elétricos isolados, fabricados em um mesmo núcleo ferroso (com a utilidade de concentrar as linhas do campo magnético). Figura 19 – Funcionamento do transformador Fonte: <https://www4.frba.utn.edu.ar/html/Electrica/archivos/electrotecnica_y_maquinas_electri cas/apuntes/7_transformador.pdf>. O primeiro enrolamento – cuja função é receber a corrente elétrica – recebe o nome de primário, e o subsequente recebe o nome de secundário, que é a bobina que fornece a corrente elétrica alterada. A corrente alternada, passando no primário, origina um fluxo magnético alternado no núcleo de ferro. Este fluxo variável atravessa o secundário, induzindo uma tensão alternada no secundário, conforme Figura 19. Os transformadores podem ser classificados em: Monofásicos: operam em uma ou duas fases, trabalhando com tensões típicas de 127V ou 220V Trifásicos: operam com três fases, com tensões de trabalho na ordem de 220V, 380V e 440V. Normalmente não transformam (elevam e diminuem) corrente contínua, pois não têm movimentação no campo elétrico e seu núcleo usa chapas de aço-silício para diminuir a perda por correntes de Foucault (também chamadas de correntes parasitas). 3.1 Exemplos de transformadores usuais O transformador que está localizado no poste em frente à sua casa ou em frente à indústria onde você trabalha é demonstrado na Figura 20. Suas tensões típicas são de 13KV (13000V), diminuindo para a entrada típica de casas ou pequenas indústrias em 127 ou 220V (podendo ser 380V ou 440V). 14 Figura 20 – Transformador industrial Fonte: <http://www.mfrural.com.br/detalhe/transformador-eletrico-182023.aspx>. Outro exemplo que se pode configurar são os transformadores de pequenos circuitos eletrônicos dentro dos invólucros residenciais, como ocorre em aparelhos de televisão ou de rádio. Lembre-se de que U1 (Up) é a tensão no primário e U2 (Us) é tensão no secundário, assim como I1 é a corrente no primário (Ip) e I2 é a corrente no secundário (IS). Em um transformador ideal, vale a relação: Ps = Pp (Potência no primário é igual a potência no secundário) Ps = Us . Is = Potência do secundário Pp = Up . Ip = Potência do primário A tensão de entrada e de saída são proporcionais ao número de espiras em cada bobina, sendo: 𝑈𝑃 𝑈𝑆 = 𝑁𝑃 𝑁𝑆 Em que: é a tensão no primário; é a tensão no secundário; é o número de espiras do primário; é o número de espiras do secundário. Tendo como base essas fórmulas, é possível chegar também à conclusão de que em caso de se ter um transformador com N1 > N2, haverá um transformador abaixador de tensão, e se houver N1 < N2 haverá um transformador elevador de tensão. 15 Por esta proporcionalidade concluímos que um transformador reduz a tensão se o número de espiras do secundário for menor que o número de espiras do primário e vice-versa. TEMA 4 – INDUTOR E INDUTÂNCIA Normalmente um indutor é caracterizado por um enrolamento de fio em formato de hélice normalmente fixado a um núcleo, o qual pode ser ar ou outro material que induza um campo eletromagnético. A Figura 21 a seguir mostra os tipos de simbologia de indutores: Figura 21 – Simbologia de indutores Com derivação – é um indutor que pode ser derivado, ou seja, do qual se pode tirar indutâncias intermediárias. Núcleo variável – Indutores desse tipo são usados quando se precisa alterar a indutância à medida que se altera a disposição física do núcleo do indutor em questão. Núcleo de ar – Usamos esse tipo de indutor em radiofrequências e quando o material ferro magnético do núcleo pode alterar as características do campo eletromagnético de forma a prejudicar a indutância requerida. Núcleo de ferrite – Coloca-se o ferrite para melhorar a coercividade, resistividade e a permeabilidade magnética. Núcleo de ferro – Este tipo de núcleo é utilizado quando se quer altas indutâncias sem que sejam usadas frequências altas. Quando a chave no circuito da Figura 22b é fechada, uma corrente elétrica começa a circular no circuito (I). Esta corrente origina um campo 16 magnético cujas linhas de campo cortam as espiras subsequentes, induzindo nelas uma força eletromotriz auto induzida. De acordo com a Lei de Lenz, esta tensão induzida deverá se opor à causa que a originou (variação de I). Como resultado destaoposição, temos que a corrente no circuito levará um certo tempo para atingir o seu valor de regime (imposto pelas resistências ôhmicas do circuito). Figura 22a e 22 b – Circuito com indutor Se após a corrente ter atingido o seu valor máximo (2A) abrirmos a chave, a corrente I tenderá a diminuir. A variação do campo magnético novamente induzirá uma força eletromotriz de autoindução (e) com polaridade tal que originará uma corrente I´ que tenderá a se opor à diminuição de I. Desta forma, se a chave foi aberta no instante t = t´, ainda haverá corrente por um certo tempo. Figura 23a e 23b – Abertura de chave de um circuito com indutância Pode se concluir que um indutor se opõe a uma variação de corrente. 17 Observe a polaridade da força eletromotriz induzida da Figura 23b. A tensão induzida se soma com a tensão da fonte, de forma que, entre os terminais da chave aberta, a tensão será E + e. Se a força eletromotriz for suficientemente alta, pode aparecer um arco entre os contatos da chave, o que será perigoso para o operador. Se, na Figura 22b, colocarmos um núcleo de ferro na bobina (observe que nesta Figura o símbolo é de indutor com núcleo de ar) e repetirmos a experiência, verificaremos que a oposição oferecida pelo indutor à variação de corrente será maior. O tempo para que a corrente atinja o seu valor de regime será maior. Figura 24 – Indutor com núcleo de ferro Quando colocamos um núcleo de ferro na bobina, nós alteramos a sua indutância (L); neste caso, foi aumentado. Toda bobina ou indutor possui indutância. A indutância só depende das dimensões da bobina (número de espiras, comprimentos, diâmetro do núcleo) e do material de que é feito o núcleo. A indutância de uma bobina é uma medida do quanto de energia pode ser armazenada em um campo magnético. A unidade de indutância é denominada henry (H). O indutor tem a finalidade de acumular a energia através do campo eletromagnético, e é usado em diversos circuitos eletrônicos – tanto digitais quanto analógicos. Na Figura 25 são demonstrados indutores diversos retirados de circuitos analógicos, como é o caso de uma fonte chaveada. 18 Figura 25 – Tipos de indutores Fonte: <https://en.wikipedia.org/wiki/Inductor>. 4.1 Associação de indutores Nesta seção abordaremos o processo de associações com indutores, pois temos que saber associá-los tanto em série como em paralelo, pois teremos sempre indutores comerciais para a resolução de circuitos elétricos. 4.1.1 Associação de indutores em série Observe a seguinte configuração de indutores, na qual um está ligado ao outro em série (vide Figura 26): Figura 26 – Indutores em série Vejamos como calcular a indutância equivalente de indutores em série: como o trecho é de apenas um fio (condutor), a tensão total desse trecho é a soma da tensão induzida em cada um dos indutores, quando uma corrente i(t) atravessa os indutores. Ou seja: 𝑉𝑒𝑞 = 𝑉1 + 𝑉2 + ⋯ + 𝑉𝑛 𝐿𝑒𝑞 = 𝐿1 + 𝐿2 + ⋯ + 𝐿𝑛 19 4.2 Associação de Indutores em paralelo Suponha que tenhamos n indutores em paralelo, isto é, estão ligados em um mesmo par de terminais, conforme mostrado na Figura 27: Figura 27 – Indutores em paralelo A corrente total é i, e se divide entre os n trechos do circuito, de modo que, pelo Teorema da Conservação das Cargas: 𝑖𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑖1 + 𝑖2 + ⋯ + 𝑖𝑛 Concluímos que podemos substituir a configuração de indutores em paralelo por apenas um indutor de indutância: 1 𝐿𝑒𝑞 = 1 𝐿1 + 1 𝐿2 + ⋯ + 1 𝐿𝑛 TEMA 5 – CIRCUITO EM CA COM INDUTÂNCIA PURA Como visto anteriormente, quando aplicamos uma tensão a uma bobina, a corrente levará um certo tempo até atingir o seu valor de regime. Existe, pois, uma defasagem entre a tensão aplicada e a corrente que percorre o indutor. No caso de a tensão aplicada ser senoidal, a corrente (também senoidal) estará 90° atrasada em relação à tensão. Como já vimos, um indutor oferece uma oposição a uma variação de corrente. A medida desta oposição é dada pela reatância indutiva (XL) do circuito. A reatância indutiva depende da indutância do indutor e da frequência da corrente, sendo dada pela fórmula: XL = ω . L = 2π . f . L Em que L = Indutância da bobina em Henry F = frequência da c.a. em Hz XL = reatância da bobina em Ω 20 Figura 28 – Defasagem da corrente sobre a tensão A primeira Lei de OHM é válida em um circuito C.A. Neste caso, a resistência elétrica é substituída pela reatância indutiva. 𝐼 = 𝑉𝑔 𝑋𝐿 Em um circuito puramente indutivo (sem resistências), não há dissipação de energia. Na Figura 29, está representado o gráfico da potência instantânea em função do tempo. Figura 29 – Potência instantânea P(t) = v(t) . i(t) P(t) = potência instantânea Durante o primeiro quarto de ciclo, o circuito absorve energia, a qual é usada para aumentar a energia do campo magnético (a potência é positiva, e a energia é representada pela área entre a curva p e o eixo t). No segundo quarto do ciclo, a corrente diminui. A força eletromotriz de autoindução tenderá a se opor a essa diminuição. 21 A bobina comporta-se como gerador, devolvendo a energia (que estava armazenada no campo magnético) ao circuito (agora a potência é negativa). A sequência se repete no segundo meio ciclo. Desta forma, a potência é continuamente trocada entre o campo magnético e o circuito, não havendo perdas. A mesma conclusão pode ser obtida a partir da fórmula: P = Vef . Ief . cos ϕ Em que: P = Potência real ou potência ativa Vef = Tensão eficaz do circuito Ief = Corrente eficaz do circuito A reatância indutiva é medida em ohms e pode ser expressa por uma oposição à passagem de corrente elétrica. Atente-se que a reatância indutiva é atrelada à frequência aplicada ao circuito elétrico em questão. Toda vez que o circuito muda ou alteramos a frequência a reatância indutiva também é alterada. Se usarmos uma frequência considerada infinita teremos também uma reatância com essa ordem. FINALIZANDO Nesta aula foram abordados conceitos iniciais sobre corrente elétrica alternada que são de extrema importância no processo produtivo da indústria. Vimos ainda definições de indutância e transformação de corrente elétrica alternada; estas são a base geral de motores e transformadores, e que são usadas em infinitas aplicações dentro da indústria fabril. Por meio desses conceitos e cálculos aplicados podemos construir um conhecimento da utilidade do indutor e as consequências que devemos combater em seu uso. Não esqueça de praticar com exercícios diversos. Bom estudo! 22 REFERÊNCIAS BOYLESTAD, R. Introdução à análise de circuitos. 12. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2012. BOYLESTAD, R.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11. ed. São Paulo: Pearson, 2013. MARIOTTO, P. Análise de circuitos elétricos. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2003. NILSSON, J; RIEDEL, S. Circuitos elétricos. 8. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2009. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS INDUSTRIAIS AULA 2 Prof. Juliano de Mello Pedroso 2 CONVERSA INICIAL Entender o comportamento dos indutores e capacitores como elementos essenciais da grande maioria dos circuitos elétricos e eletrônicos já nos possibilita uma grande base técnica para começarmos a calcular circuitos com esses elementos. Há vários exemplos práticos do uso de capacitores e indutores na vida prática de um engenheiro, mas antes é necessário saber a base teórica desses circuitos tão importantes na eletrônica analógica. Nesta aula abordaremos os seguintes temas: 1. Circuitos RL série e paralelo; 2. Fator de potência; 3. Capacitor e Capacitância; 4. Circuitos em C.A.com capacitância Pura 5. Circuitos RC Série e Paralelo. Bom estudo! TEMA 1 – CIRCUITOS RL SÉRIE E PARALELO Circuitos na prática possuem tanto resistência como indutância, o que significa que a corrente, ao percorrer um circuito encontrará dois tipos de oposição: a oferecida pela resistência, e a oposição da força eletromotriz de autoindução (reatância indutiva). Além do mais, em um circuito contendo resistência e indutância, a corrente continuará atrasada em relação à tensão, só que em um ângulo menor que 90° (não esqueça que a resistência tende a colocar VG em I em fase, enquanto a indutância tende a defasá-las de 90°). No circuito da Figura 1, a resistência R representa todas as resistências ao longo do caminho da corrente (inclusive a resistência ôhmica do fio da bobina). 3 Figuras 1a e 1b – circuito com indutor Na Figura 1b, diagrama fasorial, observe o atraso de 90° da corrente no indutor (que é a mesma na resistência) em relação à tensão (VL). Como a corrente na resistência está em fase com a tensão VR, as duas são representadas no mesmo eixo. Observe ainda na Figura 1b, que a obtenção da tensão do gerador é por soma vetorial. Do triângulo retângulo descrito na Figura 2, pode-se tirar: Figura 2 – triângulo retângulo de fasores VG2 = VR2 + VL2 OU 𝑉𝐺 = √𝑉𝑅2 + 𝑉𝐿2 Nessa relação que obtivemos, se dividirmos ambos os membros por I2 𝑉𝐺2 𝐼2 = 𝑉𝑅2 𝐼2 + 𝑉𝐿2 𝐼2 𝑜𝑢 ( 𝑉𝐺 𝐼 ) 2 = ( 𝑉𝑅 𝐼 ) 2 + ( 𝑉𝐿 𝐼 ) 2 Em que: 𝑉𝑅 𝐼 = 𝑅 = Resistência ôhmica do circuito 𝑉𝐿 𝐼 = 𝑋𝐿 = Reatância indutiva da bobina 𝑉𝐺 𝐼 = 𝑍 = Impedância do circuito 4 A impedância é o efeito combinado de uma resistência com uma indutância. Desta forma, pode-se escrever: 𝑍2 = 𝑅2 + 𝑋𝐿2 ou 𝑍 = √𝑅2 + 𝑋𝐿2 O mesmo resultado seria obtido se tivéssemos dividido cada lado do triângulo por I. Figura 3 – Triângulos dos fasores: (a) tensões; (b) divisão pela corrente (c) impedâncias O ângulo de defasagem entre VG e I, ϕ, pode ser calculado por: 𝑡𝑔 𝜙 = 𝑉𝐿 𝑉𝑅 = 𝑋𝐿 𝑅 ou cos 𝜙 = 𝑅 𝑍 Quando temos um circuito em paralelo por definição temos a mesma tensão em todos os componentes do circuito. Na Figura 4, temos: VR = VL = VG. Figura 4 – Circuito RL Paralelo 5 A partir desse circuito temos o diagrama fasorial correspondente a seguir, descrito na Figura 5: Figura 5 – Diagrama fasorial de um circuito em paralelo No diagrama da Figura 5 pode-se ver que a corrente no indutor IL, está atrasada 90° em relação à tensão, VL. Ao contrário do circuito RL série, neste caso desenhamos o diagrama de corrente que pode ser visto na Figura 6 (obs.: a fase de VG é escolhida arbitrariamente). Figura 6 – Triângulo das correntes Do triângulo de correntes tiramos: 𝐼2 = 𝐼𝑅2 + 𝐼𝐿2 ou 𝐼 = √𝐼𝑅2 + 𝐼𝐿2 Se dividirmos, a Figura 3, os lados do triângulo por VG, obteremos o triângulo das admitâncias descrito na Figura 6. Figuras 7a, 7b e 7c – Admitâncias Da Figura 7c tiramos: 6 1 𝑍2 = 1 𝑅2 + 1 𝑋𝐿2 De onde tiramos: 𝑍 = 𝑅 . 𝑋𝐿 √𝑅2 + 𝑋𝐿2 O ângulo de defasagem entre VG e I pode ser calculado por: cos 𝜙 = 1 𝑅 1 𝑍 = 𝑍 𝑅 ou tan 𝜙 = 1 𝑋𝐿 1 𝑅 = 𝑅 𝑋𝐿 TEMA 2 – FATOR DE POTÊNCIA Se usarmos a corrente alternada devemos considerar dois tipos de potência: a Potência Ativa (P) ou Real e a Potência Reativa (Q). Potência Ativa: é a potência que tem a finalidade principal do equipamento. Por exemplo: uma lâmpada tem a finalidade de iluminar, ou seja, a potência que realmente gera luz, nesse caso. Potência Reativa: É a potência que gera e mantém os campos magnéticos quando se fala em carga indutiva. Essa potência não é contabilizada de forma direta. A somatória dessas duas formas de potência nos dá uma terceira chamada de potência aparente. Essa potência, por ser um valor maior, é usada nos anúncios de determinados equipamentos, mascarando a potência que deveria ser usada como produto final. A relação entre essas potências tem como resultado o triângulo das potências descrito na Figura 8. Nesse triângulo existe a relação entre três potências usuais e devemos salientar as unidades que são usadas. Potência ativa (P) – a Unidade é Watt (W); Potência reativa (Q) – a Unidade é o Volt-Ampere reativo (VAr); 7 Potência Aparente – a Unidade é o Volt-Ampere (VA). Figura 8 – Triângulo das potências O exemplo didático mais usado para entendermos o triângulo das potências é o copo de chopp, que veremos a seguir na Figura 9. Primeiramente tomamos como a extensão total do copo como sendo a potência aparente, ou seja, o máximo de chopp que o copo pode conter. A seguir se define a parte que é formada por espuma como sendo a potência reativa, ou seja que não é aproveitada. Por último, temos o líquido propriamente dito – o chopp, esse totalmente aproveitado no exemplo. Figura 9 – Relação das potências com o exemplo do copo de chopp Fonte: <http://www.hardmob.com.br/promocoes/572490-extra-lampada-ultra-led-a60-golden- luz-branca-6500k-e27-10w-r-16-92-frete-gratis-4.html>. 8 A potência reativa não deve passar de 8% da carga total, ou seja, a potência real deve ser 92% da potência aparente. Essa porcentagem de tensão elétrica medida é chamada, na indústria, de fator de potência. Se essa regra não for obedecida o usuário paga um adicional de fator de potência. Para corrigir esse fator de potência devemos tomar algumas medidas que serão tratadas em aulas posteriores. TEMA 3 – CAPACITOR E CAPACITÂNCIA Um condensador ou simplesmente um capacitor é um componente eletrônico constituído por duas armaduras ou placas condutoras, separadas por um material chamado dielétrico com propriedades isolantes. A capacidade de um capacitor para armazenar cargas depende de sua capacitância (C). Esta, por sua vez, depende da área das placas, da espessura do dielétrico e do material do qual este é feito. Figura 10 – Esquema de um capacitor e seu símbolo No caso de um capacitor de placas planas e paralelas, a sua capacitância será dada por: 𝐶 = 𝜀 . 𝑆 𝑑 ԑ = constante dielétrica S = Área de uma das placas (são iguais) em m2 d = espessura do dielétrico em m A capacitância C será dada em Farads (F). Um Farad é um Coulomb/Volt. 9 Quando ligamos um capacitor a um gerador, o capacitor adquire uma carga Q, como descrito na Figura 11. Figura 11 – Carga do capacitor A placa superior fica com uma carga Q (falta de elétrons), enquanto a placa inferior ficará com uma carga –Q (excesso de elétrons). O número de elétrons, em excesso em uma placa, é igual ao número de elétrons faltantes na outra placa. Na relação entre a capacitância e a carga adquirida é a tensão aplicada, que é dada pela fórmula: 𝑄 = 𝐶. 𝑉 Quando ligamos um capacitor a uma fonte de tensão por meio de uma resistência R, a tensão no capacitor levará um certo tempo até atingir o valor da tensão da fonte. Considerando um capacitor inicialmente descarregado, no instante em que a chave é fechada (t=0), toda a tensão da fonte será aplicada à resistência. Não há uma corrente passando através do capacitor, mas sim uma movimentação de cargas de uma placa para a outra pelo circuito. Neste caso, vamos ter um deslocamento de cargas positivas, indo da placa inferior para a placa superior – na realidade, elétrons se deslocando. Com a chegada de cargas no capacitor, aumenta a sua tensão e consequentemente diminui a tensão na resistência. Depois de algum tempo, a tensão no capacitor será igual à tensão da fonte. O comportamento dinâmico das tensões no circuito e da corrente, pode ser melhor entendido quando representado graficamente. 10Figura 12 – Carga do capacitor Observe na Figura 12b, a soma VC+VR=E, isto é, à medida que VR diminui, VC cresce na mesma proporção. Uma medida de velocidade de crescimento da tensão no capacitor nos é dada pela constante de tempo do circuito (definido como sendo: R .C Fisicamente, a constante de tempo significa que, passando um tempo igual a uma constante de tempo, a tensão no capacitor atingiu 63% da tensão da fonte. Na Figura 12 podemos verificar que existe uma defasagem entre a tensão no capacitor e a corrente (quando uma é máxima a outra é mínima e vice-versa). A expressão que relaciona a tensão no capacitor com o tempo é dada por: 𝑉𝐶(𝑡) = 𝐸 − 𝐸. 𝑒− 𝑡 𝑅𝐶 = 𝐸 (1 − 𝑒− 𝑡 𝑅𝐶) A expressão da tensão no resistor é dada por: 𝑉𝐶(𝑡) = 𝐸 . 𝑒− 𝑡 𝑅𝐶 3.1 Associação de capacitores Para capacitores em paralelo temos a seguinte fórmula: 𝐶𝑒𝑞 = 𝐶1 + 𝐶2 + 𝐶3 + ⋯ + 𝐶𝑛 11 Figura 13 – Capacitores em paralelo Onde Ceq é o capacitor equivalente. Para capacitores em série temos a seguinte fórmula: 1 𝐶𝑒𝑞 = 1 𝐶1 + 1 𝐶2 + 1 𝐶3 + ⋯ + 1 𝐶𝑛 Figura 14 – Capacitores em série TEMA 4 – CIRCUITO EM CA COM CAPACITÂNCIA PURA Esse componente eletrônico chamado capacitor é usado com a função de acumular cargas elétricas, ou seja, energia elétrica. Em ambientes industriais esse componente é muito útil. Construído em escalas maiores, os capacitores industriais são usados para corrigir fator de potência gerado pelos indutores que estão presentes no processo produtivo. Caso a tensão aplicada ao capacitor seja senoidal, a corrente no circuito também será senoidal e defasada 90° em relação à tensão. Em tal situação, a tensão estará 90° atrasada em relação à corrente. Um capacitor em um circuito C.A. oferece uma oposição à passagem da corrente, sendo esta oposição medida pela reatância do capacitor (XC). Esta depende da capacitância (C) e da frequência do gerador dada por: 𝑋𝐶 = 1 2𝜋 . 𝑓 . 𝐶 Em que: C em farads (F) F em Hertz (Hz) XC em Ohms (Ω) 12 Figuras 15a, 15b e 15c – Análise do capacitor: (a) circuito com capacitor (b) gráfico demonstrando a defasagem (c) diagrama fasorial A 1ª Lei de Ohm para este caso é: 𝐼 = 𝑉 𝑋𝐶 V e I (tensão e corrente eficazes). Em um circuito puramente capacitivo, não há consumo de potência. A potência real é dada pela fórmula: P = V . I . cos φ Como o ângulo φ formado entre a tensão e a corrente é 90° e cos90° = 0, a potência será igual a 0. Este mesmo resultado pode ser mostrado graficamente na Figura 16: Figura 16 – Gráfico representativo de tensão, corrente e potência 13 Primeiramente, o capacitor acumula tensão elétrica em suas placas condutoras. A seguir, o condensador devolve energia ao circuito. TEMA 5 – CIRCUITOS RC SÉRIE E PARALELO O capacitor é uma solução de armazenamento de cargas, a qual nos remete à pergunta feita a partir da descoberta da energia elétrica. Na Figura 17 há uma série de capacitores que são diferenciados pelo modelo, aplicação e quantidade de capacitância. Figura 17 – Capacitores diversos Fonte: <http://www.py2bbs.qsl.br/capacitores.php>. A seguir é necessário que se desenvolva uma série de relações matemáticas triviais que são a fundamentação teórica da inserção de capacitores em circuitos de corrente alternada. No circuito da Figura 18a, a tensão aplicada VG é a soma vetorial da tensão no resistor VR, a qual está em fase com a corrente, com a tensão no capacitor VC. 14 Figuras 18a, 18 b e 18 c – Circuitos RC em série O diagrama fasorial correspondente é: Figura 19 – Diagrama fasorial Figura 20 – Diagrama fasorial As expressões matemáticas são: 𝑉𝐶 = 𝑉𝑚𝐶 . 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 𝐼 = 𝐼𝑚 . 𝑠𝑒𝑛 (𝜔𝑡 + 90) 𝑉𝑅 = 𝑉𝑚𝑅 . 𝑠𝑒𝑛 (𝜔𝑡 + 90) 𝑉𝐺 = 𝑉𝑚 . 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡 + 90 − 𝜙) 15 Os triângulos de tensão impedância e potência descritos na Figura 21, são: Figuras 21a, 21b e 21c – Triângulos do circuito RC Da Figura 21a tiramos: 𝑉𝐺2 = 𝑉𝑅2 + 𝑉𝐶2 Ou 𝑉𝐺 = √𝑉𝑅2 + 𝑉𝐶2 cos ϕ = 𝑉𝑅 𝑉𝐺 tan 𝜙 = 𝑉𝐶 𝑉𝑅 Da Figura 21b tiramos: 𝑉𝐺 𝐼 = 𝑍 = Impedância do circuito 𝑉𝑅 𝐼 = 𝑅 = Resistência 𝑉𝐶 𝐼 = 𝑋𝐶 = Reatância capacitiva 𝑍2 = 𝑅2 + 𝑋𝐶2 Ou 𝑍 = √𝑅2 + 𝑋𝐶2 Do triângulo de potência obtemos: 𝑃𝑎𝑝 = 𝑉𝐺 . 𝐼 = Potência aparente (VA) 𝑃 = 𝑉𝑅 . 𝐼 = Potência real (Watts) 𝑃 = 𝑉𝐺 . 𝐼 . cos 𝜙 Pr = 𝑉𝐶 . 𝐼 = Potência reativa (VAR) Em um circuito RC paralelo, a tensão é a mesma nos dois componentes, conforme a Figura 22. 16 Figura 22 – Capacitor em paralelo com resistor E o diagrama fasorial correspondente será o da Figura 23. Figura 23 – Diagrama fasorial As expressões matemáticas das correntes e da tensão são: 𝑉𝐺 = 𝑉𝑚 . 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 𝐼 = 𝐼𝑚 . 𝑠𝑒𝑛 (𝜔𝑡 + 𝜙) 𝐼𝑅 = 𝐼𝑅𝑚 . 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 𝐼𝐶 = 𝐼𝐶𝑚 . 𝑠𝑒𝑛 (𝜔𝑡 + 90) Os triângulos de corrente, impedância e potência são respectivamente: Figura 24a, 24b e 24c – Triângulos de corrente, impedância e potência 17 Da Figura 24a, tiramos: 𝐼2 = 𝐼𝑅2 + 𝐼𝐶2 ou 𝐼 = √𝐼𝑅2 + 𝐼𝐶2 Da Figura 24b, tiramos: 1 𝑉𝐺 = 1 𝑍 , 𝐼𝐶 𝑉 = 1 𝑋𝐶 , 𝐼𝑅 𝑉𝐺 = 1 𝑅 1 𝑍2 = 1 𝑋𝐶2 + 1 𝑅2 e resolvendo obtemos 𝑍 = 𝑋𝐶 . 𝑅 √𝑋𝐶2 + 𝑅2 Da Figura 24c tiramos: 𝑃𝑎𝑝 = 𝑉𝐺 . 𝐼 = Potência aparente (em VA) 𝑃 = 𝑉𝐺 . 𝐼𝑅 = 𝑉𝐺 . 𝐼 cos 𝜙 = Potência real (W) Pr = 𝑉𝐺 . 𝐼𝐶 = 𝑉𝐺 . 𝐼 . 𝑠𝑒𝑛 𝜙 = Potência reativa (VAR) O ângulo de defasagem (ϕ) pode ser calculado em qualquer caso por: cos 𝜙 = 𝐼𝑅 𝐼 ou cos 𝜙 = 𝑍 𝑅 ou cos 𝜙 = 𝑃 𝑃𝑎𝑝 FINALIZANDO Vimos nessa aula que os indutores e os capacitores têm papel fundamental no processo produtivo. Por essa razão, o engenheiro deve conhecer esses componentes assim como suas funções exercidas na prática, lembrando ainda que tais componentes são passivos, ou seja, seu uso no circuito elétrico não aumenta a intensidade de corrente ou tensão, e de tais componentes têm função primordial na linha de produção. Bom estudo! 18 REFERÊNCIAS BOYLESTAD, R. Introdução à análise de circuitos. 12. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2012. BOYLESTAD, R.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11. ed. São Paulo: Pearson, 2013. MARIOTTO, P. Análise de circuitos elétricos. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2003. NILSSON, J; RIEDEL, S. Circuitos elétricos. 8. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2009. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS INDUSTRIAIS AULA 3 Prof. Juliano de Mello Pedroso 2 CONVERSA INICIAL Componentes passivos, como capacitores, indutores e resistores, são a base dos circuitos industriais. Na indústria, são usados motores que, em sua construção, na verdade, são indutores, os quais criam energia reativa. Essa energia reativa deve ser anulada pelos capacitores, ou seja, a correção do fator de potência. Os motores são extremamente úteis na indústria. São eles que, por exemplo, movem a esteira que carrega vidros de perfume para serem envazados. Por isso, devemos estudar os tipos de motores e os sistemas de alimentação de cada um deles. Nesta aula, os temas que vamos estudar são: circuitos RLC série e paralelo; correção de fator de potência; sistemas monofásicos; sistemas trifásicos e motores CC. Todos esses componentes são utilizados nas instalações elétricas e máquinas automatizadas no chão de fábrica de qualquer indústria que contenha processos fabris. TEMA 1 – CIRCUITOS RLC SÉRIE E PARALELO Na vida prática, são diversos os fenômenos envolvidos por oscilações. Podemos analisar um pendulode relógio, que se move com um determinado período (ou seja, o movimento que o relógio executa do início ao fim tem um intervalo de tempo definido) em torno de uma posição que procura o equilíbrio sempre. Figura 1 – Circuito RLC série 3 O circuito composto de uma resistência R, uma indutância L e uma capacitância é denominado de circuito RLC e oscilante por natureza. Sua construção simples permite, de forma fácil, controlar os parâmetros que caracterizam seu funcionamento, normalmente são circuitos que simulam outros oscilantes. Esse tipo de circuito é utilizado de forma extensiva na filtragem de circuitos eletrônicos. Vamos, a seguir, analisá-lo mais detalhadamente. Observe estas figuras: Figura 2 – RLC série e fasores Na Figura 2a, temos um circuito contendo uma resistência, uma indutância e uma capacitância em série. A tensão total aplicada é a soma vetorial da tensão na resistência, da tensão na indutância e da tensão na capacitância. Na construção do diagrama fasorial, a tensão na resistência está em fase com a corrente. A tensão na indutância está adiantada 90° em relação à corrente, e a tensão na capacitância está atrasada 90° em relação à corrente. Na Figura 2b, podemos observar que VL e VC estão defasadas de 180°. Para somar as três tensões, primeiramente, somamos VL com VC. Como VL e VC estão defasadas de 180°, a soma vetorial de VL com VC é simplesmente a subtração VL – VC (se for o caso, VL > VC). Com base no diagrama da Figura 2b, obtém-se o diagrama de tensões (Figura 3a) e o diagrama de impedância (Figura 3b). 4 Figura 3 – Diagrama das tensões e diagrama da impedância Da Figura 3a, tiramos: 𝑉𝐺 = √𝑉𝑅2 + (𝑉𝐿 − 𝑉𝐶)2 Na Figura 3b, temos: 𝑉𝐺 𝐼 = 𝑍 = Impedância 𝑉𝑅 𝐼 = Resistência do circuito = R 𝑉𝐿 − 𝑉𝐶 𝐼 = 𝑉𝐿 𝐼 − 𝑉𝐶 𝐼 = 𝑋𝐿 − 𝑋𝐶 XL = Reatância indutiva XC = Reatância capacitiva Logo, podemos escrever: 𝑍 = √𝑉𝑅2 + (𝑉𝐿 − 𝑉𝐶)2 A seguir, na Figura 4, temos os dois componentes (indutor e capacitor) usados como filtros passivos em autofalantes. 5 Figura 4 – Filtros passivos Fonte: Bravox, 2017. No circuito da Figura 5, a tensão aplicada é a mesma em todos os componentes. Figura 5 – Circuito RLC paralelo Observe, na Figura 6, o diagrama fasorial do circuito. 6 Figura 6 – Diagrama fasorial Da Figura 6b, obtemos: 𝐼 = √𝐼𝑅2 + (𝐼𝐶 − 𝐼𝐿)2 Se dividirmos os lados do triângulo de corrente na Figura 6b por VG, obteremos: Figura 7 – Triângulo da corrente 𝐼𝐶 − 𝐼𝐿 𝑉𝐺 = 𝐼𝐶 𝑉𝐺 − 𝐼𝐿 𝑉𝐺 Da figura 7, temos: 𝐼 𝑉𝐺 = 1 𝑍 𝐼𝑅 𝑉𝐺 = 1 𝑅 𝐼𝐶 𝑉𝐺 = 1 𝑋𝐶 𝐼𝐿 𝑉𝐺 = 1 𝑋𝐿 Portanto, na figura 7, podemos escrever: 1 𝑍2 = 1 𝑅2 + ( 1 𝑋𝐶 − 1 𝑋𝐿 ) 2 Desenvolvendo a expressão anterior, chegamos a: 𝑍 = 𝑅 . 𝑋𝐿 . 𝑋𝐶 √𝑋𝐶2 . 𝑋𝐿2 + 𝑅2 . (𝑋𝐿 − 𝑋𝐶)2 Essas deduções são todas feitas lembrando a orientação dos circuitos, ou seja, se estão ligados em série e paralelo. 7 TEMA 2 – CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA Um dos focos principais da indústria atual é a otimização dos recursos, a fim de se obter ganhos maiores. Sem dúvida alguma, a energia gasta para produzir determinado produto é um dos gargalos do processo produtivo. E um dos fatores que pode alterar o valor da conta de luz é a correção do fator de potência. A concessionária de energia elétrica disponibiliza para realização de trabalho útil o que chamamos de energia ativa medida em KW, recebendo ou gerando energia reativa medida em KVAr, que é responsável apenas por magnetizar bobinas em motores e transformadores. Essa diferença é tratada como excedente de fator de potência, cobrada na conta de luz. Na Figura 8, há um exemplo de banco de capacitores. Figura 8 – Capacitores de correção de fator de potência Fonte: ESA, 2017. Antes de mostrar como corrigir o fator de potência (FP) de uma instalação, devemos analisar o porquê dessa necessidade. Vamos considerar que uma instalação consome uma potência de 100kVA, quando a tensão de alimentação é 500V. A corrente de alimentação será: 𝐼 = 𝑃𝑎𝑝 𝑉𝐺 = 100000 500 = 200𝐴 No caso de carga puramente resistiva (aquecedores, lâmpadas etc.), toda a potência consumida será potência real, e o FP será igual a 1. A potência real será: 𝑃 = 𝑉𝐺 · 𝐼 · cos 𝜙 = 500 · 200 · 1 = 100 𝑘𝑊 No caso de circuito contendo resistência e indutância e sendo o FP = 0,5, a potência real será: 8 𝑃 = 𝑉𝐺 · 𝐼 · cos 𝜙 = 500 · 200 · 0,5 = 50 𝑘𝑊 A potência real diminui com a diminuição do FP, enquanto a potência reativa aumenta. Se quisermos manter a mesma potência real, com um FP menor, a potência aparente deverá aumentar para: 𝑃𝑎𝑝 = 𝑃 cos 𝜙 = 100 000 0,5 = 200 𝑘𝑉𝐴 Enquanto a corrente consumida aumentará para: 𝐼 = 𝑃 𝑉𝐺 = 200 000 500 = 400 𝐴 Nesse caso, algumas alterações devem ser processadas. Caso exista transformador, no caso de FP = 0,5, ele deverá ser alterado se não comportar o aumento de potência. Como a corrente aumenta (dobra), há a necessidade de trocar a fiação por outra mais grossa, para evitar perdas e queda de tensão na linha. Portanto, é importante controlar o FP de uma instalação, procurando sempre manter o mais próximo possível de 1. O ajuste do fator de potência pode ser executado de diversas maneiras, a mais utilizada é a adoção de capacitores. Usar bancos de capacitores tem algumas vantagens, entre elas: tamanho reduzido em relação a outros métodos; normalmente não contêm partes destacáveis ou móveis, sendo mais fáceis de operar e mais seguros; dissipam pouca potência. Como já visto, em um circuito CA, um capacitor tem a propriedade de adiantar a corrente em relação à tensão, e a colocação de um capacitor pode compensar esse atraso. O ângulo de fase pode ser reduzido a zero. Por razões econômicas e práticas, basta manter o FP acima de 0,92. O valor do capacitor, que corrige o FP, pode ser calculado conforme consta a seguir. Vamos considerar uma impedância Z indutiva, cujo ângulo de fase é ϕ1. Nesse caso, queremos diminuir esse ângulo para ϕ. A Figura 9 mostra o circuito sem correção e seu diagrama fasorial. 9 Figura 9 – Diagrama fasorial A colocação do capacitor em paralelo com a carga reduz o ângulo de fase ϕ1 para ϕ, o que equivale a dizer que o FP aumenta, conforme Figura 10. Figura 10 – Ângulos do fator de potência Observe que a colocação do capacitor não deve alterar a potência real (ativa) do circuito, somente a aparente. Por isso a colocação do capacitor deve ser tal que o valor da corrente IR responsável pela parcela da potência real não mude. O valor dessa corrente é dado pelo vetor OC. 𝑂𝐶 = 𝐼1 · cos ϕ1 = 𝑂𝐴 · cos ϕ Da fórmula de potência real, temos: 𝑃 = 𝑉𝐺 · 𝐼 · cos ϕ Tiramos: 𝐴𝐶 = 𝑂𝐶 · 𝑡𝑔ϕ 𝐵𝐶 = 𝑂𝐶 · 𝑡𝑔ϕ Ainda nos diagramas, temos que: 𝐴𝐵 = 𝑂𝐷 = 𝐴𝐶 − 𝐵𝐶 = 𝑂𝐶 · 𝑡𝑔ϕ1 − OC · tgϕ = OC · (tgϕ1tg ϕ) Como: 𝑂𝐶 = 𝑃 𝑉𝐺 E 𝐴𝐵 = 𝑂𝐷 = 𝐼𝐶 10 𝐼𝐶 = 𝑃 𝑉𝐺 · (𝑡𝑔ϕ1 − tgϕ) = 𝑉𝐺 · 𝜔 · 𝐶 𝐼𝐶 = 𝑉𝐺 𝑋𝐶 = 𝑉𝐺 1 𝜔. 𝐶 = 𝑉𝐺 · 𝜔 · 𝐶 Por outro lado, IC = VG · ω · C. Comparando as duas expressões, temos: 𝐶 = 𝑃 𝜔 · 𝑉𝐺2 Por fim, temos o valor do capacitor que devemos associar em nosso circuito para que o FP aumente. Lembre-se, porém, de que o banco de capacitores trabalhando em vazio também é prejudicial para as instalações elétricas. Para ajustar esse problema, é possível usar um banco de capacitores automatizado. TEMA 3 – SISTEMAS MONOFÁSICOS A distribuição de eletricidade para os sem números de estabelecimentos industriais, residências e comerciaisnormalmente pode ser feito por intermédio de sistemas monofásico ou polifásicos. Um sistema elétrico pode ser monofásico ou polifásico. Se é monofásico, há somente uma fase no sistema. Se é polifásico, o sistema tem duas ou mais fases. Em um sistema elétrico monofásico, o consumidor recebe tensão em um dos fios que vem para alimentar a instalação elétrica da residência. Essa tensão pode ser 127 V ou 220 V, conforme Figura 11. Nesse sistema, o usuário tem disponível dois fios, um que tem a tensão elétrica que chamamos de fase; e outro que chamamos de neutro, vindo daí o nome monofásico. Figura 11 – Sistema de distribuição residencial Fonte: Quinto ARmónico.ES, 2017. 11 Para saber se precisamos monofásico 127 V ou 220 V, temos, primeiramente, de verificar a carga que queremos instalar. Por exemplo: um ar- condicionado 220 V. Figura 12 – Ar-condicionado 220 V Fonte: Ar-condicionado Shop, 2017. Na figura 12, temos um exemplo de aparelho, que, nesse caso, é um ar- condicionado 220 V, podendo ser instalado com uma fase com 220 V ou duas fases de 127 V. Mas qual é o motivo para aumentarmos a tensão? Vamos lembrar de uma formula que usamos muito em eletricidade: V= R × I Onde V é a tensão elétrica, R é a resistência elétrica e I é a intensidade de corrente elétrica. Veja que são componentes diretamente proporcionais então, se queremos equipamentos que trabalhem com potencias maiores precisamos, aumentar aquilo que temos mais controle, que, nesse caso, é a nossa alimentação. Então, quando temos que ligar aparelhos que tenham a necessidade de uma maior potência, usamos mais tensão elétrica. Ou podemos também aumentar o número de fases, ou seja, usar um sistema trifásico, que é o nosso próximo assunto. TEMA 4 – SISTEMAS TRIFÁSICOS Os sistemas trifásicos são constituídos por três fases. Normalmente, temos um gerador trifásico constituído por três bobinas separadas fisicamente por um ângulo de 120°. A Figura 13 mostra um esquema de gerador trifásico. 12 Figura 13 – Gerador trifásico, enrolamentos e formas de onda As três bobinas que podemos chamar de enrolamentos são estáticas e têm o mesmo número de espiras, ou seja, de voltas de fio de cobre ou outro material magnético em sua construção. A forma de onda (13C) fica com esse aspecto porque as três fases são geradas por uma mesma origem. Normalmente, a indústria tem alimentação trifásica, pois tem mais opções nas instalações de cargas elétricas. Por exemplo, se compararmos um motor monofásico e um trifásico, temos que o motor trifásico será mais potente que o monofásico de mesmo tamanho. Por esse motivo, quando estiver trabalhando perto do processo produtivo, verá que os motores que controlam esteiras, máquinas ou processos na indústria serão, na sua maioria, motores trifásicos. Motores trifásicos podem substituir facilmente outros tipos de motores, como bifásicos ou monofásicos, sem a desvantagem de ocasionar um desiquilíbrio entre as fases. Os motores trifásicos produzem um torque constante, o que é muito difícil de ser feito com motores monofásicos. Nos sistemas trifásicos, existem nomenclaturas que devem ser conhecidas para serem usadas no ambiente do processo produtivo, como: 13 Tensão de linha – tensão existente entre duas linhas do sistema trifásico. Tensão de fase – tensão no enrolamento ou na impedância de cada ramo. Corrente de linha – corrente elétrica na linha que sai do gerador ou corrente solicitada pela carga. Corrente de fase – corrente na bobina do gerador, ou na impedância de cada ramo. Essas definições são usadas nas ligações existentes na indústria para se usar o sistema trifásico. Quando se tem uma ligação trifásica, há duas configurações principais: estrela e triângulo. Figura 14 – Configurações do sistema trifásico Na configuração estrela, temos as três fases ligadas no centro da estrela formando o condutor neutro, conforme a Figura 14a. Nesse caso, temos as seguintes fórmulas: Vlinha = 1,73 × Vfase Temos que a tensão de linha é a tensão de fase vezes raiz de três, ou seja, 1,73. A corrente de linha é igual a corrente de fase. Ilinha = Ifase Na configuração triângulo, temos as três fases ligadas em forma de um triângulo que resulta em maior torque num motor elétrico, por exemplo, sem o uso do neutro, conforme a Figura 14a. Nesse caso, temos as seguintes fórmulas: Vlinha = Vfase 14 A tensão de linha é igual a tensão de fase. Temos que a corrente de linha é a corrente de fase vezes raiz de três, ou seja, 1,73. Ilinha = 1,73 × Ifase TEMA 5 – MOTORES CC Um motor de corrente contínua (DC – Direct Current) é um tipo de motor que tem uma alimentação fornecida por uma bateria ou por uma fonte de alimentação CC. Existem dois tipos de comutação para esse motor em questão: Escovado – o fluxo de energia entre o estator e o rotor é feito por escovas. Brushless – não possui escovas. Quando se quer variar a velocidade desse tipo de motor, é feito o controle da variação de tensão. Na Figura 15, temos vários tipos de motores CC, que são de tamanho reduzido. Figura 15 – Motores CC Fonte: Interfaces Físicas, 2017. 15 O motor CC é constituído por um eixo ligado ao rotor, que, na prática, é a parte que gira no motor. Na figura 16, temos um esquemático demonstrativo das partes constituintes de um motor CC. Figura 16 – Partes do motor CC Fonte: Slideshare, 2017. A Figura 16 descreve um desenho esquemático de um motor CC e seu princípio de funcionamento básico. Esses desenhos normalmente são representados por uma só espira, ou seja, um enrolamento, a fim de que que seja entendido de uma forma melhor. No entanto, devemos lembrar que um motor é constituído por várias espiras. Geralmente, quanto maior a quantidade de espiras, maior a velocidade que o motor CC pode atingir. Figura 17 – Funcionamento de um motor DC Fonte: Area Tecnologia, 2017. 16 Temos a seguinte premissa de funcionamento do motor elétrico de corrente contínua: Toda vez que uma espira conduzir uma corrente elétrica (flecha vermelha) é inserido em um campo magnético (flecha na cor azul), esta bobina experimenta uma força mecânica (descrita na cor verde) ocasionando o giro do eixo do motor e o torque. FINALIZANDO Escolher bem o tipo de sistema que será implantado numa indústria é muito importante, pois temos que saber de antemão se o sistema mais indicado será o monofásico ou o trifásico, porque, depois de instalado, é difícil alterá-lo, pois é um processo oneroso. Todas as escolhas feitas de forma correta antes fundamentam um projeto sólido e que não implicará em multas ou excedentes na conta de luz ou em retrabalho nas linhas do processo produtivo. Bons estudos. 17 REFERÊNCIAS AR-CONDICIONADO SHOP. Disponível em: <http://www.arcondicionadoshop.com.br/ar-janela/slipt-hi-wall/novo-14.html>. Acesso em: 19 set. 2017. AREA TECNOLOGIA. Disponível em: <http://www.areatecnologia.com/EL%20MOTOR%20ELECTRICO.htm>. Acesso em: 19 set. 2017. BOYLESTAD, R. Introdução à análise de circuitos. 12. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2012. BRAVOX. Divisor de frequências. Disponível em: <http://www.bravox.com.br/?url=Divisor-de-frequencias>. Acesso em: 19 set. 2017. ESA. Disponível em: <http://www.esaeletrotecnica.com.br/banco-capacitores- preco>. Acesso em: 19 set. 2017. INTERFACES Físicas. Disponível em: <http://www.dtic.upf.edu/~jlozano/interfaces/interfaces8.html>. Acesso em: 19 set. 2017. MARIOTTO, P. Análise de circuitos elétricos. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2003. NILSSON, J; RIEDEL, S. Circuitos elétricos. 8. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2009. QUINTO ARMÓNICO.ES. Disponível em: <http://quintoarmonico.es/2009/07/02/el-conductor-neutro-y-su-proteccion-en- un-sistema-de-distribucion-en-baja-tension/>.Acesso em: 19 set. 2017. SADIKU, M. N. O.; ALEXANDER, C. K. Fundamentos de circuitos elétricos. 5. ed. Nova Iorque: McGraw-Hill, 2013. SLIDESHARE. Disponível em: <https://www.slideshare.net/AmeyaNijasure/dc- motors-57038800>. Acesso em: 19 set. 2017. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS INDUSTRIAIS AULA 4 Prof. Juliano de Mello Pedroso 2 CONVERSA INICIAL A indústria é responsável por mais de 40% do consumo de energia elétrica do país, com quase 600 mil unidades consumidoras industriais. Esses números mostram a importância do setor industrial para a energia elétrica do Brasil. A maior parte do consumo de uma empresa passa pela iluminação e pelos motores elétricos. O engenheiro deve saber as características desses componentes elétricos e o impacto que causam no processo produtivo. Nesta aula, falaremos sobre os seguintes assuntos: motores CA, cargas estáticas, cargas dinâmicas, iluminação e normas de iluminação. Todos esses componentes fazem parte das instalações elétricas e máquinas automatizadas do processo produtivo de uma empresa com processo fabril. TEMA 1 – MOTORES CA Motores que trabalham com a tensão elétrica alternada, em sua grande parte, têm propriedades de funcionamento parecidas com as dos motores de corrente contínua, entretanto, seu funcionamento está sujeito a defeitos numa escala menor. Isso acontece devido aos motores de corrente contínua apresentarem problemas na comutação que engloba as escovas, os porta- escovas etc. Observe, na figura 1, um motor monofásico de indução alimentado por corrente elétrica alternada, bem como o capacitor em cima da carcaça do motor. Figura 1 – Motor monofásico CA Fonte: <http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAcBQAB/motor-monofasico-funcionamento- basico>. 3 Na figura 2, há um motor trifásico de indução alimentado por corrente elétrica alternada, não tem o capacitor e se tiver o mesmo tamanho mesmo assim terá potência maior que seu correlato em uma fase só. Figura 2 – Motor trifásico CA Fonte: <http://sp.olx.com.br/sao-paulo-e-regiao/jardinagem-e-construcao/motor-monofasico-e- trifasico-weg-qualymaquina-250613456>. Motores que são alimentados através de corrente alternada são chamados comumente de motores CA. São geralmente usados em atividades que operam com velocidades constantes. Os motores de corrente alternada usam como forma de alimentação as fases provenientes das linhas de distribuição usando, portanto, a frequência fornecida pela rede elétrica para ter o efeito girante no motor. Os motores CA pode ser subdividido em: síncronos – A velocidade no campo magnético girante é igual a velocidade que está no rotor, em virtude de o campo do rotor não depender do campo do estator. assíncronos – É um tipo de motor de indução que, quando o estator tem uma alimentação, ele induz uma corrente elétrica no rotor, que tende a se opor ao campo que o gerou. É um tipo de motor muito parecido com o síncrono, porém sua rotação não funciona em sincronismo com a frequência, ocasionando escorregamento, que é o princípio de funcionamento desse tipo de motor. Na figura 3, temos um esquemático de um motor de indução e um esquemático de motor síncrono. http://sp.olx.com.br/sao-paulo-e-regiao/jardinagem-e-construcao/motor-monofasico-e-trifasico-weg-qualymaquina-250613456 http://sp.olx.com.br/sao-paulo-e-regiao/jardinagem-e-construcao/motor-monofasico-e-trifasico-weg-qualymaquina-250613456 4 Figura 3 – Motores de corrente alternada Observe, na figura 4, todas as partes de um motor de indução. Figura 4 – Vista em corte de um motor de indução trifásico em rotor de gaiola Fonte: <www.weg.com.br>. Estator 1. Carcaça 2. Núcleo magnético 8. Enrolamento trifásico Rotor 7. Eixo 3. Núcleo magnético 12. Barras e anéis de curto-circuito Outras partes do motor 4. Tampa dianteira 5. Ventilador 6. Tampa defletora 9. Caixa de ligação 10. Terminais de ligação 11. Rolamentos (mancais) TEMA 2 – CARGAS ESTÁTICAS No dia a dia da indústria, são ligados diversos tipos de cargas. Quando se fala em carga, podemos generalizar como qualquer componente eletroeletrônico ligado numa fonte de energia que gera trabalho ou uma atividade produtiva. As cargas podem ser classificadas como estáticas e dinâmicas. As estáticas são cargas que não mudam o comportamento da tensão e da corrente ao longo do tempo. Podemos considerar uma carga em regime 5 permanente, ou seja, já passou por todas as alterações de corrente e tensão e está sem alterações ao longo do processo. As estáticas costumam ser usadas em ferros de passar, chuveiros e lâmpadas incandescentes. Na figura 5, temos uma carga resistiva em que a tensão elétrica está em fase com a corrente elétrica. Figura 5 – Carga puramente resistiva Fonte: <http://eletronicanoel.blogspot.com.br/2012/05/relacao-de-fase-entre-tensao-e- corrente.html>. Quando chamamos um aparelho de resistência, definimos que ele tem por função resistir à passagem de corrente elétrica. Dessa maneira, parte da energia é dissipada como calor. Dois equipamentos que usam essas correntes para gerar calor ou luz são as lâmpadas incandescentes e os aquecedores elétricos. Lembre-se de que a resistência (R) é medida em ohms. Uma lâmpada incandescente (seu filamento incandesce para gerar luz) produz luz ao passar uma corrente elétrica através de um filamento no vácuo. A resistência do filamento causa o aquecimento, e a energia elétrica é convertida em luz e um pouco de calor, conforme pode ser visto na figura 6. Figura 6 – Lâmpada incandescente Fonte: <http://imirante.com/brasil/noticias/2015/06/30/inmetro-proibe-a-venda-de-lampada- incandescente.shtml>. Esse tipo de lâmpada, por gerar muito calor, tem baixíssima taxa de rendimento. 6 Aquecedores elétricos funcionam de maneira similar, mas produzem pouca ou nenhuma luz. Figura 7 – Aquecedor Fonte: <http://www.magazineluiza.com.br/aquecedores-eletricos-ou-a-oleo/ar-e- ventilacao/s/ar/arel/>. Na prática, cargas resistivas trabalham assim que, por exemplo, você compra um chuveiro com a potência de 3 000 W, o qual lhe proporcionará água numa determinada temperatura. Se optar por outro chuveiro do mesmo modelo, porém, alterar sua potência, como 5 000 W, com certeza este segundo esquentará mais. TEMA 3 – CARGAS DINÂMICAS As cargas dinâmicas influenciam no fator de potência e alteram a dinâmica da instalação elétrica conectada. Os motivos dessa alteração são diversos, entre eles: eletromagnetismo, leis da física, como inércia e frenagem, entre outros. O fator de potência (FP) desse tipo de circuito é zero. Observe, na figura 8, um exemplo desse aparelho. Na figura 9, temos o comportamento da forma de onda desse tipo de carga. Figura 8 – Exemplo de carga indutiva em motor elétrico Fonte: <http://www.portaleletricista.com.br/motor-de-inducao-funcionalidade-significado-dicas- passo-a-passo/>. 7 Figura 9 – Circuito totalmente indutivo Fonte: <http://baudaeletronica.blogspot.com.br/2012/05/fator-de-potencia.html>. Existem cargas capacitivas que têm o efeito contrário das cargas indutivas, por isso são usadas em soluções que diminuem ou acabem com o efeito que as cargas indutivas provocam nas instalações elétricas ou máquinas elétricas automatizadas. Há, ainda, equipamentos que utilizam todos os tipos de cargas (indutivas, capacitivas e resistivas). Na figura 10, há um exemplo dessa carga, que chamamos de mista. Figura 10 – Tubos de raios catódicos, carga mista Fonte: <http://principaisfisicos.blogspot.com.br/2010/10/como-funciona-uma-televisao.html>. http://baudaeletronica.blogspot.com.br/2012/05/fator-de-potencia.html 8 Motores monofásicos usam capacitores para ajudar o motor durante a ignição e o funcionamento. Os capacitores daignição dão uma fase adicional de voltagem ao motor, já que tiram a corrente e a voltagem de fase uma com a outra. É muito importante saber a característica da carga, pois, assim, podemos tratar os dispositivos que a comandam de uma forma eficiente, assim como dimensionar todos os dispositivos de proteção. Vamos a um exemplo prático: Temos de ligar um motor trifásico de 10 cv (1 CV = 735 W), a princípio, podemos utilizar a partida direta, porém o principal problema é quando ligamos esse tipo de motor à inércia e sua construção aumenta várias vezes a corrente de partida, podendo atrapalhar os dispositivos de segurança que atuam, pensando que é um curto-circuito. Então, nesse caso, em vez de uma partida direta, usamos um método de partida chamado estrela triângulo. Reduzindo a corrente de partida em até um terço, depois do tempo de estabilização, a chave é trocada para triângulo, onde o bobinado recebe maior tensão e, consequentemente, maior torque no motor, mas já vencida a força da inércia. Um exemplo dessa chave está demonstrado na figura 11. Figura 11 – Chave estrela triângulo manual Fonte: <http://www.eletrolico.com.br/chaves-comutadoras-trifasicas-lombard-p633>. 9 TEMA 4 – ILUMINAÇÃO Quando se deseja iluminar uma área, para se obter um resultado eficiente, alguns aspectos, como o conforto visual e a uniformidade, devem ser levados em consideração. Isso é necessário porque um ambiente iluminado e agradável melhora o desempenho das pessoas que nele trabalham. Por isso, a iluminação merece um estudo especial, uma vez que um ambiente, dependendo de suas dimensões e das atividades nele exercidas, precisa ter um mínimo de iluminação exigido pelas normas da ABNT. A iluminação eficiente de um ambiente deve ser baseada, entre outros requisitos, no desempenho visual requerido para a realização de uma determinada tarefa. Esse desempenho pode aumentar de acordo com a iluminância (nível de iluminação) e a luminância (luz refletida pelo objeto observado e seu entorno, na direção dos olhos do observador). Atualmente, muito se vê a grande preocupação com o “gato de energia elétrica”. A busca por alternativas energéticas é constante. Na área de iluminação, isso não é diferente. A qualidade de energia é um ponto vital na escolha da tecnologia e o modo como será implantado o sistema de iluminação. Conhecer a luz e as alternativas disponíveis, sabendo controlar a quantidade e a qualidade, são princípios valiosos para ser bem-sucedido em qualquer instalação luminotécnica. Quando queremos representar a potência luminosa emitida por dispositivo que gera luz, representamos como fluxo magnético e usamos uma unidade chamada lúmen (lm). Já a iluminância é o fluxo luminoso que incide numa superfície por unidade de área (m2). E usamos a unidade Lux (Lx). Há dois tipos de iluminação: a natural e a artificial. A utilização de um sistema de iluminação natural é a base do sucesso para se obter um sistema de iluminação artificial de boa qualidade. Na Figura 12, temos um sistema de iluminação natural trabalhando em conjunto com um artificial. 10 Figura 12 – Sistema de iluminação natural Fonte: <http://www.leonardi.com.br/sistema-de-iluminacao-natural/>. A eficácia de um sistema de iluminação artificial, além de estar associada com o sistema de iluminação natural, necessita de vários outros fatores, os quais, em conjunto, têm características técnicas e são compostos destes elementos: lâmpadas, luminárias, reatores, circuitos de distribuição e controle, cores das superfícies internas, mobiliário. Lâmpadas: Existem vários tipos de lâmpadas com diferentes tecnologias de iluminação, como led, incandescentes, fluorescentes, entre outras. Escolha a tecnologia que, com a menor potência possível, ofereça a você um nível de luminância entre os limites aceitáveis pela norma brasileira. Figura 13 – Tipos de lâmpadas Fonte: <http://www.g20brasil.com.br/os-diferentes-tipos-de-lampadas/>. http://www.g20brasil.com.br/os-diferentes-tipos-de-lampadas/ 11 Luminárias: escolha a luminária que mais reflete a luz emitida pela lâmpada. Reatores: existem tipos de lâmpadas que necessitam de reatores. Se for o caso, escolha reatores homologados pelo Inmetro. Cores das superfícies internas: Na figura 14, temos um ambiente com cores escuras na parede e no mobiliário, note que a iluminação fica muito prejudicada, agora leve isso para o ambiente de trabalho, notará que pode atrapalhar o serviço. Figura 14 – Ambiente com cores escuras Fonte: <http://imoveis.culturamix.com/decoracao/decoracao-em-tons-escuros>. TEMA 5 – NORMAS DE ILUMINAÇÃO A norma NBR 5413 (1992, p. 1) estabelece “os valores de iluminâncias médias mínimas em serviço para iluminação artificial em interiores, onde se realizem atividades de comércio, indústria, ensino, esporte e outras”. A seguir, veremos algumas recomendações descritas nessa norma para consultas futuras e adequação dos termos em um projeto. 4 Condições gerais 4.1 A iluminância deve ser medida no campo de trabalho. Quando este não for definido, entende-se como tal o nível referente a um plano horizontal a 0,75 m do piso. 4.2 No caso de ser necessário elevar a iluminância em limitado campo de trabalho, pode-se usar iluminação suplementar. 4.3 A iluminância no restante do ambiente não deve ser inferior a 1/10 da adotada para o campo de trabalho, mesmo que haja recomendação para valor menor. 4.4 Recomenda-se que a iluminância em qualquer ponto do campo de trabalho não seja inferior a 70% da iluminância média determinada segundo a NBR 5382. (NBR 5413, 1992, p. 1). 12 Na sequência, a NBR 5413 (1992, p. 2) esclarece a iluminância para cada tipo de atividade. Tabela 1 – Iluminâncias por classe de tarefas visuais Classe Iluminância Tipo de atividade (lux) Tipo de atividade A Iluminação geral para áreas usadas interruptamente ou com tarefas visuais simples 20 – 30 – 50 Áreas públicas com arredores escuros. 50 – 75 – 100 Orientação simples para permanência curta. 100 – 150 – 200 Recintos não usados para trabalho contínuo; depósitos. 200 – 300 – 300 Tarefas com requisitos visuais limitados, trabalho bruto de maquinaria, auditórios. B Iluminação geral para área de trabalho 500 – 750 – 1000 Tarefas com requisitos visuais normais, trabalho médio de maquinaria, escritórios. 1000 – 1500 – 2000 Tarefas com requisitos especiais, gravação manual, inspeção, indústria de roupas. C Iluminação adicional para tarefas visuais difíceis 2000 – 3000 – 5000 Tarefas visuais exatas e prolongadas, eletrônica de tamanho pequeno. 5000 – 7500 – 10000 Tarefas visuais muito exatas, montagem de icroeletrônica. 10000 – 15000 – 20000 Tarefas visuais muito especiais, cirurgia. Nota: As classes, bem como os tipos de atividade não são rígidos quanto às iluminâncias limites recomendadas, ficando a critério do projetista avançar ou não nos valores das classes/tipos de atividade adjacentes, dependendo das características do local/tarefa. Na coluna Iluminância, existem três valores (um baixo, um médio e um alto), os quais são escolhidos por meio de uma outra tabela, presente também nessa mesma norma, a qual contém a idade do observador, a velocidade e a precisão das tarefas, bem como a refletância do fundo da tarefa. Tabela 2 – Fatores determinantes da iluminância adequada Características da tarefa e do observador Peso -1 0 +1 Idade Inferior a 40 anos 40 a 55 anos Superior a 55 anos Velocidade e precisão Sem importância Importante Crítica Refletância do fundo da tarefa Superior a 70% 30 a 70% Inferior a 30% Fonte: NBR 5413, 1992, p. 2. 13 Na norma NBR 5413, existem outras normas que devemos consultar para saber mais detalhes nas instalações de iluminação: NBR 5382 – Verificação da iluminância de interiores– Método de ensaio NBR 5461 – Iluminação – Terminologia Os termos técnicos utilizados nessa norma estão definidos nos itens 3.1 e 3.2 e na NBR 5461. FINALIZANDO Nesta aula, vimos a importância do reconhecimento dos tipos de cargas, características que não devem passar em branco no dia a dia da produção, pois se não forem bem planejadas, podem afetar o processo, principalmente o seriado, em que o tempo de parada é incrivelmente prejudicial. 14 REFERÊNCIAS ABNT. NBR 5413:1992. Iluminância de interiores. Disponível em: <http://ftp.demec.ufpr.br/disciplinas/TM802/NBR5413.pdf>. Acesso em: 2 out. 2017. _____. NBR 5410:2004. Instalações elétricas de baixa tensão. Disponível em: <https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/3094898/mod_resource/content/1/NB R%205410-2008%20- %20Instala%C3%A7%C3%B5es%20El%C3%A9tricas%20de%20Baixa%20Te ns%C3%A3o%20%28atual%29.pdf>. Acesso em: 2 out. 2017. BOYLESTAD, R. L. Análise de circuitos elétricos. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2003. CAVALIN, G.; CERVELIN, S. Instalações elétricas prediais. 10 ed. São Paulo: Érica, 2010. COTRIM, A. A. M. B. Instalações elétricas. 5. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2009. CREDER, H. Instalações elétricas.16. ed. São Paulo: LTC, 2016. SADIKU, M. N. O.; ALEXANDER, C. K. Fundamentos de circuitos eletricos. EUA: McGraw-Hill, 2013. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS INDUSTRIAIS AULA 5 Prof. Juliano de Mello 2 CONVERSA INICIAL Após algumas aulas, com certeza já assimilamos que são muito importantes os aspectos que descrevemos até agora, como: distribuição de energia, iluminação, motores elétricos e automação de processos (que será vista em aulas futuras). Entretanto, é de extrema importância proteger esses equipamentos. São vários os problemas que podem causar danos aos equipamentos no chão de fábrica, sobre tensão, sobre corrente ou interferências externas, como IEM (interferência eletromagnética), ou seja, além do sistema que controla essas cargas, devemos dimensionar o sistema de proteção do nosso circuito elétrico e estender a proteção às pessoas que operam esses determinados circuitos. Nesta aula, falaremos sobre os seguintes assuntos: proteção e controle de cargas, conceitos para proteção de instalações elétricas, fusíveis, disjuntores e dispositivo diferencial residual. Bons estudos. TEMA 1 – PROTEÇÃO E CONTROLE DE CARGAS As principais premissas do controle de um motor elétrico são: Partida: um motor começa a se movimentar quando o momento de carga a ser vencido for menor do que seu conjugado de partida. Parada: em vários tipos de aplicações há a imposição de uma desaceleração do motor de forma rápida. No momento que o motor é desligado da energia, pode-se utilizar um dispositivo de inversão de rotação com o motor ainda rodando. Sentido de rotação: a maioria dos motores elétricos podem ser utilizados nos dois sentidos de rotação dependendo apenas de um controle adequado. Regulagem da velocidade: excetuando-se os motores universais, os motores de corrente alternada são maquinas de velocidade constante, porém há a possibilidade de religarmos os enrolamentos do estator de um motor de indução de tal jeito duplicando o número de polos e desta forma reduzindo a velocidade à metade. Nesse momento, os estatores podem ser criados com duas bobinas independentes, projetados para o número de polos que se acha necessário, obtendo assim, por meio de polos 3 reversíveis e com número reduzido de conexões, variação da velocidade síncrona do motor. Cada um desses enrolamentos pode então ser acoplado de forma a possibilitar duas velocidades, na razão de 2:1, obtendo-se assim quatro velocidades síncronas independentes; contudo, não poderão proporcionar quaisquer velocidades intermediárias. No caso de motores de indução em que o rotor é bobinado temos a possibilidade de obter qualquer velocidade desde parado até a velocidade de sincronismo da rede mediante a alteração de uma simples resistência acoplada ao bobinado do rotor. Outra técnica de regulagem de velocidade nos motores de corrente alternada é a qual permite obter no eixo uma velocidade que pode ir desde parado até duas vezes a velocidade nominal, é a decalagem das escovas (mudança de posição das escovas). Outro método de controle de velocidade nos motores de indução é através do uso de um inversor de frequência, o qual possibilita o controle do motor CA variando a frequência. Na Figura 1 vemos um exemplo de inversor de frequência. Nos motores de corrente contínua, a velocidade pode ser regulada pela conexão de um reostato no circuito de campo, para proporcionar ajustes no fluxo. Figura 1 – Inversor de frequência da WEG Fonte: <http://www.weg.net/catalog/weg/BR/pt/Automa%C3%A7%C3%A3o-e-Controle- Industrial/Drives/Inversores-de-Frequ%C3%AAncia/OEM-Uso-Geral-e-Sistemas/Inversor-de- Frequ%C3%AAncia-CFW11/INVERSOR-BRCFW110002B2OWZ/p/13285447> 4 Proteção mecânica Os motores têm a necessidade de serem protegidos tanto para a proteção do operador como contra influências danosas externas para o próprio motor, sendo de extrema importância satisfazer as premissas de segurança, prevenção de acidentes e incêndios. A carcaça do motor tem a função de fixação no lugar de trabalho conforme as condições ambientais onde será fixada. A primeira proteção que devemos levar em consideração é o motor necessitar ser a prova de pingos e respingos, ou seja, todas as partes rotativas, ou sob tensão, devem estar protegidas contra água gotejante de todas as direções, não permitindo a entrada indireta ou direta de gotas ou partículas de líquidos ou objetos sólidos que se derramem ou incidam sobre o motor. A segunda proteção significativa é o motor totalmente fechado que é de tal forma construído que não há comutação entre o meio externo com o interno. Esses motores podem ter refrigeração interna, dependendo do uso. Já terceira proteção que podemos levar em consideração é o motor a prova de explosão que são idealizados para operar em ambientes cheios de gases e poeiras, que são susceptíveis ao perigo de inflamação. Esses motores não podem gerar faíscas nem aquecimento elevado. Proteção elétrica: Qualquer motor tem a possibilidade de sofrer variações no quesito elétrico. Existe, portanto, uma necessidade de protegê-lo. Na maioria das vezes, as proteções principais são contra: curto-circuito, sobrecarga, baixa tensão, fase aberta, reversão de fase, defeitos internos, entre outros. Na indústria você verá vários tipos de maquinas e processos que serão controlados por comandos elétricos. Na figura 2, temos o exemplo de painel elétrico. 5 Figura 2 – Painel elétrico Fonte: <http://www.solucoesindustriais.com.br/empresa/eletricidade-e-eletronica/twe- montagens/produtos/energia_e_meio_ambiente/painel-eletrico-industrial> Dentro do painel elétrico estão localizados os elementos de um circuito de acionamento e proteção dos motores elétricos, mas antes devemos analisar as premissas de um painel elétrico, que são: proteger o operador e propiciar uma lógica de comando. Começando nossa análise do ponto de vista da proteção do operador, existe uma sequência global dos componentes necessários à partida e à manobra de motores. Essa sequência é exemplificada na Figura 3. Nessa sequência, podemos identificar os seguintes elementos: Seccionamento: é extremamente importante que este componente seja operado sem carga. Ele é normalmente acionado na manutenção e na verificação do circuito. Proteção contra correntes de curto-circuito: destina-se a proteção dos condutores do circuito terminal. Proteção contra correntes de sobrecarga: para proteger as bobinas do enrolamento do motor. Dispositivos de manobra: destinam-se a
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