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1 EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO Methodio Varejão de Godoy EQUIPAMENTOS DE UTILIZAÇÃO 1. OBJETIVO: Este texto tem por objetivo estudar os equipamentos de utilização de energia elétrica e dando ênfase aos aspectos relacionados à instalação elétrica desses equipamentos. 2. INTRODUÇÃO Os equipamentos de utilização são equipamentos que convertem ener- gia elétrica em outras formas de energia como energia mecânica, térmica, lu- minosa... Figura 1 – Equipamentos de utilização Os equipamentos de utilização se classificam em três grupos: o dos aparelhos de iluminação, o dos equipamentos não industriais e o dos equipa- mentos industriais. Os aparelhos de iluminação estão presentes em todos os tipos de local e de instalação, podendo ser classificados tomando como base o tipo de fonte utilizada, em: Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 2 a) Aparelhos incandescentes, que utilizam lâmpadas incandescentes; b) Aparelhos de descarga, que utilizam lâmpadas a descarga, isto é, fluorescentes, a valor de mercúrio, a vapor de sódio, mistas, de multivapores metálicos etc. Os equipamentos industriais são os utilizados nas áreas de produção das indústrias e são usualmente classificados em: a) Equipamentos de força motriz ou motores, incluindo compressores, ventiladores, bombas, equipamentos de levantamento (elevadores, guindastes etc.) e equipamentos de transportes (pórticos, pontes rolantes, correias transportadoras etc.); b) Máquinas-ferramentas, incluindo desde os tornos e fresas até as máquinas operatrizes mais potentes e/ou sofisticadas; c) Fornos elétricos, que são os fornos a arco, a resistência e de indução; d) Caldeiras elétricas, constando das caldeiras a resistência e a eletrodo; e) Equipamentos de solda elétrica; f) Equipamentos de conversão, que são basicamente os retificadores e os grupos motogeradores usados na conversão de correntes. Os equipamentos não-industriais são utilizados em locais comerciais, residenciais e até mesmo em indústrias ou plantas industriais fora das áreas de Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 3 produção (nos escritórios, depósitos, laboratórios...). Eles podem ser classifica- dos em: a) Aparelhos eletrodomésticos destinados à utilização residencial ou análoga como enceradeiras, aspiradores de pó, liquidificadores... b) Aparelhos eletroprofissionais destinados a esytabelecimentos comerciais e de prestação de serviços como máquinas de escrever, computadores, balanças ... c) Equipamentos de ventilação, aquecimento e ar condicionado, que são todos os equipamentos impostos pelos sistemas de ventilação, aquecimento ambiental e ar condicionado; observe-se que os ventiladores e circuladores de ar portáteis, bem como os condicionadores de ar individuais (de parede ou janela) e os aquecedores de ambiente portáteis, são considerados "eletrodomésticos"; d) Equipamentos hidráulicos e sanitários, incluindo todos os equipamentos associados aos sistemas hidráulicos e sanitários dos prédios, tais como bombas de recalque, compressores de ar, bombas de vácuo, bombas de esgoto, ejetores de poços etc.; e) Equipamentos de aquecimento de água, incluindo aquecedores e caldeiras utilizados para aquecimento de água em prédios e excluindo os chuveiros, torneiras elétricos e aquecedores residenciais, classificados como "eletrodomésticos"; f) Equipamentos de transporte vertical, incluindo os elevadores, as escadas rolantes e os monta-cargas; g) Equipamentos de cozinhas e lavanderias, assim considerados os equipamentos utilizados em cozinhas e lavandeiras industriais, Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 4 comerciais e institucionais, excluídos os "eletrodomésticos" típicos de cozinhas e lavanderias residenciais e de pequenas cozinhas comerciais; h) Equipamentos especiais, que são aquelas que não se enquadram nas categorias anteriores, tais como equipamentos hospitalares, equipamentos de laboratórios etc. Nos equipamentos de utilização, os equipamentos a motor constituem a grande maioria dos equipamentos industriais e boa parte dos equipamentos não-industriais. Figura 2 – Motor elétrico trifásico Os motores elétricos são dispositivos que convertem energia elétrica em energia mecânica para as mais diversas aplicações. A ação motora é apro- veitada no acionamento de diversos tipos de máquinas e equipamentos, que podem ser classificados nos seguintes grupos: • Transporte de fluidos incompressíveis, • Transporte de fluidos compressíveis, • Processamento de materiais metálicos, • Processamento de materiais não metálicos, • Manipulação de cargas, • Transporte de cargas e de passageiros. Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 5 As bombas de água ou de óleo são exemplos de máquinas acionadas por motores elétricos dentro do grupo de transporte de fluidos incompressíveis. Ventiladores, compressores e exaustores classificam-se no grupo de transporte de fluidos compressíveis. No processamento de materiais metálicos, encon- tram-se inúmeras máquinas operatrizes, tais como: furadeiras, prensas, tomos e frezas, entre outras. Existe um grande número de máquinas e equipamentos acionados por motores classificados como: processamento de materiais não metálicos, tais como: máquinas para processamento de madeiras (serras de fita e circulares, lixadeiras e furadeiras), produtos alimentícios (extrusora de massas, moinhos e descascadoras), produtos cerâmicos (marombas; e prensas), produtos quími- cos (reatores e misturadores), produtos plásticos (injetoras e extrusoras), pro- dutos agrícolas (picadores, ordenhadeiras e trituradores), além de incontáveis outros nos setores de cimento, papel e celulose, vidro, etc. Outra enorme apli- cação de motores elétricos no processamento de materiais não metálicos são os aparelhos eletrodomésticos. Na manipulação de cargas, os motores elétri- cos acionam elevadores, escadas e pontes rolantes, talhas, guindastes e cor- reias transportadoras, entre outros. Trolebus, metrô, trens e carros elétricos são exemplos de equipamentos para transporte de cargas e de passageiros que utilizam motores elétricos para tração. Concluindo, pode-se afirmar que o motor elétrico é a máquina mais lar- gamente utilizada na indústria, no meio rural, no comércio, nos serviços e nas residências. Os motores são fabricados desde potências minúsculas de alguns watts, até potências gigantescas de milhares de quilowatts. Estima-se que mais de 40% de toda energia elétrica consumida no país seja destinada ao aciona- mento de motores elétricos em geral. No setor industrial como um todo, pouco mais da metade da energia elétrica é consumida por motores. São comuns as indústrias nas quais mais de 80% do consumo de energia elétrica é de respon- sabilidade dos motores. Existem diversos tipos de motores elétricos, os quais são divididos em dois grandes grupos. O grupo dos motores acionados por corrente contínua (motores cc) e o dos motores acionados por corrente alternada (motores ca). Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 6 Os motores de corrente contínua são de custo elevado e necessitam de uma fonte de corrente contínua ou retificada, podendo funcionar com veloci- dade ajustável entre limites amplos. São empregados onde são exigidos con- troles de grande flexibilidade e precisão, sendo seu uso restrito a aplicações em que essas propriedades são necessárias, como a tração elétrica, processos automáticos de produção etc. Os motores de corrente alternada sãoos mais usados, se dividem em dois grupos o dos motores síncronos e o dos assíncronos. Os motores síncronos são motores de velocidade fixa e são amplamen- te utilizados para acionamento de grandes cargas com grandes potências. Para o acionamento de pequenas cargas, eles são pouco empregados devido ao seu custo elevado em relação aos motores assíncronos. O motor síncrono possui como característica especial, possuir um ele- vado fator de potência e com capacidade de se controlar automaticamente, po- dendo ser empregado para correção do fator de potência, necessitando apenas de fonte de corrente contínua para sua excitação (excitatriz) e de um equipa- mento de controle associado (regulador de tensão). A Figura 3 apresenta um motor síncrono. Figura 3 – Motor síncrono Os motores assíncronos ou de indução funcionam com velocidade va- riando ligeiramente com a carga mecânica aplicada ao eixo. A medida que a carga mecânica vai aumentando, o motor vai perdendo um pouco de velocida- de, diz-se que nessa situação o motor escorrega. Os motores assíncronos são classificados em dois grupos: os dos mo- tores de rotor bobinado e os de rotor em gaiola. Devido a sua grande robustez Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 7 e baixo custo, os motores de indução são os mais utilizados, principalmente os do tipo gaiola. Figura 4 – Motores de rotor bobinado Os motores de rotor bobinado vem sendo empregados ao longo dos anos em acionamentos onde se necessita de um controle de torque em amplas faixas de velocidade. Com os avanços da eletrônica de potência (inversores de freqüência) os motores de indução em gaiola vêm ampliando cada vez mais sua participação nessas aplicações. 3. CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS NOMINAIS Os equipamentos de utilização são caracterizados por valores nomi- nais, especificados e garantidos pelos seus respectivos fabricantes. As caracte- rísticas elétricas usualmente informadas são: • Corrente nominal (IN) é a corrente cujo valor é especificado pelo fabricante do equipamento, usualmente expressa em A; • Tensão nominal (UN) é a tensão atribuída a um equipamento por seu fabricante em V; Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 8 • Potência nominal (PN ou SN) é a potência de entrada atribuída pelo fabricante, quando o equipamento funciona sob tensão e freqüência nominais, na temperatura normal e com carga normal ou na condição adequada de dissipação de calor, em W, kW ou VA, kVA; • Fator de potência nominal (cosφN ou FPN ) pode ser definido como a razão da potência nominal ativa (PN) para a potência aparente nominal (SN) • Freqüência nominal (em Hz) freqüência atribuída pelo fabricante e à qual são referidas as outras grandezas nominais do equipamento. No caso de equipamentos de utilização a motor, define-se como potên- cia nominal como sendo a potência mecânica útil disponível no eixo do motor (em kW ou CV), isto é, a potência de saída desse motor. Analogamente, para certos aparelhos de iluminação, a potência nominal indicada é a potência (total) das lâmpadas. Em ambos os casos deve ser considerado o rendimento (ηNOM), razão da potência de saída, que designamos por PS para a potência de entrada PE. Figura 5 – Rendimento nominal Assim: E S NOM P P=η Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 9 Exemplo: Obtenha a corrente nominal qua alimenta um motor de indução trifásico de 15 CV, 380 V, rendimento nominal de 0,88 e fator de potência nominal de 0,88. Solução: Figura 6 – Motor trifásico de induçaõ com rotor em gaiola de 15 CV A corrente nominal para o motor trifásico de 15 CV pode ser obtida pela seguinte equação: A,I ,.,.. .,.I FP..V. PI NOM NOM NOMNOMNOM NOM NOM 621 8808803803 10736015 3 3 = = η= Nos aparelhos de iluminação a potência consumida, PN, por um apare- lho de iluminação incandescente é a soma das potências nominais das lâmpa- das, PL. A corrente nominal, IN, será obtida a partir da expressão a seguir: Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 10 N L N U PI = Para as lâmpadas fluorescentes e de descarga, a corrente pode ser ob- tida pela expressão: )cos(.U PPI NN LREATOR N ϕ += onde PL é a soma das potências nominais das lâmpadas e PREATOR é a potência dissipada no reator ou nos reatores. Para aparelhos fluorescentes, na falta de dados mais precisos para o fator de potência, podem ser adotados os valores: • 0,6 para aparelho de iluminação não compensado; • 0,86 para aparelho de iluminação compensado; e • 0,96 para aparelho com reator eletrônico. E para as perdas no reator, pode ser considerado o valor: LREATOR P.25,0P = 4. APARELHO ELÉTRICO O termo aparelho elétrico designa equipamentos que consomem ener- gia elétrica para a realização de sua função principal. Os aparelhos são prati- camente equipamentos de utilização não industrial. Os termos aparelhos ele- trodomésticos e aparelho eletroprofissional correspondem ao termo “appliance” definido pelo NEC - National Electrical Code norte-americano. Define-se dispositivo elétrico, como sendo a unidade de um componen- te que utiliza energia eletromagnética para cumprir uma ou mais das seguintes funções: Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 11 • Manobra: é a mudança na configuração elétrica de um circuito, realizada manual ou automaticamente par dispositivo adequado e destinado a essa finalidade; • Comando: é uma ação humana ou de dispositivo automático que modifica o estado ou a condição de determinado equipamento; • Proteção: é a ação automática provocada por dispositivos sensiveis a determinadas condições anormais que ocorrem num circuito, no sentido de evitar danos a pessoas e animais e/ou a um sistema ou equipamento elétrico; e • Seccionamento: é a ação de desligar completamente um equipamento ou circuito de outros equipamentos ou circuitos, provendo afastamentos adequados que assegurem condições de segurança especificada. EXERCÍCIOS 1. Qual a diferença entre o conceito de “appliance” definido pelo NEC - National Electrical Code norte-americano e equipamentos de utilização? 2. Como se classificam os equipamentos de utilização de uso não industrial? 3. Como se classificam os equipamentos de utilização de iluminação? 4. Obtenha a corrente nominal para alimentação de uma lâmpada de 40 W, com seu respectivo reator não compensado. 5. Como se pode calcular o consumo de um ar condicionado dentro de uma residência? Qual a diferença para o cálculo do consumo de uma lâmpada incandescente de 60 W? Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 12 6. O que significa um eletrodoméstico ter o selo do PROCEL? 7. Para o motor de indução de rotor em gaiola de 15 CV apresentado na Figura 6 obtenha as correntes para 50% e 75% da carga nominal. Compare com com o valor da corrente para 100% da carga nominal. 8. Obtenha as correntes que alimentam um ventilador de mesa de potência máxima 80 KW fabricado para 220 V com quatro velocidades (Figura 7). Preencha a Tabela 1 e analise por que mesmo com a potência sendo reduzida nas demais velocidades, a corrente não cai na mesma proporção? Figura 7 Figura 8 Tabela 1 VELOCIDADE POTÊNCIA FATOR DE POTÊNCIA CORRENTE (A) MÁXIMA 80 W 0,80 ALTA 72 W 0,72 MÉDIA 64 W 0,65 BAIXA 55 W 0,57 Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 13 9. Obtenha o fator de potência de cada um dos aparelhosde ar condicionado para 220 V que estão apresentados na Figura 9. Figura 9 10. Determine a corrente num circuito terminal que alimenta quatro pontos de luz, cada um com duas lãmpadas de 60 W em 220 V. Obtenha a energia consumida mensalmente pelos pontos de luz, admitindo uma utilização de três horas diárias para cada lâmpada. Calcule o custo dessa energia usando a tarifa CELPE em vigor para consumidor residencial. Substituindo essas lâmpadas incandescentes por fluorescentes compactas de 15W, qual a economia mensal proporcionada? Figura 10 Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 14 11. Determine a correção de fator de potência requerida para corrigir o fator de potência de um motor de indução trifásico de 10 CV (Figura 12) operando no seu fator de potência nominal para 0,92. A correção deve ser efetuada com capacitores trifásicos conectados em triângulo como os mostrados na Figura 11. Determine a redução de corrente no alimentador com a instalação da correção? Figura 11 – Capacitores Trifásicos Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 15 Figura 12 – Motor de indução trifásico de 10 CV 12. Analise usando a técnica do Valor Presente Líquido se vale a pena investir na troca uma lâmpada de 60 W incandescente em 220 V por uma fluorescente compacta de 15W. Use a tarifa CELPE em vigor para consumidor residencial e admita que a lâmpada é usada apenas três horas por dia. A vida útil dessas lâmpadas é apresentada na Figura 13. Admita que a taxa de juros é 10%. Analise o mesmo investimento usando o critério da taxa interna de retorno. Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 16 Figura 13 13. Conceitue equipamentos de utilização de energia e explique como eles estão classificados. 14. Em que tipo de equipamento de utilização se classificam: lâmpadas incandescentes, reatores eletrônicos, máquinas xerox, liquidificadores, aparelhos de ar condicionado, fornos elétricos, equipamentos de solda, computadores e motores elétricos. 15. Um circuito de tomada de uso geral de alimentação da copa e da cozinha de um apartamento foi projetada com três tomadas de 600 VA e duas de 100 VA. A tomada de 600 VA pode ser usada para alimentar um forno de microndas que possui os dados mostrados na Figura 14. O que fazer? Figura 14 – Dados de forno de microondas Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 17 16. O refrigerador cujos dados técnicos estão apresentados na Figura 15 pode ser alimentado numa tomada de uso geral de 100 VA? Figura 15 - Refrigerador 17. O freezer cujos dados técnicos estão apresentados na Figura 16 pode ser alimentado numa tomada de uso geral de 100 VA? Figura 16 – Dados técnicos de um freezer 18. Um circuito de iluminação interna da instalação elétrica de um consumidor alimenta quatro pontos de luz, com os dados listados Tabela 2. Obtenha a corrente que deve circular pelo condutor de baixa tensão quando todos os pontos de luz estiverem ligados. Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 18 Tabela 2 PONTO DE LUZ LOCALIZAÇÂO LÂMPADAS 1 QUARTO 1 DUAS INCANDESCENTES DE 40 W 2 QUARTO 2 UMA LÂMPADA FLUORESCENTE DE 20 W COM REATOR ELETROMAGNÉTICO 3 CORREDOR UMA LÂMPADA INCANDESCENTE DE 60 W 4 BANHEIRO UMA LÂMPADA FLUORESCENTE DE 15W COM REATOR ELETROMAGNÉTICO Figura 17 – Dados técnicos de reator e lâmpada fluorescente 19. Obtenha os dados de consumo de reatores eletrônicos, compare com os valores na questão anterior. 20. Analise os dados típicos dos eletrodomésticos mais usuais encontrados na grande maioria dos consumidores de baixa tensão, que foram retirados da NE-005 de Fornecimento de Energia Elétrica pela Rede Secundária de Distribuição, mostrados nas figuras a seguir. Identique os que não podem ser ligados em tomadas de 600 VA e 100 VA. O que fazer com os que tem potência acima de 600 VA? Explique. Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 19 Figura 18 Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 20 Figura 19 Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 21 Figura 20 Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 22 Figura 21 Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 23 Figura 22 Exercícios de Fixação – Equipamentos de Utilização 24 Figura 23
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