eletrotecnica industrial

C O M U N ID AD E EU R O P EIAF undo Socia l Europeu

Formação Modular

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Electrotecnia Industrial

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Produção apoiada pelo Programa Operacional Formação Profissional e Emprego, co-financiado pelo Estado Português, e pelaUnião Europeia, através do FSE.

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MODULFORM - Formação Modular


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ISQ - Instituto de Soldadura e QualidadeDirecção de Formação

ISQ - Instituto de Soldadura e QualidadeDirecção de Formação

Carlos Moreira

SAF - Sistemas Avançados de Formação, SA

ISQ / Alexandre Pinto de Almeida

OMNIBUS, LDA

SAF - Sistemas Avançados de Formação, SA

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Portugal, Lisboa, Julho de 2000

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Recurso a diapositivosou transparências

Recurso a software

Recurso a videograma

Actividades / Avaliação

Destaque

Índice

Objectivos

Resumo

Bibliografia

Caso de estudoou exemplo

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Electrotecnia Industrial IG . 1

Índice Geral

ÍNDICE GERAL

I - CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE ELECTRICIDADE

• Lei de Ohm I.2

• Circuitos série e paralelo I.11

• Grandezas alternadas I.15

• Diagramas vectoriais I.18

• Factor de potência I.21

• Fecho de um circuito monofásico I.22

• Fecho de um circuito trifásico I.24

• Resumo I.25

• Actividades / Avaliação I.26

II - TRANSFORMADORES

• Introdução II.2

• Transformadores de potência e de distribuição II.2

• Transformadores trifásicos II.9

• Protecção de transformadores II.14

• Manutenção de transformadores II.15

• Transformadores de medida II.16

• Resumo II.18

• Actividades / Avaliação II.21

III - GERADORES ELÉCTRICOS

• Direcção F.E.M. induzida III.2

• Força electromotriz gerada pela rotação de uma espira III.2

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Índice Geral

• Geradores industriais III.4

• Alternadores III.5

• Queda de tensão III.12

• Rendimento III.13

• Manutenção de geradores III.14

• Resumo III.15

• Actividades / Avaliação III.16

IV - MÁQUINAS DE CORRENTES CONTÍNUA

• Componentes básicos IV.2

• Enrolamento do induzido IV.2

• Enrolamento do indutor IV.3

• Aplicações dos motores de corrente contínua IV.4

• Resumo IV.5

• Actividades / Avaliação IV.6

V - MOTORES DE CORRENTE ALTERNA

• Introdução V.3

• Campo giratório V.3

• Motores monofásicos V.4

• Motores trifásicos de indução V.4

• Momento de rotação dos motores de rotor em curto-circuito V.6

• Ligação dos motores de indução V.7

• Sentido de rotação dos motores trifásicos V.8

• Motores síncronos V.9

• Protecção de motores eléctricos V.10

• Instalação e manutenção de motores V.11

• Resumo V.14

• Actividades / Avaliação V.15

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Índice Geral

VI - ILUMINAÇÃO

• Sistemas de iluminação Vl.2

• Fundamentos de um projecto de iluminação Vl.3

• Necessidade de manutenção de sistemas de iluminação Vl.8

• Programa de manutenção de um sistema de iluminação Vl.9

• Resumo Vl.15

• Actividades / Avaliação Vl.16

VII - CABOS ELÉCTRICOS

• Introdução Vll.3

• Elementos constituintes Vll.3

• Características eléctricas Vll.7

• Características mecânicas Vll.11

• Outras características Vll.11

• Marcação Vll.12

• Dimensionamento de cabos eléctricos Vll.12

• Manutenção Vll.14

• Resumo Vll.16

• Actividades / Avaliação Vll.17

VIII - INSTALAÇÕES ELÉCTRICAS

• Projecto Vlll.2

• Circuitos eléctricos Vlll.3

• Redes de terra Vlll.40

• Inspecções das instalações eléctricas Vlll.47

• Regulamentação e normalização Vlll.56

• Resumo Vlll.57

• Actividades / Avaliação Vlll.58

BIBLIOGRAFIA B.1

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Conceitos Fundamentais de Electricidade

Conceitos Fundamentais deElectricidade

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Electrotecnia Industrial I . 1


OBJECTIVOS

No final desta Unidade Temática, o formando deverá estar apto a:

• Identificar a Lei de Ohm;

• Aplicar a Lei de Ohm a circuitos de corrente alternada e corrente contínua;

• Definir grandezas alternadas, nomeadamente amplitude, período, frequência;

• Ler e interpretar diagramas vectoriais;

• Conhecer os vários tipos de potência;

• Diferenciar curvas de tensão e curvas de corrente num circuito eléctrico.

TEMAS

• Lei de Ohm

• Circuitos série e paralelo

• Grandezas alternadas

• Diagramas vectoriais

• Factor de Potência

• Fecho de um circuito monofásico

• Fecho de um circuito trifásico

• Resumo

• Actividades / Avaliação

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Componente Científico-Tecnológica

A

Gerador

U R

Interruptor

B

Lei de Ohm

A Lei de Ohm diz que "a diferença de potencial ou tensão (U) entre doispontos A e B (fig. l.1) de um circuito eléctrico é proporcional à intensidade dacorrente (I) que passa nesse circuito. À constante de proporcionalidade dá-seo nome de resistência (R).

(l.1)

Fig. l.1 - Lei de Ohm em corrente contínua

A intensidade (I) exprime o fluxo de corrente eléctrica no circuito e mede-seem Ampere (A).

A resistência (R) traduz a dificuldade à passagem da corrente eléctrica e mede--se em Ohm ( Ω ).

LEI DE OHM

Tensão ou diferença depotencial

Lei de Ohm

G

) . A =(V I . R = U Ω

A tensão ou diferença de potencial (U) corresponde à diferença de níveis deelectrização entre dois pontos de um circuito eléctrico e mede-se em Volts(V).

Resistência

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As seguintes expressões da Lei de Ohm são também dedutíveis:

IU

RouRU

I == (l.2)

Resistência e indutância

A Resistência é equivalente ao atrito mecânico que se opõe a qualquermovimento físico.

Fig. l.2 - Analogia com uma pedra de amolar

Imaginemos uma pedra de amolar velha, como ilustra a fig. l.2, com rolamentosenvelhecidos e enferrujados, provocando um grande atrito.

Se tentarmos rodar a manivela, mesmo devagar, teremos que vencer esseatrito, que, provocando calor, se traduz em perda de energia.

Outro tipo de oposição à tentativa de rodar a pedra é a sua inércia . Sepretendermos acelerar o movimento de rotação da pedra, teremos não só deaplicar-lhe uma força que vença o atrito, mas também uma força de aceleração,de modo a que a pedra ganhe velocidade.

Quanto maior for o peso da pedra e a aceleração desejada, maior terá queser a força a aplicar.

Também num circuito eléctrico com uma resistência é necessário existiruma tensão (pressão) que faça circular a corrente .

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Note: Quanto maior for a corrente (intensidade) pretendida, maior será a tensãoque necessitamos de aplicar.

A inércia num circuito eléctrico é chamada Indutância (é o equivalente eléctricoà energia cinética ) e é devida ao facto de qualquer circuito eléctrico causarmagnetização. O seu efeito é ampliado pela presença de ferro, que semagnetiza facilmente.

Alguns circuitos, especialmente aqueles sem bobinas e/ou sem ferro, têmresistência e uma pequena indutância desprezável , sendo chamadoscircuitos resistivos .

Outros circuitos que têm bobinas e particularmente aqueles com ferro, comoalternadores, motores e transformadores, têm tanto resistência comoindutância , sendo denominados circuitos "parcialmente Indutivos ".

Fig. l.3 - Circuito de corrente contínua

Nos casos em que a resistência , quando comparada com a indutância , étão pequena que pode ser desprezada, o circuito é chamado "indutivo puro ".

Na fig. l.3, uma tensão contínua é aplicada pelo fecho de um interruptor:

• A um circuito resistivo (Fig. I.3-a) ;

• A um circuito parcialmente indutivo , ou seja, com uma resistência euma indutância (Fig. I.3-b) ;

Indutância

Circuitos resistivos

U U

UU

RR

R

X

X

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No caso do circuito resistivo , a corrente aumenta imediatamente para umvalor determinado pela Lei de Ohm e permanece nesse valor.

RU

= I (l.3)

No circuito parcialmente indutivo , a corrente aumenta devagar, pois a tensãoaplicada tem que vencer primeiro a inércia do sistema. Quando a inércia forultrapassada, o valor de corrente atingirá um valor constante, determinadopela Lei de Ohm.

Considere a mesma figura, mas agora com uma tensão alternada aplicadada mesma forma pelo fecho de um interruptor a:

• Um circuito resistivo (Fig. I.3-c).

• Um circuito indutivo puro (Fig. I.3-d).

No caso do circuito resistivo , a tensão só tem a resistência para vencer ea corrente segue exactamente a tensão , sendo o seu valor em qualquerinstante determinado pela Lei de Ohm. Como os picos da onda de correntecoincidem com os picos da onda de tensão, diz-se que a corrente está emfase com a tensão.

No caso do circuito puramente indutivo , se o interruptor se fechar no instanteem que a tensão está num pico (maior valor) positivo, esta provoca o aumentoda corrente até à posição A onde a tensão é nula. Neste ponto, a tensão torna-se progressivamente mais negativa, opondo-se ao fluxo da corrente eprovocando a diminuição desta.

No ponto B, a tensão atinge o seu máximo negativo, a corrente passa por zeroe torna-se negativa.

Entre os pontos B e C, a tensão ainda é negativa, logo a corrente continua aser negativa.

No ponto C, a onda da tensão volta a ser nula e a corrente atinge o piconegativo Q.

A partir do ponto C, a tensão volta a ser positiva, opondo-se ao fluxo negativoda corrente, tornando-se a corrente "menos" negativa até atingir o zero nomomento D, repetindo-se o ciclo a partir daqui.

Na fig.(l.3.d) e (l.4.b) podemos ver ainda que a onda da corrente está atrasada¼ de ciclo (90º) relativamente à onda da tensão.

Como na prática, num circuito indutivo, há sempre alguma resistência, a ondada corrente estará atrasada menos de 90º (fig. l.4.b).

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L

Fig. l.4 - Correntes resistivas (a) e indutivas (b) e (c)

Reactância e impedância

A reactância (símbolo X) é uma medida da inércia , ou seja, uma força deoposição às variações da corrente eléctrica. Esta surge quando se submeteum circuito indutivo a uma tensão alternada.

O valor da reactância do circuito depende da sua indutância L e da frequênciaf da tensão aplicada, ou seja,

X = 2πf.L [ Ohms ] (l.4)

onde XL é a reactância e mede-se em Ohm (Ω), π é uma constante = (3,14), fé a frequência, isto é, o número de vezes que o mesmo fenómeno se repete emede-se em Hertz (Hz), L é a indutância e expressa-se em Henrys (H).

Como uma corrente reactiva está desfasada 90º de uma corrente resistiva ,a reactância (X) e a resistência (R) podem ser representadas por um triângulorectângulo, onde X e R são catetos e Z a hipotenusa.

Através teorema de Pitágoras, verifica-se que:

Z2 = R2 + X2 (l.5)

Reactância

t

t

t

t

U

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sendo R a resistência, X a reactância e Z a Impedância do circuito.

Fig. l.5 - Teorema de Pitágoras

A impedância mede-se em Ohm (Ω) e representa a dificuldade à passagemda corrente eléctrica.

A Lei de Ohm adaptada a circuitos de corrente alternada é representada por:

U = Z . I (l.6)

Existe ainda outra forma de reactância, (medida em Ohm), devido àcapacitância de um circuito que, de forma análoga a uma mola, num sistemamecânico, armazena energia.

Este tipo de reactância produz na corrente um avanço no tempo em relaçãoà tensão, ao contrário do que, acontece com uma indutância .

Nota: Em instalações industriais só se encontram valores apreciáveis decapacitância em cabos de energia longos, podendo, em termos gerais, o seuvalor ser desprezado. Deixa-se, pois, ao interesse do estudante, o estudo docaso de um circuito capacitivo que é feito de modo análogo ao expostoanteriormente.

Potência

Conforme já se afirmou, a tensão (U) é uma pressão e a corrente (I) umfluxo. Em circuitos eléctricos, a potência (P) é o produto destas grandezas,ou seja:

Em corrente contínua , a potência exprime-se em Watts pelo produto (U.I)pois U e I são quantidades fixas.

Impedância

Capacitância

Potência

Z

R

X

Z

R

X

90º

Z

R

X

Z

R

X

90º

Z

R

X

Z

R

X

90º

Z

R

X

Z

R

X

90º

Z

R

X

Z

R

X

90º

Z

R

X

Z

R

X

90º

Z

R

X

Z

R

X

90º

Z

R

X

Z

R

X

90º

X

R

Z

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P = U . I (l.7)

onde U vem em Volt (V) , I em Ampere (A) e P em Watt (W).

Em corrente alternada , a potência é, num dado instante, o produto da tensãoe da corrente nesse instante. No entanto, como aquelas grandezas sãovariáveis no tempo, a potência tem também um valor variável.

Fig. l.6 - Carga resistiva: Potência

Na fig. l.6, vemos uma tensão alternada a alimentar uma carga puramenteresistiva.

A onda superior representa a tensão alternada (U), a segunda representa acorrente (I), (que como vemos está em fase com a tensão) e a terceirarepresenta a potência (U.I) que em qualquer instante é o produto da tensão ecorrente nesse instante.

Nos instantese t0, t4, t8 , ambas as ondas são zero e, portanto, o seu produto étambém nulo.

Em qualquer outro instante, como a tensão e a corrente são ambas negativasou ambas positivas, o produto é sempre positivo com máximos em t2 e t6 .

0

Valor Médio

U

U.I

0

I

0

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Fig. l.7 - Carga indutiva: Potência

Ainda se pode observar que a potência tem uma frequência dupla dafrequência da tensão e é sempre positiva, sendo o seu valor médio a meiaaltura entre os picos e os zeros de potência .

Na fig l.7 , a onda superior representa a tensão (U), a segunda representa acorrente (I), desfasada em atraso de 90º e a terceira a potência (U.I) em cadainstante.

Analisando a fig. l.7, verificamos que:

No 1º- quarto de ciclo Tensão positiva, corrente negativa, logo potêncianegativa.

No 2º- quarto de ciclo: Tensão positiva, corrente positiva, logo potênciapositiva.

No 3º- quarto de ciclo: Tensão negativa, corrente positiva, logo potêncianegativa.

No 4º- quarto de ciclo: Tensão negativa, corrente negativa, logo potênciapositiva.

Como em A, C, E, G e J, ou a tensão ou a corrente são nulas, a potênciatambém é nula.

A onda da potência (U.I) tem uma frequência dupla e simétrica relativamenteà linha do zero da onda da tensão , sendo a potência média igual a zero.

Zero Watts

U

0

0

0

t

t

l

U. I

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No caso mais geral, em que o circuito tem uma carga parcialmente resistiva eindutiva, aplicando-se o mesmo processo de multiplicação da tensão e dacorrente em qualquer instante, a forma de onda de potência terá igualmentedupla frequência, mas não será simétrica em relação à linha de zero, pelo queo seu valor médio será positivo, ficando entre o zero e o valor mediano dospicos(fig. l.6). A componente activa da potência terá um valor entre o valor máximodo caso da carga resistiva e o zero da carga puramente indutiva.

Factor de potência

Das figuras anteriores, conclui-se que só é transmitida potência se umaresistência estiver presente.

No caso de uma carga indutiva, os valores medidos no voltímetro (V) e noamperímetro (A) não representam uma potência verdadeira, mas sim umapotência aparente (S).

Fig. l.8 - Triângulo das potências

Em corrente alternada há a considerar três potências distintas: a potênciareal , activa ou simplesmente potência (P), a potência reactiva (Q) e apotência aparente (S), cujas relações se podem tirar pelo triângulo da fig. l.8.

S = U.I

P = S.Cosϕ = U.I.Cosϕ (l.8)

Q = S.Senϕ = U.I.Senϕ

A potência aparente (S) medida em VA (Volt- Ampere), a potência real (P)medida em W (watt) e a potência reactiva (Q) medida em VAr (Volt-amperereactivo).

Ao co-seno do ângulo de desfasamento (cosϕ), entre a tensão e a corrente,chama-se factor de potência .

Potência realPotência reactivaPotência aparente

Factor de Potência

ϕ

S

Q

P

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Circuitos série e paralelo

No lado esquerdo da fig. l.9, estão ligadas 2 resistências (R1 e R2 ) em série .Se uma tensão (U) for aplicada entre o par de resistências, a corrente (I) écomum e pela Lei de Ohm:

(l.9)

Fig. l.9 - Resistência equivalente

Se R for a resistência equivalente, ou seja, uma resistência que absorva acorrente I, então:

U = R.I (l.10)

e ainda

(l.11)

CIRCUITOS SÉRIE E PARALELO

Resistência equivalente

R.I

R.I

U UU

U

I ).R + (R = I . R + I . R = U2121

I ).R + (R I . R 21

=

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(I.12)

Ou seja, a resistência equivalente , num circuito série, é a soma dasresistências individuais, sendo esta expressão válida, quer em correntecontínua, quer em corrente alternada, se aquelas forem resistências puras.

Circuito com resistências em paralelo

No lado direito da fig. l.9, estão ligadas 2 resistências em paralelo . Se foraplicada uma tensão aos seus terminais, a corrente dividir-se-á, mas a tensãoem ambas será a mesma.

Pela Lei de Ohm, as correntes nos dois ramos serão:

22

11 R

U = I e

RU

= I (l.13)

sendo a corrente total

(l.14)

Se for R a resistência equivalente, então

(l.15)

(l.16)

21 RRR +=

)R1

+ R1

U.( = RU

+ RU

= I + I = I2121

21

I . R= U

)R1

+ R1

( . U = RU

21

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ou seja,

(l.17)

O inverso da resistência equivalente ( 1

R) num circuito paralelo é a soma

dos inversos das resistências individuais , (1

R

1

R1 2

+ ) tanto para circuitos de

corrente contínua como alternada, se aquelas forem resistências puras.

Impedâncias em série

O mesmo raciocínio pode ser aplicado em impedâncias, num circuito decorrente alternada, em série. Deve, no entanto, recordar-se que num circuitocom uma resistência, a corrente que nele passa está em fase com a tensão,fig. l.6, e num circuito com uma reactância, a corrente terá um desfasamentode 90º em atraso, fig. l.7.

Como quantidades que fazem ângulos rectos não podem ser adicionadasalgebricamente, mas, sim, vectorialmente, temoS:

(l.18)

Considere-se a fig. l.10, onde à esquerda se representa uma resistência Rem série com uma reactância X.

Fig. I.10 - Impedâncias equivalentes

U U U U

Resistência equivalente

21 R1

R1

R1 +=

CBA =+

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Se I for a corrente através de X e de R, as quedas de tensão são ( R.I )e (X.I), sendo o valor da tensão U representado pela soma vectoria l de IR e IX

(l.19)

Se Z for a impedância equivalente a R e X, então:

(l.20)

(l.21)

ou, numericamente,

Z2 = R2+X2 (I.22)

Impedâncias em paralelo

Na direita da fig. l.10, R e X estão em paralelo. Seguindo-se um raciocínioidêntico, e considerando Z como a impedância equivalente , obter-se-á:

(l.23)

ou numericamente

(l.24)

Nota: Um raciocínio idêntico poder-se-ia fazer, caso os circuitos tambémenglobassem capacitâncias. Deixa-se esse exercício ao cuidado dosestudantes.

Impedânciaequivalente

( ) I.XRUouI.XI.RU +=+=

I.ZU =r

X + R = Zrrr

X1

R1

Z1 +=

)X

1

R

1(

Z1

22+=

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Período

GRANDEZAS ALTERNADAS

Uma corrente ou tensão alternada é periódica, ou seja, repete-se a si própriaexactamente após um período ou ciclo .

Fig. I.11- Movimento harmónico simples

Na sua forma ideal, uma grandeza alternada pode ser representada por umaforma de onda sinusoidal pura . (Ver figura l.11).

Na prática, as ondas raramente são puras pois têm alguma distorção,(verfig.I.11b) mas, nas unidades formativas que se seguem, consideraremos queas tensões e correntes têm a forma sinusoidal pura.

Chamamos amplitude (A) à distância vertical entre a linha central e o pico daonda . Se uma grandeza alternada, se repete f vezes por segundo, a essevalor de f chama-se frequência da grandeza e mede-se em Hertz (Hz).

A grandeza alternada gerada por uma máquina rotativa pode ser explicadapela fig. l.12, onde se representa uma barra (OP) de comprimento A, rodandono ponto 0 a uma velocidade angular (ω) constante.

Período

Am

plitu

de

U

U I

I

(a)

(b)

t

t

Am

plitu

de

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Fig. I.12 - Grandezas alternadas

Se o deslocamento angular ϕ (radianos) da barra, desde o momento inicial,t = 0 demora um tempo t (segundos), então, a sua velocidade angular ω édada por:

tϕ=ω ( rad/s ) (l.25)

e mede-se em ( rad/s - radianos por segundo).

Se o ponto N no eixo vertical que passa por O é a projecção do ponto P, entãoN move-se verticalmente para cima e para baixo, no que se designa por"movimento harmónico simples ", sendo o comprimento ON uma grandezaalternada pura.

Em qualquer instante, o valor de ON será:

(l.26)

O valor máximo do comprimento ON é igual a OP e designa-se por amplitude(A).

O ponto N completará um ciclo completo no período de tempo em que Pcompleta um ciclo correspondente a uma rotação de 360º (2π radianos), àvelocidade angular constante de ϕ/t radianos, por segundo.

Movimento harmónicosimples

Velocidade angular

)s/rad(tϕ

Período

Amplitude= OP=APN

A

O t=0

ϕ (rad)

ϕ= Sen.AON

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O número de ciclos por segundo, ou frequência , f, conforme já definido, seráentão:

(l.27)

e como

(l.28)

A expressão para o movimento harmónico simples será, portanto:

(l.29)

Supondo que N é a caneta de um registador gráfico, com o papel a mover-seda esquerda para a direita, a velocidade constante, a curva desenhada é umaonda sinusoidal pura, que representa, portanto, qualquer grandeza alternada(ON) de amplitude A e frequência f.

Esta expressão contém variáveis mensuráveis por instrumentos, sendo t otempo em segundos, f a frequência em Hertz e A a amplitude ou valor depico da onda.

Nos primeiros instrumentos de corrente contínua, a amplitude era medida porum amperímetro analógico, em que a deflexão do ponteiro dependia doquadrado da corrente.

Nos instrumentos de corrente alternada, a deflexão também dependia doquadrado da corrente. No entanto, como a corrente varia contínua ealternadamente, o instrumento era sensível à média do quadrado da correntee não à média da corrente.

A corrente indicada pelo aparelho seria, assim, a raíz quadrada da média doquadrado da corrente, ou seja, ao que se designa "corrente eficaz ".

Como todos os instrumentos operam em valores eficazes da corrente ou datensão, é este valor que se utiliza para especificar grandezas alternadas e nãoo valor da amplitude.

Se a grandeza é uma onda sinusoidal pura, o valor eficaz ( Aef ) e a amplitude(A) estão relacionadas pela expressão:

(l.30)

Amplitude

Corrente eficaz

Valor eficaz

t.f.2sejaout.2

f πϕπϕ=

ϕ= Sen.AON

( )t.f.2Sen.AON π=

efA.2A =

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Fig. l.13 - Amplitude e valor eficaz de grandezas alternadas

Na fig. l.13 (a), representa-se uma curva da corrente em função do tempopara uma grandeza alternada pura, onde se assinala a amplitude (A) e ovalor eficaz

2

AAef = (I.32)

Na fig. l.13 (b), representa-se a curva da mesma grandeza correspondente aovalor do quadrado da corrente em função do tempo, onde se assinala o valormédio do quadrado da corrente .

Deve ter-se atenção para não confundir os valores de pico e eficazes degrandezas alternadas, sendo este último o normalmente usado, quando sefala em valores de tensão e corrente alternadas.

Os valores eficazes são importantes quando se analisa, por exemplo, osefeitos térmicos da passagem de corrente em cabos ou outros equipamentos,enquanto a amplitude é importante quando se analisam os esforçosmecânicos nesses componentes, se sujeitos a correntes de curto-circuitoou, ainda, quando se analisam problemas de isolamento.

As grandezas em corrente alternada têm valores numéricos, mas tambémuma relação de tempo entre elas. Embora os seus valores numéricos possamseguir uma forma de onda sinusoidal pura , os instantes em que atingem assuas amplitudes máximas podem ser diferentes estando uma em atraso ouem avanço em relação às outras. Estas diferenças de tempo são expressas

DIAGRAMAS VECTORIAIS

Graus eléctricos

Valor eficaz

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Grandeza de referência

não em segundos mas como uma fracção do tempo de um ciclo, expresso em"graus eléctricos ", sendo a diferença angular a relação de fase entre essasgrandezas.

Fig. l.14 - Diagrama vectorial

Esta relação pode ser expressa por um diagrama , como se exemplifica nafig. l.14 onde (OA) representa a grandeza de referência (uma tensão), o seucomprimento representa o valor numérico da amplitude dessa grandeza e aseta a direcção tomada como referência. A linha OA é, por convenção,considerada a rodar no sentido contrário aos ponteiros do relógio a umavelocidade angular (ϕ) que provocará uma rotação completa durante umperíodo de tempo (t), OB representa outra grandeza (“uma corrente”) e oângulo ϕ representa o atraso dessa grandeza (OB) em relação à grandezade referência (OA).

Como consideramos que ambas têm o mesmo sentido de rotação, num dadoinstante, a relação entre as 2 grandezas será a representada na fig. l.14, c).

O caso que nos interessa é quando OA representa a tensão aplicada a umcircuito com uma impedância e OB representa a corrente que percorre essecircuito. Considerando que a impedância tem resistência e indutância, acorrente estará em atraso em relação à tensão de um ângulo que dependedo valor relativo das resistência e da indutância, e que é dado pela expressão:

(l.32)

Sendo X = 2 π f.L a reactância e R a resistência expressas em Ohm.

A situação descrita está exemplificada na fig. l.15.

Ângulo de fase

ϕ

ϕ

ϕ

A

B

RX

tan =ϕ

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Fig. l.15 - Relação corrente/tensão

Se X=0, então, tanϕ = 0, o que significa que não existe ângulo entre a correntee a tensão , que se dizem em fase.

Se R = 0, tanϕ é infinita o que significa que a corrente está em atraso 90º emrelação à tensão .

O mesmo raciocínio pode fazer-se para o caso de um circuito capacitivopuro , em que se concluiria que a corrente apresentaria um avanço de 90º emrelação à tensão .

No caso geral da maioria das aplicações práticas, o ângulo de fase estácompreendido entre 0 e 90º, dependente dos valores dos componentesresistivos, indutivos ou capacitivos da impedância , (fig. l.16).

Fig. l.16 - Relação corrente/tensão - caso geral

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Conforme já se referiu nesta unidade, a potência real ou activa fornecida ouabsorvida por uma máquina é expressa por:

P= U.I.Cosϕ (l.33)

Sendo P a potência em (Watt - W), U a tensão em (Volt - V), I a intensidadeem (Ampere - A) e cosϕ o factor de potência.

Esta expressão pode ser evidenciada a partir do diagrama vectorial da fig.l.17.

Fig. I.17 - Factor de Potência

Se OA representar a tensão , OB a corrente , e ϕ o ângulo entre eles, então,OP = I cosϕ e a potência real ou activa (P) é dada por:

(l.34)

P = U.I.Cosϕ ( em Watts). (l.35)

O valor de cos ϕϕϕϕϕ denomina-se o Factor de Potência .

Potência real ou activa

FACTOR DE POTÊNCIA

ϕ ϕ

U

O

OP.OAP =

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Do mesmo modo

(l.36)

Então, o produto OA x OQ representa a potência reactiva dada por:

Q = U.I.Senϕ (expressa em VAr) (l.37)

Se somarmos os quadrados das potências activa e reactiva, obteremos:

(I.38)

Chamamos potência aparente (S) ao produto (U.I) e esta é expressa emVolt--Ampere (VA).

S = U.I (l.39)

Conforme se referiu no início desta unidade formativa, quando se fecha umcircuito em corrente contínua, a corrente aumenta gradualmente de zero atéum valor constante. O grau da variação do valor dependerá da impedância docircuito.

Quando se fecha um circuito de corrente alternada, o comportamento ébastante diferente e irá ser descrito em termos gerais nesta secção.

A fig. l.18 mostra as curvas de tensão e corrente num circuito alternadoindutivo puro , em que os picos de corrente ocorrem no mesmo instanteque os zeros de tensão . A curva (b) mostra a onda da corrente antes edepois do fecho do circuito, que se assume ser feito num ponto M em que atensão é nula.

A linha a tracejado representa a forma de onda que a corrente deveria ter, oque significa que o seu valor deveria saltar de zero, no ponto M, para o seu

Potência aparente

FECHO DE UM CIRCUITO MONOFÁSICO

Curvas de tensão ede corrente

Potência reactiva

ϕ= Sen.IOQ

22222222 I.U)SenCos.(I.UQP =ϕ+ϕ=+

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máximo no instante imediatamente a seguir, o que obviamente não é possível.O que sucede é que a corrente aumenta de modo a que toda a onda de correntese movimenta em conjunto para cima de um valor igual à sua amplitude,conforme se mostra no traço grosso da curva (b), com um aumento gradualde zero até ao pico no mesmo instante em que a tensão é nula. Écompletamente assimétrica no instante do fecho do circuito, ganhandogradualmente simetria, alguns ciclos mais tarde. Quanto maior for a resistênciapresente, mais rapidamente se torna simétrica.

Fig. l.18 - Fecho de um circuito indutivo puro

Se, no entanto, o circuito foi fechado no ponto N em que a tensão está empico, curva (c), o efeito é diferente. No pico de tensão, a corrente atrasada de90º estaria em zero e não há, lugar a nenhuma mudança súbita no momentode fecho do circuito. Não há, nenhuma assimetria para compensar o salto e acorrente começa e mantem-se completamente simétrica.

As fig.I.18 (b) e (c) são dois casos extremos, para uma desfasagem em atrasode 90º, em que se fecha o circuito no instante de tensão nula ou no instante detensão máxima.

O caso geral é, normalmente, uma situação intermédia onde se verifica umaassimetria parcial.

No caso, ainda mais geral, de um circuito com componentes resistivos eindutivos, a corrente deve saltar do valor nulo, antes do fecho do circuito, paraum valor inferior ao pico no instante imediatamente a seguir.

Fig. l.19 - Fecho de um circuito parcialmente indutivo

U

U

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A assimetria para compensar este salto é inferior à da amplitude máxima,como se representa na fig. l.19.

No caso existe um circuito trifásico, as tensões nas 3 fases estão desfasadasde 120º entre si. Portanto, mesmo que o instante de fecho do circuito ocorranum pico ou num zero da tensão numa fase, nas outras fases os valores detensão estarão em valores intermédios. Ou seja, mesmo que numa fase acorrente seja totalmente simétrica ou totalmente assimétrica, nas outras duasfases, as correntes serão parcialmente simétricas. Isso é mostrado na fig.l.20, onde se considerou uma fase totalmente assimétrica, sendo as outrasduas 50% assimétricas em direcções opostas, num circuito puramenteindutivo .

Fig. l.20 - Fecho de um circuito trifásio (cosϕ = 0)

O problema da assimetria, durante o fecho de um circuito em redes trifásicas,é importante, especialmente no estudo das correntes de curto circuito. Noentanto, dada a sua complexidade, este problema não é estudado neste curso.

FECHO DE UM CIRCUITO TRIFÁSICO

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RESUMO

Um circuito eléctrico é constituído, em geral, por um gerador, um receptor,um interruptor e fios condutores.

A intensidade (I) da corrente mede-se em amperes utilizando amperímetros--instrumentos de medida de pequena resistência que são colocados em sérieno circuito.

A diferença de potencial ou tensão (U) é a diferença de níveis de electrização.A tensão mede-se em Volts, utilizando voltímetros-instrumentos de medidacom grande resistência, ligados entre os pontos cuja diferença de potencialse pretende medir.

Potencial (V) corresponde ao nível de electrização (considera-se nulo opotencial da terra).

A resistência (R) é a maior dificuldade à passagem dos electrões.

Corrente eléctrica é o movimento das dos electrões.

A Lei de Ohm diz-nos que " a diferença de potencial ou tensão (U) entre doispontos A e B (fig. l.1) de um circuito eléctrico é proporcional à intensidade dacorrente (I) que passa nesse circuito ". À constante de proporcionalidade dá-se o nome de resistência (R).

A Indutância traduz a inércia num circuito eléctrico.

A potência (P) corresponde ao trabalho realizado por unidade de tempo.

Em circuitos de corrente contínua puramente resistivos , a corrente segueexactamente a tensão. Se o circuito for indutivo, a corrente aumentaprogressivamente até um valor constante.

Em circuitos de corrente alternada puramente resistivos , a correntetambém segue exactamente a tensão.

No circuito indutivo puro , a corrente alternada estará desfasada de 90º daforma de onda da tensão.

No caso do circuito apresentar uma resistência e uma indutância , a correnteestará atrasada da onda da tensão de um valor inferior a 90º.

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Componente Prática

1. Uma resistência de 60Ω está ligada aos terminais de uma bateria de 12 V.

a) Calcule a intensidade de corrente que atravessa a resistência.

b) Enuncie a Lei de Ohm

2. Determinar a resistência equivalente ao agrupamento em série dasresistências de 60 Ω ,30 Ω e 20 Ω.

3. Calcule a reactância apresentada por um circuito indutivo a uma correnteeléctrica, sabendo que a frequência da corrente é de 60 Hz e a indutânciaé de 0,2 Henry.

4. Uma bobina, com 50 Ω de resistência e 0,2 H de indutância, é ligado a umarede cuja tensão é de 220V e a frequência é de 50 Hz. Determinar:

a) A impedância da bobina.

b) A intensidade da corrente na bobina.

c) O factor de potência.

d) A potência.

5. Uma resistência de 120 Ω está ligada a uma tensão de 48 V.

a) Calcule a intensidade de corrente que atravessa a resistência.

b) Enuncie a lei em que se baseou para efectuar os cálculos.

6. Um circuito eléctrico está a ser percorrido por uma corrente contínua de 0.5 A e encontra-se ligado a uma tensão de 50 V. Refira o valor da resistência no circuito.

7. Determinar a resistência equivalente ao agrupamento em paralelo dasresistências de 60 Ω, 30 Ω e 20 Ω .

8. Considere-se um circuito que tem em série uma resistência de 50 Ω, umaindutância de 0,25 henry e uma capacitância de 25 mF, alimentado poruma tensão alternada de 220 Volt, 50 Hertz.

Calcular:

a) A impedância do circuito;

b) A intensidade de corrente;

ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO

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Componente Prática

c) A tensão aos terminais da resistência;

d) A tensão aos terminais da indutância;

e) A tensão aos terminais da capacitância;

f) O factor de potência.

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Transformadores

Transformadores

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Electrotecnia Industrial II . 1

Transformadores

OBJECTIVOS


• Explicar o conceito de transformador;

• Descrever a constituição de um transformador;

• Definir relação de transformação de um transformador;

• Indicar as características eléctricas de um transformador;

• Descrever os tipos de ligações nos transformadores trifásicos;

• Identificar os diversos tipos de protecção de transformadores.

TEMAS

• Introdução

• Transformadores de potência e de distribuição

• Transformadores trifásicos

• Protecção de transformadores

• Manutenção de transformadores

• Transformadores de medida

• Resumo


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Transformadores


A corrente alternada deve a sua importância ao facto de poder ser produzidaeconomicamente, por meio de grandes unidades (alternadores de potênciasaté 700 MW); a sua tensão pode elevar-se ou reduzir-se facilmente, de modo aque a energia possa ser transportada com perdas reduzidas e condutores maisfinos, a grandes distâncias do ponto de produção (centrais eléctricas) ao pontode utilização (fábricas, escritórios, casas, etc.) .

A energia é normalmente produzida nas centrais a tensões de 6, 10, 15, 20 ouaté 25kV e elevada nas subestações de transformação a 150, 220 ou 400 kV.É, em seguida, transportada através de linhas de alta tensão até outrassubestações próximas dos centros de consumo, sendo a partir daí e emsubestações e postos de transformação reduzida a sua tensão até aos níveiscorrentes de utilização, 380/220 V (futuramente 400/230 V).

Os transformadores de potência e de distribuição são os órgãos principais,neste processo de transformação da corrente alterna, a uma dada tensão, noutrada mesma frequência, mas de tensão diferente. São máquinas eléctricasestáticas de dimensões variáveis conforme a sua potência, e de rendimento,próximo dos 100%.

Encontram-se também transformadores, por vezes, de muito reduzidasdimensões, em diverso tipo de equipamento eléctrico, nomeadamente aparelhosde rádio, som, vídeo, computadores, campainhas, brinquedos, etc. Na indústria,a utilização de transformadores é também muito comum.

Na medição e controlo da energia eléctrica, deparamo-nos com ostransformadores de medida, de que falaremos mais adiante.

Definições e aspectos construtivos

Um transformador é uma máquina electromagnética que transforma um nível devoltagem alterna num outro. É constituído, no mínimo, por dois enrolamentos eum núcleo.

Ao enrolamento que recebe a energia da fonte chamamos primário , e todos osvalores a ele respeitantes (tensão, corrente, potência) são referidos como tensãoprimária, corrente primária, etc. Às letras que os designam atribui-se o índice 1(U

1, I

1, P

1).

INTRODUÇÃO

TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E DE DISTRIBUIÇÃO

Primário e secundáriode transformadores

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Transformadores


Ao enrolamento que transmite a energia eléctrica recebida do enrolamentoprimário, por meio do fluxo magnético comum, chamamos secundário , e osseus valores característicos de tensão, corrente e potência chamados de tensãosecundária, entre outros, possuíndo as letras que os designam o índice 2 (U

2,

I2, P

2).

Ao enrolamento ligado à rede de mais alta tensão chamamos enrolamento dealta tensão (AT) e o outro, enrolamento de baixa tensão (BT).Transformador abaixador / elevador.

No caso de um transformador com um terceiro enrolamento, este chamar-se-áenrolamento terciário .

Um transformador em que a tensão no primário é superior à do secundáriochama-se abaixador (U

1>U

2).

Chamar-se-á transformador elevador aquele em que a tensão no primário éinferior à do secundário (U

1<U

2).

Os enrolamentos dos transformadores são constituídos por fios ou barras decobre, devidamente isolados para as tensões a que vão trabalhar. Esses fios oubarras de cobre são "enrolados" em torno do núcleo , constituído por finaschapas de material ferro-magnético.

O conjunto enrolamentos / núcleo está, na generalidade dos transformadoresde potência e de distribuição, contido no interior de um tanque ou cuba, cheiode óleo isolante, o qual tem como função adicional facilitar o arrefecimento dosenrolamentos, através a circulação por convecção nas alhetas ou radiadoresexteriores à cuba.

O ar ambiente em contacto com as alhetas "extrai" o calor contido no óleo.

Nos transformadores de grandes dimensões é usual o recurso a ventiladorespara o seu arrefecimento, dizendo-se, neste caso, que os transformadores têmum arrefecimento forçado (caso não se utilizem ventiladores, o arrefecimentodesigna-se por natural ).

A tampa da cuba contém os terminais para ligação aos cabos de alta ou baixatensão e outros acessórios.

Fig. ll.1 - Transformadores abertos e estanques

Enrolamento terciário

Transformadorabaixador / elevador

Enrolamentos e núcleos

Isolamento arrefecimento

Arrefecimento forçado

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De referir, ainda, que as cubas podem ser estanques ou abertas, sendo, nestecaso, os transformadores dotados de um depósito conservador de óleo.

Os transformadores de distribuição podem também ser do tipo seco , isto é, osenrolamentos não estão contidos numa cuba com óleo, mas são sim moldadosem resina sintética. Neste tipo de transformadores, o arrefecimento faz-segeralmente por meio de ventilação forçada.

Relação de transformação

No transformador da figura ll.2, a corrente I1 fornecida pelo gerador G circula noenrolamento primário P, induzindo no núcleo ferro-magnético um flux ο Φ,o qual,por sua vez, induzirá no enrolamento secundário S uma força electromotriz E2.

Devido a esta força electromotriz induzida , a corrente I2 circula no enrolamentosecundário. A energia eléctrica transfere-se, assim, do enrolamento primário Pao secundário S, por meio do fluxo magnético Φ , fluxo comum ou mútuo.

Fig. ll.2 - Transformador monofásico

Fig. ll.3 - Representação gráfica de um transformador monofásico

Se o número de espiras do enrolamento primário N1 for igual ao do secundário,N2, a tensão induzida no secundário é igual à do primário.

Transformadores tipo seco

Força electromotriz induzida( F.e.m. )

Φ

ΦΦ

Alternador

Primário Secundário

G

I1

N1

U2S

I2

U1

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Se, como acontece na maioria dos transformadores N1=N2, a f.e.m. total induzida(ou a tensão U nos mesmos originada) é directamente proporcional ao númerode espiras N do enrolamento. Assim:

2

1

2

1

2

1

U

U =

E

E =

N

N (ll.1)

Desprezando as perdas no transformador, isto é, nos seus enrolamentos e nonúcleo ferro-magnético, e aplicando a lei da conservação da energia, conclui-seque:

U1 .I1 = U2 .I2 (ll.2)

e assim:

2

1

2

1

2

1

N

N =

U

U =

I

I

(ll.3)

ou seja, as intensidades de corrente (I) nos enrolamentos primário e secundáriosão inversamente proporcionais ao número de espiras (N) e à tensão (U).

Ao quociente (U1/U

2) entre as tensões no primário e no secundário chama-

-se relação de transformação.

Características eléctricas

Num transformador , a corrente, que circula nos enrolamentos I1 e I

2, provoca o

aquecimento dos mesmos; este calor representa uma perda de energia, a quechamamos perdas no cobre . O seu valor (P

C) é dado pela soma dos produtos

do quadrado da intensidade (I2) pela resistência de cada enrolamento (R).

222

211C I.RI.RP += [ Watt] (ll.4)

Perdas no transformador

Relação de transformação

Perdas no cobre

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Por outro lado, verifica-se também que para a magnetização do núcleo de umtransformador é necessário dispender energia; a essa energia dá-se o nome deperdas no ferro, ou no núcleo , e é a soma das perdas de histerese e dasperdas originadas pelas correntes de Focault.

As perdas de histerese podem ser comparadas com as perdas devidas àfricção, e o seu valor depende das características do material de que o núcleoé formado. As substâncias com reduzidas perdas de energia durante amagnetização cíclica são designadas por substâncias magneticamentemacias . Alguns exemplos de tais materiais são o ferro macio, o silício, o aço,as ligas ferro-níquel, entre outros.

As correntes de Focault são correntes parasitas que circulam nos núcleosferro-magnéticos, originando o aquecimento do circuito magnético. A fim dediminuir estas correntes e as perdas que lhe são devidas, os núcleos magnéticossão construídos de finas chapas, em vez de blocos maciços de metal.

Tal como as perdas no cobre são proporcionais ao quadrado da corrente, asperdas no ferro são proporcionais ao quadrado do fluxo magnético.

Na prática, as perdas no ferro determinam-se com a ajuda de tabelas especiais,e o seu valor está normalmente compreendido entre 1,3 e 3 W/Kg.

A medição das perdas no cobre e no ferro de um transformador é feita atravésde ensaios. Pelo ensaio em vazio determinam-se as perdas no núcleo ferro--magnético , e pelo ensaio em curto circuito determinam-se as perdas nocobre ou nos enrolamentos. As perdas totais serão a soma daquelas duas.

Ensaio em vazio ou em circuito aberto

Fig. ll.4 - Ligações para o ensaio em vazio

A fig. ll.4 representa um transformador com a sua baixa tensão (BT) ligada a umgerador de corrente alterna (G) e a um auto-transformador ou divisor de tensão,e a alta tensão (AT) em circuito aberto.

No circuito primário estão ligados um wattímetro (W), um amperímetro (A) e umvoltímetro (V).

Perdas no ferro

Perdas de histerese

Correntes de Focault

Perdas totais

llll

llll

llll

llll

eeee

eeee

eeee

eeee

eeee eeeeeeeeeeeeeeeeeeee

G

A W

V

BTAT

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O voltímetro dá-nos a tensão entre os terminais do primário, o amperímetroa corrente em vazio, e o wattímetro a potência absorvida pelo transformadornestas condições, que corresponde às perdas no núcleo. De notar que a mediçãodeste valor deve ser corrigida, tendo em atenção as perdas no próprio wattímetroe no voltímetro.

Na fig. ll.5 está representada a curva das perdas no núcleo, que se obtém,medindo o valor W para vários valores da tensão. Verifica-se que as perdas nonúcleo são aproximadamente proporcionais ao quadrado da tensão.

Fig. ll.5 - Relação entre as perdas no núcleo e a tensão de um transformador

Um ligeiro aumento da tensão nominal do transformador produz um sensívelaumento das perdas no núcleo, as quais dão origem ao aumento da temperaturado transformador. É, portanto, de evitar fazer trabalhar um transformador emsobretensão, o que pode originar sobreaquecimentos perigosos.

Ensaio em curto-circuito ou de impedância

O Fig. ll.6 representa o transformador anterior, invertido e com a baixa tensãoem curto-circuito.

Verifica-se que a tensão necessária para fazer circular a corrente nominalnos enrolamentos se situa entre 3 a 5% da tensão nominal .

Assim, um transformador de 10 000 V/220 V necessitará apenas de 300 a 500V, no primário, para, com o secundário em curto-circuito, fazer circular nosseus enrolamentos a corrente nominal dos mesmos. A esta tensão, expressanormalmente em percentagem, dá-se o nome de tensão de curto-circuito erepresenta a queda de tensão no transformador sob carga nominal.

WattímetroAmperímetroVoltímetro

Perdas no núcleo

Sobreaquecimentos

Tensão de curto - circuito

de regime

Tensão

Tensão

Per

das

no n

úcle

o

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Fig. ll.6 - Ligações para o ensaio em curto-circuito

Neste ensaio, as perdas no núcleo são negligenciáveis pois que a tensão utilizadaé inferior a 5% da tensão normal de serviço. Mede-se, assim, o valor das perdasno cobre que é dado por:

222

211 I.RI.RP += (ll.5)

Nota: Conhecida a corrente no primário, não é necessário medir a corrente nosecundário, a qual se deduz da expressão:

2

1

2

1

1

2

U

U

N

N

I

I== (ll.6)

Grupos de ligação

Na fig. ll.7, assinala-se o sentido relativo das correntes nos enrolamentos deum transformador monofásico convencional:

A circulação da corrente no enrolamento secundário pode ter o mesmo sentidoda do primário, se tal for pretendido. Diz-se, assim, que num transformadormonofásico, o ângulo entre os vectores de alta tensão e de baixa tensão podeser aproximadamente igual a 0º ou 180º e os grupos de ligação, por analogiacom os ponteiros de um relógio, serão, desta forma, 12 (posição 0º ou das 12horas) ou 6 (posição 180º ou das 6 horas).

AW

G

/\/\/\/\/\/\/\

V

AT I1

I2

BTlllllllllllllllllll

eeee

eeee

eeee

eeee

eeee

eeee

ee

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Fig. ll.7 - Esquema do sentido relativo das correntes nos enrolamentosdo transformador monofásico e na carga

Este assunto será referido em mais detalhe quando tratarmos dostransformadores trifásicos, onde este aspecto se reveste da maior importânciapara o funcionamento em paralelo dos transformadores.

A produção de energia eléctrica é geralmente feita por geradores ou alternadorestrifásicos e o seu transporte e distribuição é feito por linhas aéreas ou cabostrifásicos.

Fig. ll.8 - Esquema de conversão de três transformadores monofásicos em um trifásico

Os transformadores de uso corrente em redes de distribuição são, por estarazão, também trifásicos.

TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS

A X

a x

I1

I2

I2

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Do ponto de vista do circuito eléctrico, um transformador trifásico é equivalentea três transformadores monofásicos.

A construção de um transformador com núcleo magnético como o da fig. ll.8 b)é demasiado complexa, pelo que actualmente os transformadores trifásicossão constituídos com o núcleo como o da fig. ll.8 c).

Fig. ll.9 - Corte parcial de um transformador trifásico com arrefecimento a óleo.Legenda: 1 - Rodas; 2 - Válvula para óleo; 3 - Cilindro isolante paraseparação dos enrolamentos; 4 - Enrolamento de AT; 5 - Enrolamento

de BT; 6 - Núcleo; 7 - Terminais de AT; 8 - Terminais de BT;9 - Conservador de óleo; 10 - Nível de óleo; 11 - Radiadores.

A assimetria das correntes de magnetização deste núcleo não tem importânciapois não modifica as relações básicas. Fisicamente, em cada momento, ofluxo de cada barra fecha-se através de duas outras barras do circuito magnético.

Um transformador trifásico, com uma dada potência, é de construção maiseconómica do que três transformadores monofásicos da mesma potência eocupa menos espaço, tendo menos peso.

Apenas com potências muito elevadas, da ordem dos 100 MVA ou mais, ostransformadores trifásicos dão lugar a grupos de três transformadoresmonofásicos, isto porque um transformador trifásico de tal potência seriademasiado pesado e volumoso para o seu transporte e instalação.

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Ligação dos transformadores trifásicos

Se ligarmos o lado de AT do transformador da fig. ll.8 c), como se representa nafig. ll.10, estamos perante uma ligação em triângulo ou em delta (D),

Fig. ll.10 - Ligação em triângulo ou delta (D)

pois, a mesma é equivalente ao esquema da fig. ll.11:

Fig. ll.11 - Esquema da ligação em triângulo

Ligação em triângulo

A B C

a b c

A

B C

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Se ligarmos os enrolamentos de BT, como mostra a fig. ll.12, estamos empresença de uma ligação em estrela, ou Y.

Fig. ll.12 - Ligação em estrela.

O esquema equivalente é o da fig. ll.13.

Fig. II.13 - Esquema da ligação em estrela

O ponto comum da ligação em estrela é chamado neutro (N) .

Um transformador que tenha o primário ligado em triângulo e o secundário emestrela designa-se abreviadamente por DY. Se o neutro for acessível, isto é,utilizado no lado do secundário, a designação abreviada do transformador seráDYN. Este é o caso mais comum do transformador de distribuição.A tensão em relação ao neutro é da tensão entre fases . Assim, se atensão entre as fases do secundário de um transformador for de 380 V, a tensãoentre as fases e o neutro é:

Tensão em relação ao neutro

Ligação em estrela

a

N

cb

3

1

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V4,2193

380 = (ll.7)

Na prática, a tensão dos sistemas de distribuição em corrente trifásica comneutro é indicada como 380/220 V. Futuramente, será utilizada a tensão dedistribuição de 400/230 V.

Grupos de ligação

É da maior importância que transformadores que se pretendam fazer trabalharem paralelo tenham o mesmo grupo de ligações. Nos transformadores trifásicos,as possibilidades de ligação dos enrolamentos primário e secundário sãovariadas. Tal como para os transformadores monofásicos, é também aqui utilizadaa analogia com as posições dos ponteiros de um relógio, para designar osdiferentes modos ou grupos de ligação. Se no transformador das figurasanteriores, o diagrama vectorial das tensões no primário e secundário for o dafig. ll.14,

Fig. ll.14 - Diagrama vectorial das tensões no primário e secundário

verifica-se que a tensão UAB

do primário forma com a tensão Uab

do secundárioum ângulo de 330º, correspondente à posição das 11 horas dos ponteiros deum relógio.

Fig. ll.15 - Posição correspodente ao ângulo de 330º

Grupos de ligação

A U ABU ab

U CA

CU BC

B330º U ab

a

bc U CNU BN

U aN

N

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Transformadores


Dir-se-á que o grupo de ligação deste transformador é 11. Outros gruposcorrentemente utilizados são 0, 5, entre outros.

Funcionamento em paralelo

Um regime de funcionamento em paralelo significa que se pode ligar emparalelamente o primário e o secundário de dois ou mais transformadores. Paraassegurar este funcionamento e uma correcta repartição de cargas é necessárioque sejam iguais:

• As tensões nominais primárias e secundárias;

• As impedâncias de curto-circuito;

• Os grupos de ligação .

O custo de um transformador pode atingir dezenas de milhares de contos e, porconseguinte, são tomadas medidas por forma a evitar a sua danificação oumesmo destruição, por factores internos ou externos (sobreaquecimento, curto--circuitos internos ou externos, sobretensões). Do correcto funcionamento dosórgãos de protecção depende, pois, a longevidade do transformador, a qualpode atingir 20 ou mais anos, e a fiabilidade das redes de distribuição.

Os órgãos ou aparelhos de protecção de transformadores mais usuais sãoos seguintes:

• Termómetro com ou sem contactos; no primeiro caso, ao atingir-se deter-minada temperatura do óleo ou dos enrolamentos, o fecho dos contactosfaz disparar os órgãos de comando, normalmente disjuntores;

• Relé Bucholz - actua por acção dos gases libertados no interior das cubas,em caso de defeito interno;

• Secador de ar de silicagel - é utilizado nos transformadores com depósitoconservador de óleo - o ar que entra no transformador, quando o volume deóleo se contrai, devido ao arrefecimento, passa por um recipiente contendosilicagel que retém a humidade.

Ligação em paralelo

PROTECÇÃO DE TRANSFORMADORES

Órgãos de protecção

Termómetro

Relé Bucholz

Secador de ar de silicagel

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Transformadores


• Blocos de protecção - aparelhos destinados a proteger transformadoresherméticos e que têm várias funções (temperatura, baixa do nível de óleo,libertação de gases). Podem fazer actuar um alarme ou disparar os disjuntoresde protecção;

• Relés de sobreintensidade e de curto-circuito , que fazem igualmentedisparar os disjuntores quando as intensidades de corrente atingem valoresconsiderados perigosos;

• Relés de sobretensão - função idêntica à dos relés de sobreintensidade,mas actuando em caso de sobretensão;

• Fusíveis - normalmente utilizados em conjunto com um seccionador, protegem os transformadores contra curto-circuitos.

Outros tipos de Relés

Os transformadores de grande potência são, ainda, protegidos por outros tiposde relés (relés de fuga à terra, relés diferenciais, relés de sub ou sobrefrequência,etc.).

Nos relés de protecção, circulam correntes e tensões de pequena amplitude(1 ou 5 Amperes, 48V ou 110 V), que são obtidas através dos transformadoresde medida, de que trataremos adiante.

Os transformadores requerem, por norma, pouca manutenção, devendo estaser limitada a operações de limpeza dos terminais e alhetas ou radiadores deóleo. A frequência destas operações depende do local de instalação não devendo,contudo, ser inferior a um ano.

Deve também verificar-se com regularidade o nível do óleo e substituir oureactivar o silicagel nos transformadores com depósito.

Os dispositivos de protecção devem ser ensaiados periodicamente (durante amanutenção anual) e deve igualmente ser feita uma análise do óleo e verificaçãoda sua rigidez dieléctrica. Se as características de isolamento do óleo serevelarem insuficientes, deve este ser feito circular através de máquinas desecagem próprias para o efeito.

Blocos de protecção

Relés desobreintensidade

Relés de sobretensão

Fusíveis

MANUTENÇÃO DE TRANSFORMADORES

Manutenção

Outros tipos de relés

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Transformadores


As tensões e correntes nos sistemas eléctricos de potência (correntes fortes)são, por regra, demasiado elevadas para permitir a ligação directa de aparelhosde medida ou relés de protecção. Faz-se, assim, recurso a transformadoresde medida , de tensão ou de intensidade, a cujo secundário são ligados osaparelhos que se pretende. Estes transformadores de medida são pequenostransformadores, de características especiais de funcionamento, e, por regra,de grande precisão, quando utilizados em contagem de energia. São, na gíria,conhecidos por TT's ou TI's , e o modo de ligação dos mesmos é o da fig. ll.16:

Fig. ll.16 - Transformadores de Intensidade e de Tensão - representação gráfica

Os terminais do secundário de um transformador de tensão não deverão nuncaser curto-circuitados, pois, se tal acontecer, uma forte corrente ocasionará danosao enrolamento.

Os transformadores de intensidade ou de corrente não têm, por vezes,enrolamento primário, sendo este constituído pelo próprio circuito que sepretende medir.

Quando a corrente flui no primário de um TI, o enrolamento secundário deve sermantido fechado, quer através do aparelho a que se encontra ligado (amperímetro,wattímetro, relé de protecção, etc.), quer por meio de curto-circuito propositado.

Se os terminais do secundário de um TI forem deixados abertos, há apossibilidade de elevadas e perigosas tensões se gerarem, ocasionando adestruição do enrolamento.

Para a ligação correcta dos transformadores de medida aos relés de protecçãoou aparelhos de medida, aqueles têm marcados os seus terminais com letrasou símbolos P1, P2, S1, S2, etc., que estão relacionadas com a polaridade dosenrolamentos primário e secundário.

TRANSFORMADORES DE MEDIDA

Transformadores de medida

1000/5 400/1

A

V

A VTTTI

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Transformadores


Fig. ll.17 - Transformadores de intensidade do tipo de anel

Fig. ll.18 - Transformador de tensão trifásico

Fig. ll.19 - Verificação da polaridade de um transformador de intensidade

P1 P2+- S2 S1

A

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Transformadores


A indústria moderna é inteiramente dependente da energia eléctrica, assimcomo toda a vida económica da sociedade.

Os transformadores desempenham um papel essencial no abastecimento deenergia, de forma continuada e fiável.

Os transformadores de potência e distribuição, com que deparamos na indústria,são, na grande maioria, construídos de forma clássica, isto é, com os seusenrolamentos contidos em cubas cheias de óleo isolante. No entanto, nosúltimos anos, tem-se vindo a verificar uma crescente utilização detransformadores secos.

Os transformadores são aparelhos de corrente alternada formados, no mínimo,por dois enrolamentos e um núcleo.

Quando se liga uma corrente alternada ao primário do transformador, oenrolamento secundário fica submetido a uma variação de fluxo pelo que seinduz nele uma F.E.M.

O rendimento dos transformadores é próximo dos 100%.

Nos transformadores trifásicos, os seus três enrolamentos podem ser ligadosem estrela ou em triângulo. O ponto comum da ligação em estrela é denominadoneutro .

Desprezando as perdas no transformador , isto é, nos seus enrolamentos eno núcleo ferro-magnético, e aplicando a lei da conservação da energia, conclui--se que:

1

2

1

2

2

1

N

N

U

U

I

I==

ou seja, as intensidades de corrente (I) nos enrolamentos primário e secundáriosão inversamente proporcionais ao número de espiras (N) e à tensão (U).

Ao quociente (U1 / U

2) entre as tensões no primário e no secundário, chama-se

relação de transformação .

Num transformador, a corrente que circula nos enrolamentos I1 e I

2, provoca o

aquecimento dos mesmos; este calor representa uma perda de energia. Poroutro lado, para a magnetização do núcleo de um transformador é necessáriodispender energia; a essa energia dá-se o nome de perdas no ferro .

As correntes de Focault são correntes parasitas que circulam nos núcleosferro-magnéticos, originando o aquecimento do circuito magnético.

RESUMO

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Transformadores


O voltímetro dá-nos a tensão entre os terminais do primário, o amperímetroa corrente em vazio, e o wattímetro a potência absorvida pelo transformador.

É de evitar fazer trabalhar um transformador em sobretensão, pois poder-se-ãooriginar sobreaquecimentos perigosos.

A tensão necessária para fazer circular a corrente nominal nos enrolamentosde um transformador é entre 3% a 5% da tensão nominal . A esta tensão,expressa normalmente em percentagem, dá-se o nome de tensão de curto--circuito , e representa a queda de tensão no transformador sob carga nominal.

A produção de energia eléctrica é geralmente feita por geradores ou alternadorestrifásicos e o seu transporte e distribuição é feito por linhas aéreas ou cabostrifásicos.

Os transformadores de uso corrente em redes de distribuição são, por estarazão, também trifásicos.

Do ponto de vista do circuito eléctrico, um transformador trifásico é equivalentea três transformadores monofásicos.

Um transformador que tenha o primário ligado em triângulo e o secundário emestrela designa-se abreviadamente por DY. Se o neutro for acessível, isto é,utilizado no lado do secundário, a designação abreviada do transformador seráDYN. Este é o caso mais comum do transformador de distribuição. A tensãoem relação ao neutro é

3

1 da tensão entre fases .

Um regime de funcionamento em paralelo significa que se pode ligarparalelamente o primário e o secundário de dois ou mais transformadores. Paraassegurar este funcionamento e uma correcta repartição de cargas é necessárioque sejam iguais:

1- As tensões nominais primárias e secundárias;

2- As impedâncias de curto-circuito ;

3- Os grupos de ligação .

Os órgãos ou aparelhos de protecção de transformadores mais usuais sãoos seguintes:

Termómetros, Relés Bucholz, Secadores de ar de silicagel, Blocos deprotecção, Relés de sobreintensidade e de curto-circuito, Relés desobretensão, Fusíveis, etc.

Os transformadores requerem pouca manutenção, devendo esta ser limitada aoperações de limpeza , verificação do nível do óleo , substituição ou reactivaçãodo silicagel e ensaios periódicos dos sistemas de segurança.

Os transformadores de medida , de tensão ou de intensidade, conhecidospor TT's ou TI's , são pequenos transformadores, de características especiaisde funcionamento, e de grande precisão, utilizados em contagem de energia.

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Transformadores

Componente Prática

Os transformadores de intensidade ou de corrente não têm, por vezes,enrolamento primário, sendo este constituído pelo próprio circuito que sepretende medir.

Os terminais do secundário de um TT não deverão nunca ser curto-circuitados,pois, se tal acontecer, uma forte corrente ocasionará danos ao enrolamento.

Pelo contrário, se os terminais do secundário de um TI forem deixados abertos,há a possibilidade de elevadas e perigosas tensões se gerarem, ocasionando adestruição do enrolamento.

Sendo os transformadores, regra geral, equipamentos dispendiosos e dado quedo seu bom funcionamento depende o fornecimento de energia ao equipamentoutilizador, os aspectos ligados à protecção e manutenção são da maiorimportância.

Protecção e manutenção de transformadores. Poder-se-á dizer que, requerem,por regra equipamentos dispendiosos, e dado que do seu bom funcionamentodepende o fornecimento de energia ao equipamento utilizador, os aspectosligados à protecção e manutenção de transformadores são da maior importância.

Transformadores de medida - as elevadas tensões e correntes obrigam ao recursoa transformadores de medida para contagem e controle da energia eléctrica. Aligação destes equipamentos requer especiais cuidados.

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Transformadores

Componente Prática

1. Por que razão o transporte de energia é feito a tensões muito elevadas?

2. Quais são as partes constituintes de um transformador?

3. Em que fenómeno electromagnético se baseia o funcionamento de umtransformador?

4. A tensão medida entre a fase e o neutro de um transformador trifásico é230 V; qual é a tensão entre fases?

5. Indique uma ou mais vantagens de transformadores secos em relação aostransformadores isolados a óleo.

6. O que entende por relação de transformação?

7. Quais são as relações entre as tensões e correntes num transformador?

8. Como se podem determinar as perdas no cobre de um transformador? E as perdas no ferro?

9. Que efeito têm as correntes de Focault num transformador?

10. Como se relacionam as perdas no núcleo e a tensão?

11. Por que razão não devem os transformadores trabalhar em sobretensão?

12. Que condições são necessárias para o funcionamento dos transformadoresem paralelo?

13. A um transformador 5000/220 V, de 20 kVA é feito um ensaio de curto--circuito. A corrente nominal do primário, 4 A, foi atingida com uma tensãoU1 = 200 V. Determine:

a) - A tensão de curto-circuito.

b) - A corrente no secundário.

c) - A relação de transformação do transformador.

14. De que forma podem ser ligados os enrolamentos dos transformadorestrifásicos?

15. Indique três dos órgãos de protecção de transformadores mais usuais.

16. Que tipos de transformadores de medida conhece? Qual é a sua finalidade?


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IEFP IEFP IEFP IEFP IEFP · ISQ ISQ ISQ ISQ ISQ

Electrotecnia IndustrialElectrotecnia IndustrialElectrotecnia IndustrialElectrotecnia IndustrialElectrotecnia Industrial

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Geradores Eléctricos

A - Apresentação Global do MóduloA - Apresentação Global do MóduloA - Apresentação Global do MóduloA - Apresentação Global do MóduloA - Apresentação Global do Módulo

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Electrotecnia Industrial III . 1


OBJECTIVOS


• Definir o conceito de gerador eléctrico;

• Identificar as partes constituintes de um gerador;

• Descrever o princípio de funcionamento de um gerador eléctrico;

• Explicar a forma de geração de uma força electromotriz;

• Diferenciar um gerador de corrente contínua de um gerador de corrente alterna;

• Caracterizar as formas de ligação dos alternadores;

• Descrever o rendimento de um gerador.

TEMAS

• Direcção F.E.M. induzida

• Força electromotriz gerada pela rotação de uma espira

• Geradores industriais

• Alternadores

• Queda de tensão

• Rendimento

• Manutenção de geradores

• Resumo


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Existe uma relação definida entre a direcção do fluxo, a direcção do movimentodo condutor e a direcção da f.e.m. induzida neste último.

Fig. lll.1 - Regra da mão direita, de Fleming

Uma regra útil para determinar esta relação é a regra da mão direita, deFleming . Para a sua aplicação, utilizam-se os dedos da mão direita, em que oindicador, o polegar e o dedo médio fazem entre si ângulos de 90º como na fig.lll.1.

Com o fluxo magnético na direcção indicada pelo indicador e o condutor movendo--se na direcção apontada pelo polegar, o dedo médio indicará a direcção naqual a f.e.m. é induzida no condutor.

A fig. lll.2 (a) representa uma espira que gira no sentido contrário ao dos ponteirosde um relógio e a uma velocidade constante, num campo magnético . Segundoa posição da espira, a f.e.m. induzida na mesma, varia.

Fig. lll.2 - F.e.m. induzida numa espira que gira a velocidadeconstante num campo magnético uniforme

DIRECÇÃO DA F.E.M. INDUZIDA

Regra de Fleming

FORÇA ELECTROMOTRIZ GERADA PELA ROTAÇÃO DE UMA ESPIRA

Força electromotriz

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Quando está na posição 1, não se gera qualquer f.e.m., porque nenhum condutoractivo corta linhas magnéticas , já que se movem paralelamente àquelas.

Quando a espira alcança a posição 2, os seus condutores activos cortamobliquamente as linhas, e a f.e.m. tem o valor indicado em 2 na fig. lll.2 (b). Aochegar à posição 3, os condutores cortam as linhas perpendicularmente e,portanto, o máximo número possível de linhas. Nesta posição, a f.e.m. é poismáxima. Na posição 4, a f.e.m. diminui porque o número de linhas cortadas vaidiminuindo. Na posição 5 não corta nenhuma linha e, como na posição 1, af.e.m. é nula. Na posição 6, a direcção da f.e.m. nos condutores inverte-se, jáque estes se encontram agora frente a um pólo de sinal contrário aocorrespondente às posições 1 a 5. A f.e.m. cresce até um máximo negativo,que se alcança em 7 e logo decresce até que a espira ocupa de novo a posição1. O ciclo repete-se com a continuação do movimento. A região correspondeaos pontos 1 e 5, em que não se induz f.e.m. na espira, chama-se zona neutra .

A f.e.m. induzida é, portanto, alterna e segue uma lei de variação sinusoidal .Esta f.e.m. alternativa pode actuar sobre um circuito exterior ligado a dois anéiscom escovas, e estamos assim em presença de um gerador de correntealterna .

Fig. lll.3 - Tomada de corrente por anéis colectores

Se se pretender obter uma corrente contínua , isto é, que tenha sempre amesma direcção, não se podem utilizar os anéis colectores . A corrente nasespiras é necessariamente alterna, como atrás referido (fig. lll.2 (b)). É, assim,necessário rectificar a corrente antes de a enviar ao circuito externo, o que seconsegue por meio de um colector não em forma de anel fechado, mas de doissemi-anéis como na fig. lll.4 (a).

Fig. lll.4 - Efeito de rectificação do colector

Zona neutra

Corrente contínuaanéis colectores

Semi-anéis

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Nesta figura vê-se que, quando se inverte a direcção da corrente na espira,invertem-se também as ligações com o circuito externo. Portanto, a direcçãode circulação da corrente é invariável. As escovas passam sobre os cortes noanel quando a espira é perpendicular ao campo magnético, isto é, no planoneutro, quando não se produz qualquer f.e.m. como sucedia nos pontos 1 e 5da fig. lll.2. Estes pontos neutros estão marcados com 0-0-0 na fig. lll.4 (b).

Comparando as figuras lll.2 (b) e lll.4 (b), verifica-se que a metade negativa daondulação se inverteu convertendo-se em positiva.

O exemplo precedente de gerador de uma só espira não tem aplicação práticae só foi aqui referido para uma mais fácil compreensão do fenómeno de geraçãoda energia eléctrica. Do acima exposto, conclui-se que a f.e.m. induzida éalterna , e a diferente forma de ligação ao circuito externo é que nos faz estarem presença de um alternador ou de um dínamo. A f.e.m. induzida numaespira depende da intensidade do campo magnético, do comprimento doscondutores activos, e da velocidade relativa entre condutor e campo magnético.

Um íman permanente produz um campo magnético de reduzida intensidade,pelo que se faz recurso a electroímans, ou seja, enrolamentos sobre materiaisferro-magnéticos, a que se dá o nome de bobines indutoras ou simplesmenteindutor. O comprimento do condutor activo é tão grande quanto se queira,recorrendo a múltiplas espiras, ligadas entre si. A esse enrolamento dá-se onome de induzido .

Fig. lll.5 - Geradores de c.c.(a) e c.a.(b)

Na fig. lll.5, estão representados, de uma forma que se aproxima da realidade,os induzidos de um dínamo e de um alternador.

Na fig. lll.5 a) vemos um gerador de corrente contínua e em (b) um gerador decorrente alterna. À parte fixa que constitui o indutor chamamos estator , e àparte móvel, rotor .

GERADORES INDUSTRIAIS

A f.e.m. induzida é alterna

Indutor

Induzido

Electroíman

Estator rotor

Escova

ComutadorEscova

Dínamoa)

Estator

Rotor

Anéis colectoresAlternador

b)

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Na máquina de c.a. , a f.e.m. de todos os condutores são adicionadas emsérie e a corrente é conduzida ao exterior através dos anéis e escovas .

Na máquina de c.c. , cada condutor é ligado a um segmento do comutadorque inverte a direcção da f.e.m., quando ele muda de sinal, ao passar do pólo Npara o pólo S (ou do S para o N). O comutador faz, então, com que a f.e.m. nasescovas seja unidireccional e, portanto, contínua. A corrente nos condutores éconduzida ao exterior pelo comutador e escovas. Não há, assim, uma diferençabásica entre um gerador c.a. e um de c.c. , excepto no comutador.

De facto, não há também diferença entre um gerador e um motor de c.c. , ouentre um alternador e um motor síncrono . Por exemplo, quando uma máquinade c.c. é accionada, ela gera energia, mas a corrente que circula nos seusenrolamentos tentará produzir uma força que se opõe ao movimento, (forçacontra electromotriz), aumentando a carga na unidade accionadora. O mesmoacontece numa máquina de c.a. . Se a corrente nos seus enrolamentos forinvertida, o alternador comportar-se-á como um motor. De igual modo, um motorem funcionamento se for subitamente desligado da sua fonte, gerará correnteenquanto, devido à inércia, se mantiver em movimento.

Na indústria moderna raramente deparamos com geradores de corrente contínuaou dínamos. A energia é produzida quase exclusivamente por alternadores e,se necessário, rectificada para produção de corrente contínua. Mesmo nosautomóveis, onde até à 15-20 anos atrás era vulgar a existência de um dínamo(de 6 ou 12 V), estes foram substituídos por alternadores. Isto deve-se ao melhorrendimento e facilidade de construção e manutenção dos alternadores, poiseram comuns as avarias nos dínamos devido ao depósito de carvão das escovasnas ranhuras do comutador ou colector.

Os motores de corrente contínua , por outro lado, continuam a ter largaaplicação, devido, sobretudo, à facilidade de regulação da sua velocidade, atravésda variação da intensidade do campo. Referir-nos-emos na Unidade formativa4 a alguns aspectos construtivos dos geradores e motores de corrente contínua.

A corrente alterna de frequência industrial (50 Hz) é produzida por alternadoresaccionados por turbinas hidráulicas, a vapor, a gás, motores de combustãointerna, entre outros.

As diferentes máquinas motrizes têm velocidades de funcionamento muitovariadas; assim, os alternadores podem funcionar a 75 rpm (rotações porminuto) se accionados por turbinas hidráulicas, ou a 3000 rpm no de accionadospor turbinas a gás ou a vapor.

Máquina de c.a.

Máquina de c.c.

Comutador

Geradores

Motores de correntecontínua

ALTERNADORES

Frequência industrial

Velocidades defuncionamento

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O aspecto construtivo dos alternadores varia conforme a velocidade a quetrabalham. Para velocidades lentas têm grande número de pólos, enquantoque para velocidades rápidas têm pequeno número de pólos. A frequência , onúmero de pólos e a velocidade de rotação estão relacionadas da seguinteforma:

60

p.nf = (lll.1)

em que f = frequência, em Hz;n = velocidade de rotação (rpm);p = número de pares de pólos.

Um gerador que funcione a 1500 rpm (caso típico dos alternadores industriaisde pequena e média potência accionados por motores diesel), terá um númerode pares de pólos

2 = n

.f 60 = p (lll.2)

ou seja, terá 4 pólos.

Uma diferença fundamental entre os alternadores e os dínamos , ou entre osmotores de corrente alterna e os de corrente contínua, reside nos enrolamentosindutor e induzido (a outra, como vimos atrás, são o comutador e os anéiscolectores).

Num alternador, o enrolamento indutor ou excitador situa-se no rotor, enquantoo estator contém o enrolamento induzido . Assim, o campo magnético égiratório, e as linhas de fluxo no seu movimento "cortam" os condutores doenrolamento estatório, induzindo nestes a f.e.m.

Na fig. lll.6 está representado um alternador bipolar , onde se observam osenrolamentos do estator e do rotor.

Este, também denominado enrolamento de excitação do gerador, está ligadoatravés de anéis e escovas à fonte de corrente contínua que serve de excitador .A f.e.m. induzida é dada por:

f.e.m. = B.l. V. (lll.3)

sendo B a indução magnética, l o comprimento activo do fio condutor e v avelocidade de deslocamento do campo magnético em relação ao fio.

Enrolamento de excitação

Aspecto construtivo dosalternadores

Número de pólos

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Fig. lll.6 - Esquema de um gerador de corrente alterna

Quando o gerador trabalha, a velocidade v é constante, e, por isso, a variaçãoda força electromotriz em função do tempo deve-se somente às variações daindução magnética ao longo da circunferência do rotor.

Excitação sem escovas

Nos alternadores modernos, a excitação é feita com recurso a díodos rotativos,eliminando-se, assim, a necessidade dos anéis colectores e escovas.

Este sistema está representado na fig. lll.7 e consta essencialmente de umpequeno gerador colocado na extremidade do veio do alternador principal; acorrente alterna produzida neste gerador de excitação é rectificada pelo conjuntode díodos que rodam conjuntamente com o veio, fornecendo, assim, correntecontínua ao enrolamento do rotor do alternador principal.

Fig. lll.7 - Gerador sem escovas - esquema de princípio

EstatorRotor

Excitador

Veiocomum

Induzido deexcitação

Diodosexcitativos

Estator do alternador

CorrenteAlterna

Enrolamentode excitação

Rotativo

Enrolamentode excitação fixo

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Alternadores trifásicos

Tal como foi referido para os transformadores, a distribuição de energia para finsindustriais faz-se quase exclusivamente sob a forma de corrente alterna trifásica.

Fig. lll.8 - Gerador trifásico

Pela mesma razão, exceptuando pequenos geradores até 5 ou 10 kVA, osalternadores de uso corrente são trifásicos. Estes diferem dos alternadoresmonofásicos por terem no estator três enrolamentos, distintos e isolados unsdos outros, dispostos de forma que as forças electromotrizes induzidas nelesestejam deslocadas em fase umas em relação às outras de 120º.

Se o gerador é bipolar , como na fig. lll.8, então, os eixos das bobinas dosenrolamentos de fase estão deslocados um em relação ao outro 1/3 dacircunferência do estator (1/3 x 360º = 120º). Quando o rotor gira, o seu campomagnético atravessa os condutores dos enrolamentos do estator nãosimultaneamente. A f.e.m. do enrolamento A atinge o seu valor máximo quandoperto dele passa a parte central do pólo do rotor. A f.e.m. no enrolamento seguinteB atinge o máximo, um terço de volta mais tarde.

Num gerador de dois pólos, 1/3 do período da f.e.m. induzida corresponde a1/3 da rotação. A f.e.m. no enrolamento B está atrasada em fase em relação aoenrolamento A em 1/3 de período. De igual modo, a f.e.m. no enrolamento Cestá atrasada 1/3 de período em relação à f.e.m. do enrolamento ( B ) e 2/3 emrelação ao enrolamento A . As equações dos valores instantâneos da forçaelectromotriz são:

t.sen.EE MA ω= (lll.4)

)3T

t.(sen.EE MA −= ω (lll.5)

Gerador bipolar

Distribuição de energia

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)3T2

t.(sen.EE MC −ω= (lll.6)

Fig. lll.9 - Sistema trifásico simétrico

As curvas dos valores instantâneos são mostrados na fig. lll.9 a), e o diagramavectorial das forças electromotrizes na fig. lll.9 b).

A soma destes vectores é nula, constituindo um sistema trifásico simétrico deforça electromotriz.

0EEE CBA =++ (lll.7)

Ligação dos enrolamentos dos alternadores trifásicos

Os enrolamentos dos alternadores trifásicos podem ligar-se em triângulo ouestrela , sendo este último o tipo de ligação mais usual.

Na prática, aos terminais dos alternadores vão ligar 6 condutores, sendo cadapar de condutores as extremidades das bobinas A, B ou C.

No caso da montagem em estrela (fig. lll.10), o ponto comum de ligação a'b'c'(ponto 0) é chamado o neutro do sistema .

Neutro do sistema

a)Curvas dos valoresInstantâneos daforça electromotrizdum sistematrifásico

b)Vectores da força electromotrizde um sistema trifásico

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Fig. lll.10 - Ligação em estrela das bobinas de um alternador

As tensões nos terminais do alternador ligado em estrela são dadas por:

0acabcab U.3UUU === (lll.8)

isto é, as tensões de linha (Uab - diferença de potencial entre duas fases)excedem as tensões de fase (Ua0 - diferença de potencial entre fase e neutro)em 3 vezes.

A corrente é, neste sistema

cabcab0c0b0a IIIIII ===== (lll.9)

isto é, as correntes de linha são iguais às correntes de fase .

Sendo a soma vectorial das correntes , num sistema equilibrado, igual a zero.

A potência num enrolamento é:

ϕ= cos.I.U.3P 0a0a (lll.10)

e a potência total do sistema,

Potência

Tensões de linha e de fase

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ϕ= cos.I.U.3P abab [ Watt ] (lll.11)

No caso da montagem em triângulo (fig. lll.11)

Fig. lll.11 - Ligação em triângulo dos bobines de um alternador

a tensão de linha é igual à tensão de fase , e a soma vectorial das trêstensões é zero. A intensidade de linha , um sistema triângulo equilibrado, é

3 vezes a intensidade de fase

0abacbac UUUU === (lll.12)

aaba I.3I = (lll.13)

A potência é como para o sistema estrela,

ϕ= cos.I.U.3P ab (lll.14)

Funcionamento em paralelo

Tal como para os transformadores, também para os alternadores é necessárioque se verifiquem determinadas condições para que estes possam trabalharem paralelo, isto é, fornecer energia em simultâneo ao mesmo sistema eléctrico.

Condições para ofuncionamento em paralelo

c

o

oo a

b

(a) (b)

a’

c’

b’

Ibb’

Iaa’

Icc’

Uca

Ica

aUab

Iab

Ubc

Ibc

b

b

c

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As condições necessárias para o funcionamento em paralelo são a mesmatensão , a mesma frequência e o sincronismo de fase , isto é, que a fase Ado alternador que se vai ligar à rede atinja o seu valor máximo instantâneo nomesmo momento que a fase A da rede.

A verificação desta condição faz-se com o auxílio de aparelhos chamadossincronoscópios e relés de sincronização .

A tensão pode ser ajustada através do regulador de tensão que equipa oalternador, e a frequência faz-se variar, regulando a velocidade da máquina motriz.

Quando um gerador está em carga e a debitar corrente, esta circula peloenrolamento do induzido e, no caso de corrente contínua, causa uma quedade tensão interna (r.i ), em que (I) é a corrente e r a resistência interna . Atensão (U) que aparece nos terminais do gerador é igual à f.e.m. gerada (E)menos a queda de tensão interna (r.i ).

U = E - r.I (lll.15)

No caso de corrente alterna, em vez da resistência interna, temos umaimpedância (z), e a tensão nos terminais é dada por

I.ZEU −= (lll.16)

sendo as quantidades acima vectoriais.

Com factor de potência 1,

22 )I.X()I.r(UE ++= (lll.17)

sendo x a reactância do induzido.

Sincronoscópios

QUEDA DE TENSÃO

Ajuste da tensão

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O rendimento de uma máquina é a relação entre a potência que fornece e a queabsorve, ou seja,

AbsolvidaPotênciaÚtilPotência

entodimnRe = (lll.18)

Esta relação pode também pôr-se numa das seguintes formas:

PerdasÚtilPotênciaÚtilPotência

entodimnRe+

= (lll.19)

AbsolvidaPotênciaPerdasAbsolvidaPotência

entodimnRe−= (lll.20)

Portanto, se as perdas da máquina se conhecem, pode obter-se o rendimentocorrespondente a qualquer potência útil ou absorvida.

A expressão (III.19) utiliza-se para geradores, uma vez que é fácil determinar apotência útil eléctrica. Por razão idêntica (determinação da potência útilabsorvida), utiliza-se a expressão (III.20) para motores.

A energia dispendida em perdas inclui as perdas eléctricas, magnéticas emecânicas (resistência, impedância, atrito, ventilação, etc.), e a suadeterminação faz-se com o auxílio de freios ou dinamómetros.

Os fabricantes de máquinas eléctricas indicam os valores do rendimento dasmesmas, o qual deve ser tão alto quanto possível (80 a 90% nos geradores e 75a 90% nos motores de corrente contínua, a plena carga). Os alternadores emotores de corrente alterna podem atingir valores próximos dos 95%.

RENDIMENTO

Perdas

Rendimento

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As máquinas eléctricas rotativas apresentam todas aspectos construtivos muitosemelhantes, pelo que as operações de manutenção são também idênticas.Desta forma, deverá o formando reportar-se à Unidade Temática V - Motoresde Corrente Alterna , onde o assunto da manutenção é tratado com detalhe.

MANUTENÇÃO DE GERADORES

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RESUMO

Os geradores eléctricos são máquinas rotativas ,constituídas por um estatore um rotor, destinadas a transformar a energia mecânica em eléctrica. Estatransformação consegue-se por acção de um campo magnético sobre condutoresdispostos sobre uma armadura. Se mecanicamente se produzir um movimentorelativo dos condutores e do campo, gerar-se-á naqueles uma forçaelectromotriz .

Os geradores podem fornecer energia sob a forma de corrente contínua oualterna; no primeiro caso, designam-se dínamos e, no segundo, alternadores .

Os princípios teóricos do funcionamento dos dínamos e dos alternadores sãoos mesmos pois que, em ambos os casos, estamos em presença de um campomagnético indutor, e de um condutor que se move nesse campo, onde é induzidaa força electromotriz (f.e.m).

Os geradores industriais de corrente contínua foram, na generalidade,substituídos por alternadores; os motores de corrente contínua continuam a teraplicação, embora na indústria a predominância seja dos motores de correntealterna.

A regra da mão direita de Fleming define a relação entre a direcção do fluxomagnético, do movimento do condutor e da força electromotriz induzida.

Nos alternadores, a corrente é conduzida ao exterior através de anéis e escovas,enquanto nos dínamos é através de um colector (comutador) e escovas.

Num alternador, a velocidade é inversamente proporcional ao número de pólos.

Os alternadores trifásicos dispõem de três enrolamentos dispostos de formaque as f.e.m neles induzidas estejam deslocadas em fase, em relação umasàs outras, de 120º.

Os enrolamentos dos alternadores trifásicos podem ligar-se em triângulo ou emestrela. Ao ponto comum da ligação em estrela chamamos neutro.

O rendimento dos geradores eléctricos varia entre 80% - 90% nos geradores decorrente contínua, 75% - 90% nos motores de corrente contínua eaproximadamente 95% nos alternadores e motores de corrente alterna.

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Componente Prática

Como se designam as máquinas geradoras de corrente alterna? E de correntecontínua?

Quais as razões que levam à crescente utilização dos alternadores emdetrimento dos dínamos?

Um alternador de 50 Hz tem 48 pólos. A que velocidade funciona?

Qual o rendimento de um alternador que debita uma potência útil de 30 Kwe tem perdas totais de 3 500 W?

Que dispositivos se utilizam na condução das correntes induzidas a umcircuito exterior, no caso de um gerador de corrente alterna e de um decorrente contínua?

Qual é a frequência industrial, em Portugal? E nos EUA?

Sob que ângulo estão dispostos os eixos dos enrolamentos de fase doestator de um alternador trifásico?

Em que condições é possível fazer trabalhar dois alternadores em paralelo?

Como se regula a frequência de um alternador?

10. Um gerador trifásico de 60 kVA, 380 V, alimenta uma instalação a 4 fios,com factor de potência 0,8. Considerando que as correntes sãoequilibradas, calcule:

a) A tensão entre fase e neutro;

b) A corrente por fase;

c) A potência activa debitada;

d) A potência reactiva.

11. O induzido de um alternador de 60 kVA a 220 V tem uma resistência de0,016 ohm e uma reactância de 0,070 ohm. Determinar a f.e.m. induzidaquando o alternador fornece a corrente de regime a um receptor de factorda potência 1, e o valor da queda de tensão interna.

12. Qual é a potência útil de um alternador que tem um rendimento de 80% eperdas totais de 2 800 W?


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Máquinas de Corrente Contínua


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Electrotecnia Industrial IV . 1


OBJECTIVOS


• Identificar as partes constituintes de uma máquina rotativa de corrente contínua;

• Reconhecer circuitos de excitação dos enrolamentos do indutor;

• Descrever as aplicações dos motores de corrente contínua.

TEMAS

• Componentes básicos

• Enrolamento do induzido

• Enrolamento do indutor

• Aplicações dos motores de corrente contínua

• Resumo


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Os componentes básicos de uma máquina de corrente contínua (fig. IV.1) sãoa parte fixa onde se encontram os enrolamentos do indutor, o estator , e a partemóvel ou rotor como referido anteriormente, que consta do induzido e docomutador, por vezes, também chamado colector.

Fig. IV.1 - Componentes básicos de uma máquina de corrente contínua

Os condutores que formam o enrolamento do induzido podem ser ligados entresi e aos segmentos do comutador de variadas formas.

As mais usuais são os chamados enrolamento imbricado ou paralelo, e oenrolamento ondulatório ou série.

O enrolamento imbricado simples utiliza-se nos motores de dois pólos depequena potência (até 1 kW) e em máquinas de potência superior a 500 kW. Oenrolamento ondulatório utiliza-se em máquinas de pequena e média potência(até 500 kW).

COMPONENTES BÁSICOS

Componentes básicos

Enrolamento imbricadoondulatório

ENROLAMENTOS DO INDUZIDO

Carcaça Tampa derolamento

TravessaInduzido

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As características de trabalho das máquinas de corrente contínua dependemdo método de excitação do campo magnético. Os ímanes permanentes somentesão utilizados em motores de potência muito reduzida. Na generalidade dosmotores e geradores, o campo magnético resulta da corrente de excitaçãoque passa nas bobinas que cercam os pólos magnéticos, fixos ao estator.

O circuito do enrolamento de excitação pode ser independente em relação aocircuito do induzido, mas, na maioria dos casos, estes circuitos estão ligadosem paralelo , em série , ou em série-paralelo . As máquinas são assimdesignadas em função do modo como essa ligação é feita. A variação ou aregulação da intensidade da corrente de excitação permite comandar atensão dos geradores e a velocidade nos motores .

No caso de excitação independente o enrolamento do indutor deve ser ligadoa uma fonte de energia eléctrica independente (fig. IV.3 - a). A tensão nos bornesdo induzido da máquina não exerce influência sobre a intensidade da correntede excitação. Uma vez que a corrente de excitação é independente, somente areacção do induzido provoca alterações do fluxo magnético da máquina nocaso de variação da carga.

Fig. IV.3 - Circuitos de excitação

a) independente; b) paralelo; c) série; d) série-paralelo

ENROLAMENTOS DO INDUTOR

Origem do campo magnético

Excitação independente

Fig. IV.2 - a) Secções do enrolamento do induzido Legenda: 1- Imbricado2- Ondulatório b) Ligações dos condutores no caso de Legenda: 1-

Enrolamento Imbricado 2- Enrolamento Ondulatório

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No caso de excitação em paralelo (também denominada excitação shunt), ocircuito do enrolamento de excitação é ligado em paralelo ao circuito do induzido(figura IV.3 - b).

Uma vez que a intensidade da corrente de excitação deve ser muito inferior àintensidade da corrente do induzido (1 a 5%) e a tensão U nos bornes doinduzido e no circuito de excitação é a mesma, a resistência do enrolamentode excitação deve ser relativamente grande. O enrolamento terá, pois, um elevadonúmero de espiras , de fio relativamente fino. O fluxo magnético desta máquinapode ser regulado por meio de reóstato , ligado no circuito de excitação.

No caso da excitação em série , o circuito de excitação é ligado em série aoinduzido (figura IV.3 - c). Para evitar quedas da tensão de alimentação, a secçãodos condutores deve ser relativamente grande e o número de espiras reduzido.

Uma vez que a corrente no induzido, que é a mesma que a de excitação, érelativamente grande, ela garante a força magnetizante necessária apesar dopequeno número das espiras de excitação.

No caso da excitação em série-paralelo , ou compound, em cada núcleopolar encontram-se duas bobinas, fazendo uma delas parte do enrolamento deexcitação ligado em série e outra, do enrolamento, ligado em paralelo aoinduzido. Na maioria dos motores de excitação em série-paralelo as forçasmagnetizantes dos dois enrolamentos somam-se, e o motor designa-se pormotor compound acumulativo; no caso em que as acções dos dois enrolamentosestão em oposição, diz-se que o motor é compound diferencial.

Os diferentes tipos de enrolamento do estator determinam a utilização dosmotores de corrente contínua; assim, os motores de excitação em paralelo ,caracterizados pela sua velocidade quase constante, são utilizados emventiladores, máquinas ferramentas, bombas, etc.. Os motores deenrolamento série ou compound, caracterizam-se por grande momento dearranque e velocidade variável, e utilizam-se em tracção eléctrica, gruas, etransportadores. Os motores de enrolamento compound acumulativoaplicam-se sobretudo em máquinas ferramentas (balancés, guilhotinas), prensase aparelhos de elevação. Estes motores possuem um momento motor tambémelevado.

Excitação em paralelo

Excitação em série-paralelo

Excitação em série

APLICAÇÕES DOS MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA

Motores de enrolamentosérie

Motores de enrolamentocompound acumulativo

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Os componentes básicos que constituem as máquinas de corrente contínuasão: a parte móvel ou rotor e a parte fixa ou estator.

As características de trabalho de uma máquina de corrente contínua dependemdo método de excitação do campo magnético.

RESUMO

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Componente Prática

1. Quais são os componentes básicos de uma máquina de corrente contínua?

2. Que forma de excitação conhece nos motores de corrente contínua?

3. Em que caso se utiliza o enrolamento imbricado simples?

4. De que dependem as características de trabalho das máquinas de correntecontínua?

5. Dê exemplos de aplicação dos diferentes tipos de motores de correntecontínua.

6. De que forma é que, na maioria dos casos, estão ligados o circuito doenrolamento de excitação em relação ao circuito do induzido?


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Motores de Corrente Alterna


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Electrotecnia Industrial V . 1

Motores de Corrente alterna

OBJECTIVOS


• Caracterizar motores monofásicos, trifásicos de indução, síncronos eassíncronos;

• Explicar o fenómeno do campo magnético giratório;

• Definir velocidade síncrona;

• Definir deslizamento;

• Referir algumas vantagens e desvantagens nos motores de rotor em curto--circuito;

• Identificar as formas mais usuais de ligação de motores;

• Indicar alguns dispositivos de protecção de motores eléctricos;

• Referir alguns cuidados a ter na instalação e manutenção de motoreseléctricos.

TEMAS

• Introdução

• Campo giratório

• Motores monofásicos

• Motores trifásicos de indução

• Momento de rotação dos motores de rotor em curto-circuito

• Ligação dos motores de indução

• Sentido de rotação dos motores trifásicos

• Motores síncronos

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Motores de Corrente alterna

• Protecção de motores eléctricos

• Instalação e manutenção de motores

• Resumo


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Os motores eléctricos têm por principal finalidade a transformação da energiaeléctrica em energia mecânica. A sua utilização em larga escala na indústriacomeçou a desenvolver-se depois da substituição da máquina a vapor pelaelectricidade, no accionamento de máquinas e aparelhos utilizados em diversasoperações industriais.

A força desenvolvida pela corrente eléctrica através da geração de um campomagnético, continua a ser o princípio elementar da construção dos motoreseléctricos.

Esta unidade formativa tem por finalidade dar a conhecer os diversos tipos demotores de corrente alterna, bem como a sua constituição, funcionamento,tipos de ligação, cuidados de instalação e de protecção.

Os motores de corrente alterna utilizam, para o seu funcionamento, o fenómenodo campo magnético giratório, já referido na Unidade Temática III, referente aosGeradores Eléctricos.

O campo magnético giratório surge como resultado da sobreposição dedois ou mais campos magnéticos alternos que têm a mesma frequência ( f ),mas que estão desfasados um em relação ao outro no espaço. No caso daalimentação trifásica, o campo giratório obtém-se facilmente, dispondo osenrolamentos do estator de um motor, formando um ângulo de 120º.

Na fig.V.1 está representada a obtenção de um campo giratório num sistematrifásico de correntes.

Fig. V.1 - Campo magnético giratório num sistema trifásico

INTRODUÇÃO

CAMPO GIRATÓRIO

Campo giratório

BC

BA

BB

-y

y

B

x

0

C

A

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No caso dos motores monofásicos, o campo rotativo obtém-se pelo uso dedois enrolamentos separados no espaço de 90º; um, o enrolamento dearranque , é alimentado através de um condensador em série. Desta forma, acorrente no enrolamento de arranque está adiantada cerca de 90º em relação àdo enrolamento de marcha , de modo que o motor fica convertido em bifásico,ou comporta-se como tal. Estes motores são muito frequentes para pequenaspotências e são chamados de motores condensadores .

Outra forma construtiva dos motores monofásicos é idêntica à dos motores decorrente contínua, isto é, utilizam um colector em que as escovas , colocadascom um ângulo de 18 a 20º em relação ao eixo do campo, são postas em curto--circuito. Estes motores, utilizados para potências muito reduzidas, sãochamados motores de repulsão .

Os motores mais usuais na indústria são os chamados motores assíncronostrifásicos, ou de indução. Estes motores têm de uma maneira geral o seuinduzido (rotor) constituído em forma de gaiola de esquilo , que lhe conferegrande robustez. A estes motores é também frequente designá-los por motoresde rotor em curto-circuito . Na fig. V.2, está representado o rotor deste tipo demotores.

Dada a grande importância destes motores, devido, sobretudo, ao baixo custoe à sua já referida robustez , vamos referir-nos aos mesmos com maior detalhe.

O rotor do motor de indução é constituído de chapas de aço magnéticolaminado, na periferia do qual são inseridas barras de cobre ou alumínio, curto--circuitadas em ambas as extremidades por anéis metálicos do mesmo material.

As barras e os anéis formam como que uma gaiola, daí a designação de motorescom o rotor em gaiola de esquilo . O campo rotativo do estator atravessaestas barras, gerando nas mesmas forças electromotrizes que fazem circular acorrente.

Estas correntes reagem com o campo rotativo e, segundo a lei da mãoesquerda de Fleming , os condutores são submetidos a uma força na direcçãodo campo rotativo.

MOTORES MONOFÁSICOS

Motores condensadores

Motores de repulsão

MOTORES TRIFÁSICOS DE INDUÇÃO

Motores assícronos

Constituição do rotor

Gaiola de esquilo

Campo rotativo

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Fig. V.2 - Motor de indução - rotor

Isto produz um torque ou momento no rotor que faz com que este inicie o seumovimento e acelere. Em termos mais simples, pode dizer-se que o rotor éarrastado pelo campo rotativo .

Fig. V.3 - Regra da mão esquerda, de Fleming

À medida que o rotor acelera, a velocidade relativa entre este e a do campogiratório vai diminuindo, da mesma forma que as f.e.m. e correntes induzidas, ea força mecânica nos condutores. O rotor estabiliza, então, a uma velocidadeligeiramente inferior à do campo giratório (a velocidade síncrona), altura em queas f.e.m. no induzido são o estritamente necessário para manter a corrente norotor e o momento requeridos para mover a carga. Esta velocidade final étipicamente 1 a 2% abaixo da velocidade síncrona, e a diferença entre as duaschama-se deslizamento .

Com uma carga inferior à carga nominal , o deslizamento é reduzido, e avelocidade aproxima-se da velocidade síncrona . Contrariamente, se a cargaaumenta, o deslizamento aumenta também, e as f.e.m induzidas no rotor e porconsequência a sua corrente aumentam também, o que produz um momentomaior para fazer face à maior carga.

Assim, os motores de indução têm uma velocidade próxima, mas não igual àvelocidade síncrona , e o controlo da sua velocidade só muito recentemente

Deslizamento

Velocidade síncrona

Barras do rotorAnel decurto - circuito

Correntescirculandonas barras

e anéis

Núcleo do rotor(aço laminado)

Sentidode rotação

Campogiratório

devido àscorrentesno estator

Força domovimento

Corrente

Campo

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Rotor bobinado

Curva característicade Momento

se tornou possível de uma forma económica, por meio de equipamento estáticoque faz variar a frequência da corrente de alimentação.

As velocidades de sincronismo (n) em rpm, relacionam-se com a frequência(f ) em Hz e o número de pares de pólos (p), tal como para os alternadores, pelaseguinte fórmula:

60

p.nf = (V.1)

Um outro tipo de motor de indução é o motor de rotor bobinado , que como opróprio nome indica, apresenta o rotor formado por bobinas de fio isoladosemelhantes às dos induzidos dos motores de corrente contínua, com asextremidades do enrolamento ligadas em estrela a três anéis colectores. Osanéis estão em contacto com escovas , que se ligam regra geral a um reóstato(resistência variável) ou conjunto de resistências de arranque , para assimlimitar a corrente de arranque.

Uma desvantagem dos motores de indução de rotor em curto-circuito é aelevada corrente consumida no arranque (cerca de 7 vezes a corrente nominal),o baixo factor de potência e o pequeno momento desenvolvido .

Quando o motor está parado, o rotor actua como o secundário de umtransformador posto em curto-circuito, que absorve uma corrente excessiva sese aplicar toda a tensão.

A fig. V.4 (a) indica a variação do momento com o deslizamento para três valoresdiferentes da tensão de alimentação.

A fig. V.4 (b) mostra-nos a curva característica do momento de um motorassíncrono moderno que se divide em três trechos; o primeiro que correspondeao regime de trabalho vai da marcha em vazio até à carga nominal ; o segundo,que corresponde ao regime de sobrecarga , vai da carga nominal ao momentomáximo Mrot.max e o terceiro, a parte instável , vai do momento máximo aomomento inicial de arranque Marr.

Quando a carga corresponde ao regime de trabalho da curva característica, omotor pode funcionar durante um período ilimitado.

MOMENTO DE ROTAÇÃO DOS MOTORES DE ROTOR EMCURTO-CIRCUITO

Desvantagens dos motores derotor em curto-circuito

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Fig. V.4 - Relação entre o momento e o desligamento

A sobrecarga é admissível para um período relativamente curto. Finalmente,se a carga ultrapassa, mesmo durante um intervalo de tempo curto, o momentomáximo , o motor pára.

O motor parado continua a consumir uma grande corrente, igual à corrente dearranque, e portanto os enrolamentos do estator e do rotor estão sujeitos a umsobreaquecimento. Nestas circunstâncias, é necessário desligar rapidamenteo motor. Utilizam-se para este efeito dispositivos designados por relés térmicosque fazem desligar os disjuntores ou contactores quando o motor é sujeito asobrecarga inadmissível. Há também dispositivos chamados termopares que,embebidos nos enrolamentos do estator, detectam um aumento de temperaturae fazem accionar os órgãos de paragem do motor.

Tal como os alternadores, os motores trifásicos de indução podem ser ligadosem estrela ou triângulo. Esta possibilidade é aproveitada para o arranque demotores de rotor em curto-circuito, com recurso aos arrancadores estrela--triângulo , isto é, o motor inicia o seu funcionamento ligado em estrela, e éposteriormente comutado para ligação triângulo.

Termopares

Ligação estrela - triângulo

LIGAÇÃO DOS MOTORES DE INDUÇÃO

Momentode

arranque

Tensão nominal

nominal

90 % de tensão

nominal

50 % de tensão

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SENTIDO DE ROTAÇÃO DOS MOTORES TRIFÁSICOS

Fig. V.5 - Arranque do motor de indução pelo método estrela-triângulo

Desta forma, reduz-se a corrente de arranque que, como já foi referido, é cercade 7 vezes a corrente nominal na ligação triângulo.

Na ligação em estrela, a tensão de alimentação é 31 da tensão da rede, ouseja, cerca de 58% da tensão normal de alimentação , e a corrente é 1/3 dovalor que teria se o motor fosse ligado directamente.

Tal como referido no início da unidade formativa , o movimento do campogiratório "arrasta" o rotor nos motores de indução, fazendo com que estesgirem na mesma direcção do campo. Para alterar o sentido de rotação destesmotores, apenas há que alterar a sequência de ligação das fases do sistematrifásico.

Para este efeito utiliza-se um comutador tripolar apropriado, conforme a fig.V.6, ou empregam-se dois contactores , também tripolares.

Conforme se vê na figura, apenas se muda a ligação de duas fases.

Fig. V.6 - Circuito de comutação para mudança dadirecção de rotação de um motor assíncrono.

Tensão e corrente(ligação estrela)

Alteração do sentidode rotação do motor

L1

L2

L3

L1

L2

L3

a) Arranque b) Plena marcha

Enrolamentodo estador

Rotor curto-circuito

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Tal como os dínamos podem funcionar como geradores , também osalternadores podem funcionar como motores síncronos e vice-versa. Estesmotores são assim chamados porque a sua velocidade é a mesma da do campogiratório . Esta particularidade confere ao motor síncrono uma velocidadeconstante , que é uma das suas principais características.

Construtivamente, os motores síncronos são muito semelhantes aosalternadores . O rotor é bobinado. Nele circula uma corrente contínua deexcitação, através de dois anéis e escovas ; que induz um campo magnético,de intensidade regulável. Esta característica, traduz uma vantagem notória destetipo de motores em relação aos motores assíncronos , que é a de poderemfornecer energia reactiva à rede, e, assim, compensar o factor de potênciade uma instalação.

Na generalidade dos motores síncronos , o rotor é também provido de condutoresou barras curto-circuitadas na sua periferia. Tal como nos motores de gaiolade esquilo , este enrolamento adicional é utilizado no arranque, em que o motorfunciona como um normal motor de indução .

Na maioria dos casos a potência dos motores síncronos é bastante grande, epor isso, para diminuir a corrente de arranque, a tensão é reduzida por meio deligação do rotor através de um autotransformador de arranque ou bobina dechoque (reactância).

Nos motores síncronos, quando a corrente de excitação é normal, o campomagnético do rotor induz no enrolamento do estator uma força electromotrizque pode ser considerada aproximadamente igual à tensão da rede aplicadaaos bornes do estator . Nestas condições, o motor carrega a rede apenascom a corrente activa (kW), e o seu factor de potência é unitário (Cosj =1).

Se a corrente de excitação é menor do que a nominal , o fluxo magnéticodo rotor induz no enrolamento do estator uma f.e.m. menor do que a tensãoda rede ; além da corrente activa, o motor consome da rede corrente reactiva,desfasada em relação à tensão num quarto de ciclo, como a corrente demagnetização do motor assíncrono.

Mas se a corrente contínua de excitação é superior à nominal, a f.e.m. (E) ésuperior à tensão da rede (V) e o motor diz-se sobreexcitado . Nestacondição, o motor fornece corrente reactiva à rede , adiantada em fase emrelação à tensão da rede, tal como a corrente da capacidade de um condensador.

Portanto, um motor síncrono sobreexcitado pode melhorar, assim como umabateria de condensadores, o factor de potência de uma instalação.

MOTORES SÍNCRONOS

Sincronismo

Características dos motoressíncronos

Autotransformador dearranque

Corrente de excitaçãonormal

Corrente de excitação menorque a nominal

Sobreexcitação

Corrente de excitação maiorque a nominal

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Relé térmico

Relés electrónicos

Tal como no caso dos transformadores, os motores eléctricos devem serprotegidos de forma conveniente contra os efeitos externos como: excessivacarga , variações de tensão , etc. Ao proteger-se um motor, está também aproteger-se a restante instalação eléctrica, o que aliás deve ser sempre o objectivodo equipamento de protecção eléctrica, isto é, proteger o equipamento a jusantee a montante , de forma a que um curto-circuito não afecte partes da instalaçãoem perfeitas condições de funcionamento.

O dispositivo mais comum de protecção de motores de indução é o relé térmico ,por vezes, associado a um relé magnético ; o primeiro é regulado para a correntenominal do motor; quando a corrente excede a nominal, o relé actua, fazendodesligar o contactor ou disjuntor utilizado na alimentação do motor; o segundoactua em caso de curto-circuito. Ocasionalmente, são utilizados fusíveis paraesta protecção.

Nos motores de grande potência, aqueles relés são substituídos por outros quecontêm um microprocessador que verifica as condições ideais defuncionamento do motor.

Fig. V.7 - Relé electrónico de protecção de motores - GEC tipo MCHN

Estes relés electrónicos providenciam uma protecção total do motor contrasobrecargas , curto-circuito , sequência negativa de fases , falta de tensãonuma ou mais fases , fuga à terra , tempo de arranque excessivo eparagem . Estes relés são ligadas através de transformadores deintensidade . No caso de motores de alta tensão, faz-se também recurso atransformadores de tensão .

PROTECÇÃO DE MOTORES ELÉCTRICOS

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Nos motores síncronos, utilizam-se relés adicionais para protecção contrasobrecargas repentinas que podem causar uma perda de sincronismo, contrareligação após falha da tensão de alimentação ; contra sobretensão esubfrequência ; protecção do enrolamento do rotor contra sobreaquecimento ;contra desequilíbrios de fase , devidos quer a deficiente isolamento nosenrolamentos, quer a desiguais tensões de alimentação, entre outros.

Os motores eléctricos são máquinas de grande fiabilidade, se adequadamenteinstaladas e assistidas.

Assim, antes da instalação de um motor deve verificar-se:

• A resistência de isolamento dos enrolamentos ; se este valor for inferiorao recomendado pelo fabricante, o motor não deve ser posto em serviço semos mesmos sejam devidamente secos ou isolados. A secagem dosenrolamentos pode fazer-se com ar quente ou por injecção de corrente .

Fig. V.8 - Alinhamento horizontal de máquinas

• O correcto posicionamento , isto é, deve ter-se em atenção a sua formaconstrutiva, já que há motores para montagem horizontal, vertical, comuma ou duas flanges, entre outras.

• Se o motor roda livremente à mão , sem provocar ruídos anormais ,principalmente nos rolamentos.

• Se a ligação dos cabos de alimentação e dos órgãos de protecção estácorrecta . Estes devem também ser ensaiados para confirmar o seu correctofuncionamento.

• Se o maciço de fundação , e o alinhamento do motor e do órgão aaccionar é o mais correcto.

INSTALAÇÃO E MANUTENÇÃO DE MOTORES

Relés adicionais

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Componente Prática

Verificações

Manutenção corrente

• No caso de se utilizarem correias para a transmissão do movimento, seestas não foram montadas com tensão excessiva. Note que: após o períodoinicial de funcionamento, as correias têm tendência a ficar largas, devendoproceder-se ao seu ajustamento.

Fig. V.9 - Alinhamento angular de máquinas

No primeiro arranque do motor, verificar: a ausência de choques ou vibraçõesexageradas ; o tempo de arranque , e a corrente consumida nas três fases ,a qual deve ser próxima da indicada na placa de características (se o motorestiver a trabalhar à carga nominal) e o equilíbrio das três correntes . Dispondodo equipamento apropriado, pode medir-se e fazer um registo gráfico da correntee tempo de arranque.

A manutenção dos motores divide-se em manutenção corrente e manutençãobienal.

A manutenção corrente resume-se à lubrificação das chumaceiras derolamentos , reposição do nível de óleo nas chumaceiras lubrificadas a óleo,e substituição das escovas nos motores com colectores de anéis. Deve tambémverificar-se as condições de ventilação do motor.

Na manutenção bienal , ou anual, se as condições de trabalho forem adversas(local com poeiras finas, vapores químicos, etc.), há que verificar os seguintesórgãos:

• Chumaceiras de rolamento - limpeza e inspecção dos rolamentos.

• Chumaceiras de deslizamento - desmontagem das capas e verificaçãodas superfícies de rolamento; limpeza do reservatório de óleo e substituiçãodo óleo.

• Bobinagens - soprar os enrolamentos com ar comprimido seco para remoçãodas poeiras acumuladas; verificação da resistência de isolamento e verificaçãodas barras do rotor.

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Componente Prática

• Terminais e colector - limpeza de poeiras acumuladas e verificação doestado dos isoladores; limpeza do colector e verificação do estado dos cabosde ligação dos porta-escovas aos terminais do rotor. A resistência deisolamento dos rotores bobinados deve também ser verificada.

Em todo o caso, devem seguir-se sempre as indicações dos fabricantes noque respeita à instalação e manutenção de motores eléctricos. O mesmo seaplica obviamente a outras máquinas e equipamentos eléctricos(transformadores, disjuntores, alternadores, etc.).

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Componente Prática

O campo giratório, resultado da sobreposição de dois ou mais camposmagnéticos alternos, é o responsável pelo funcionamento dos motores decorrente alterna.

Nos motores monofásicos, também conhecidos por motores condensadores, ocampo rotativo ou giratório obtém-se pelo uso de dois enrolamentos separadosde 90º.

Os motores trifásicos de indução são os motores de mais vasta aplicação naindústria, devido ao baixo custo comparativamente com outros tipos de motorese à robustez construtiva do rotor em gaiola de esquilo.

À diferença entre a velocidade do campo giratório e a velocidade do rotor chama--se deslizamento.

Velocidade síncrona é a velocidade do campo giratório.

A velocidade de rotação (n) de um motor trifásico varia na razão directa dafrequência (f) e na inversa do número par de pólos (p)

pf . 60

= n

Algumas desvantagens dos motores de indução de rotor em curto-circuito sãoo seu elevado consumo de corrente no momento de arranque , que é cerca desete vezes a corrente nominal; o seu baixo factor de potência e o fraco momentodesenvolvido.

Na ligação em estrela, a tensão de alimentação é 3 da tensão da rede.

Os motores trifásicos podem ser ligados em estrela ou em triângulo, sendo ainversão do sentido de rotação conseguida por alteração da sequência da ligaçãode duas das três fases.

Os motores síncronos podem funcionar como alternadores e são, assim,designados por a sua velocidade ser a mesma do campo giratório.Os motoreseléctricos devem ser protegidos contra cargas excessivas, variações de tensão,etc.

Antes da instalação e ligação dos motores deverá ser verificada a resistênciade isolamento dos enrolamentos, a livre rotação sem ruídos anormais do rotor,o seu correcto posicionamento, ligação e alinhamento.

A manutenção dos motores deverá ser periódica e deverá ter em contaverificações de ausência de choques; vibrações; lubrificação das chumaceirase rolamentos; reposição do nível de óleo; substituição das escovas e condiçõesde ventilação, etc.

RESUMO

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Componente Prática

1. Qual é o ângulo formado pelos enrolamentos do estator de um motor numcampo giratório trifásico ? E no caso dos motores monofásicos?

2. Um motor síncrono de 8 pólos está ligado a uma corrente cuja frequênciaé de 50 Hz. Refira a sua velocidade síncrona.

3. Que desvantagens apresentam os motores de rotor em curto-circuito?

4. Qual é a principal característica dos motores síncronos?

5. Faça um esquema de um motor condensador monofásico.

6. Que tipo de motores são mais usuais na indústria?

7. Como é constituído o rotor destes motores? O que os caracteriza?

8. Que nome se dá à diferença entre a velocidade síncrona e a velocidade defuncionamento dos motores assíncronos e como se expressa?

9. Um motor bipolar, de 50 Hz, tem um deslizamento de 1,8%. Qual é a suavelocidade de funcionamento?

10. Um motor de 4 pólos, ligado a uma corrente de 50 Hz. ,sabendo que odeslizamento a plena carga é de 1,7%, calcule:

a) A sua velocidade síncrona.

b) A sua velocidade a plena carga.

11. Que outro tipo de motores de indução conhece, para além dos de rotor emcurto-circuito?

12. Que consequências podem advir do funcionamento de um motor em so-brecarga prolongada?

13. Que dispositivo se utiliza para limitar a corrente de arranque de um motorde indução?

14. Faça o esquema das ligações de dois contactores para inversão demarcha de um motor trifásico.

15. Por que razão podem os motores síncronos ser utilizados para correcçãodo factor de potência de uma instalação?

16. Que outros dispositivos são utilizados para melhoria do factor de potência?


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Componente Prática

17. Um motor de 22 CV é alimentado a 380 V, e funciona em triângulo; para oarranque, é utilizado um arrancador estrela triângulo; calcule a corrente dearranque (em estrela), considerando que a corrente nominal de arranqueem triângulo é sete vezes a corrente nominal, 1 CV = 735 W, e o factor depotência do motor é 0,8.

18. Por que razão se devem utilizar aparelhos de protecção de motores? Qualé o dispositivo mais comum na protecção de motores?

19. Que tipo de protecções conferem os relés electrónicos?

20. Que dispositivos são utilizados na ligação destes relés?

21. Que verificações se devem fazer aquando da instalação de motores?

22. Que órgãos devem ser inspeccionados durante a manutenção bienal?

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Iluminação

Iluminação

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Electrotecnia Industrial VI . 1

Iluminação

OBJECTIVOS


• Descrever alguns factores que contribuem para a redução dos índices de iluminação;

• Identificar os diversos sistemas de iluminação;

• Referir os principais tipos de fontes de luz;

• Calcular o valor da iluminação média;

• Indicar alguns factores que contribuem para o custo da manutenção;

• Apontar alguns benefícios de um bom programa de manutenção.

TEMAS

• Sistemas de iluminação

• Fundamentos de um projecto de iluminação

• Necessidade de manutenção de sistemas de iluminação

• Programas de manutenção de sistemas de iluminação

• Resumo


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Iluminação


Um sistema de iluminação, se projectado e instalado convenientemente, devefornecer uma intensidade de iluminação adequada ao local e à utilizaçãoprevista, fig.VI.1, tão economicamente quanto possível.

Fig.VI.1 - Níveis de iluminação requeridos por diversas actividades industriaisLegenda: a) Armazenamento;Embalamentos; Expedições b) Tratamento de

matérias-primas (operações grosseiras) c) Montagens; Produção;Escritórios d) Trabalhos c\máquinas; Montagens de precisão;

Desenhos e) Montagens e verificações de precisãof) Trabalhos de precisão a cores.

O nível de iluminação devem ser mantidos para a protecção de pessoas epara se reduzirem os custos derivados das perdas por falta de manutenção.

A experiência mostra que sistemas de iluminação, sem uma manutençãoadequada, sofrem uma quebra de rendimento nos seus índices de iluminação.

A conservação de energia eléctrica em sistemas de iluminação deveobedecer a dois princípios fundamentais:

• Não usar índices de iluminação maiores do que os necessários, pois issoimplicaria desperdício de energia.

• Não usar índices menores do que o necessário, pois isso implicaria riscosde higiene, saúde e segurança para pessoas.

SISTEMAS DE ILUMINAÇÃO

Conservação de energia

g

5375

f

2150

d

1075c

b 540a

107.5 115

Níveis de iluminação requeridospor diversas actividades industriais

Os números indicam o número médio de luz sobre o plano de trabalho

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6IEFP IEFP IEFP IEFP IEFP · ISQ ISQ ISQ ISQ ISQ

Electrotecnia IndustrialElectrotecnia IndustrialElectrotecnia IndustrialElectrotecnia IndustrialElectrotecnia Industrial VI . 3VI . 3VI . 3VI . 3VI . 3

Iluminação


Existem vários estudos para determinar os níveis de iluminação adequadospara os locais, consoante as condições ambientais e os tipos de actividadeneles existentes, existindo Normalização e Regulamentação aprovada queimpõe os procedimentos a adoptar nesses casos.

Uma maximização dos níveis de iluminação e da conservação de energia emsistemas de iluminação, nas fases de projecto ou de manutenção, pode serconseguida se forem seguidos os seguintes princípios básicos:

• Projectar a instalação de acordo com a actividade nela desenvolvida.

• Projectar, utilizando luminárias adequadas ao local (conjunto de lâmpada(s),suporte(s), protecções e acessórios necessários ao seu funcionamento).

• Utilizar fontes de luz mais eficientes.

• Utilizar luminárias de maior rendimento.

• Utilizar tintas e revestimentos de elevado índice de reflexão para paredes,tectos, pavimentos e mobiliário.

• Sempre que possível, utilizar a luz do dia e escolher vidros para as janelasde tipo adequado.

• Manter os sistemas de iluminação limpos e em boas condições defuncionamento.

• Preparar instruções de operação e programas de manutenção do sistema deiluminação.

Princípios fundamentais da Iluminação

Para planear um Programa de Manutenção de sistemas de iluminação, énecessário conhecer os princípios fundamentais da Iluminação, pelo quese apresentam alguns conceitos básicos, aconselhando-se a consulta de algumabibliografia especializada para estudos mais detalhados.

• Os sistemas de iluminação são normalmente classificados em 5 tipos geraisde acordo com as características de distribuição de luz das luminárias, dassuas características estruturais, de localização, etc., que são o tipo "directo","indirecto", semi-directo, semi-indirecto e geral.

Princípios básicos

FUNDAMENTOS DE UM PROJECTO DE ILUMINAÇÃO

Classificação de sistemas deiluminação

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Iluminação


Fig.VI.2 - Sistemas de iluminação

- Cada projecto deve ser estudado, de modo a escolher o equipamentoe método de instalação mais adequado à instalação e utilizaçãorespectiva.

• Existem 3 tipos principais de fontes de luz: incandescentes, fluorescentese de intensidade de descarga elevada (vapor de mercúrio, sódio, etc.),sendo qualquer deles usado extensivamente em unidades industriais poistodos eles apresentam características particulares de utilização comvantagens e desvantagens entre eles.

Qualquer um dos 3 tipos de fontes de luz são fabricadas numa gama detamanhos e formatos, de modo a possibilitar o máximo grau de flexibilidadepara a aplicação desejada.

• A escolha do sistema de iluminação e do tipo de fonte de luz depende devários factores a ter em consideração na fase do projecto como aintensidade uniforme pretendida, número de luminárias necessárias, oespaçamento entre elas, a cor da luz produzida em relação à actividade adesenvolver, o tipo de manutenção a implementar, a vida média daluminária, etc.

Fig. VI.3 - Sistemas de iluminação e sua aplicação

Fontes de luz

Iluminaçãoindividual

Iluminaçãode grupo

Iluminação geral

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Iluminação


- Existem tabelas com os valores mínimos recomendados para os níveisde iluminação que variam com o grau de severidade da actividade adesenvolver no local e com as condições ambientais respectivas.

- No projecto de novos sistemas de iluminação, é prática comum escolherum valor médio de iluminação superior ao valor mínimo recomendadopois este é o valor que deve ser mantido durante a utilização dainstalação.

• O projectista utiliza um "Factor de Manutenção" que entra em consideraçãocom os factores de perda de luz, quer estas sejam recuperáveis ou não.

- Existem tabelas que auxiliam a analisar estes factores de perda de luze a estimar qual será o "Factor de Manutenção" para uma específicainstalação industrial tomando em consideração os graus de sujidade,acumulação de poeiras, vapor de água, vapores corrosivos, atmosferasespeciais, etc., assim como o tipo de equipamento presente, osrevestimentos de paredes, tectos e pavimentos, o tipo de manutençãoimplementada, etc.

• Uma vez seleccionado e instalado um sistema de iluminação, o responsávelpela manutenção deve ter em consideração que não é o valor inicialprojectado de índice de iluminação que é importante, mas o índice queexiste em qualquer momento na instalação.

- Aquele é importante como ponto de referência pois indica a quantidadede iluminação que existia quando as fontes de luz, luminárias, etc.estavam novas e limpas e os índices de reflexão no seu ponto maiselevado.

- A diferença em percentagem dos valores dos índices de iluminação inicial e num dado momento representa o Factor de Manutenção para

aquele período de tempo.

Projecto de um sistema de iluminação

Se o procedimento para o cálculo do valor de iluminação a manter for umprograma de manutenção, este consistirá na implementação das seguintesacções, divididas em 4 grupos:

A - Objectivos e Especificações

1. Definir o nível de iluminação exigido em função da actividade.

2. Definir a qualidade exigida para os factores de iluminação, de brilho dasluminárias, índices de reflexão, variações mínima e máxima admissíveis,etc.

3. Definir a quantidade de luminárias requerida para garantir os valoresmínimos e máximos de iluminação.

4. Verificar as condições ambientais (temperatura, poeiras no ar, etc.).

Factor de Manutenção

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Iluminação


5. Elaborar a descrição do local: dimensões, índices de reflexão das paredes,tecto e pavimentos, planos de trabalho, número de horas de funcionamento,etc.

6. Efectuar a selecção da luminária,dependente dos valores especificadosnos números anteriores.

B - Identificar as perdas de luz irrecuperáveis

Os factores que os procedimentos de manutenção não podem normalmentecontrolar, mas que devem ser tomadas em consideração no cálculo do Factorde Manutenção são:

1. Temperatura ambiente.

2. Tensão de alimentação.

3. Factor dos balastros utilizados.

4. Depreciação da superfície da luminária.

C - Identificar perdas de luz recuperáveis

Os seguintes factores de perda de luz podem ser controlados e corrigidos coma existência de procedimentos de manutenção para o sistema de iluminação:

5. Depreciação do índice de reflexão das superfícies dos tectos, paredes,etc., por acumulação de poeiras e sujidades.

6. Número de lâmpadas inoperativas e não substituídas.

7. Depreciação do índice de iluminação das lâmpadas devido ao seuenvelhecimento após períodos de tempo prolongados.

8. Depreciação do índice luminoso das luminárias por acumulação de poeiras.

D - Cálculos

Existem três métodos para o cálculo da intensidade luminosa de um local deuma instalação:

• Método do cálculo do fluxo luminoso.

• Método da cavidade da zona.

• Método ponto a ponto.

O método do cálculo do fluxo luminoso, utilizando coeficientes conhecidos deutilização, é o mais simples e genericamente mais usado para o cálculo dos

Perdas de luz irrecuperáveis

Perdas de luz recuperáveis

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Iluminação


níveis de iluminação e é baseado na teoria de que a iluminação média de umlocal é igual ao número de Lúmens por unidade de área de trabalho do local.

Este método baseia-se em valores experimentais para os diversos factores ater em consideração (utilização do equipamento, tipo de actividade, condiçõesambientais, índices de acumulação de poeiras, etc.) e que se encontrampublicados em tabelas.

Os valores extraídos destas tabelas são introduzidos nas fórmulas adianteindicadas para se obter o valor médio da iluminação para o local e para umtipo de luminária específico.

É o método mais simples e tem a precisão suficiente para os objectivos aatingir na preparação de Programas de Manutenção para a maioria dasinstalações.

A partir dos conhecimentos dos factores acima descritos, que se podem obteratravés de tabelas publicadas pelos fabricantes de aparelhos de iluminação epela análise das condições ambientais e construtivas da instalação, oprocedimento de cálculo de um sistema de iluminação é simples:

a) O factor total de perda de iluminação é obtido pela multiplicação de todosos factores de perda de luz recuperáveis e irrecuperáveis, mencionadosem B e C, ou seja, pela multiplicação do coeficiente de utilização, CU,pelo Factor de Manutenção, F.M.

b) Iluminação Média

A partir do valor dos factores de perdas de luz, que tem que ser ultrapassado,o valor da iluminação média pode agora ser calculado.

(VI.1)

Sendo: IM: A iluminação média no plano de trabalho. I: Índice de iluminação pretendido. S: Superfície do local.

ou ainda:

(VI.2)

(VI.3)

Iluminação média

SFMxCUxI

IM =

i

iM S

FMxCUxII =

L

LM S

FMxCUxII =

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Iluminação


(VI.4)

Sendo:

Ii: Iluminação inicial da lâmpada.IL: Iluminação inicial da luminária.Si: Área por lâmpada.SL: Área por luminária.N: Número de lâmpadas por luminária.

c) Quando se pretende fazer a distribuição das luminárias, conhecendo o número necessário para se obter a iluminação média a ser mantida por

um período de tempo determinado, devem ser considerados os tipos ecaracterísticas da luminária escolhida, a superfície da sala e o grau deuniformidade de distribuição da iluminação.

A finalidade da Manutenção de Sistemas de Iluminação é minimizar as perdasde luz e maximizar a iluminação disponível, tão economicamente quantopossível.

Os factores que contribuem para reduzir os índices de iluminação e aumentaras perdas de luz são:

• Acumulação de poeiras e sujidades.

• Envelhecimento ou defeito de luminárias.

• Perda de rendimento de luminárias.

• Tensão de serviço inferior ao valor nominal.

• Baixos factores de reflexão ( paredes, tecto, chão, mobiliário, máquinase equipamento).

Estes factores devem ser tomados em consideração quando se prepara umprograma de manutenção de um sistema de iluminação ou quando se projectauma instalação nova, não só para aumentar a vida útil do equipamento,como também para aumentar a sua eficácia e reduzir os consumos deenergia a eles associados.

Finalidade da manutenção

NECESSIDADE DE MANUTENÇÃO DE SISTEMAS DE ILUMINAÇÃO

Perdas de luz

iL IxNI =

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Iluminação


Um estudo efectuado numa instalação industrial que não possuí um Programade Manutenção e na qual se mediu a evolução dos índices de iluminação, empercentagem dos valores projectados, durante a implantação progressiva de5 acções básicas, revelou que:

• Índice encontrado na instalação: 33% do valor projectado.

• Índice após limpeza de luminárias: 41%.

• Índice após substituição de luminárias defeituosas: 56%.

• Índice após correcção do valor da tensão: 58%.

• Índice após pintura com cores claras do tecto e paredes: 68%;

• Índice após substituição de luminárias por outras de rendimento maiselevado: 75%.

Elaboração do programa de manutenção

Antes de se iniciar a elaboração de um programa de manutenção do Sistemade iluminação, é importante analisar em detalhe o sistema existente, os seusprincipais factores e criar um arquivo com todas as características importantes.

Este arquivo deve incluir informação detalhada sobre pelo menos o seguinte:

• Características técnicas do sistema de iluminação.

• Custo inicial do equipamento.

• Desenhos de implantação das luminárias.

• Esquemas ou diagramas eléctricos da instalação.

• Manutenção efectuada, procedimentos e práticas habituais, para o casode uma instalação já existente.

• O resultado de uma série de testes a ser conduzidos para se conheceremos seguintes factores:

PROGRAMA DE MANUTENÇÃO DE UM SISTEMA DE ILUMINAÇÃO

Arquivo de manutenção

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Iluminação


• Intensidade de iluminação inicial.

• Intensidade de iluminação mantida.

• Número de lâmpadas defeituosas e frequência da sua substituição.

• Depreciação do índice luminoso das lâmpadas.

• Cálculo do rendimento das luminárias.

• Valor da tensão de alimentação.

• Factores de reflexão das superfícies existentes.

• Índices de acumulação de poeiras e sujidades.

Este arquivo, se suficientemente detalhado e organizado, dá ao responsávelpela manutenção do equipamento uma base coerente para analisar o sistemade iluminação e permite-lhe propor o programa a implementar.

De modo a estimarem-se os custos da manutenção, é também necessárioapontar o número e categoria dos empregados envolvidos na realização dostestes ao sistema, no tempo necessário a executá-los; os custos associadosao seu salário; os custos unitários das diferentes operações de manutenção(substituição de lâmpadas, limpeza de luminárias, medição de índices deiluminação, etc.).

Com os elementos obtidos na análise do sistema, conjuntamente com ainformação dos custos iniciais do sistema, e dos custos da manutenção, épossível relacioná-los com os valores das intensidades luminosas médias.

• Não se deve esquecer que, em termos gerais, os benefícios de um bomprograma de manutenção do sistema de iluminação são:

• mais luz;

• melhor aparência das instalações;

• melhores condições de trabalho;

• aumento de produtividade;

• redução de custos de energia;

• maior segurança;

que no seu conjunto realçam a importância daquele.

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Equipamento de manutenção

O equipamento a ser utilizado na manutenção de um sistema de iluminaçãodeve ser seleccionado de modo a tornar a sua realização eficiente, com ummínimo de esforço e com redução de tempos.

A escolha deste equipamento depende de vários factores, tais como:

• a altura dos compartimentos e a área destes.

• a acessibilidade das luminárias.

• os obstáculos existentes.

Deste modo, podem ser escolhidas:

• escadas.

• escadotes.

• andaimes portáteis.

• plataformas, telescópicas, quer hidráulicas ou eléctricas.

• plataformas montadas em veículos.

Em instalações especiais, encontram-se ainda suportes desconectáveis coma possibilidade de baixar as luminárias a um nível de trabalho mais baixo.

Embora mais caro durante a instalação, o seu custo é recuperado após umperíodo de tempo face aos valores inferiores de mão de obra e outroequipamento necessário para realizar a limpeza e substituição de componentesdo sistema.

Para mover poeiras e sujidades é conveniente usar um aspirador eléctrico eum tanque de água para lavagem de depósitos oleosos.

É ainda necessário adquirir instrumentos de medida e ensaio para asverificações periódicas das intensidades luminosas (luxímetros) e da tensãode alimentação (voltímetros), que se encontram largamente difundidos nomercado.

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Iluminação


Fig VI.4 - Instrumentos de medida (Luxímetro e Multímetro)

Para algumas instalações especiais pode ainda ser considerado a aquisição Luminancímetrode aparelhos para medir o brilho das superfícies das luminárias, tectos,paredes, etc., assim como um Luminancímetro que indica o índice deiluminação num determinado local de trabalho.

Fig VI.5 - Medidor de luminância (Luminómetro)

Para a correcção de defeitos encontrados, deve adquirir-se um conjunto deferramentas típicas de um electricista:

• ferro de soldar e solda

• alicates isolados

• fita isolante

LUXÍMETRO MULTÍMETRO

DataHold

MediçãoHEF

DisplayPanorâmico

Precisão4 1/2 Dígitos

Capacímetroincorporado

AjZero

Zoa

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6IEFP IEFP IEFP IEFP IEFP · ISQ ISQ ISQ ISQ ISQ

Electrotecnia IndustrialElectrotecnia IndustrialElectrotecnia IndustrialElectrotecnia IndustrialElectrotecnia Industrial VI . 13VI . 13VI . 13VI . 13VI . 13

Iluminação


• chaves de fendas

• busca pólos

• multímetro

• etc.

Custos de substituição de lâmpadas

Existem dois métodos principais para a substituição de uma lâmpada, ater em conta no cálculo dos custos:

• Individual: Substituição das lâmpadas defeituosas após cada uma das falhas.

• Em grupo: Substituição de um grupo de lâmpadas do sistema de iluminaçãoa intervalos regulares,baseadas quer no cálculo do período médiode vida expectável quer na utilização de tabelas fornecidas pelosfabricantes.

Resultados estatísticos mostram que, para lâmpadas fluorescentes, após 70%do tempo de vida médio, 12% das lâmpadas estarão fora de serviço ou que,após 80% da vida média, o ritmo de defeitos aumenta rapidamente.

O intervalo escolhido para a substituição em grupo deve ser seleccionadoconvenientemente, de modo a obter-se um equilíbrio entre o custo mínimo porunidade de iluminação e o custo mínimo de manutenção.

Em termos gerais, o custo de substituição de uma lâmpada é a soma docusto da lâmpada mais o custo da mão de obra necessária para efectuar essatarefa.

Ou seja:

C = L + M (VI.5)

onde C = Custo unitário da substituição de uma lâmpada

L = Custo de uma lâmpada

M = Custo da mão de obra por lâmpada

Métodos para a substituiçãode uma lâmpada

Custo de substituição

Busca - pólos

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Iluminação


Na substituição em grupo o custo é:

(VI.6)

onde G = Custo de mão de obra por lâmpada

I = Intervalo de substituição em percentagem da vida média da lâmpada.

IG + L

= C

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Iluminação


RESUMO

Uma manutenção periódica do sistema de iluminação permite uma melhoriabastante acentuada dos índices de iluminação.

Os sistemas de iluminação são normalmente classificados como: directo,indirecto, semi-directo, semi-indirecto e geral.

As principais fontes de luz são: a incandescente, a fluorescente e a deintensidade de descarga elevada.

A escolha do sistema de iluminação depende: da intensidade pretendida,do número de luminárias; do espaçamento entre elas, da cor da luz produzida;do tipo de manutenção; da vida média da luminária, etc.

O factor de manutenção traduz a diferença, em percentagem, entre o valordo índice de iluminação inicial (ou projectado) e o índice real (que pode sermedido num dado momento).

A iluminação média (IM) é a relação entre o índice de luz (I) pretendida e a

superfície do local a iluminar (S), multiplicada pelo factor total de perda (FTP).

A finalidade da manutenção consiste em minimizar as perdas de luz emaximizar a iluminação da forma mais económica.

FTPxSI

IM =

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Iluminação

Componente Prática


1. Refira os princípios fundamentais de conservação de energia em sistemade iluminação.

2. Indique alguns dos factores de que depende a escolha de um sistema deiluminação?

3. Indique os principais objectivos da manutenção de um sistema deiluminação.

4. Referencie três factores que contribuam para a redução dos índices deiluminação.

5. Refira três tipos de iluminação estudados.

6. Enumere os principais tipos de fonte de luz estudados.

7. Descreva os factores a ter em conta no cálculo da iluminação média eapresente a fórmula utilizada no seu cálculo.

8. Referencie alguns dos benefícios de um bom programa de manutenção.

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Cabos Eléctricos

B - ExplorB - ExplorB - ExplorB - ExplorB - Exploração Pação Pação Pação Pação Pedaedaedaedaedagógica das Unidades gógica das Unidades gógica das Unidades gógica das Unidades gógica das Unidades TTTTTemáticasemáticasemáticasemáticasemáticas

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Electrotecnia Industrial VII . 1

Cabos Eléctricos

OBJECTIVOS


• Definir os seguintes conceitos:

• Condutor eléctrico;

• Cabo eléctrico;

• Secção nominal;

• Alma condutora;

• Isolamento.

• Identificar as cores dos condutores eléctricos;

• Descrever os tipos de revestimento dos condutores utilizados na protecção dos cabos condutores;

• Referir algumas características que um condutor ou cabo deve possuir;

• Indicar formas de manutenção requeridas pelos cabos.

TEMAS

• Introdução

• Elementos Constituintes

• Características eléctricas

• Características mecânicas

• Outras características

• Marcação

• Dimensionamento de cabos eléctricos

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• Manutenção

• Resumo


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Cabos Eléctricos


O contínuo crescimento do número de instalações industriais tem sido, aolongo das últimas décadas, um incentivo para os fabricantes produzirem mais emelhores os tipos de cabos, adequados quer a instalações de uso geral, quer ainstalações industriais que operam em condições de ambiente adversas.

Este facto resultou na utilização de diferentes materiais quer para os condutoresquer para os isolamentos e bainhas que implicam a utilização de técnicasdiferenciadas tanto na sua instalação, quanto na execução de caixas de junçãoou de terminais.

Até meados do século, o tipo de cabo mais usado, em instalações de médiatensão até 11kV, consistia em condutores de cobre isolados em papel impregnadoa óleo com blindagens e armaduras metálicas revestidas de material betuminoso.

Atendendo às desvantagens apresentadas por estes cabos, principalmente noque diz respeito ao envelhecimento dos seus compostos isolantes, aocomportamento sob condições de ambiente adversas e às dificuldades deexecução de junções, a técnica evoluiu utilizando-se agora condutores de cobreou alumínio, com isolamentos em PVC ou outro material mais adequado emenos vulnerável à deterioração.

A maioria dos cabos eléctricos, actualmente fabricados, encontram-se abrangidospor normalização, comunitária ou nacional, existindo laboratórios acreditadospara a realização de ensaios de verificação da sua conformidade com osdiferentes requisitos normativos.

Dada a grande diversidade do tipo de cabos actualmente fabricados, não estáno âmbito deste curso a sua descrição e análise exaustiva.

Apresentam-se apenas aqueles conceitos principais ao entendimento dascaracterísticas construtivas, dimensionais, eléctricas e mecânicas maisimportantes, assim como dos factores a ter em consideração na correcta escolhae dimensionamento do tipo de cabo a utilizar nas instalações industriais.

Alma condutora

Entende-se por alma condutora ou condutor, o elemento metálico destinado àcondução da corrente eléctrica, podendo ser constituído por um fio ou conjuntode fios devidamente reunidos ou, ainda, por perfis adequados fig. VII.1.

INTRODUÇÃO

ELEMENTOS CONSTITUINTES

Condutor

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Fig. VII.1 - Condutores eléctricos a) Unifilares, b) Multifilares

O material das almas condutoras, por exemplo cobre ou alumínio, deveobedecer às características definidas em normas próprias para cada tipo decondutor isolado ou cabo.

Ao conjunto de alma condutora revestida por uma ou mais camadas dematerial isolante que asseguram o seu isolamento eléctrico dá-se o nome decondutor isolado.

Ao conjunto de condutores isolados devidamente agrupados, providos debainha, trança ou envolvente comum, dá-se o nome de cabo.

À secção pela qual se designa o condutor e que corresponde a um valoraproximado da soma das secções rectas dos seus fios dá-se o nome de secçãonominal.

Os valores das secções nominais dos condutores isolados constituintes decabos são normalizados, encontrando-se publicados em tabelas.

Igualmente, o número de condutores por cabo deve também ser escolhidoentre os valores especificados nas normas (mencionadas na Bibliografia).

A verificação da disposição dos condutores isolados e a medição do passo decablagem do conjunto devem ser feitas por exame visual sobre um troço docabo, depois de liberto do enchimento e da bainha exterior e amarrado nasextremidades, por forma a que os condutores isolados não saiam do conjunto,mantendo a posição inicial.

Deve ainda proceder-se à verificação do valor do diâmetro exterior médio quenão deve exceder o valor indicado na norma para cada tipo de cabo (mencionadasna Bibliografia).

Cabo

Condutor isolado

Secção nominal

IsolamentoCobre

Isolamento

Grupo de fios decobreCobre

IsolamentoBainha

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Isolamento

O isolamento é a camada, ou conjunto de camadas, de material não condutorque, envolvendo a alma condutora, assegura o seu isolamento eléctrico.

As características do material isolante encontram-se indicadas nasrespectivas normas (mencionadas na Bibliografia).

No entanto, seja qual for o material do isolamento, este deve ajustar-se à almacondutora da melhor maneira, mas devendo, porém, ser possível removê-lo semdeteriorar aquela.

Os valores das espessuras nominais do isolamento para cada tipo de cabosão indicadas nas Normas respectivas, que também indicam os métodos autilizar para a verificação desses valores em provetes retirados dos respectivoscondutores.

A superfície exterior do isolamento dos condutores deve ter cor indelével, demodo a que permita uma rápida e inequívoca identificação de acordo com asnormas de cada tipo de cabo.

Por exemplo, as cores de identificação são:

• Condutores isolados e cabos monocondutores: azul clara, preta, castanhaou verde/amarela.

• Cabos de 2 condutores: azul clara e preta.

• Cabos rígidos de 3 condutores: azul clara, preta e verde/amarela ou azulclara, preta, preta e castanha.

• Cabos de 4 condutores: azul clara, preta, castanha e verde/amarela ou azul clara, preta e castanha.

O processo de identificação por cores dos condutores isolados para cabos demais de cinco condutores encontram-se especificado nas normas respectivas.

De salientar, no entanto, que como condutor de protecção deve ser utilizadounicamente o condutor verde/amarelo.

Nos cabos de tensão nominal superior a 450/750 V, isolados a plastómeros oua elastómeros, os condutores isolados devem ter todos a cor natural do materialde isolamento.

Isolamento

Cores de identificação

Condutor de protecção

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Enchimento

Para regularizar a forma do cabo, utiliza-se um material, designado porenchimento, que preenche os interstícios entre os condutores isolados, enão deve ter acção prejudicial sobre os restantes elementos do cabo.

O material do enchimento não deve, de forma alguma, ficar colado aoselementos do cabo que com ele contactam, deve poder ser facilmente removívele assegurar a forma regular do conjunto. As características deste material sãoespeciais e estão definidas nas normas respectivas dos diferentes tipos decabo.

Elementos de protecção

Para assegurar a protecção do cabo contra acções mecânicas ou determinadascaracterísticas eléctricas, existem quatro tipos de revestimento doscondutores isolados que a seguir se descrevem,fig. VII.2

Fig. VII.2 - Cabo de alta tensão (5,8/10kV)

Blindagem

É um revestimento metálico que envolve cada um dos condutores isoladosou o seu conjunto a fim de assegurar determinadas características eléctricas.É constituído por fitas metálicas ou metalizadas, por fios metálicos ou porbainhas metálicas.

Bainha

É um revestimento contínuo que, envolvendo completamente o condutorisolado ou o conjunto cableado de condutores isolados, contribui para a protecçãomecânica dos cabos, podendo ainda ter uma função de enchimento, ou, semetálica, de blindagem.

Enchimento

Blindagem

Bainha

Bainha ArmaduraBlindagem Trança

Enchimento

Isolamento

Condutores

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As bainhas metálicas são normalmente de chumbo ou de suas ligas, devendoser homogéneas, sem poros, defeitos de superfície ou soldaduras.

O material das bainhas não metálicas não deve, de igual forma, apresentarporos, incrustações ou outros defeitos similares.

Trança

A trança é um revestimento constituído por elementos filiformes, têxteisou metálicos, devidamente entrelaçados. As tranças devem apresentar-seregulares e bem ajustadas ao cabo, sem, todavia, lhe diminuir sensivelmente asua flexibilidade.

Armaduras

A armadura é um revestimento metálico que tem como principal finalidadeproteger o cabo contra acções mecânicas exteriores, podendo, no entanto, tertambém funções de natureza eléctrica. Estas podem ser constituídas por duasfitas de aço macio, por fios ou barrinhas de aço macio galvanizado ou ainda pormateriais não magnéticos como o alumínio rijo, cobre, bronze, etc.

As fitas da armadura devem ser resistentes à oxidação e revestidas por umproduto de acção anti-corrosiva ou por uma bainha exterior contínua.

As dimensões nominais dos elementos constituintes da armadura são dadasem função do diâmetro teórico sobre o qual esta é aplicada. (ver Normas nofim desta Unidade).

Tensão Nominal

A tensão nominal de um condutor isolado ou cabo é a tensão pela qual ocondutor isolado ou cabo é designado e em relação ao qual é dimensionado oseu isolamento.

A tensão nominal é designada por dois valores Uo/U, sendo o primeiro o valorda tensão mais elevada admissível entre qualquer condutor e a terra ou ablindagem, e o segundo, o valor da tensão mais elevada admissível entre doisquaisquer condutores.

Armaduras

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

Tensão nominal

Trança

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Os valores das tensões nominais dos condutores isolados ou cabos sãonormalizados e indicados no quadro VII.1.

Quadro VII.1 - Tensões nominais normalizadas

É de salientar que, numa instalação eléctrica, os valores de tensão nominaldo condutor isolado ou do cabo não podem ser inferiores aos valores datensão mais elevada da instalação, respectivamente entre qualquer condutore a terra e entre quaisquer condutores.

Para instalações trifásicas com o neutro isolado, e em que mercê de um defeitoda terra possam vir a aparecer, entre condutores e a terra, tensões de valoresaproximadamente iguais aos que existem normalmente entre condutores, devemser previstos condutores com valores de Uo não inferiores à tensão nominal.

Numa instalação trifásica de tensão nominal de 15 kV, com o neutro à terra, oscondutores isolados e os cabos devem ser de Uo/U = 12/17,5 kV. No entanto,se a instalação funcionar com o neutro isolado, os condutores isolados e oscabos devem ser de tensão nominal 17,5/24 kV.

Intensidade de corrente máxima admissível

A intensidade de corrente máxima admissível num condutor ou cabo deveser tal que a temperatura junto da alma condutora não exceda os valoresespecificados nas normas para esse tipo de cabo, e referem-se a um regimepermanente de funcionamento.

Exemplo VII. 1

Corrente máximaadmissível

U O /U 10 0 /10 0V

U O /U 30 0 /50 0V

U O /U 45 0 /75 0V

U O /U 0 ,8 /1 ,2 kV

U O /U 2 ,4 /3 ,6 kV

U O /U 4 ,8 /7 ,2 kV

U O /U 7 ,2 /1 2kV

U O /U 12 /17 ,5kV

U O /U 17 ,5 /24kV

U O /U 24 /36kV

U O /U 36 /52kV

U O /U 52 /72 ,5kV

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Quadro VII.2 - Tabela de intensidade de corrente admissívelpara condutores tipo V (PBT)

Os valores admissíveis para cada tipo de cabo, indicados nas normasrespectivas, têm em consideração o tipo de instalação, a temperaturaambiente e a ausência de influência térmica de outros condutores, cabosou outras fontes de calor.

Temperatura de referência

A temperatura ambiente de referência é igual a 20ºC, devendo utilizar-sefactores de correcção para o cálculo das intensidades de corrente máximasadmissíveis a temperaturas diferentes daquela.

As intensidades da corrente máxima admissíveis, especificadas nas Normas,são, em regra, indicadas para os tipos de instalação seguintes:

• Condutores isolados enfiados em tubo.

• Condutores isolados ou cabos instalados no ar.

• Cabos enterrados.

Deve ser tomado em consideração, no valor das intensidades de correntemáximas admissíveis para os cabos, o caso de instalações em condutas,canais ou galerias , onde possa existir um aumento de temperatura ambiente,por motivo de deficiente ventilação.

1 13 10 9 17 211,5 17 14 12 22 272,5 22 18 15 30 36

4 29 23 20 40 486 37 30 26 50 60

10 50 40 35 70 8516 70 56 49 95 11025 95 76 66 125 14535 120 96 84 150 18050 140 112 98 180 21070 185 148 130 230 27595 225 180 158 275 330

120 265 212 186 315 390150 320 256 224 360 440185 350 280 245 410 505240 415 332 290 480 595300 480 384 336 550 685400 580 464 406 650 820500 670 536 469 810 935

Condutores em tubos Condutores à vistaAfastamento mútuo

Secçãomm2

1 a 3condutores

4 a 6condutores

7 a 9condutores

< que odiâm. exterior

= ou > que odiâm. exterior

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No caso da instalação de condutores, isolados ou cabos em grupos, se houverinterferência térmica entre eles, devem ter-se em consideração os factores decorrecção indicados na norma de cada tipo de condutor isolado ou cabo.

Para um regime não permanente de funcionamento, os condutores podemser percorridos por uma corrente de intensidade superior à máxima admissívelem regime permanente, desde que se não exceda a temperatura de regime.

Resistências

Os valores das resistências: da alma condutora, de isolamento e dablindagem, devem estar de acordo com os valores especificados na norma decada tipo de condutor isolado ou cabo e para o material constituitivo respectivo.

Os valores das resistências podem ser verificados através da realização deensaios, como o que adiante se descreve para a determinação da resistênciade isolamento:

A resistência de isolamento deve ser medida após o mínimo de um minuto deaplicação de uma tensão contínua de 500 V e o seu valor deve ser o obtidodepois da estabilização da corrente de fuga. Assim, o condutor é ligado aopólo negativo, sendo utilizado um dos métodos seguintes:

• O ensaio é feito sobre um provete de 5 m de condutor despojado de todos osrevestimentos exteriores ao isolamento.

- O provete é mergulhado em água, a 60ºC ± 2ºC, por um período de 4horas, deixando-se cerca de 25 cm das extremidades de fora. A tensãoé aplicada entre o condutor e a água.

• O ensaio é feito sobre a peça ou sobre bobina completa do cabo , no meioambiente. A tensão de ensaio é aplicada entre cada condutor e os restantesligados aos revestimentos metálicos.

Quadro VII.3 - Factores de correcção para temperaturas ambientesdiferentes de 20ºC

Resistência de isolamento

10 1,10 1,13

15 1,05 1,07

20 1,00 1,00

25 0,94 0,93

30 0,88 0,85

35 0,82 0,76

40 0,75 0,66

Temperaturaambiente ºC

Factor de correcção

Cabos até 7,2kv Cabos de 12kv

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- Os valores obtidos à temperatura ambiente são corrigidos para atemperatura de 20ºC por meio dos factores de correcção próprios domaterial do isolamento.

• O ensaio é feito sobre a peça ou bobina completa do cabo, mergulhada emágua à temperatura ambiente, por um período de 4 horas. Ao fim desseperíodo, aplica-se a tensão entre cada condutor e os restantes ligados àágua.

- Os valores obtidos são corrigidos para a temperatura de 20ºC por meiodos factores de correcção próprios do material do isolamento.

Os componentes de um condutor isolado ou cabo devem possuir um conjuntode características mecânicas, cujos valores e métodos de verificação são:

• Resistência mecânica da bainha de chumbo.

• Resistência dos condutores isolados ou cabos a acções mecânicas.

• Resistência à dobragem de condutores isolados ou cabos do tipo rígido.

• Resistência à flexão de condutores isolados ou cabos dos tipos flexível eextraflexível.

Alguns tipos de condutores isolados ou cabos devem apresentar, de acordocom a normalização respectiva, um conjunto de outras características, de quese salienta:

• Resistência à corrosão por agentes atmosféricos.

• Resistência à corrosão por agentes químicos.

• Resistência à propagação da chama.

Características mecânicas

CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS

OUTRAS CARACTERÍSTICAS

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• Adequado coeficiente mássico das tranças, que se define como a massa da trança, expressa em gramas por centímetro quadrado da superfície coberta, tomando como base o diâmetro de aplicação.

Os condutores isolados e os cabos devem conter as indicações seguintes:

• Uma marca de origem, oficialmente reconhecida, que identifique o fabricante.

• Uma marca que identifique o tipo de condutor isolado ou cabo, de acordo com os símbolos fixados na Norma NP 665.

A marca de origem é constituída, em regra, por oposição de símbolos ou porinclusão de fios ou fitas coloridas ou impressas. Em qualquer dos caso, devepermitir uma rápida e duradoura identificação.

A aposição de símbolos deve ser feita no isolamento dos condutores isoladosou na bainha exterior dos cabos, de forma indelével e facilmente legível. Oafastamento entre marcas não deve ser superior a 50 cm.

Não podem ser empregues processos, como o de gravação em depressão,que possam prejudicar as características do isolamento ou da bainha, no localda marcação.

Quando as dimensões ou a natureza da superfície dos condutores isolados oudos cabos não permitirem qualquer das marcações atrás referidas, elas devemconstar de etiquetas colocadas nas peças ou rolos de fabrico.

Deve salientar-se a importância do cálculo da instalação e da escolha do tipo edimensões do cabo, para cada aplicação particular, nos quais se devem ter emconsideração os factores de correcção aplicáveis e o cálculo das quedas detensão.

A queda de tensão é uma consequência da resistência (R) dos caboscondutores que é directamente proporcional ao seu comprimento ( l ) einversamente proporcional à sua secção (S). Assim, quanto mais comprido efino for o condutor, mais resistência oferece e, por isso, maior queda de tensãoproduz e vice-versa.

Marca de origem

Etiquetas

DIMENSIONAMENTO DE CABOS ELÉCTRICOS

Queda de tensão

MARCAÇÃO

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Ω=Ωρ=

22

mm

m.m/mm.

S.R

l (VII.1)

onde ( ρ ) - leia-se ró - define a resistividade do metal condutor.

Para os factores de correcção, é essencial analisar as condições de instalaçãodos cabos, as influências externas presentes, tais como: temperaturaambiente; proximidade de outros cabos, ou ainda, de isolamento térmicos.

No que diz respeito à queda de tensão, é necessário obter: os comprimentosde cabo a instalar; a corrente máxima em regime permanente da carga e outrosparâmetros, específicos da utilização, como por exemplo, a corrente de arranquede motores, etc.

Factores de correcção

Os factores de correcção no dimensionamento de cabos são principalmenteos seguintes:

• Correcção de temperatura ambiente.

• Factor de agrupamento.

• Isolamento térmico.

Correcção da temperatura ambiente

A temperatura de funcionamento admissível de um cabo depende,principalmente, do tipo de material do isolamento, por exemplo, 70ºC para PVC,85ºC para borracha, etc.

Consequentemente, se um cabo é instalado numa área com uma temperaturaambiente igual à temperatura de referência de 20ºC, a temperatura do isolamento,nas condições sem carga, estará de acordo com a do ambiente.

No caso de a temperatura ambiente ser maior, a diferença entre aquela e amáxima admissível é menor.

Portanto, qualquer aumento provocado pela corrente no condutor deve ser inferioràquela diferença, o que só se consegue por redução do valor nominal indicadonas tabelas, ou seja, por imposição de um factor de correcção.

Influências externas

Temperatura defuncionamentoadmissível

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Factor de agrupamento

Este factor deve ser aplicado quando se instalam diversos condutores agrupadose nos quais se deve considerar a passagem simultânea da correntecorrespondente à plena carga, o que pode implicar instalações economicamentedesvantajosas.

Pode, no entanto, permitir-se uma redução desse factor, levando emconsideração: cargas flutuantes, a não simultaneidade de plena carga e aindao espaçamento entre condutores.

Isolamento térmico

Este factor deve ser aplicado nos casos em que os cabos estão instalados naproximidade ou cobertos com algum material isolante instalado para outrosfins, não associados à instalação eléctrica, como por exemplo, isolamentotérmico de paredes.

Queda de tensão

Os efeitos da redução da tensão de uma instalação abaixo do seu valornominal vão desde uma perda de rendimento até à completa impossibilidadede funcionamento de um equipamento, sendo, portanto, essencial reduzir aqueda de tensão a um valor mínimo.

A restrição no valor da queda de tensão admissível numa instalação é de 5%do valor da tensão nominal, sendo, em muitos casos, este o factor principalno dimensionamento de cabos.

É normalmente aceite que defeitos ou falhas em cabos, excepto quandoprovocados por causas externas, acontecem geralmente nos terminais, ligadorese junções.

Os cabos eléctricos requerem poucas acções de manutenção, à excepção dainspecção de condutas, galerias, caminhos de cabos, terminais e seusacessórios, para a identificação de contactos deficientes, sobreaquecimentos,humidades e corrosões, etc.

Queda de tensão admissível

Defeitos ou falhas

Cabos eléctricos

MANUTENÇÃO

Factor de agrupamento

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Cabos Eléctricos


As condutas, galerias e outros caminhos de cabos devem ser mantidoslimpos, particularmente de materiais inflamáveis, sendo de boa prática aselagem das passagens entre paredes e tectos para se evitar a propagaçãode fogos originados em defeitos de cabos.

Existem vários dispositivos no mercado para a detecção de defeitos em cabosde média e alta tensão, particularmente quando enterrados, baseados emdiferentes métodos, como por exemplo, a reflexão de um sinal produzido poruma fonte de impulsos cujo eco é analisado por um detector.

Não existem, no entanto, métodos similares para a localização de defeitos emcabos, aparelhagens eléctricas, como por exemplo em quadros eléctricos. Aprática habitual é a de se seccionar circuitos até o defeito ter sido isolado.

É importante que se estabeleça uma rotina de inspecção e ensaio dos caboseléctricos que deve incluir, como mínimo, a medida da resistência deisolamento, a verificação da continuidade dos circuitos e a análise dacondição dos acessórios, terminais, junções, entre outros, assim como alimpeza dos caminhos de cabos.

Condutas, Galerias

Detecção de defeitos

Inspecção e ensaio doscabos eléctricos

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Cabos Eléctricos

Componente Prática

Os elementos constituintes de um cabo eléctrico são:

A alma condutora, o isolamento, o enchimento e os elementos de protecção.

A secção nominal de um condutor multifilar corresponde ao valor aproximadoda soma das secções rectas dos fios que o constituem.

No dimensionamento de cabos eléctricos, deve ter-se em consideração osfactores de correcção e a queda de tensão admissível.

O isolamento de um cabo consiste na camada ou conjunto de camadas dematerial não condutor que envolve a alma condutora.

A blindagem, bainha, trança e armadura são revestimentos de condutoresisolados ou cabos que asseguram a sua protecção ou características eléctricas.

A tensão nominal de um condutor isolado é aquela pela qual este é designadoe em relação à qual é dimensionado o seu isolamento.

Os condutores devem possuir um conjunto de características que lhes permitaresistir às agressões mecânicas, químicas e térmicas a que estão sujeitosnuma utilização normal.

Os cabos eléctricos requerem poucas acções de manutenção pois as falhas edefeitos acontecem, normalmente, nos terminais, ligadores e junções.

RESUMO

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Componente Prática


1. Diga o que entende por secção nominal de um condutor.

2. Indique como localizar, na prática, defeitos em cabos.

3. Defina:

a) Alma condutora

b) Condutor eléctrico

c) Cabo eléctrico

d) Isolamento eléctrico

4. Indique que cor (ou cores) é (ou são) atribuída(s) a um condutor de protecção.

5. Diga o que entende, relativamente a um cabo ou condutor, por:

a) Isolamento.

b) Blindagem.

c) Bainha.

d) Armadura.

6. Explique o que significa para si:

a) Tensão nominal.

b) Temperatura ambiente de referência.

c) Corrente máxima admissível.

d) Queda de tensão.

7. Numa instalação eléctrica, o valor da tensão nominal é de 220 V. Diga qualé o valor da queda de tensão admissível.

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Instalações Eléctricas

MecânicaMecânicaMecânicaMecânicaMecânicaU

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Electrotecnia Industrial Vlll . 1


OBJECTIVOS


• Indicar as características de uma rede eléctrica;

• Identificar os documentos que uma instalação eléctrica deve conter;

• Referir os aparelhos eléctricos e suas funções;

• Descrever algumas funções de protecção da rede eléctrica;

• Explicar a constituição e aplicação das baterias de condensadores;

• Identificar o princípio de funcionamento e aplicação das baterias deacumuladores UPS.

TEMAS

• Projecto

• Circuitos eléctricos

• Redes de terra

• Inspecções das instalações eléctricas

• Regulamentação e normalização

• Resumo


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PROJECTO

Projecto de uma redeeléctrica

Objectivo

Instalação eléctricaAs instalações eléctricas nas unidades industriais começam a partir da redede distribuição de energia e são constituídas pelo conjunto de condutoreseléctricos e seus acessórios, aparelhos de manobra, protecção e receptores,fig.VIII.1.

Fig. VIII.1 - Produção, trasformação e distribuição de energia eléctrica

O objectivo principal de um industrial é o de fabricar produtos, tendo em atençãoo duplo critério de quantidade e qualidade , respeitando as exigências derentabilidade .

Para satisfazer este objectivo, a produção deve ser organizada , tendo ematenção a hierarquização dos riscos , em particular os que têm uma incidênciadirecta sobre a produção, não só do ponto de vista técnico como económico.

O projecto de uma rede eléctrica deve respeitar as prescrições dosRegulamentos de Segurança , prever o melhor custo de investimento eexploração e garantir:

• Ao processo de fabrico, uma continuidade de alimentação compatível com as necessidades de produção.

• A segurança das pessoas, bens e ambiente, onde se insere.

• A possibilidade de resposta às evoluções do processo do sistema produtivo.

• Fácil manutenção das instalações.

Contador

Contador

Barra paraligação à terra

Fio deterra

Interruptorprincipalde entrada

Caixa decoluna

Boca deentrada

Cotovelode entradaEntrada principal

numa UnidadeIndustrial

Posto de transformação

Central deprodução térmica

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O projecto deverá conter os seguintes documentos :

• Memória Descritiva das soluções adoptadas.

• Cálculos justificativos do dimensionamento.

• Esquemas unifilares, geral e parciais.

• Sistemas de protecção , comando e controlo .

Para uma adequada manutenção das instalações eléctricas deverão aindaestar disponíveis os seguintes documentos :

• Estudos de execução .

• Documentos de construção .

• Documentos de verificação, ensaio e recepção .

• Licenciamento e colocação em serviço industrial.

Aparelhos eléctricos

Nos circuitos eléctricos, utilizam-se aparelhos destinados a estabelecer ouinterromper o circuito, (interruptores, contactores, disjuntores, fusíveis, etc.),fig. VIII.2.

Estes aparelhos garantem dois tipos de funções :

• Funções activas relativas ao papel do aparelho na rede.

• Funções passivas , que materializam a aptidão do aparelho em suportar as condições impostas ao seu funcionamento, normal ou perturbado, na rede.

CIRCUITOS ELÉCTRICOS

Tipos de funções

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Fig. VIII.2 - Aparelhos eléctricos legenda: a) interruptores b) fusíveisc) contacdor-dijuntor e dijuntor

Funções activas

As funções activas podem enunciar-se como:

• Função "isolamento ".

• Função "comando ".

• Função "eliminação de defeito ".

• Função "vigilância ".

Função "isolamento"

É uma função de segurança que tem por finalidade separar ou isolar da redeuma parte da instalação onde se poderá trabalhar sem risco.

Função "comando"

Consiste numa operação voluntária , manual ou automática que permite abrirou fechar um circuito nas suas condições normais de funcionamento.

Função "eliminação de defeito"

Consiste em separar , da alimentação , uma parte do circuito em situaçãoanormal, cujas consequências podem ser perigosas para os trabalhadores e ouequipamento. Esta função é, muitas vezes, impropriamente, chamada de"protecção". Com efeito, o aparelho não pode prever o aparecimento de umdefeito, mas pode limitar as suas repercussões sobre as restantes secçõesda rede.

Tumbler

Tripolar Cartucho

Gardy

RoloContactor-dijuntor

(esquema de funcionamento) Dijuntormonofásico

Funções activas

Fusíveis Contactor-dijuntor e Dijuntor

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Quadro VIII.1 - Funções activas dos aparelhos eléctricos

Função "vigilância"

Consiste na vigilância dos parâmetros de exploração da rede (tensão, corrente,temperatura, etc.) provocando um alarme ou uma abertura do circuito .

Associação de funções

Tal como indicado no Quadro VIII.1, estas funções podem estar associadasem determinados aparelhos:

• ou por associação de duas funções num mesmo aparelho, caso, porexemplo, dos "interruptores - seccionadores", agrupando num só aparelhoas funções "isolamento " e "comando ".

• ou por associação de dois ou três aparelhos de base, como por exemplo, a associação com fusíveis de um interruptor ou de um

contactor para obter um "combinado", executando as funções"comando" e "eliminação de defeito".

• ou por associação com um outro elemento , como por exemplo, o"discontactor " que é uma associação de um contactor com um relé,realizando parcialmente as funções "comando", "eliminação de defeito"e "vigilância".

Nestes dois últimos casos de associação, as características dos aparelhosque a compõem devem ser coordenados para que o funcionamento de umaparte não perturbe o cumprimento das funções exigidos à outra parte.

Associação de funções

Funções

Aparelhos Isolamento Comando Eliminação de defeito Vigilância

Seccionadores X

Interruptores X

Contactores X

Disjuntores X X

Fusíveis X X

Réles (por memória) X

Quadro 1 - Funções activas dos aparelhos eléctricos

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Funções passivas

Os aparelhos instalados numa rede são submetidos, ao longo do tempo, aesforços, independentemente da sua função activa.

Por exemplo, um seccionador que não manobra, nem com um circuito emcarga, nem durante um curto-circuito, está sujeito à corrente de carga normalou às correntes de defeito , que deve suportar sem dano.

A aptidão para suportar esses esforços, função dos parâmetros dedimensionamento, de tensão e de corrente , da rede é:

• materializada por parâmetros de dimensionamento coordenados entre sie fixados por Normas.

• definida por ensaios, na maioria dos casos, ensaios de tipo.

Parâmetro de tensão

São três os parâmetros de tensão , comumente associados:

• Tensão máxima admissível, em regime permanente (tensão nominalde isolamento) - é a tensão máxima que o aparelho deve suportar empermanência sem dano e à qual mantém as características correspondentesàs suas funções activas.

• Tensão de rigidez admissível, à frequência industrial - é a tensão devalor superior ao anterior que o aparelho deve suportar num ensaio duranteum minuto; este parâmetro é representativo da qualidade do seu isolamentoe da sua adequação ao uso.

• Tensão de rigidez admissível, às ondas de choque ; este ensaio geralmente reservado aos equipamentos de Média e Alta tensão define o

comportamento do equipamento às sobretensões transitórias ou de origemexterior (descargas atmosféricas) ou originadas na própria rede (sobretensõesde manobra).

Parâmetros de corrente

• Corrente nominal (corrente nominal térmica) - é a corrente que o aparelhodeve suportar em permanência sem que o seu aquecimento ultrapasse osvalores compatíveis com as características dos materiais constituintes,expressando a sua aptidão de transmitir energia.

Funções passivas

Parâmetros de tensão

Corrente nominal

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• Corrente admissível , de curta duração - expressa a aptidão do aparelho asuportar, sem dano, as correntes de defeito da rede, ou seja, é a comprovaçãode que o aquecimento resultante de um curto-circuito, superior ao atingidoem regime permanente, não altera o seu funcionamento.

Nota: Este parâmetro é associado a um tempo de aplicação de um segundopara um valor de corrente igual ao valor da corrente de curto circuito máxima.

Corrente admissível, de crista de onda

• Corrente admissível, de crista de onda - este parâmetro, que estárelacionado com o anterior, expressa a capacidade do aparelho a suportaros esforços electrodinâmicos, considerando o valor máximo que surge noinstante inicial do curto circuito.

Corte da corrente eléctrica

Para realizar o corte de uma corrente eléctrica alternada bastaria que aresistência do interruptor , nula antes do começo do corte, crescesse e setornasse infinita.

Durante o corte, a energia no interruptor seria tanto mais baixa, quanto maiorfosse a variação da resistência e quanto mais próximo da passagem da correntealternada por zero, se produzisse o corte.

Um interruptor ideal , Fig.VIII.3, seria então, perfeitamente condutor até àpassagem a zero da corrente e perfeitamente isolante no instante imediatamentea seguir. A energia, neste caso, seria teoricamente nula.

Fig. VIII.3 - Interruptor ideal

Na realidade, é impossível atingir tal sincronismo. No entanto, o melhor métodode aproximação passa pela utilização das características do arco eléctrico.

Interruptor ideal

Corrente admissível

RI

Z

C

i

r

Tempo

Tempo

i - Corrente do circuito r - Resistência no interruptor

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Arco eléctrico

Quando se interrompe um circuito forma-se um arco eléctrico . Este possui acaracterística de passar num determinado instante do estado condutor aoestado isolante .

O estado condutor do arco eléctrico provém do fenómeno da ionização que seproduz ao longo do seu trajecto, resultante da expulsão de electrões a muitoalta temperatura. A queda de tensão no arco fornece, por efeito Joule , o calornecessário à manutenção da temperatura elevada, indispensável à continuaçãoda ionização.

Logo que a corrente decresce, a energia calorífica do arco diminui, devido àcedência de potência térmica ao meio ambiente; o arco arrefece, os iõesrecombinam-se e a resistência cresce simultaneamente com a aproximaçãoda passagem da corrente pelo zero.

O sincronismo referido não é, no entanto, sempre perfeito.

Tensão de restabelecimento

Desde o início do corte, aparece nos contactos do aparelho uma tensão quetende a manter a força electromotriz da rede. Esta tensão é chamada tensãode restabelecimento .

Fig. VIII.4 - Tensão de restabelecimentoLegenda: I = Corrente no circuito; E = Força electromotriz;

U = Tenção de restabelecimento

Arco Eléctrico

Ionização

Tensão de restabelecimento

U

C

ZIR

i

U

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Esta tensão, geralmente mais elevada do que a frequência nominal da rede,segue um regime transitório com um amortecimento que depende,principalmente, das características do circuito.

Critérios de bom funcionamento

Para que um aparelho seja capaz de interromper correctamente uma correnteeléctrica, devem simultaneamente ser satisfeitas as três condições seguintes:

• O aparelho deve ser capaz de suportar, sem dano, toda a energia desenvolvidano corte.

• A resistência interna do aparelho não deve crescer instantaneamente.

Note que : Sob o efeito da tensão de restabelecimento existe uma corrente queproduz calor; o arrefecimento do meio envolvente deve ser suficiente para evitarque, por elevação de temperatura, uma nova ionização se produza (fenómenode embalamento térmico).

• A rigidez dieléctrica do meio envolvente, ou seja, a sua resistência àperfuração sob o efeito de um campo eléctrico, não deve crescerinstantaneamente; no entanto, a velocidade de crescimento da rigidezdieléctrica deve manter-se superior à velocidade de crescimento da tensãotransitória de restabelecimento.

Os fenómenos relacionados com o corte da corrente eléctrica, de duração muitocurta, não são facilmente redutíveis a modelo. Assim, a sua construção dependeude larga experimentação até se atingirem aparelhos fiáveis.

Principais casos de funcionamento

• Carga fundamentalmente activa

A corrente e a força electromotriz da rede estão, neste caso, pouco desfasadase passam quase simultaneamente pelo zero. Os valores da corrente sãomoderados (corrente nominal) e os fenómenos de sobretensão transitória sãopouco importantes. Neste caso, o corte da corrente não apresenta, em geral,nenhuma dificuldade.

• Circuitos indutivos

Neste caso a corrente e a força electromotriz estão fortemente desfasadas. Noponto zero da corrente, a força electromotriz está próxima do seu máximo.

Funcionamento sobre um curto-circuito

No fecho, o curto-circuito estabelece-se com o aparecimento de umasobretensão transitória elevada , cujo valor depende dos parâmetros da rede.

Corte indutivo

Rigidez dieléctrica

Fenómeno de embalamentotérmico

Carga fundamentalmenteactiva

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Para as utilizações nominais, as normas CEI indicam que a relação daintensidade da corrente de crista com o valor eficaz de corrente de curto-circuito é de 2,5.

O aparelho tem que suportar os esforços electrodinâmicos que se produzem(repulsão dos contactos).

No corte, a corrente e a força electromotriz da rede estão fortemente desfasadas(próximo de 90º), e a tensão transitória tem a forma de uma sobreoscilação .

Na Fig. VIII.5, mostra-se a ocorrência do fenómeno na vizinhança do momentodo corte.

Na vizinhança do zero natural da corrente, a tensão de arco cresce e a correntetorna-se instável, realizando-se o corte um pouco antes do zero natural dacorrente (fenómeno de esmagamento ).

Fig. VIII.5 - Funcionamento sobre circuito indutivo

Corte de um transformador em vazio ou de uma reactância

Se a tensão de arco fosse nula, não haveria esmagamento da corrente e ovalor de crista da tensão transitória nos terminais do transformador nãoultrapassaria o valor da rede.

Esforços electrodinâmicos

a) Corte em curto-circuitoIo: corrente esmagadaUa: tensão de arcoUc: valor de crista da T. de restabelecimentoE: força electromotriz da rede

b) Corte de corrente indutiva fracaUr: tensão de redeUb: tensão nos terminais do trasformador

I

U

I

Ur Ub

I

0

Tempo

Tempo

U

Ub

Ur

U

Tempo

Tempo

U

E

Ua

Uc

0

IO

I

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Na realidade, há um certo esmagamento da corrente; aparece nos terminais dotransformador uma sobretensão tanto mais elevada quanto maior o valor dacorrente.

Circuitos capacitivos

No caso de circuitos capacitivos , a corrente e a tensão estão tambémfortemente desfasadas. A tensão está próxima do seu máximo no ponto zeronatural da corrente. São os casos, por exemplo, de:

• corte de baterias de condensadores.

• corte de cabos em vazio.

Fecho do circuito

No fecho do circuito , a colocação em tensão brusca do circuito capacitivodesencadeia um regime transitório oscilatório de frequência elevadacorrespondente à frequência de ressonância da capacidade associado coma indutância da rede.

Embora rapidamente amortecido, este fenómeno é acompanhado de uma fortesobreintensidade, podendo a sua velocidade de crescimento ser superior àverificada no fecho sobre um curto-circuito.

Corte do circuito

O circuito capacitivo , após a interrupção da corrente, mantém-se carregadocom uma tensão Us, que é igual ao valor máximo da tensão de alimentação .

Três situações podem, então, produzir-se, conforme o comportamento doaparelho, face às características dieléctricas, neste tipo de corte (ver Fig. VIII.6).

Corte simples

Se a regeneração dieléctrica na zona de corte é suficientemente rápida, entãoa corrente é cortada à passagem pelo zero. A tensão de restabelecimento atingenum meio-período um valor igual ao dobro da tensão máxima da rede. Não há,neste caso, regime transitório nem sobretensão.

Corte com reacendimento

A regeneração dieléctrica, na zona de corte, não é suficientemente rápida e oarco restabelece-se entre os contactos. Se este fenómeno se produz antes doprimeiro quarto de período, dá-se o reacendimento. Produz-se um regimetransitório, mas a amplitude da oscilação da tensão nos terminais do capacitivo,mantém-se inferior à amplitude de tensão da rede.

Corte capacitivo

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Fig. VIII.6 - Corte da corrente capacitiva

Corte com restabelecimento

O arco restabelece-se após um quarto de período. A amplitude da oscilação datensão ultrapassa, então, o valor da tensão da rede; ela pode atingir nosrestabelecimentos sucessivos valores de três, cinco, sete vezes o valor datensão da rede.

Esta situação conduz a um defeito à terra, se não se conseguir rapidamenteuma interrupção definitiva.

Tipos de aparelhos eléctricos

Seccionadores

O seccionador é fundamentalmente um órgão de segurança que cumpre a funçãoactiva de "isolamento ", já definida anteriormente.

No entanto, pode, em alguns casos, ter também as seguintes funções:

• isolamento dos transformadores de tensão, caso em que se admite que seja capaz de cortar a corrente magnetizante do TT.

• selecção dum circuito (caso dos seccionadores selectores num sistemade dois jogos de barras, por exemplo).

Em qualquer caso o seccionador é um aparelho sem poder de corte .

Os seccionadores são especificados pelas normas CEI 129 para média tensãoe CEI 408 para baixa tensão.

UA: tensão da rede UB: tensão aos terminais da capacidade U : tensão de restabelecimento

a) Corte simples

b) Corte com reacendimento- reacendimento em t1

- corte em t2c) corte com reabastecimento

maxAB U5U =

maxAB U3U =

Função isolamento

II

ABUA

U

UB

UEUB

TempoUA

UB

UA

U

UB

UA

UB

u

u u

It1 t2

I

U

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A manobra de um seccionador consiste na separação dos contactos,normalmente lenta, podendo ser:

• realizada no ar ;

• realizada num meio dieléctrico , geralmente SF6, para os monoblocosblindados em alta tensão.

Com excepção deste último caso, o corte é visível.

Interruptores

O interruptor é um aparelho que serve para cortar ou estabelecer um circuitopercorrido por uma corrente de carga normal. Executa a função activa de"comando ", já definida anteriormente. Os interruptores são normalmenteutilizados em Baixa e em Média Tensão até 36 kV.

Os interruptores são especificados pelas normas CEI 265 em média tensão eCEI 408 em BT.

Tipos de interruptores

Interruptores de corte no ar

É o caso normal em Baixa Tensão até 1000 V em corrente alternada 50 Hz.

Interruptores de autoformação de gás

Em geral, estes aparelhos derivam dos seccionadores de facas pela adição deuma faca auxiliar de abertura retardada em relação à faca principal. A aberturadesta faca produz-se num espaço estreito entre duas placas, cuja matéria édecomposta sob a acção do calor do arco eléctrico, produzindo gases quegarantem a sopragem do arco.

Interruptores autopneumáticos no ar

No momento da abertura, os movimentos das partes móveis provocam acompressão de um volume de ar que é soprado axialmente na zona de corte.

Esta compressão pode ser efectuada, quer nas peças de contacto, formandoum cilindro, quer num sistema pistão-cilindro separado.

Interruptores de autocompressão em SF6

O princípio de funcionamento é o mesmo dos aparelhos do tipo anterior, sendo,neste caso, o SF6 o gás comprimido pelo movimento das peças. É utilizado noequipamento de celas de monoblocos de Média Tensão.

Manobra de um seccionador

Interruptores deautoformação de gás

Interruptor

Interruptoresautopneumáticos no ar

Interruptores deautocompressão em SF6

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Disjuntores

O disjuntor é um aparelho que serve para estabelecer ou interromper qualquercorrente que possa aparecer num circuito.

Deve ser capaz de cortar ou estabelecer:

• As correntes de carga normais.

• As correntes de sobrecargas normais ou anormais.

• As correntes de defeito.

Funções comando e eliminação do defeito

O disjuntor executa, assim, as funções activas "comando " e "eliminação dedefeito ", já definidas anteriormente.

O disjuntor não é , no entanto, um órgão de segurança .

De facto, embora o disjuntor seja capaz da função "isolamento", não lhe épedida regularmente essa função.

Os disjuntores são especificados pelas normas CEI 56 em Média Tensão e CEI157-1 em Baixa Tensão.

Tipos de disjuntores

Podem encontrar-se diferentes tipos de disjuntores:

• Corte no ar

São utilizados três métodos principais:

• placas metálicas no ar.

• sopragem magnética.

• sopragem com ar comprimido.

• Corte no óleo

São ainda frequentes os disjuntores de pequeno volume de óleo, cada vez maissubstituídos pelos de corte no SF6.

Os disjuntores de grande volume de óleo já praticamente inexistentes foramabandonados, em face dos inconvenientes que apresentavam:

Disjuntores

Tipos de disjuntores

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• fragilidade dieléctrica.

• dimensionamento.

• factor de risco elevado em caso de incêndio.

• Corte no SF6

Existem três tecnologias principais de corte no SF6:

• Autocompressão.

• Corte magnético por arco rotativo.

• Corte por termosopragem.

Estas tecnologias, que podem estar associadas, utilizam as seguintespropriedades do SF6:

• Rigidez dieléctrica elevada.

• Grande condutividade térmica às temperaturas atingidas na proximidade do arco.

• Característica electronegativa do flúor elevada.

Contactores

O contactor é um aparelho que executa a função activa de "comando ", jádefinida anteriormente.

O contactor é capaz de estabelecer, interromper e de suportar qualquer correntede carga normal do circuito e também as correntes de sobrecarga em serviço.

Normalmente, a posição de repouso de um contactor é a de aparelho aberto,sendo fundamentalmente utilizado para comandar os circuitos de motores, daí,que, na sua concepção, seja dada grande importância à sua robustez edurabilidade.

As correntes de sobrecarga em serviço, referidas anteriormente, são sobretudoas relacionadas com o funcionamento dos motores, nomeadamente as correntesde arranque .

Tecnologias principais decorte

Contactor

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Alguns contactores dispõem de características de corte mais elevadas, oque permite:

• ou uma utilização marginal como disjuntor.

• ou uma associação com fusíveis , possibilitando uma utilização em redes de corrente de curto-circuito elevada.

Os contactores são especificados pelas normas CEI 470 e CEI 158-1.

Podem encontrar-se os seguintes tipos de contactores :

• Contactores de Baixa Tensão

A tecnologia dominante é de corte no ar , ou seja:

• de placas metálicas;

• de sopragem magnética;

• associação das duas tecnologias.

• Contactores de Média Tensão

Na média tensão, encontra-se principalmente as tecnologias seguintes:

• Tecnologia ar com sopragem magnética (em desuso).

• Tecnologia SF6 por arco rotativo.

Corta-Circuitos Fusíveis

O corta-circuitos fusível tem por função interromper as correntes elevadaspela fusão de um elemento.

O corta-circuitos fusível executa as funções activas "eliminação de defeito" e"vigilância", já definidas anteriormente.

O corta-circuito fusível é composto pelas seguintes duas partes:

• o elemento de substituição , normalmente chamado fusível, que é aparte que assegura o corte.

• a base , por vez fazendo parte de um outro aparelho, como o interruptor,sendo o seu principal papel o de permitir a ligação ao circuito exterior, garantiro isolamento à massa e de suportar os esforços electrodinâmicos.

Tensão máxima admissível

Fusíveis

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Os fusíveis são especificados pelas normas CEI 282, em Média Tensão e CEI269-1 e 2, em Baixa Tensão.

O elemento fusível é constituído por um ou mais condutores colocado nointerior de um tubo isolante. O conjunto é preenchido com areia de sílica. Oscondutores ou são fios (pequenos calibres) ou lâminas de cobre ou de prata. NaMédia Tensão, os elementos fusíveis são enrolados em hélice à volta de umsuporte isolante central, não se utilizando o cobre.

Quando a corrente atinge um valor elevado, os condutores liquefazem-se edepois volatilizam-se: o arco é, então, rapidamente arrefecido pelo materialpulvurulento. No início do corte, a tensão de arco toma instantaneamente umvalor muito elevado que limita a amplitude da corrente. A forma de onda dacorrente modifica-se bastante e a corrente é cortada antes da passagem naturalpelo zero.

Muitos tipos de fusíveis dispõem de um dispositivo que permitem o accionamentobrusco de uma peça, quando o fusível funde.

Estes dispositivos são de duas espécies:

• indicadores de fusão , que permitem a visualização do estado do fusível,ou, eventualmente, o accionamento de um microcontacto.

• percutores , capazes pela sua energia mecânica de desencravarmecanicamente o orgão de manobra de um interruptor.

Nos dois casos referidos, os dispositivos são, muitas vezes, equipados comum fio fusível que mantém uma mola é montado em paralelo com o elemento defusão principal.

Regras para especificação de aparelhos eléctricos

Definição de um aparelho

Um aparelho é totalmente definido por:

• Parâmetros característicos da sua ou suas funções activas.

• Parâmetros característicos das funções passivas comuns a todos osaparelhos.

• Correcção das suas características de funcionamento ou construtivasadequadas ao local e ambiente onde vão ser instalados.

Constituição de um fusível

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Estes parâmetros não são independentes uns dos outros.

As normas aplicáveis a cada aparelho fixam, com efeito, uma coordenaçãodaqueles valores, a partir dos parâmetros principais. Indicam também os valorespreferenciais das grandezas principais.

Regras para especificação

Indicam-se, a seguir, os pontos fundamentais para especificação de um aparelhoeléctrico:

• Norma de referência

Deverá indicar-se a norma ou normas de referência aplicáveis ao aparelho aespecificar.

• Local de instalação

Deverão indicar-se as condições próprias do local , bem como as condiçõesclimáticas , sempre que divirjam das situações convencionais.

• Utilização

Deverá indicar-se a natureza e a função do circuito ou dos receptorescomandados . Na maioria dos casos, um esquema eléctrico evita todas asambiguidades.

Tensão máxima admissível , em regime permanente (Tensão de isolamento).Esta indicação permite definir os ensaios dieléctricos, que o aparelho devesuportar.

Tensão de serviço

Esta indicação não é redundante, relativamente à anterior, como se mostra nosseguintes exemplos:

• Uma rede industrial de isolamento 7,2 kV pode ser explorada a umatensão inferior, o que interfere com as intensidades de correnteadmissíveis.

• Uma rede industrial de isolamento 30 kV, funcionando provisoriamente auma tensão de 15 kV, para permitir a alteração da tensão em fase posterior.

Potência de curto-circuito

Se não for conhecido o seu valor, numa rede industrial interna, deverá ser fornecidoum esquema completo da rede com indicação das potências dostransformadores e o valor da sua tensão de curto-circuito.

Tensão máxima admissível

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Corrente de serviço

Deverá indicar-se o valor da corrente máxima admissível e da sua utilizaçãoprevista com o maior rigor possível.

Relés de protecção e de vigilância

Generalidades

Os relés de protecção são aparelhos que comparam em permanência asgrandezas eléctricas das redes (corrente, tensão, frequência, potência,impedância, etc.) com valores predeterminados e que dão ordens lógicas quandoo valor vigiado atinge o valor de funcionamento.

O conjunto coerente dos relés, numa instalação, constitui o elemento de basedo sistema de protecção dessa instalação.

O papel dos relés de protecção é o de detectar qualquer fenómeno anormalque se produza num circuito eléctrico, tendo por objectivo, de acordo com oseu tipo, accionar as seguintes acções:

• eliminação dos defeitos , a fim de limitar os esforços eléctricos (sobre--intensidades, sobretensões) e os esforços mecânicos a que são submetidosos materiais em face daqueles defeitos; esta eliminação é obtida isolando amenor parte possível do circuito onde apareceu o defeito.

• vigilância das grandezas eléctricas da rede para controlar em permanênciaa qualidade da energia fornecida e garantir a protecção das pessoas contraos perigos da electricidade.

Cadeia de protecção

O princípio da cadeia de protecção é constituído pelos captores das grandezaseléctricas, isto é, os transformadores de corrente e os transformadores detensão .

A qualidade da detecção efectuada por um relé é função do sinal que lhe éfornecido pelo secundário dos transformadores de medida ao qual está ligado.

O sinal depende essencialmente da relação de transformação, da potência eda classe de precisão dos transformadores de medida.

Relés de protecção

Transformadores de medida

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Fig. VIII.7 - Ligação de um relé de protecção

Na extremidade da cadeia de protecção situam-se os órgãos que sãocomandados pelos relés: bobinas de disparo dos disjuntores , visores desinalização , alarmes e outros dispositivos de segurança. Estes órgãos sãoligados aos contactos de saída dos relés de protecção , directamente, ou porintermédio de relés auxiliares conforme o valor da potência necessária.

Os relés de protecção Fig. VIII.7, ficam situados electricamente, entre ostransformadores de medida que lhes fornecem as grandezas a vigiar, e os órgãoscomandados pelas ordens lógicas que eles fornecem. A estas ligações énecessário adicionar a ligação do próprio relé de protecção ao circuito auxiliarde alimentação.

Critérios de escolha

A escolha de um relé de protecção deve ser conduzida por diferentes critérios.

A título de exemplo, podemos indicar os seguintes:

Função (medida da corrente, tensão, frequência, potência, impedância, fase);

Apresentação (de acordo com o tipo de equipamento);

Alimentação (tipo, calibre e frequência para as grandezas de medida e aalimentação auxiliar);

Gama de regulação , ou seja, o intervalo compreendido entre o maior e omenor múltiplo do calibre nominal;

Condições ambientais , isto é, resistência às condições particulares do localde instalação como: temperatura, salinidade, poeiras, atmosfera explosiva,parasitas electromagnéticos, sobretensões de manobra ou atmosféricas,vibrações, choques e sismos.

(Controlo da corrente)

(Controlo de tensão)transformador de

medida

Tensãoauxiliar dealimentação

Reléde

protecçãoAccionador

Órgão decorte

Critérios de escolha de umrelé de protecção

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Cuidados na manutenção

Independentemente da manutenção das condições ambientais, onde os relésestão instalados, para o adequado funcionamento do sistema de protecção etendo em conta as necessidades de exploração, devem realizar-se as seguintesoperações de manutenção :

• Verificação do funcionamento (verificação das sinalizações).

• Possibilidade de modificação das regulações, em função da evolução darede ou do processo.

• Controlo periódico do bom funcionamento,por simulação para o que será necessário dispor de tomadas de ensaio.

• Intermutabilidade das partes activas dos relés, tendo em conta a suamanutenção ou substituição; é recomendável, por esse facto, a utilizaçãode relés extraviáveis para reduzir as interrupções de serviço.

De um modo geral, para facilitar as operações acima referidas é desejável queos relés estejam instalados à altura de um homem.

Relés de protecção contra os defeitos

Como já referido, o papel dos relés de protecção é de eliminar, o maisrapidamente possível, os elementos da rede: linha, cabo, transformador, motorou alternador, fontes de um defeito de isolamento entre fase ou entre fase eterra.

Os relés de protecção, contra os defeitos , são relés sensíveis: àssobreintensidades; às quedas de tensão; às variações de impedância (variaçõessimultâneas de tensão e de corrente), à fase da corrente e às diferenças decorrente entre dois pontos.

Como exemplos de relés de protecção, citamos os seguintes:

• Relés de Máximo de Intensidade .

• Relés de Máximo de Corrente Homopolar.

• Relés Direccionais de Corrente.

• Relés Diferenciais de Corrente.

• Relés de Frequência .

Operações de manutenção

Exemplos de relésde protecção

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Relés de exploração ou de vigilância

O seu papel é o de detectar as condições anormais de funcionamento da redee das máquinas que a ela estão ligadas.

Estas condições anormais , que não acarretam perigo imediato para asinstalações, podem, se se prolongarem, ter consequências graves.

É o caso, por exemplo de:

• sobrecargas prolongadas para os cabos ou máquinas.

• sobretensões nos transformadores.

• desequilíbrios de carga e baixas de tensão devidas ao funcionamentoem motor de alternadores.

Como exemplos de relés de exploração ou de vigilância , citamosnomeadamente, os seguintes:

• Relés de Sobrecarga .

• Relés de Tensão .

• Relés de Desequilíbrio .

• Relés de Retorno de Potência Activa .

• Relés de Controlo de Isolamento à Massa do Rotor.

Relés de Vigilância para a Segurança das Pessoas

Pela sua importância nas unidades industriais, referimos ainda o problemaimportante da protecção dos trabalhadores contra os perigos de electricidade.

Assim, para além das protecções contra os curto-circuitos e as sobrecargas,obtidos por dispositivos de protecção , tais como, disjuntores equipados derelés magneto-térmicos, para a adequada protecção das pessoas é necessárioter em atenção as seguintes medidas:

• protecção das partes sob tensão.

• ligação à terra das massas.

• controlo do isolamento das redes.

• verificações periódicas das instalações.

Relés de vigilância

Condições anormais

Exemplo de relésde vigilância

Protecção das pessoas

Dispositivos de protecção

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A adopção destas medidas conduzirá à diminuição do número de acidentes deorigem eléctrica.

Os relés de Controlo de Isolamento da Rede fazem parte dos relés de vigilância.

Neutro isolado

No caso de redes de neutro isolado, o controle do isolamento das redesconduz à utilização de dispositivos que injectam na rede uma tensão contínuaou de muito baixa frequência. A ocorrência de um defeito de isolamento provocaa circulação de uma corrente no circuito de injecção. Esta corrente origina ofuncionamento do relé.

Neutro à terra

Detecção da corrente de defeito.

No caso de redes de neutro à terra, directamente, ou por intermédio de umaimpedância, utiliza-se, então, a detecção da corrente de defeito por intermédiode um transformador toroidal, abrangendo o conjunto dos condutores activos eassociado a um relé diferencial de corrente de defeito.

Existem relés com sensibilidades de 10-30-300-500-650 mA. A escolha dasensibilidade deve ser feita de acordo com as regras da instalação.

Conclusões

Entre as numerosas funções de protecção das redes industriais, apenas asprincipais foram, aqui, evocadas.

A escolha dos relés de protecção de uma rede ou duma máquina é sempre oresultado de um compromisso entre o seu custo e a ponderação das falhas deprodução, das reparações e das substituições.

É preciso ter também em atenção a prevenção dos acidentes corporais.

Daí resulta que os sistemas de protecção variem conforme as tensões de serviço,as potências em jogo e a utilização da energia eléctrica.

Para além daquele compromisso, intervém igualmente na selecção do sistemade protecção, as prescrições regulamentares, que, cada vez mais, obrigam aocumprimento de determinadas disposições, com vista à salvaguarda das pessoase do meio ambiente.

Controlo do isolamento

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Compensação de energia reactiva e filtragem de harmónicas

Generalidades

Num ponto qualquer de uma rede trifásica alternada, a tensão simples e acorrente só raramente estão em fase.

Potência real ou activa

Se considerarmos apenas uma fase da rede, a potência real ou activa (P)que transita nesse ponto é de:

ϕ= Cos.I.UP (VIII.1)

em que, U é o valor eficaz da tensão simples, I é o valor eficaz da corrente e ϕo âgulo de desfasagem (contado positivamente se a corrente estiver em atrasoem relação à tensão).

Potência aparente

Relativamente à potência aparente (S):

S = U.I. (VIII.2)

a potência real (P) é reduzida do factor de potência Co s jjj ϕϕ,chamado factorde potência:

P = S.Cosϕ (VIII.3)

O objectivo de um sistema eléctrico é o de fornecer uma potência real ou activa(P), pelo que a existência de um factor de potência significa uma perda deeficácia do sistema.

Por outro lado da expressão:

Q = S.Senϕ (VIII.4)

obtem-se a Potência Reactiva (Q ), a partir da Potência real ou Activa (P) .

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Potência reactiva

Esta Potência Reactiva (Q) é gerada, numa rede, pelos elementos indutivos ecapacitivos que a constituem.

Energia reactiva

Convencionalmente, dizemos que os elementos indutivos consomem energiareactiv a e que os elementos capacitivos produzem energia reactiva .

A potência (QL) de uma indutância (L ) percorrida por uma corrente (I) , àfrequência (f) , é dado pela expressão:

Q = 2π.f.L.I2 (VIII.5)

A produção ( Prc ) de uma capacidade ( C ) e submetida a uma tensão ( U ) , àfrequência ( f ) é dada pela expressão:

QC = 2π.f.C.U2 (VIII.6)

Compensação de energia reactiva

Poder-se-á pensar, então, que, colocando indutâncias e condensadores emdeterminados pontos da rede, se pode melhorar o factor de potência. Isto éverdade, e é aplicável em alguns pontos da rede, por exemplo na iluminaçãocom lâmpadas fluorescentes ou lâmpadas de descarga, em que se associamum condensador para compensar a energia reactiva. No entanto, na prática,isto não é suficiente, já que nos restantes aparelhos de utilização é dominantea existência de elementos indutivos, como por exemplo, transformadores,motores assíncronos, etc.

Uma outra solução para melhorar o factor de potência consiste em utilizar umcompensador síncrono (motor síncrono, funcionamento em vazio), em que aregulação da corrente de excitação possibilita um comportamento produtor ouconsumidor de energia reactiva. Esta solução não é, no entanto, muito utilizada.

As soluções mais comummente utilizadas são o recurso a compensadoresestático s (conjunto de indutâncias e condensadores comandados por tirístores).

Além da energia reactiva presente numa rede, outro problema, que pode ocorrerem maior ou menor grau, é a existência de harmónicas. De facto, a forma dasondas de corrente ou de tensão pode afastar-se da sinusóide pura teórica.

A deformação destas ondas provém de ondas sinusoidais de frequênciasmúltiplas (harmónicas), que se sobrepõem à onda fundamental.

Soluções para melhorar ofactor de potência

Compensadoresestáticos

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A existência dessas harmónicas pode perturbar o funcionamento dos aparelhoseléctricos. Para atenuar este fenómeno, recorre-se aos filtros anti-harmónicasobtidos por associação de condensadores e indutâncias ajustados para asharmónicas a reduzir.

Baterias de condensadores

Os condensadores de potência são normalmente instalados em derivação sobrea rede a compensar. Podem ser ligados em estrela ou em triângulo, produzindoa energia reactiva.

Fig. VIII.8 - Elemento de condensador de polipropileno metalizado

O elemento de um condensador de potência é constituído por folhas finas demetal (Al, Zn) separadas por vários filmes de papel ou de polipropileno. Asfolhas e os filmes são enrolados, formando uma bobina,fig VIII.9. O condensadoré obtido a partir de um elemento ou de uma associação de vários elementos.

Fig. VIII.9 - Elementos de condensador A.T. do tipo impregnado

Filtros anti-harmónicas

Compensação comcondensadores

Camadas eléctrodo Rolo Terminal

Cápsula

Dieléctrico(isolador)

Camadaseléctricas

Pernos

Rolos

Dieléctricos

a) Eléctrodos salientes b) Eléctrodos não salientes

a) Elementos decondensador misto

A: Folha de alumínioB: Filme de polipropilenoC: Folha de papel

b) Elementos decondensador tratado

Ad: Folha de alumínio deformadoBr: Filme de polipropileno rugoso

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Os condensadores são especificados pelas normas CEI 70, tanto para BaixaTensão, como para Média Tensão. São caracterizados por:

• Capacidade , expressa em F ( Farad ).

• Potência unitária, expressa em kVAR.

• Tensão , expressa em volts.

• Nível de isolamento , expresso em kV.

• Frequência , expressa em Hz.

Se a compensação é constante, utilizam-se baterias ditas fixas, que podemser ligadas, quando a compensação é necessária.

Se a compensação é variável, é necessário fraccionar a bateria em escalões.

As baterias são constituídas por condensadores unitários ligados em série--paralelo e montados sobre uma estrutura de tipo aberto ao ar livre, ou encerradosem armário, para montagem exterior ou interior.

Na Figura VIII.10 podem ver-se disposições típicas de condensadores numabateria de compensação.

A aparelhagem de manobra deve ser capaz de garantir o corte das correntescapacitivas , o que pressupõe a utilização de aparelhos previstos para aqueleefeito e com o dimensionamento adequado.

Para reduzir as correntes de ponta (ligação ou descarga da bateria sobre umcurto-circuito externo), podem utilizar-se indutâncias para limitação da corrente.

Fig. VIII.10 - Disposição dos condensadores numa bateria de compensação

Elementos que caracterizamos condensadores

Baterias de condensadores

100 kVAR - 11,6 kV 200 kVAR - 11,6 kV 200 kVAR - 5,8 kVDisposições clássicas Disposição “fusíveis internos”

Fusívelinterno

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Antes de qualquer manobra de ligação à terra, é necessário esperar, por razõesde segurança, que os condensadores sejam descarregados pelo seu própriodispositivo de descarga.

Como já referimos, se a compensação tiver de ser fraccionada, utilizam-sebaterias com escalões iguais ou desiguais.

Cada escalão é constituído do mesmo modo que uma bateria fixa, incluindo asprotecções. Cada escalão possui o seu próprio aparelho de manobra, mas odisjuntor pode ser comum ao conjunto de bateria.

Se a colocação em paralelo de vários escalões é efectuada sob tensão, énecessário dispor de indutâncias de limitação em cada escalão. O comandodos escalões pode ser efectuado de diversos modos, em função dasnecessidades da compensação, ou seja:

• por relógio .

• por relé com regulação de corrente ou de potência.

• por regulador automático do factor de potência.

Compensação Estática

Quando a potência reactiva absorvida por uma instalação eléctrica varialentamente, os efeitos destas variações sobre a tensão não são relevantes epoderão, caso necessário, ser corrigidas se se dispuser de regulação de tensãoem carga nos transformadores. Neste caso, a compensação pode, semproblemas, ser realizada com baterias de condensadores, como já foi referidoanteriormente. No entanto, para outro tipo de cargas, como fornos de indução,conversores estáticos de potência, etc, a sua alimentação origina variaçõesbrutais da potência reactiva absorvida, variações que são susceptíveis deproduzir perturbações graves. Neste caso, portanto, a solução passa ou pelacompensação síncrona , motor síncrono funcionando em vazio, já referida, oumais usualmente pela compensação estática .

Os principais tipos de compensadores estáticos são os seguintes:

• Compensadores estáticos, utilizando uma indutância saturável.

• Compensadores estáticos, utilizando uma indutância linear controlada por tirístores.

• Compensadores estáticos, utilizando condensadores comutados portirístores.

Tipos de compensadoresestáticos

Comando dos escalões

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Fig. VIII.11 - Esquema de Princípio de um Compensador utilizando umaindutância saturável comandada em corrente contínua

A título indicativo apresentam-se nas Figuras VIII.9, VIII.10, VIII.11, VIII.12 eVIII.13 esquemas típicos dos compensadores estáticos referidos:

Fig. VIII.12 - Esquema de princípio de um compensador,

utilizando uma indutância autosaturável

Fig. VIII.13 - Indutância comandada por tirístores

Para-raios

Indutânciacomandada

Pára-raios Filtro

Para-raios

Dispositivos deregulação dapotênciareactivaabsorvida

Rectificador regulávelpara comando dasaturação

Condensadorfornecedor dapotênciareactiva

Dispositivo de auto--regulação dapotência reactivaabsorvida

Condensadorfornecedor dapotênciareactiva

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Fig. VIII.14 - Esquema de princípio de um compensador estático,utilizando condensadores comutados por tirístores

Fig. VIII.15 - Associação de condensadores comutados por tirístorese indutâncias comandadas por tirístores

Filtragem anti-harmónicas

A forma das ondas de corrente ou de tensão nas redes industriais afasta-se,muitas vezes, da sinusóide pura teórica.

A deformação destas ondas resulta de ondas sinusoidais, com frequênciamúltipla de frequência fundamental, que se sobrepõem à outra fundamental de50 Hz.

A deformação qualitativa de uma onda depende não só da amplitude dasharmónicas, mas também da sua desfasagem em relação à onda fundamental.

Transformador

Interruptores

Indutânciade limitação

Controlo

Filtroanti-harmónica

Indutânciarequerida portirístores

Capacidadescomutadas portirístores

Harmónicas

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Fig. VIII.16 - Forma de onda deformada pela existência de harmónicas

Causas

A presença de harmónicas na onda de tensão das redes pode ser atribuída acausas diversas:

• rectificadores.

• tirístores.

• transformadores saturados.

• fornos de indução.

• etc.

Os aparelhos geradores de harmónicas podem ser de dois tipos:

• geradores de tensões harmónicas.

• geradores de correntes harmónicas.

Para os primeiros, a intensidade debitada depende da impedância da rede,enquanto que para os segundos é imposta a sua corrente à rede.

São assimiláveis a geradores de tensões harmónicas:

• as máquinas assíncronas.

• as máquinas síncronas.

• os transformadores de potência.

656 GRAPHICAL AND NUMERIC ANALYSIS (C) 1988-89 D. Technologies, Inc.Phase A Number 31 Channel D setup 4 02/09/88 14:00 :29.92

Horizontal 2500microsec./divison Vertical 200 Amps/division

Causas das harmónicas

Geradores de harmónicas

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As forças electromotrizes harmónicas provêm da inadaptação destesgeradores em fornecer tensões perfeitamente sinusoidais, seja por construção,seja numa situação de exploração para além do regime nominal, como, porexemplo, em saturação.

São assimiláveis a geradores de correntes harmónicas :

• os transformadores de medida de intensidade.

• os arcos eléctricos (fornos, máquinas de soldar).

• as reactâncias com núcleo de ferro.

• os rectificadores, conversores estáticos, onduladores.

Para estes, a relação entre a corrente que os atravessam e a tensão aos seusterminais não é constante. A sua impedância interna não é linear.

Qualquer equipamento eléctrico ligado a uma rede deve poder funcionar, querseja ou não poluidor de harmónicas.

As harmónicas perturbam o funcionamento de muitas máquinas e aparelhoselectrónicos.

Em particular, os condensadores de potência são perturbados pois a suaimpedância decresce proporcionalmente com o número de harmónicas queneles circulem.

Fig. VIII.17 - Curva de Impedância de um filtro

Da existência de harmónicas resulta, assim, que:

• A taxa de corrente harmónica seja maior do que a taxa de tensãoharmónica;

• A corrente eficaz seja mais elevada para uma tensão não sinusoidal deigual valor eficaz.

F.e.m. harmónicas

Geradores de correntesharmónicas

non

z(WWWWW)

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Da análise de harmónicas, a efectuar com aparelhos analisadores de harmónicas,resulta a necessidade de filtragem com filtros série , associando resistências ,indutâncias e capacitâncias , para as frequências de harmónicas que énecessário reduzir.

Fig. VIII.18 - Esquema unifilar e esquema equivalente da ligação de um filtro

Os filtros são calculados, caso por caso, em função das características derede e das frequências de harmónicas que é necessário reduzir.

Por outro lado, um conjunto de filtros é um todo indissociável, pois, retirando--se um só filtro, vamos alterar a impedância nesse ponto de rede e sobrecarregaros restantes filtros.

Subestações e postos de trasformação

Generalidades

Uma subestação, fig. VIII.1, ou um posto de transformação são pontos detrânsito de energia que, recebendo, transformando, repartindo e entregando aenergia, permitem alimentar a partir de uma rede de alta ou média tensão querseja:

• outras redes de média tensão.

• directamente as instalações eléctricas de utilização.

Podem ser instalados: no exterior (ao ar livre, ou em invólucro exterior pré--fabricado) ou no interior (em celas de alvenaria, ou com celas metálicas).

Subestações e postos de transformação

Os esquemas das subestações e postos de transformação dependem doseguinte:

Receptoremissor decorrentesharmónicas

Esquema unifilarEsquema equivalente

Filtro

Rede

Filtragem de harmónicas

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• estrutura da rede onde se inserem.

• características da exploração da rede a estabelecer.

• repartição, hierarquia e importância dos consumos .

• necessidades previstas a curto prazo e evolução prevista no futuro.

• nível de qualidade e continuidade de serviço exigidos.

As subestações e postos de transformação incluem os seguintesequipamentos :

• uma ou várias chegadas para alimentação .

• uma ou várias saídas de distribuição .

• uma ou várias saídas de tensão transformada ou quadros de BaixaTensão.

O projecto, construção e exploração de subestações e postos de transformaçãodevem satisfazer, em Portugal, às prescrições do Regulamento de Segurançade Subestações e Postos de Transformação e de Seccionamento, Decreto nº42895 de 31 de Março de 1960 e Decretos Regulamentares nº 14/77 de 18 deFevereiro e nº 56/85 de 6 de Setembro.

Quadros

Todo o conjunto de aparelhos de Baixa Tensão pode ser considerado comouma combinação de aparelhos eléctricos BT, (seccionadores, interruptores,disjuntores, contactores, fusíveis, terminais, barramentos, etc.), com os seusequipamentos associados de comando , medida, protecção, regulação ecom os seus dispositivos de instalação (estruturas, armários, etc.).

Estes conjuntos podem classificar-se em:

• conjuntos com equipamentos fixos.

• conjuntos com equipamentos desconectáveis.

• conjuntos com equipamentos extraíveis.

A escolha do tipo de material deve ter em conta, o seguinte:

• local de instalação e índice de protecção IP exigível.

• qualificação do pessoal de exploração.

Regulamento de segurança

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• segurança das pessoas.

• necessidade de previsão da circulação e evacuação das pessoas.

• Necessidade de efectuar rapidamente certas manobras, em caso de urgência.

A concepção e execução dos Quadros de Baixa Tensão devem satisfazer oprescrito nas normas CEI 439 e CEI 529.

Quadros M.T.

Os aparelhos de Média Tensão de uma instalação são incluídos, tal como nocaso da Baixa Tensão, em conjuntos. Estes combinam os aparelhos com oselementos associados de comando , medida e protecção e os seusdispositivos de instalação .

Quadros eléctricos

A prefabricação do conjunto dos aparelhos de média tensão, incluída emarmários metálicos, é a solução mais utilizável, e tem as seguintes vantagens:

• vigilância e intervenção centralizadas.

• segurança de exploração e de manutenção.

• protecção das pessoas contra os riscos eléctricos.

• nível de fiabilidade constante pelo emprego de componentesnormalizados.

A concepção e execução dos Quadros de Média Tensão deve satisfazer oprescrito nas normas CEI 298 e CEI 529.

Baterias de acumuladores e "UPS"

Baterias de acumuladores

Para além das grandes fontes de energia destinadas à alimentação das redesde transporte e de distribuição de electricidade, é necessário dispor, para certasutilizações de fontes de energia autónomas , aptas a fornecer energia emcondições económicas rentáveis e sem interrupção.

Os geradores de energia eléctrica de origem electroquímica são os mais aptosa desempenhar essa missão.

Fontes de energiaautónomas

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O princípio de funcionamento de um gerador electroquímico é essencialmentebaseado na conversão de energia química em energia eléctrica. Qualquer reacçãoquímica que é acompanhada por uma diminuição de energia, é susceptível dedar lugar ao aparecimento de uma corrente eléctrica, logo que se criem ascondições apropriadas.

Se esta reacção se decompuser em duas reacções parciais, simultâneas edistintas no espaço, então uma dá lugar a uma captura e outra a uma libertaçãode electrões. É preciso, além disso, para fechar o circuito assim constituído,que uma transferência de carga se efectue entre os eléctrodos no interior dosistema.

Fig. VIII.19 - Bateria, processo de carga e de descarga

Esta função é assegurada por um meio líquido ou sólido entreposto entre oseléctrodos. É o electrólito .

Este meio deve ter uma condutibilidade electrónica nula, sob pena de curto--circuitar os eléctrodos e ser dissociável em iões portadores de cargas eléctricas.

A passagem da corrente no electrólito é devida ao deslocamento dos iões sobinfluência do campo eléctrico existente entre os eléctrodos.

Em alguns casos, a passagem de uma corrente, de sentido oposto à produzidapela descarga, permite recompor os eléctrodos ao seu estado inicial. É o casodo acumulador.

Por exemplo, um acumulador de Níquel - Cádmio , (Ni - Cd) descarrega-sesegundo a reacção 1 e é recarregado pela corrente oposta segundo a reacção2:

22 )OH(Cd)OH(Ni2 + Reacção 1

OH2CdNiOOH2 2++ Reacção 2

Gerador electroquímico

Electrólito

Receptor

Placas(eléctrodos)

Carga Descarga

Bateria

Esquema de carga e de descarga

Exemplo VIII.1

Acumuladores

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Do mesmo modo, para o acumulador de chumbo (Pb):

OH2SOPb2 24 + Reacção 1

422 SOH2PbOPb ++ Reacção 2

A quantidade de electricidade correspondente ao número de electrões trocadosna reacção é produzida sob uma diferença de potencial ou força electromotrizde:

• 1,299 V para o par Ni - Cd.

• 2,110 V para o par Pb - Pb.

Na realidade, um gerador electroquímico fornece uma quantidade de energiainferior à prevista teoricamente, pelas seguintes razões:

a) - A tensão de descarga é inferior à f.e.m., em face dos seguintes fenómenoslimitativos que se produzem no gerador:

• Queda de potencial puramente óhmica devida à resistência eléctrica dosdiferentes componentes (polarização óhmica).

• Queda de potencial correspondente à energia necessária para efectuaremas transferências electrónicas (polarização de activação).

• Queda de potencial ligada aos transportes dos materiais e da concentraçãodos reagentes nos eléctrodos e electrólito (polarização de concentração).

b) - A totalidade da matéria contida nos eléctrodos não toma parte na reacção.Um acumulador é caracterizado pelas seguintes grandezas:

Tensão nominal - tensão de descarga em regime nominal para aproximadamente50% da capacidade descarregada (Ni - Cd = 1,2 V Pb = 2 V).

Capacidade - Quantidade de electricidade susceptível de ser fornecida por umelemento numa descarga normal. Expressa-se em Ampère-hora.Note que : a capacidade não é constante, dependendo do regime de descarga.

Se a descarga for rápida, a capacidade diminui, se a descarga for lenta, acapacidade aumenta.

Para a carga de um acumulador, utilizam-se carregadores-rectificadores quefornecem a energia necessária à carga dos seus elementos, sempre que a suafonte de alimentação estiver presente.

Características dosacumuladores

Carregadores de Baterias

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Fig. VIII.20 - Esquema de funcionamento de um carregador de baterias

Na maioria dos casos, nas instalações de serviços auxiliares de uma redeeléctrica, pretende-se manter a tensão constante , pelo que se impõe um regimede carga-descarga designado regime "floating ", mantendo-se, assim,constante a tensão fornecida pela bateria aos circuitos de utilização.

Entre outras aplicações dos acumuladores, citamos, por exemplo, a iluminaçãode emergência e de socorro, o equipamento de comunicações portátil, etc.

Unidades de alimentação interrupta (UPS)

Para determinados equipamentos alimentados por uma rede de correntealternada e, consoante a sua utilização, é imprescindível, por um lado, quenunca ocorra a descontinuidade da sua alimentação e, por outro lado, que aqualidade dessa alimentação se mantenha dentro de níveis elevados.

É caso, por exemplo, dos equipamentos informáticos em que as anomaliasreferidas afectam a sua adequada exploração.

De facto, numa rede eléctrica podem ocorrer diversas perturbações, de quedestacamos:

• Cortes.

• Micro-cortes.

• Variações de tensão.

• Variações de frequência.

• Harmónicas.

Ponterectificadora

3AB.R.

Transformador220/ 12-6\

220 V 12 VOU6 V

Aplicações dos acumuladores

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Nestes casos, é assim indispensável dispor de um equipamento adicional quevai garantir que a sua alimentação em corrente alternada não seja perturbada.

É a função das Unidades de Alimentação Ininterrupta , designadas pelasigla inglesa "U.P.S.", que, no fundo, contêm uma bateria de acumuladores,que é o órgão que vai garantir a autonomia de fornecimento de energia, associadoa um carregador-rectificador e a um ondulador, fig.VIII.21.

O ondulador transforma a corrente contínua (procedente do rectificador quandohá rede ou das baterias, em caso de falha) em corrente alternada.

Fig. VIII.21 - Esquema básico de funcionamento

Estas unidades permitem também utilizar a alimentação da rede directamentesempre que as suas características sejam compatíveis com a utilização,permitindo instantaneamente a transferência de alimentação da carga para ocircuito descrito anteriormente.

Introdução

A camada de material que cobre o nosso planeta é o que em Electricidade serefere por "terra ", cuja definição pode ser dada como "a massa condutora daTerra cujo potencial eléctrico em qualquer ponto é, convencionalmente, igual azero".

Alimentação~

dupla

Carregadorrectificador

Bateria deacumuladores

Ondulador

Utilização

Ondulador

Unidades de alimentaçãoininterrupta

REDES DE TERRA

Terra

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Ligando um voltímetro entre um condutor activo e a terra medimos 220 V.

Por convenção, o condutor tem um potencial (V) de 220 V e a Terra um potencialnulo.

Um dos métodos de protecção contra os efeitos da corrente eléctrica nocorpo humano consiste em ligar todas as partes metálicas entre si e à terra,assegurando, assim, que ficam ao mesmo potencial (zero). Em caso de defeito,não havendo diferença de potencial entre as partes metálicas e a terra, não háa possibilidade de um choque eléctrico por contacto acidental com aquelas.

Infelizmente, a Terra não é um bom condutor e pode apresentar uma resistênciaelevada à passagem da corrente de defeito. É, portanto, necessário criar umcaminho para a corrente, de resistência tão baixa quanto possível.

Existem vários métodos para executar a ligação à terra de modo a reduzir ovalor da resistência de terra.

Sistemas de terra

De modo a seleccionar as medidas de protecção adequadas às instalaçõeseléctricas, é essencial que certas características da fonte de energia de instalaçãosejam examinadas.

A escolha das medidas de protecção contra o choque eléctrico dependem,entre outros factores, do tipo de sistema de terras utilizado e do tipo de caminhopretendido para a corrente de defeito de terra.

Nas descrições dos sistemas de terra aparecem as designações TN, TT e IT.

Nestas designações, a primeira letra designa o tipo de ligação à terra nafonte de energia.

T - Ligação directa a um ou mais pontos da Terra.

I - Todas as partes activas isoladas da Terra ou um ponto ligado à Terra através de uma impedância.

a segunda letra indica a relação entre as partes condutoras acessíveis dainstalação e a Terra.

T - Ligação eléctrica directa à Terra, das partes condutoras acessíveis,independentemente da ligação de algum ponto da fonte de energia à Terra.

N - Ligação eléctrica directa, das partes condutoras acessíveis, ao ponto deligação à Terra da fonte de energia, que, para corrente alternada, énormalmente o ponto neutro de instalação.

A designação TN é ainda subdividida, dependendo do modo de instalação doneutro e dos condutores de protecção. Essa subdivisão é referenciada por letraou letras adicionais, a saber:

Sistemas de ligaçãodo neutro à terra

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S - Designa as funções de neutro e de protecção asseguradas por condutoresseparados.

C - Designa as funções de neutro e de protecção combinadas num condutorúnico.

As figuras que se apresentam a seguir mostram diagramas esquemáticosexplicativos de sistemas TN-C, TN-S, TN-C-S, TT e IT.

Fig. VIII.22 - Sistema TN-CLegenda : Função de neutro e protectoras combinada num simples

condutor em toda a instalação. Todas as partes condutorasexternas de instalação estão ligadas ao condutor PEN

O Sistema TN-C-S é normalmente encontrado quando a fonte energia incorporaligações múltiplas do neutro à Terra.

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Fig. VIII.23 - Sistema TN-SLegenda: Condutores de protecção e de neutro separados em toda ainstalação.O condutor de protecção à bainha metálica do cabo,alimentando ainstalação ou um condutor separado.Todas as partes condutoras externas dainstalação estão ligadas ao condutor de protecção por intermédio do terminalprincipal de terra.

Fig. VIII.24 - Sistema TN-C-SLegenda: As funções de neutro e de protecção combinadas num condutornuma parte do sistema.O condutor PEN é ligado à terra em vários pontos dainstalação a instalação e um eléctrodo de terra adicional pode sernecessário.Todas as partes condutoras externas da instalação estão ligadasao condutor PEN por intermédio dos terminais de Terra e de neutro, com estesligados entre si.

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Fig. VIII.25 - Sistema TTLegenda: Todas as partes condutoras expostas da instalação são ligadas aoeléctrodo de terra que é electricamente independente da Terra da fonte dealimentação

Fig. VIII.26 - Sistema ITLegenda: Todas as partes condutoras externas da instalação são ligadas aum eléctrodo de terra.A fonte de alimentação é ligada à terra por intermédio deuma impedância de terra ou, então, está isolada da Terra.

Execução dos sistemas de terra e dos circuitos de protecção

• Ligação à Terra

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O sistema de terras pode ser usado, separadamente ou em conjunto, parafunções operacionais ou de protecção, e a sua selecção dever ser tal que:

• O valor da resistência de terra esteja de acordo com os requisitosfuncionais e de protecção da instalação e que seja permanentementeefectiva.

• As correntes de defeito à terra ou de fugas podem circular sem perigode danos devidos aos esforços térmicos, termomecânicos etermoeléctricos.

Os eléctrodos de terra podem ser de cobre, aço galvanizado ou aço revestidode cobre e terem as seguintes formas:

• Varetas ou tubos.

• Barramentos, chapas ou fitas.

• Eléctrodos embebidos em fundações.

• Cabos condutores.

• Estrutura metálica do betão armado.

A eficácia dos eléctrodos de terra depende das condições do solo, podendoser necessário instalar mais do que um. Devemos medir o valor da resistênciade terra de cada um dos eléctrodos e do sistema de terras no seu conjunto.

Devemos tomar em consideração, quando projectamos um sistema de terras,a profundidade de enterramento e as características electrolíticas e corrosivasdo solo, de modo a não haver aumento no valor da resistência da terra, devidoàs variações provocadas por essas características.

Os condutores de terra devem estar adequadamente ligados aos eléctrodos deterra e ter uma secção nominal de acordo com a Normalização eRegulamentação aplicáveis.

Em todas as instalações, deve existir um terminal ou barramento principal deterra e a ele devem ser ligados os seguintes condutores :

• Condutores de terra.

• Condutores de protecção.

• Condutores da ligação equipotencial principal.

• Condutores de terra funcionais, se aplicável.

Deve ser previsto que as ligações acima mencionadas estejam acessíveis,possibilitando a sua desligação por meio de ferramenta apropriada e a fim depermitir a medida de resistência das terras.

Formas dos eléctrodos deterra

Eficácia dos eléctrodos deterra

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• Condutores de protecção

A secção de um condutor de protecção não deve ser inferior ao valor calculadopor:

K

t.lS

2

= (VIII.7)

sendo:

S - Secção em mm2

I - Valor eficaz em amperes da corrente de defeito que pode circular no dispositivo de protecção

t - Tempo de operação em segundos do dispositivo de protecção

K - Factor dependente do tipo de material do condutor de protecção, do seu isolamento e das temperaturas inicial e final.

Se a aplicação da fórmula indicar valores de secção não normalizados, devemser utilizados condutores de secção imediatamente superior.

A secção de qualquer condutor de protecção que não faça parte de um cabo dealimentação não deverá ser inferior, a 2,5 mm2, se tiver protecção mecânica ou4 mm2 se não tiver.

Os condutores de protecção podem ser:

• Condutores em cabos multicondutores.

• Condutores isolados ou nus num invólucro comum com condutores activos.

• Condutores isolados ou nus, fixos.

• Condutas metálicas ou outros invólucros metálicos de condutores.

• Bainhas ou écrans metálicos em certos tipos de cabos armados.

• Partes condutoras externas.

Os invólucros metálicos de alguns equipamentos montados em fábrica, asbainhas e écrans metálicos de alguns cabos armados e as partes condutorasexternas podem ser usadas como condutores de protecção, desde queobedeçam aos requisitos Normativos aplicáveis para cada caso.

Os condutores de protecção devem estar adequadamente protegidos contraefeitos mecânicos, químicos e esforços electrodinâmicos e claramenteidentificados em toda a sua extensão (cor verde/amarela) .

Condutor de protecção

Tipos de condutoresde protecção

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As caixas de ligação de condutores de protecção devem estar acessíveispara inspecção e ensaio, sempre que possível.

Execução da terra para função de protecção

Quando dispositivos de protecção contra sobreintensidades são utilizadospara protecção contra choque eléctrico , a incorporação do condutor deprotecção no mesmo sistema de cablagem dos condutores activos é fortementerecomendada.

Para dispositivos de protecção operados por falta de tensão , um eléctrodoauxiliar de terra, deve ser instalado, electricamente independente de todas asoutras partes metálicas ligadas à terra.

O condutor de terra , do eléctrodo auxiliar, deve ser isolado para evitar o contactocom o condutor de protecção.

O condutor de protecção deverá ser ligado unicamente às partes condutorasacessíveis, dos equipamentos eléctricos, cuja alimentação seja interrompidapela operação, sob condições de defeito, de um dispositivo de protecção.

Execução de terras para funções operativas

O tipo de terras a instalar, para fins funcionais, deve permitir a correcta operaçãodo equipamento e o funcionamento fiável das instalações.

Execução de terras para funções simultâneas de protecção e de operação

Quando é necessário prever terras para uma função combinada de protecção eoperação, os requisitos para as medidas protectoras prevalecem.

Em sistemas TN , para cabos de secção não inferior a 10mm2 e instalaçõesfixas, um condutor único, pode servir de protecção e de neutro, desde que ainstalação não esteja protegida por um dispositivo operado por corrente residual.

A secção mínima de um condutor PEN pode ser de 4mm2 desde que o caboseja do tipo concêntrico e em conformidade com as Normas IEC aplicáveis eexistam ligações de continuidade duplas em todas as caixas de ligação outerminais.

O condutor PEN deve ser isolado para a tensão mais elevada a que pode estarsujeito.

Se, em alguma parte da instalação, as funções de neutro e de protecção ,forem garantidas por condutores separados, não é possível ligar esses condutoresentre si, devendo existir terminais e barramentos de terra separados para cadaum desses condutores.

Condutores de ligação equipotencial

Os condutores de ligação equipotencial principal devem ter uma secçãonão inferior a metade da secção do maior condutor de protecção, com ummínimo de 6mm2, não necessitando de exceder os 25mm2, se forem de cobreou de outros metais de idêntica capacidade de corrente nominal.

Ligaçõesequipotenciais

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Os condutores da ligação equipotencial suplementar , ligando duas partescondutoras acessíveis, podem ter uma secção não inferior à do menor condutorde protecção ligado à parte condutora exposta.

Introdução

O grau máximo de Segurança só será conseguido se assegurarmos quetodo o trabalho de escolha de materiais, instalação, procedimentos de inspecção,ensaio e manutenção são executados com um nível elevado de Qualidade.

A finalidade principal de uma instalação eléctrica é obedecer aos requisitosdo consumidor (utente), garantindo ao mesmo tempo, a máxima segurançaa pessoas, equipamentos, e meio ambiente .

Para além dos riscos directamente associados à instalação , o projecto deveter em conta outros aspectos de Segurança, tais como: uma adequadailuminação, (normal ou de emergência), um sistema de detecção e extinçãode incêndios e uma protecção contra os efeitos de descargas atmosféricasou outras .

Deste modo, é conveniente que as instalações eléctricas sejam inspeccionadase ensaiadas de acordo com os Regulamentos aplicáveis.

Os Métodos de Inspecção e Ensaio devem ser estabelecidos de modo aconfirmar que não existem riscos para pessoas, equipamento ouinstalações , mesmo quando o circuito a ensaiar esteja defeituoso.

A legislação nacional não contempla um sistema de controle eficaz e periódicoda Segurança e Qualidade das instalações eléctricas.

As recomendações que apresentamos deverão ser entendidas como um guia,de modo a que as equipas de manutenção de uma instalação industrial, possamcomprovar que os requisitos de Segurança foram respeitados e que ascaracterísticas das instalações eléctricas podem ser mantidas durante a suavida útil.

Tipos de inspecção

Entende-se por Inspecção de uma instalação eléctrica, o conjunto de acçõesque consistem numa análise meticulosa dos componentes dessa instalação,de modo a poder obter-se uma conclusão inequívoca sobre o estado actualdesses componentes.

As inspecções às instalações eléctricas dividem-se em três tipos , consoanteo estágio da vida útil do equipamento que se considere:

INSPECÇÕES DAS INSTALAÇÕES ELÉCTRICAS

Finalidade principalde uma instalaçãoeléctrica

Inspecção e ensaio

Inspecção

Tipos de inspecção

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Inspecção inicial

Inspecção realizada antes do equipamento, do sistema das instalaçõesserem colocadas em serviço.

Esta inspecção tem, basicamente, duas componentes:

• verificação visual, que consiste numa análise detalhada do equipamentoe da compatibilidade dos seus componentes normalmente acessíveis ouque necessitam de uma ferramenta (chave ou chave de fendas) para seobter acesso ou ainda aqueles para os quais é necessário desligar aalimentação.

• realização de ensaios, que consistem num conjunto de acções paraverificar a resposta do componente ou do sistema a uma simulaçãoapropriada.

Inspecção após uma alteração

Consiste na realização de acções idênticas à de uma Inspecção Inicial,efectuada após alterações substanciais à instalação ou após a adiçãode componentes, dos quais resultam alterações significativas àscaracterísticas da instalação , tais como:

• aumento de potência de curto circuito

• alteração no circuito de terras

• aumento do número de circuitos de potência

• alteração da instalação eléctrica.

Inspecção periódica

Consiste numa inspecção sistemática realizada a intervalos regulares,de modo a verificar a durabilidade dos componentes da instalação e asua condição de funcionamento . Pode consistir unicamente nas acções deuma verificação visual e ou num conjunto de ensaios considerados necessáriose aplicáveis.

Âmbito das inspecções

Em linhas gerais, as instalações eléctricas exibem um grau de complexidadeque não permite estabelecer o esquema do circuito por observação visual. É,portanto, importante que os inspectores tenham desenhos e esquemasactualizados sobre a instalação a inspeccionar.

Estes documentos devem indicar, as características técnicas da instalação,localização e disposição dos equipamentos, em particular daqueles queimpliquem riscos especiais.

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As inspecções devem compreender, pelo menos, as seguintes acções:

Análise das condições gerais de funcionamento

• identificação de circuitos e equipamentos.

• partição dos circuitos.

• equipamento de paragem ou corte de emergência.

• adaptação às condições ambientais (influência externa).

• localização e implementação do equipamento.

• estado do equipamento.

• identificação de cabos enterrados relativamente à especificação dosdesenhos.

Análise da protecção contra contactos directos de partes em tensão

• distâncias de segurança e protecção físicas.

• condição dos isolamentos.

• conformidade das tomadas, conectores e luminárias.

• conformidade com instruções especiais de alguns equipamentos.

Análise das protecções contra contactos indirectos

• eléctrodos de terra.

• condutores de protecção.

• ligações equipotenciais.

• protecções contra correntes residuais de defeito.

• protecções de máximo de corrente.

• controle de isolamentos.

• separação de circuitos.

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• protecções contra sobretensões.

• outras protecções, quando aplicável.

Análise das protecções contra os riscos de incêndio, explosão e queimaduras

• aquecimento anormal.

• protecção contra sobrecargas.

• protecção contra curto circuitos.

• poder de corte dos órgãos de protecção.

• adequabilidade do equipamento ao ambiente nos locais onde existe riscode incêndio ou explosão.

• protecção de qualquer equipamento contendo dieléctricos inflamáveis.

• protecção contra descargas atmosféricas.

Realização de medições e ensaios

• verificação da continuidade dos circuitos.

• medição da resistência dos condutores de protecção.

• medição da resistência dos eléctrodos de terra.

• medição da impedância dos circuitos de terra de protecção.

• medição da resistência de isolamento das instalações.

• medição do isolamento de paredes e do pavimento, de materiais nãocondutores, quando aplicável.

• verificação da instalação de protecção e barreiras antifogo, quando aplicável.

• verificação da polaridade e sequência de fases dos circuitos.

• ensaio de funcionamento dos órgãos de protecção.

• ensaio de funcionamento das protecções por corrente diferencial de defeito.

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• ensaio de funcionamento dos controladores permanentes de isolamento.

• ensaio de funcionamento da iluminação de emergência.

Métodos de medição e ensaio das instalações

Os métodos aqui descritos são dados como exemplo.

Verificação da continuidade dos circuitos

Para funcionarem correctamente, os condutores de um circuito devem apresentarcontinuidade. Embora, por vezes, num teste com um Ohmímetro, verifiquemoscontinuidade, a mesma poderá não ser correcta.

Para uma verificação correcta de continuidade, sugerem-se dois métodosalternativos, baseados no princípio de que a resistência varia, proporcionalmente,com o comprimento e secção do condutor, e ainda que se conhece a posiçãoda tomada mais próxima do ponto médio do circuito.

Método 1:

A continuidade de cada condutor do circuito, incluindo o condutor de protecção,é verificada, com a ajuda de um Ohmímetro, entre as duas extremidades docondutor, em circuito aberto, anotando-se o valor da resistência medida.

Fechamos, em seguida, o circuito, ligando as duas extremidades do condutore medimos, utilizando um condutor de teste e um Ohmímetro, a resistênciaentre os terminais correspondentes no quadro de distribuição e o contacto maispróximo do ponto médio do circuito.

Ao valor da resistência deduz-se a do condutor de teste. O valor, assim, obtidodeve ser aproximadamente um quarto do valor obtido antes do fecho do circuito.

Método 2:

A continuidade de cada condutor do circuito, incluindo o condutor de protecção,é medida entre as duas extremidades antes do fecho do circuito e o respectivovalor de resistência anotado.

Depois do fecho do circuito, os vários condutores do circuito são curto-circuitadosno ponto mais próximo do meio do circuito.

A resistência medida, no início do circuito, entre fase e neutro, no quadro dedistribuição, deve ser aproximadamente metade do valor obtido inicialmentepara a fase correspondente com o circuito aberto.

Verificação da continuidade dos condutores de protecção e da ligaçãoequipotencial

O ensaio do condutor de protecção tem por finalidade verificar se a suamontagem e ligação estão correctas. Deverá ser feito antes da instalação serenergizada e outros ensaios efectuados.

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O ensaio é realizado a uma tensão não superior 50 volts a.c ou c.c e umacorrente aproximadamente igual a 1,5 vezes a corrente nominal do circuito aser testado, mas nunca superior a 25 amperes.

Se for utilizada corrente alternada, deve ser utilizada a frequência de tensão darede ( 50 Hz ).

Medição da resistência do eléctrodo de terra

Faz-se circular uma corrente alternada entre o eléctrodo de terra T e um eléctrodode terra auxiliar T2, colocado a uma distância de T suficiente para que as zonasde influência dos 2 eléctrodos não se sobreponham.

Um segundo eléctrodo auxiliar T2, deverá ser colocado a meia distância entre Te T1 e medida a diferença de potencial entre T e T2.

A resistência do eléctrodo de terra é o quociente entre a diferença de potencial,dividida pela corrente ( I ) que passa entre T e T1 .

Para verificar que o valor de resistência está correcto, fazem-se mais duasleituras com o segundo eléctrodo auxiliar T2 deslocado cerca de 6 metros parauma distância maior e menor de T, respectivamente.

Se os três resultados forem próximos, toma-se o seu valor médio como o valorda resistência do eléctrodo de terra T.

Se os três valores obtidos forem substancialmente diferentes é necessáriorepetilos, aumentando a distância entre T e T2.

Os testes são efectuados utilizando um dos aparelhos existentes no mercadodesde que convenientemente dimensionados para o efectuar.

Ensaio da resistência de isolamento

Os testes aqui descritos devem ser feitos antes da instalação estarpermanentemente ligada à rede.

Se a instalação for de grandes dimensões, pode ser subdividida por grupos desaídas de potência, cada um contendo, pelo menos, 50 saídas ou o comprimentototal das respectivas canalizações não exceda 100 metros.

Por "saída " entende-se qualquer aparelho de seccionamento ou corte,incluindo-se ainda tomadas, interruptores ou luminárias incorporando uminterruptor .

Uma corrente contínua , não inferior ao dobro da tensão nominal do circuito emensaio, deve ser usada na medição da resistência de isolamento , sempreque a tensão de ensaio não exceda 500 Vdc, caso de instalaçõesdimensionadas até 500V, e não exceda 1000 Vdc, no caso de instalaçõesdimensionadas para valores superiores a 500 V, mas inferiores a 1000 V.

Regulamento desegurança

Saída

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A medição é feita nas duas situações seguintes:

1 - Com todos os fusíveis colocados e todos os interruptores (incluindo, sepossível, o interruptor principal) fechados e, excepto para sistemas TN -C,todas as fases dos circuitos ligadas electricamente entre si.

2 - Entre todos os condutores ligados a uma das fases da alimentação e,rotativamente, todos os condutores a cada uma das outras fases.

A resistência de isolamento deve ser, expressa em Ohms, de valor, pelomenos, igual a 1000 Un, sendo Un a tensão nominal da instalação expressaem volt , com um mínimo de 250.000 Ohm ou 50.000 Ohm, respectivamentepara instalações de baixa tensão ou de tensão reduzida.

Se praticável, e para que toda a cablagem seja ensaiada, todas aslâmpadas devem ser removidas, todos os equipamentos desligados e todosos interruptores locais, controlando lâmpadas ou outro equipamento, devemestar fechados.

Se o anterior não for praticável, os interruptores locais respectivos devemser abertos.

Qualquer aparelhagem electrónica ligada à instalação deve ser isoladapara se evitar riscos de ser danificada pela tensão de ensaio.

Se o equipamento que for desligado, para se efectuarem os ensaiosanteriores, tiver massas ligadas a condutores de protecção, a resistênciade isolamento, entre as massas e as partes activas do equipamento, deveser medida separadamente e deve ter um valor, correspondente à Normarespectiva, mas nunca inferior a 0,5 megaohm.

Verificação da polaridade

A polaridade dos circuitos deve ser verificada de modo a garantir-se que todosos fusíveis e interruptores unipolares estejam ligados a condutores de fase e astomadas correctamente cabladas.

Verificação da separação de circuitos

A separação eléctrica de circuitos, entre os quais a protecção contra choqueeléctrico, feita por alimentação a tensão reduzida de segurança ou pordiferenciação de circuitos, deve também ser verificada.

Se a alimentação do circuito independente não é feita por um transformador desegurança de isolamento, é necessário verificar se a fonte utilizada asseguraum grau de protecção equivalente ao de um transformador de segurança deisolamento, segundo a IEC 742.

Deve ser, ainda, verificado se, partes activas do circuito independente, exceptocabos, têm um grau de protecção em relação aos outros circuitos, não inferiorao existente entre o primário e o secundário do transformador de segurança deisolamento.

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Verificação do isolamento de paredes e pavimentos nãocondutores

O Regulamento de Segurança de Instalações de Utilização de Energia Eléctricadescreve um método para a medida da resistência de isolamento depavimentos .

Em alternativa, apresenta-se um outro método de verificação :

Quando a protecção contra contactos indirectos é feita pela utilização de paredee pavimento não condutores, a resistência destes, em relação ao condutor deprotecção da instalação, deve ser medida em, pelo menos, três pontos emcada superfície, dos quais um deles deve estar a uma distância entre 1 e 1,2metros de qualquer parte condutora externa do local.

Em condições normais de uso, o material deve suportar uma tensão de ensaiode, pelo menos, 2 kV, com uma corrente de fuga inferior a 1 mA.

Medição da impedância do circuito de defeito à terra

O circuito de defeito à terra (fase à terra), é composto das seguintes partes,começando no ponto de defeito:

• O condutor de protecção

• O terminal ou o condutor de terra

• A parte metálica de retorno, para sistemas TN

• O caminho de retorno à terra para sistemas TT e TI

• O caminho através do ponto neutro do transformador e o seu enrolamento.

• O condutor de fase desde o transformador ao ponto de defeito.

A impedância do circuito de defeito à terra designa-se Zs.

Estes testes são feitos utilizando um instrumento que mede a corrente quecircula quando uma resistência de valor conhecido é ligada entre o condutor defase e o terminal de terra.

A medição de Zs é feita com os condutores da ligação equipotencial, se existirem,ligados.

Verificação das protecções das correntes residuais de defeito

Quando a protecção contra contactos indirectos é feita por protecção dascorrentes residuais de defeito, deve ser efectuado um ensaio de funcionamento,com simulação das condições de defeito.

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O teste é feito no lado da carga do disjuntor, entre um condutor de fase docircuito protegido e o condutor de protecção, por forma a que uma correnteresidual circule. Todas as cargas normalmente alimentadas por este disjuntorsão desligadas durante o teste.

A corrente de disparo calculada deve fazer com que o disjuntor dispare emmenos de 0,2 segundos ou outro intervalo de tempo garantido pelo fabricantedo aparelho.

Se o disjuntor tiver uma corrente de disparo nominal inferior a 30 mA, e tiversido instalado para reduzir o risco associado a um contacto directo no caso defalhar outra protecção instalada no mesmo circuito, uma corrente de 250 mAdeve causar o disparo do disjuntor em menos de 40 ms.

A corrente de ensaio não deve ser aplicada por um período superior a um segundo.

Licenciamento de instalações eléctricas

O Regulamento de Segurança de Instalações de Utilização de Energia Eléctricaimpõe que as instalações devem ser verificadas quando da sua entrada aoserviço, por ocasião de modificação importante e, ainda, sujeitas ainspecções periódicas durante a exploração .

O Regulamento refere algumas verificações que devem ser efectuadas, emboranão exija que sejam feitas todas as acções referidas nos números anteriores.

O Decreto-Lei nº 272/92 de 3 de Dezembro de 1992, do qual ainda se espera apublicação da respectiva Portaria Regulamentadora, vem alterar o modo comose processa o Licenciamento das Instalações de Utilização de Energia Eléctrica,prevendo-se a criação de associações inspectoras para aprovar, inspeccionar ecertificar algumas categorias de instalações eléctricas.

Tanto a nível do CENELEC como da CEOC, foram constituídos grupos de trabalhono âmbito dos quais tem sido abordada a problemática da Inspecção aInstalações Eléctricas, prevendo-se para um futuro próximo a elaboração deum projecto de Norma a ser posto à discussão e consideração dos paísesmembros.

Para finalizar, refira-se que o documento do CENELEC 64 / secretariado / 639propõe a elaboração da Norma IEC-1200, Guia de Instalações Eléctricas.

Nesse mesmo documento, o capítulo 61 dá explicações e esclarecimentossobre as condições de verificação de instalações eléctricas, de acordo com anorma IEC-364.

Algumas das recomendações feitas neste projecto de Norma foram incluídasno capítulo referente a Métodos de Medição e Ensaio.

Licenciamento

Regulamento de segurança

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• Regulamento de Segurança de Instalações de Utilização de Energia Eléctrica.

• Regulamento de Segurança de Subestações e Postos de Transformação eSeccionamento.

• Projecto de Norma Portuguesa: Instalações Eléctricas de Baixa Tensão.

• Norma Portuguesa NP 999: Aparelhos para Instalações Eléctricas - Tipos deprotecção assegurada pelos invólucros.

• Normas Portuguesas da série NP EN 29000 e NP EN 45000.

• Decretos Lei nºs 234/93 e 272/92.

• Directiva Comunitária 73/23/CEE.

• Normas CEI da série IEC-364: Electrical Instalations in Buildings.

• Normas CEI da série IEC-479: Effects of the electrical current passing through the human body.

REGULAMENTAÇÃO E NORMALIZAÇÃO

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As instalações eléctricas constituem um sistema complexo, pelo que a garantiade um adequado funcionamento, em condições de segurança, implica ocumprimento da Regulamentação, Normas e técnicas aplicáveis.

A necessidade de qualquer instalação dispor de um projecto, tão detalhadoquanto possível, é uma exigência fundamental.

O conhecimento das principais características tecnológicas dos equipamentosutilizados nas instalações eléctricas e também dos aspectos ligados ao seufuncionamento, nomeadamente os fenómenos relacionados com oestabelecimento e corte da corrente eléctrica, é um auxiliar importante para asua adequada exploração e manutenção.

Os riscos, para pessoas e bens, ligados à utilização da energia eléctrica, devemestar sempre presentes ao projectar, construir e explorar, pelo que, aoperacionalidade dos órgãos e dispositivos, necessários para a obtenção dascondições de segurança, devem ser periodicamente vigiados e mantidos aolongo do tempo.

RESUMO

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Componente Prática


1. Refira o que deve garantir um projecto de uma rede?

2. Indique alguns dos aparelhos eléctricos que estudou e quais as suas funções?

3. Qual é a documentação que deverá estar presente para uma boa manutençãoe um bom estudo da rede?

4. Defina as funções, comando, isolamento, eliminação de defeito e vigilância.

5. Descreva alguns dos aparelhos eléctricos que estudou.

6. O que é um condensador eléctrico e como é constituído?

7. Descreva como é constituída uma bateria de acumuladores e para queserve.

8. O que é uma subestação ou posto de transformação?

9. Indique algumas das acções a efectuar durante as inspecções às instalações eléctricas.

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Electrotecnia Industrial B . 1

Bibliografia

CEI 502, Cabos de transporte de energia isolados por dieléctricos maciçosextrudidos, para tensões nominais de 1 kV A 30 kV.

COOPER, W. Fordham, “Electrical Safety Engineering”, London, Butterworths& Co (Publishers) Ltd, 2ª edição 1986.

DAWES, Chester L., “A Course in Electrical Engineering”, N. York, Mac Graw-- Hill.

Folheto sobre Transformadores de Distribuição - EFACEC.

FOUILLÉ, A., “Electrotechnique a L’usage des ingenieurs”, Paris, Dunod.

HD 21 - Cabos isolados a policloreto de vinilo com tensões nominais até 450/750 V.

HD 22 - Cabos isolados a borracha com tensões nominais até 450/750 V.

HD 308 (NP-2359) - Identificação e utilização de cores de condutores de cabosflexíveis.

HD 361 S2 (NP-2361) - Condutores isolados e cabos eléctricos: sistemas dedesignação.

HD 383 - Almas condutoras de cabos isolados.

HIGGINS, L.R e MORROW L.C., “Maintenance Engineering Handbook”, N.York, Mcgraw Hill.

“IEC Safety Book”, Bureau Central de la Comission ElectrotechniqueInternationale, Geneve,Suisse - 1ª edição 1985.

IEE Regulations: Regulations for Electrical Installations (16th edition).

Kassatkin, A.S., “Fundamentos da Electrotecnia”, Moscovo, Editora Mir.

Manual do Formando, “Electrotecnia Industrial”, Lisboa, I.S.Q, edição 1994.

Manual de Instruções, “Motores Assíncronos Trifásicos”, da EFACEC.

Norma Francesa NFC 15.100: Installations électriques de base tension.

NP 917: Canalizações eléctricas: características gerais e ensaios doscondutores e cabos isolados.

BIBLIOGRAFIA

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Bibliografia

PINTO, L.M.Vilela - “MG Calc”, Lisboa,Merlin Gerin de Portugal, 1ª edição 1993.

PINTO, L.M.Vilela - “Segurança Eléctrica - Técnicas para Baixa Tensão”,Porto,Reguladora,S.A., 1ª edição 1988.

POOLE, C.Dennis - “Electrical Distribution in Buildings” , London ,BSPProfessional Books, 2ª edição 1987.

Regulamento de Segurança de Instalações de Utilização de Energia Eléctrica.

RODRIGUES, José e MATIAS, José - “Máquinas Eléctricas - Transformadores”,Lisboa,Didática Editora.

RODRIGUES, Leão - “Prevenção de Riscos Eléctricos”, Seminário sobrePrevensão de Riscos Profissionais,Lisboa 1986.

SOLIGNAC, Gerard - “Guide de L’Ingénierie Eléctrique des Reseaux InternesD’Usines”, Paris,Technique et Documentation Lavoisier,2ª edicão.

eletrotecnica industrial

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