VERSÃO PARA IMPRESSÃO

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1 VERSÃO PARA IMPRESSÃO ELETRICIDADE APLICADA UIA 3 MÁQUINAS ELÉTRICAS

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3 3 SUMÁRIO Aula 9 Geradores e Motores de Corrente Alternada Princípio de Funcionamento Tipos de Motores Princípios Teóricos de Partida de Motores... 6 Aula 10 Instalação de Motores Elétricos Regras Práticas para Escolha de Motores Esquemas Típicos de Ligação... 9 Alimentação Linear Comum... 9 Alimentação Radial Individual Alimentação Linear com Ramais Curtos Alimentação linear sem ramal: Dimensionamento dos Circuitos Circuitos Alimentadores Circuitos dos Ramais Aula 11 Acionamento, Controle e Proteção de Motores Partida de Motores Partida Direta Partida Indireta Dispositivos de Seccionamento e Controle Proteção Contra Sobrecarga e Curto-Circuito Aula 12 Correção de Fator de Potência Fundamentos Teóricos Melhoramento do Fator de Potência Ligação e Proteção dos Capacitores... 21

4 4 Aula 9 GERADORES E MOTORES DE CORRENTE ALTERNADA n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n Acesse o material de estudo, disponível no Ambiente Virtual de Aprendizagem (AVA), e assista à videoaula, e tenha uma breve introdução dos principais tópicos que serão abordados na UIA 3. n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n Instalações elétricas prediais frequentemente contém equipamentos como bombas d água, bomba de esgoto, elevadores, equipamentos de combate a incêndio, etc. Todos esses sistemas contém um elemento em comum: máquinas elétricas. Esses equipamentos são movidos a energia elétrica e a converte em energia mecânica, usada para realizar um trabalho mecânico como elevar a água para um caixa, bombear o esgoto para o sistema de coleta, movimentar as cabines dos elevadores ou pressurizar o sistema hidráulico para combate a incêndios. Por isso, é importante compreender o princípio de funcionamento desses equipamentos, para assim, fazer um projeto adequado para instalação e operação dos motores. Nas próximas aulas, aprenderemos como funcionam as máquinas elétricas, como dimensionar o projeto de instalação delas na rede elétrica e os dispositivos necessários para sua proteção PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO A conversão de energia elétrica em mecânica se dá pelo uso de força magnética produzida por corrente elétrica. Ao alimentar o motor com uma corrente elétrica, essa corrente circula em bobinas instaladas na parte fixa do motor, chamada estator. A força magnética produzida no estator interage mecanicamente com as boninas instaladas em uma peça móvel do motor, o rotor, que ao sofrer a ação da força magnética, sofre uma rotação. O uso de bobinas no estator é necessário pois o enrolamento dos condutores aumenta a intensidade do campo magnético produzido, aumentando a eficiência do motor. O enrolamento desses condutores, entretanto, faz com que os motores apresentem uma indutância, que como vimos na Aula 03, causa um atraso na corrente elétrica do sistema. Como os motores elétricos consomem energia elétrica, é comum expressar seu consumo em Watts, unidade padrão de potência. Entretanto, o motor entrega para sua aplicação uma potência mecânica, que geralmente utiliza as unidades cavalo-vapor (cv) ou o horse-power (HP), que apesar de não serem unidades reconhecidas pelo Sistema Internacional de Medidas (SI), são unidades muito comuns para profissionais da área.

5 5 A conversão de cv e HP para Watts é dada por: 1 cv = 736 W 1 HP = 746 W Essa relação é importante para determinar a eficiência do motor e dimensionar os dispositivos de operação e segurança dos motores TIPOS DE MOTORES Os motores elétricos podem ser divididos em dois grandes grupos: de corrente contínua e de corrente alternada. Eles diferem entre si pelo tipo de tensão e corrente usadas para alimentá-los, e alguns detalhes construtivos. Os motores de corrente contínua, ou motores DC, possuem um processo de fabricação mais delicado e geralmente são mais caros, em compensação possuem uma velocidade de rotação controlável e maior precisão no posicionamento das partes móveis. Por isso, esses motores são geralmente usados para pequenas aplicações como movimentação de pratos do micro-ondas, liquidificadores, drones, leitores de CD/DVD, etc. Existem alguns poucos tipos de motores DC de grande torque usados em indústrias, mas suas aplicações são muito específicas. Os motores de corrente alternada são mais robustos e oferecem maior torque, e por isso são mais usados em aplicações industriais e prediais. Eles podem ser subdivididos em outros dois grupos: os motores síncronos e os assíncronos (ou motores de indução). Os motores síncronos têm como característica principal o giro do rotor em uma velocidade constante, em sincronismo com a corrente elétrica de alimentação. Devido às características construtivas e especificidades de partida e operação, esses motores são geralmente empregados em indústrias pesadas, onde o maquinário exige alta potência mecânica. Em instalações prediais, os motores mais usados são os motores assíncronos, mais comumente chamados de motores de indução, pois utiliza a corrente alternada fornecida pela rede elétrica (sem a necessidade de conversão), são mais robustos (maior durabilidade), são de fácil manutenção e possuem custo reduzido, quando comparados com motores síncronos ou de corrente contínua. A figura abaixo ilustra os principais componentes que constituem um motor de indução.

6 6 Figura 9.1 Componentes de um motor de indução. Fonte: CAVALIN, Assista ao vídeo ilustrativo da construção de um motor de indução. Nele é possível ter uma ideia das partes constituintes e do funcionamento de um motor assíncrono. Acesse através do link a seguir PRINCÍPIOS TEÓRICOS DE PARTIDA DE MOTORES A partida do motor consiste na energização de seus enrolamentos com o objetivo de superar a força de atrito estático das partes móveis, e colocar o rotor em sua velocidade de rotação nominal. Há três esquemas básicos para a partida de motores, geralmente empregados em máquinas elétricas de instalações prediais: a partida direta, a chave estrela-triângulo e a chave compensadora. Há ainda um quarto esquema, o soft-starter, baseado em circuitos eletrônicos, e que aos poucos está se tornando mais popular. A partida direta é a mais simples, pois necessita apenas de um dispositivo de comando (por exemplo um disjuntor ou uma contatora). A corrente inicial, popularmente chamada de corrente de partida, entretanto, pode chegar a sete vezes o valor da corrente nominal nesse esquema de partida, visto que o rotor precisa superar o atrito estático e alcançar a velocidade de rotação nominal. Esse esquema de partida é geralmente empregado em motores de indução monofásicos de baixa potência. A principal consequência negativa desse esquema é a necessidade de dimensionamento de condutores e dispositivos de proteção capazes de suportar uma corrente tão alta, encarecendo o projeto, além de causar flutuações no fornecimento de tensão no restante da instalação predial. Para diminuir a corrente de partida, um esquema muito utilizado para partida de motores trifásicos é o uso de chaves estrela-triângulo. Como vimos na Aula 04, a tensão de linha em um circuito trifásico estrela é maior que a tensão de fase, tensão essa aplicada à carga (bobinas do motor). Essa tensão menor faz com que a corrente de partida seja até 1/3 menor que na partida direta, entretanto o motor entra em rotação nominal de forma mais lenta. Após o motor chegar a 90% da sua velocidade

7 7 nominal, a chave é comutada para configuração triângulo, aplicando a tensão de linha da rede nos terminais das bobinas do motor. Apesar desse método reduzir a corrente de partida, ele só pode ser empregado em motores trifásicos com 6 bornes de alimentação. A chave compensadora é uma alternativa ao uso de chaves estrela-triângulo, para aqueles casos onde essa segunda chave não se aplica. Ela também reduz a tensão de alimentação do motor, com o objetivo de reduzir a corrente de partida. Essa redução, contudo, é feita com o uso de um auto-transformador. A tensão trifásica da rede (por exemplo 380 V em Brasília) é ligada no primário do transformador, o qual entrega em seu secundário, uma tensão menor (entre 40% a 85% da tensão de entrada). Quando o motor entra em regime permanente, atingindo a velocidade de rotação nominal, uma chave transfere a tensão da rede diretamente para o motor, desativando o transformador. Esse método é recomendável para motores de alta potência e alto torque, que geralmente são instalados em grandes cargas, por exemplo, motores de elevadores. Entre as vantagens desse esquema podemos citar a baixa corrente de partida, o uso de apenas 3 fios (ao contrário da chave estrela-triângulo) e a possibilidade de partida com carga. A principal desvantagem é o alto custo (comparados aos esquemas anteriores). Por último, tem-se o esquema de partida que utiliza os soft-starters. Eles são equipamentos compostos por dispositivos eletrônicos (diodos e tiristores) que fazem o controle da corrente de partida eletronicamente, ao contrário do uso de chaveamentos mecânicos empregados pelas chaves. O custo dos aparelhos de soft-starter, assim como outros equipamentos eletrônicos, tem a tendência de diminuição, tornando esse esquema cada vez mais popular, apesar de termos, ainda, as chaves como principais esquemas de partida de motores. Aprenda um pouco mais sobre os soft-starters, comparando com os diferentes esquemas de ligação e entendendo a real vantagem de usar esse dispositivo eletrônico. Acesse a seguir. Aula 10 INSTALAÇÃO DE MOTORES ELÉTRICOS Como vimos na aula anterior: Um motor elétrico é um equipamento que transforma energia elétrica em energia mecânica.

8 8 E também sabemos, das aulas de física, que a energia instantânea consumida por um equipamento é definida como potência. Assim, é preciso definir a relação de conversão de potência elétrica (aquela consumida pelo motor) em potência mecânica (aquela entregue pelo motor). O parâmetro que relaciona essas duas potências é o rendimento (η). Esse parâmetro é fornecido pelo fabricante dos motores e geralmente representado na forma de porcentagem (ou de um valor entre 0 e 1). O rendimento apresenta dessa forma, as perdas totais de energia durante a conversão eletromecânica. Portanto, podemos expressar essa conversão através da equação: P "#é%&'() = P,"(â.'() η Onde a potência mecânica pode ser expressa em cavalo-vapor ou HP. Para ambos os casos, deve-se usar os valores de equivalência, dados na aula anterior. Como os motores são construídos com bobinas, eles naturalmente possuem indutâncias associadas, diminuindo o fator de potência do equipamento (rever Aula 03 para relembrar). Incluindo essa informação na equação acima, podemos definir uma equação que nos dá a corrente consumida por um motor, dados seus parâmetros mecânicos e elétricos providos pelo fabricante: I = HP 746 V cosθ η = CV 736 V cosθ η Se o motor for trifásico, aparecerá no denominador o fator 3. Exemplo: Qual a corrente elétrica esperada de um motor trifásico de 15 HP, com fator de potência de 0,9 e rendimento de 80%? (lembrando que será instalado em Brasília, cuja a tensão é 220 V monofásica, 380 V trifásica) I = = 23,6 A ,9 0, REGRAS PRÁTICAS PARA ESCOLHA DE MOTORES As especificações técnicas detalhadas de um motor elétrico é um assunto que demandaria uma extensa discussão, talvez uma ou duas disciplinas dedicadas somente a esse assunto. Entretanto, Creder (2007) lista algumas sugestões para escolher um motor. 1. Verifique os dados da fonte de energia: contínua ou alternada, monofásico ou trifásico, valores de tensão (220/380 V para o Distrito Federal) 2. A potência mecânica necessária: deve ser a mais próxima possível da exigência da carga. Uma potência muito acima acarreta em baixo rendimento, uma potência muito abaixo acarreta em sobrecarga. P,"(â.'() = F V 75 = C N 716 Onde F é a força em kg, V é a velocidade em m/s, C é o torque em kg m e N é a rotação em r.p.m. A potência nessa fórmula é dada em CV. 1. Fator de serviço: quando indicado nas especificações do motor, esse fator estabelece que um motor pode operar, com segurança, em cargas mecânicas ligeiramente superiores. Por exemplo,

9 9 um fator de serviço de 1,25 indica que o motor pode operar com segurança com cargas até 25% maiores que a sua carga nominal 2. Velocidade do motor: a velocidade especificada para um motor, geralmente em r.p.m., são dadas para o motor em vazio (sem carga), que é ligeiramente superior à velocidade do motor com carga. Essa velocidade deve ser considerada a depender se o acoplamento do motor à carga será direto ou indireto (com uso de engrenagens, caixas redutoras, polias, cabos, etc) 3. Torque (ou conjugado): é preciso saber se o motor terá a partida em vazio ou com carga, o que determinará se o motor deverá ter baixo ou alto torque, respectivamente. O torque máximo deverá ser em torno de 30% maior que os picos de carga 4. Tipo de carcaça: relativo ao ambiente de operação do motor. Pode ser do tipo à prova de explosão (para áreas com vapores etílicos, gases naturais, etc), totalmente fechados (para ambientes contendo poeiras, material corrosivo, etc) ou à prova de pingos (para ambientes normais de trabalho). Confira a grande variedade de modelos de motores elétricos disponíveis em um dos maiores fabricantes do país. Na caixa Linha de produto, escolha uma opção e simule algumas opções. Acesse através do link a seguir ESQUEMAS TÍPICOS DE LIGAÇÃO Há basicamente quatro tipos de esquemas de ligação de motores, que dependerão do tipo de aplicação, da disposição espacial dos motores, da proteção necessária para os motores e dos comandos utilizados para partida. São eles: ALIMENTAÇÃO LINEAR COMUM Forma mais usual de ligação de motores, tanto monofásicos quanto trifásicos Figura 10.1 Alimentação linear comum de motores. Fonte: adaptador de Creder, 2007.

10 10 Na figura acima, QDF é o quadro de distribuição de força, PA é a proteção do alimentador (geralmente um disjuntor no QDF), PR é a proteção do ramal, S é uma chave seccionadora (separadora), PM é a proteção do motor, CM é o controle do motor (responsável pela partida), M é o motor, CS é o controle do secundário e RP é o reostato de partida. ALIMENTAÇÃO RADIAL INDIVIDUAL Usada quando a posição dos motores no terreno é muito afastada, ou quando as potências deles são muito diferentes. Figura 10.2 Alimentação radial individual de motores. Fonte: Creder, ALIMENTAÇÃO LINEAR COM RAMAIS CURTOS Usados quando os ramais são curtos, geralmente menores que 8 metros. Em alguns casos pode-se suprimir a proteção do ramal. Figura 10.3 Alimentação linear de motores com ramais curtos. Fonte: Creder, ALIMENTAÇÃO LINEAR SEM RAMAL: Usados quando os motores ficam junto do alimentador (QDF). Figura 10.4 Alimentação linear sem ramal de motores. Fonte: Creder, 2007.

11 DIMENSIONAMENTO DOS CIRCUITOS A corrente nominal de um motor é determinada utilizando os métodos descritos no início dessa aula. Uma vez determinada essa corrente, pode-se dimensionar os condutores que alimentarão os motores. O dimensionamento dos condutores deverá seguir os mesmos métodos mostrados na Aula 07, que são descritos na NBR 5410 (2008). A principal diferença no dimensionamento para esse tipo de equipamento, é a existência do fator de serviço, que possibilita o motor a trabalhar, com segurança, com uma corrente elétrica ligeiramente maior que sua corrente nominal CIRCUITOS ALIMENTADORES Os dois critérios básicos para dimensionamento de condutores (capacidade de condução de corrente e queda de tensão), explicados na Aula 07, serão também aplicados para motores elétricos, multiplicando o valor final pelo fator de serviço do motor. No caso de um único alimentador ligando mais de um motor, o fator de serviço deve ser aplicado somente ao de maior corrente. Exemplo: Um alimentador deve abastecer os motores abaixo, com fator de serviço de 1,25: - elevador social 10 cv 26,6 A - elevador de serviço 7,5 cv 20,6 A - bomba d água 5 cv 13,7 A - exaustor 1 cv 3,34 A Nesse caso, o fator de serviço se aplica somente ao motor de 10 cv, logo: I = 1,25 x 26,6 + 20,6 + 13,7 + 3,34 = 70,9 A Pelo critério de capacidade de corrente, descrito na Aula 07, usaremos um cabo de 25 mm 2. O critério de queda de tensão também deve ser utilizado. Caso esse método resulte em um cabo de menor espessura, o critério de capacidade de corrente deve ser utilizado. Para ligação de motores, o dimensionamento de condutores segundo o critério de queda de tensão, pode ser resumido nas equações: S = HIJ# K S = MIJ# K A equação da esquerda é aplicada para motores monofásicos, enquanto a equação da direita é utilizada em motores trifásicos. Nessas equações, S é a área da seção transversal do condutor (bitola) dada em mm 2, ρ é a resistividade do condutor (17, para o cobre e 31, para o alumínio) dada em Ω mm 2 /m, I é corrente em amperes, l é o comprimento do cabo em metros e u é a queda de tensão absoluta permitida, dada em volts CIRCUITOS DOS RAMAIS Para cada um dos ramais de motores, onde existirão somente um motor por ramal, os critérios usados serão exatamente os mesmos, com a única diferença que não haverá o somatório de diversos motores para dimensionamento de um condutor.

12 12 Como um ramal possui somente um motor, geralmente a corrente nominal que circula nesse condutor é menor, possibilitando o uso de condutores menores. Pelo critério de capacidade de condução de corrente, a corrente nominal do motor deve ser multiplicada pelo seu fator de serviço. Essa corrente resultante será então usada para o dimensionamento do condutor. Repare que o fator de serviço é utilizado sempre, nesse caso, pois o condutor dimensionado alimentará somente esse motor. O critério de queda de tensão não sofre alteração na utilização, seguindo exatamente os procedimentos da seção anterior. Veja no link a seguir, com um pouco mais de detalhes, os passos para dimensionamento dos circuitos de alimentação de motores elétricos. Aula 11 ACIONAMENTO, CONTROLE E PROTEÇÃO DE MOTORES PARTIDA DE MOTORES A partida dos motores é o processo no qual a máquina é acionada, partindo do repouso para sua velocidade de rotação nominal. Essa etapa exige que o motor consuma uma corrente muito maior que a nominal, pois é necessário vencer o atrito estático do rotor (que é muito maior que o atrito dinâmico). Dessa forma, a partida dos motores pode ser feita de formas diferentes, a depender da tensão de alimentação (monofásica ou trifásica) ou da potência mecânica do motor PARTIDA DIRETA Esse esquema de partida tem esse nome pois a tensão elétrica entregue ao motor é exatamente a mesma da fornecida na instalação elétrica, ou seja, para a região do Distrito Federal, é 220 V entre fase e neutro, e 380 V entre duas fases. Esse tipo de partida é permitida pela CEB (2014) para motores monofásicos e motores trifásicos até 5 cv de potência. A figura 11.1 mostra, didaticamente, o esquema de ligação de um motor monofásico para partida direta, onde um disjuntor é usado como chave liga-desliga.

13 13 Figura 11.1 Partida direta de motor monofásico por disjuntor. Fonte: Cavalin, Para motores trifásicos de até 5 cv, também podemos usar a partida direta, usando também um disjuntor como chave liga-desliga. A figura 11.2 ilustra esse tipo de conexão com uma foto ilustrativa de um disjuntor trifásico para acionamento de motores. Figura 11.2 Esquema de partida direta de motores trifásicos por disjuntor. Fonte: Cavalin, Assista ao vídeo ilustrativo da montagem de um comando de partida direta de motor trifásico, mostrando os dispositivos necessários e a conexão entre eles. Acesse através do link a seguir.

14 PARTIDA INDIRETA A partida indireta é aquela o qual um dispositivo (adicional ao disjuntor) é utilizado para dar partida no motor. Para motores acima de 5 cv de potência, esses dispositivos são obrigatórios (NTD 6.01, 2014) pois a corrente de partida pode afetar a qualidade da tensão no restante da instalação elétrica, por isso, esses dispositivos devem limitar a corrente de partida. A forma mais simples de realizar uma partida indireta é usar uma chave do tipo estrela-triângulo. Conforme vimos na Aula 04, em ligações trifásicas do tipo estrela, a tensão de fase (entre fase e neutro) é menor que a tensão de linha (entre duas fases), ou seja, ao utilizar a tensão de linha da instalação elétrica, é fornecida ao motor a tensão de fase, com um fator de 3 menor, limitando assim a corrente de partida. A particularidade dessa chave, é que deve ser usada o esquema estrela na partida, mas com o motor em vazio, ou seja, desconectado da carga mecânica. Depois de atingir uma velocidade de rotação próxima da nominal, a carga é acoplada e a chave de ser mudada para o esquema triângulo, que oferece na fase da carga uma tensão igual à de linha. A figura 11.3 ilustra os esquemas de ligação de uma partida desse tipo. Na imagem da esquerda, o motor está desligado, com a chave na posição desligada. Na imagem do meio, a chave é colocada na posição estrela, acionando o motor. Na imagem da esquerda, a chave é colocada na posição triângulo, fazendo com que o motor atinja seu estado nominal. Figura 11.3 Esquema de ligação de uma chave estrela-triângulo para partida de motores. Fonte: Cavalin, 2010.

15 DISPOSITIVOS DE SECCIONAMENTO E CONTROLE O seccionamento dos condutores que alimentam um motor é necessário quando se deseja desligar um motor, ou quando ele deve ser isolado por existência de uma falha. Geralmente os dispositivos de seccionamento são os dispositivos de comando (partida) ou os de proteção dos motores. Os dispositivos de seccionamento de motores devem ser instalados em condutores vivos, ou seja, carregados. O condutor de aterramento nunca deve ser seccionado, portanto, o neutro somente poderá ser seccionado se o condutor terra for diferente do neutro. Um dos componentes mais usados para partida indireta de motores é com um dispositivo chamado contator. Ele é um dispositivo eletromagnético que tem por função ligar e desligar um circuito, seccionando os condutores de alimentação, e normalmente usado em acionamento de circuitos elétricos automáticos a distância. Visualmente o contator lembra um disjuntor, mas sua composição é bem diferente. A figura abaixo mostra alguns exemplos de contatores usados para acionamentos de motores. Figura 11.4 Contatores eletromagnéticos para acionamento de motores. Fonte: Cavalin, O contator pode ser usado para acionamento de motores tanto monofásicos quanto trifásicos, conforme os esquemas ilustrados nas figuras 11.5 e Repare que o dispositivo de comando é representado distante do motor. Nas duas figuras, pode-se ver que o contator aciona a chave K1, que é a mesma chave representada na entrada do motor, o que representa de forma esquemática a partida da máquina.

16 16 Figura 11.5 Esquema de ligação de partida de motor monofásico por contator. Fonte: Cavalin, Figura 11.6 Esquema de ligação de partida de motor trifásico por contator. Fonte: Cavalin, PROTEÇÃO CONTRA SOBRECARGA E CURTO-CIRCUITO Os dispositivos de proteção de motores são os mesmos usados em quadros de distribuição, podendo ser fusíveis ou disjuntores. Para motores, contudo, os fusíveis devem especiais, chamados fusíveis de retardo. A justificativa é que motores consomem altas correntes durante a partida, podendo chegar a até 10 vezes o valor da corrente nominal.

17 17 A duração dessa corrente, entretanto, é relativamente curta (alguns segundos) e só atinge altos valores até o motor atingir sua velocidade nominal. Tanto os fusíveis quanto os disjuntores também devem levar em consideração o fator de serviço, requisito que não é levado em consideração ao se dimensionar a proteção para circuitos de tomadas e iluminação. Devido a essa possibilidade de aumento da corrente consumida, ainda de forma segura, os dispositivos de proteção devem ser dimensionados para acomodar essa corrente adicional (entre 15 a 25% maior). Exemplo: aproveitando o exemplo anterior, resolvido na seção , temos 4 motores, todos eles com o fator de serviço de 1,25. Vamos dimensionar os dispositivos de proteção para cada motor e para o ramal alimentador, que alimentará todos os motores. Para o elevador social, que utiliza um motor de 10 cv, temos como corrente nominal 26,6 A. Aplicando o fator de serviço (multiplicando por 1,25), temos uma corrente de 33,25 A. Assim, teremos um fusível, com retardo, de 35 A. A chave magnética (estrela-triângulo) ou o contator deve, também, ser dimensionado para essa corrente. O elevador de serviço, cujo o motor é de 7,5 cv, consome uma corrente de 20,6 A. Aplicando também o fator de serviço, temos uma corrente para ele de 25,75 A. Dessa forma, o fusível e o dispositivo de comando devem ser dimensionados para 30 A (valor comercial mais próximo). O motor da bomba d água, com potência mecânica de 5 cv, funciona com uma corrente de 13,7 A, que ao ser aplicado o fator de serviço, aumentará para 17,13 A. Nesse caso, a CEB não exige o uso de partida indireta, permitindo a partida através de disjuntor, que deverá ser dimensionado para 20 A, assim como seu fusível com retardo. Por último, o exaustor, com uma potência de 1 cv, consome uma corrente de 3,34 A, corrigida para 4,18 A com a aplicação do fator de serviço. Esse motor também pode ter sua partida feita de forma direta, exigindo um disjuntor e um fusível com retardo de 5 A. O alimentador, por sua vez, deve ter o fator de serviço aplicado apenas ao maior motor, assim como fizemos no dimensionamento dos condutores. A corrente nominal nesse circuito, portanto, será a mesma calculada no exemplo anterior, 70,9 A. O fusível de proteção para o ramal, então, será de 80 A. Veja, a seguir, um exemplo mais extenso de dimensionamento de condutores, dispositivos de proteção e comando de motores.

18 18 Aula 12 CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA FUNDAMENTOS TEÓRICOS Conforme já vimos na Aula 03, as bobinas, parte fundamental na construção de uma máquina elétrica, possuem uma indutância associada, que ao ser ligada em um circuito elétrico, causa um atraso da fase da corrente, com relação à fase da tensão, o que resulta em uma diminuição do fator de potência. Segundo Boylestad (2004): O processo de introduzir elementos reativos para levar o fator de potência para valores mais próximos da unidade é chamado de correção de fator de potência. Como, em geral, as cargas são indutivas, o processo normalmente envolve a introdução de elementos capacitivos com o único objetivo de aumentar o fator de potência. (BOYLESTAD, 2004) Além da instalação de motores elétricos, que naturalmente diminuem o fator de potência de uma instalação elétrica, outros fatores podem contribuir para o aumento do atraso da corrente, entre os principais podemos citar o aumento da tensão acima da nominal e motores superdimensionados, ou trabalhando em vazio (CREDER, 2007). A potência ativa de um motor depende somente da carga instalada a ele, um aumento na tensão aplicada aumentará, portanto, a potência reativa em uma relação quadrática (Q = V 2 I). Quanto maior for a tensão aplicada nos terminais de um motor, portanto, maior será a potência reativa absorvida, diminuindo o fator de potência. A tabela abaixo mostra a influência da variação de tensão no fator de potência. Tensão aplicada (% da VN do motor) Carga dos motores (com relação à carga nominal) 50% 75% 100% 120% Decresce 15 a 40% Decresce 10 a 30% Decresce 5 a 15% 115% Decresce 8 a 20% Decresce 6 a 15% Decresce 4 a 9% 110% Decresce 5 a 6% Decresce 4% Decresce 3% Tabela 12.1 Influência da variação do motor no fator de potência. Fonte: Creder, Os motores de indução consomem praticamente a mesma quantidade de potência reativa quando estão funcionando em vazio ou em plena carga. Na prática, contudo, observa-se que motores operando a menos de 50% de sua carga nominal, apresentam uma queda brusca no fator de potência. Nesses casos, recomenda-se a substituição desses motores por versões de menor potência.

19 19 Assista no link a seguir, um vídeo demonstrando, na prática, a variação de corrente em um motor trifásico com a aplicação de um banco de capacitores em paralelo MELHORAMENTO DO FATOR DE POTÊNCIA Como os motores elétricos são construídos fundamentalmente por bobinas, eles podem ser considerados como cargas indutivas. A figura 12.1 mostra um diagrama de circuito elétrico representando uma carga indutiva ligada a uma tensão alternada, representada na figura por EÐ 0º, consumindo uma corrente I L. Figura 12.1 Diagrama de circuito elétrico de uma carga indutiva alimentada por tensão alternada. Fonte: Boylestad, Na figura seguinte, temos a conexão de uma carga capacitiva, em paralelo com a carga indutiva, que por sua vez, irá consumir uma corrente I C. Isso faz com que o fator de potência resultante aumente, como veremos a seguir, além de garantir que a tensão aplicada a cada uma das cargas seja a mesma, ou seja, a ligação da carga capacitiva, não influencia o funcionamento da carga indutiva (não atrapalha o funcionamento do motor). Figura 12.2 Diagrama de circuito elétrico de uma carga capacitiva ligada em paralelo com uma carga indutiva, ambas ligadas a uma fonte de tensão alternada. Fonte: Boylestad, A corrente fornecida pela fonte, que pode representar a rede elétrica de uma instalação predial, será a soma das correntes I L e I C. Se usarmos a álgebra fasorial (para relembrar dessa álgebra, releia as aulas 03 e

20 20 04), podemos ter uma corrente com mesma fase da tensão fornecida, se a impedância do capacitor (X C) tiver o mesmo módulo da impedância do indutor (X L). Esse processo pode ser melhor explicado a partir de um exemplo. Considere um motor de 5 HP, com fator de potência de 0,6 e rendimento de 92%, alimentado por uma tensão de 208 V e 60 Hz. Podemos achar as potências aparente, ativa e reativa, consumidas por esse circuito. Como a potência mecânica está dada em HP, temos que converter em Watt. Na Aula 09 vimos que basta multiplicar o valor por 746. Assim, temos uma potência mecânica de W. Como o rendimento é de 92%, temos uma potência de entrada dada por: P )%'N) = P ".%&)O) η = ,92 = 4.054,35 W Para acharmos a potência aparente, que é a potência total consumida, basta dividir a potência ativa pelo fator de potência (lembre da Aula 03!). Assim, a potência ativa será 6.757,25 VA. Por fim, a potência reativa, que é aquela consumida exclusivamente pela impedância indutiva (X L), será dado por: S H = P H + Q H Onde S é a potência aparente, P é a potência ativa e Q é a potência reativa. Substituindo os valores encontrados anteriormente, temos Q = 5.405,8 Var. Sabendo que essa potência é consumida pela impedância indutiva, temos que achar uma impedância capacitiva que consuma o mesmo valor de potência reativa. Da definição de potência elétrica, temos: Logo: P = VI = VH R Q = VH X V X V = VH Q = 208H 5.405,8 = 8Ω Como a frequência da tensão da rede é 60 Hz, temos: C = 1 2πfX V = X V = 1 2πfC 1 = 331,6 μf 2 π 60 8 Em resumo, ao ligarmos o motor acima na rede elétrica de uma instalação predial, precisaríamos de ligar, em paralelo, uma capacitância de 331,6 µf para que o fator de potência se aproxime de 1, e não haja atraso da corrente em relação à tensão de fornecimento.

21 21 Já existem bancos de capacitores automáticos, cujo acionamento é feito sem intervenção humana. Confira no site de um revendedor algumas características desse tipo de sistema no link a seguir LIGAÇÃO E PROTEÇÃO DOS CAPACITORES Em princípio, os capacitores para correção do fator de potência podem instalados em uma das seguintes opções (CREDER, 2007): no lado de alta tensão dos transformadores; nos barramentos secundários dos transformadores; nos barramentos secundários onde exista um agrupamento de cargas indutivas; junto às cargas indutivas. Sempre que possível, os capacitores devem ser instalados o mais próximo das cargas indutivas, ou seja, dos motores, fazendo com que a fase da corrente seja corrigida no mesmo ramal da instalação, trazendo um benefício imediato à rede elétrica. Outra vantagem na instalação dos capacitores junto aos motores, o que torna essa prática a mais usual em instalações elétricas prediais, é o aproveitamento do espaço físico já destinado para as máquinas, e o uso dos mesmos dispositivos de proteção. Quando o projeto de instalações é desenvolvido e executado em um único processo (começando o projeto do zero ), o ramal de alimentação dos capacitores geralmente é feita entre o disjuntor e o contator dos motores. Nesses casos, deve-se levar em consideração que a corrente projetada para os capacitores não deve exceder 90% do valor de corrente de magnetização do motor (CREDER, 2007). Enquanto a abertura de um circuito capacitivo é simples, o mesmo não ocorre com o comando de fechamento, pois o arco voltaico formado nesse processo pode diminuir a vida útil do equipamento. Por isso, os dispositivos de manobra para esses ramais, por exemplo disjuntores e contatores, são geralmente dimensionados para 150% do valor de suas correntes nominais. O cálculo da capacidade de corrente dos condutores que alimentam um banco de capacitores, deve ser feita a partir da equação de definição de potência reativa, utilizada várias vezes nessa aula. Deve-se atentar, entretanto, no uso do fator 3 para os casos de circuitos trifásicos (lembre-se dos cálculos de potência elétrica para circuitos trifásicos, abordados na Aula 04). Exemplo: Considere o motor trifásico do elevador social usado nos exemplos anteriores, cuja potência mecânica é 10 cv. Considerando que seu fator de potência é 0,7 e seu rendimento é 85%, podemos achar sua potência reativa. Sua potência ativa será dado pela conversão de cavalo-vapor para watt, aplicando o fator multiplicativo visto na Aula 09. Assim, sua potência ativa é W. Se o fator de potência é 0,7, a potência aparente pode ser calculada como:

22 22 S = P )%'N) fator de potência O que nos dá uma potência aparente de 10,5 kva, consequentemente, a potência reativa será 7,51 kvar. Pela definição de potência, temos: Q = 3 V I senθ Repare no fator 3 devido ao sistema trifásico. Se o fator de potência (cosq ) é 0,7, logo q = 45,6º. Substituindo os valores na equação acima: 7508,7 = I 0,71 O que nos dá uma corrente de aproximadamente 16 A. Como os dispositivos de manobra devem ser dimensionados para 150% do seu valor, a corrente nominal desses dispositivos dever ser maior ou igual a 24 A. n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n Acesse o material de estudo, disponível no Ambiente Virtual de Aprendizagem (AVA), e assista à videoaula, sobre o conceito de correção de fator de potência. n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n Prezados, alunos, chegamos ao final de nossa unidade. Aqui conhecemos mais sobre máquinas elétricas, sua instalação, acionamento, controle e proteção de motores. Na próxima unidade abordaremos luminotécnica, telefonia, medição e outros temas importantes ao nosso curso. Bons estudos! Você terminou o estudo desta unidade. Chegou o momento de verificar sua aprendizagem. Ficou com alguma dúvida? Retome a leitura. Quando se sentir preparado, acesse a Verificação de Aprendizagem da unidade no menu lateral das aulas ou na sala de aula da disciplina. Fique atento, essas questões valem nota! Você terá uma única tentativa antes de receber o feedback das suas respostas, com comentários das questões que você acertou e errou. Vamos lá?!

23 23 REFERÊNCIAS ABNT. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 5410: Instalações elétricas de baixa tensão BOYLESTAD, Robert L. Introdução à análise de circuitos. 10 ed. São Paulo, SP: Prentice Hall CAVALIN, Geraldo; CERVELIN, Severino. Instalações elétricas prediais: teoria & prática. 22 ed. Curitiba, PR: Base Editorial Ltda CEB. Companhia Energética de Brasília. Norma Técnica de Distribuição 6.01: Fornecimento de Energia Elétrica em Tensão Secundária a Unidades Consumidoras Individuais e Agrupadas. Brasília, DF: CREDER, Hélio. Instalações elétricas. 15 ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC GLOSSÁRIO Atraso de corrente: Em circuitos elétricos indutivos, a fase da corrente alternada é menor que a fase da tensão. Como a tensão e corrente alternadas são função do tempo, essa diminuição relativa da fase é tida como um atraso. Contator: Dispositivo de comando de motores elétricos, geralmente empregado em motores de indução para instalações prediais. Os contatores podem ser, de forma figurativa, serem comparados à chaves de liga-desliga de equipamentos elétricos. Corrente de partida: Ao ligar um motor elétrico, o rotor (sua parte móvel) deve sair do repouso para uma velocidade de rotação definida. Para sair do repouso, portanto, o motor precisa vencer o atrito estático, que geralmente é várias vezes maior que o atrito dinâmico. Por isso, a corrente necessária para partir um motor é geralmente muito mais alta que sua corrente normal nominal, ganhando o nome especial de corrente de partida. Fator de potência: Relação entre a potência ativa (que realiza trabalho) e a potência aparente (potência elétrica total consumida). Também relaciona as fases da corrente e da tensão alternadas. Motor em vazio: Se diz que um motor elétrico está funcionando em vazio quando não há uma carga mecânica conectada a ele e, por isso, ele não realiza trabalho. As únicas forças mecânicas atuantes são relacionadas às perdas do motor. Valor nominal: Se diz valor nominal, geralmente um valor de tensão, corrente ou potência, àquele valor de projeto de um determinado dispositivo. É o valor que se espera no funcionamento normal do dispositivo.