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Comandos industrial 1

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1. O documento trata sobre eletricidade industrial e aborda diversos tópicos relacionados a motores elétricos, sistemas de partida e proteção. 2. Inclui seções sobre motores de indução trifásicos, chaves manuais, motores de múltiplas velocidades, dispositivos de proteção e controle e sistemas de partida de motores elétricos. 3. Fornece informações técnicas detalhadas sobre os componentes e sistemas elétricos utilizados em aplicações industriais.

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ELETRICIDADE INDUSTRIAL
© SENAI - PR, 2001 CÓDIGO DE CATÁLOGO : Trabalho elaborado pela Diretoria de Educação e Tecnologia do Departamento Regional do SENAI - PR , através do LABTEC - Laboratório de Tecnologia Educacional. Coordenação geral Elaboração técnica SENAI - Rio branco do Sul - PR Equipe de editoração Coordenação Digitação Diagramação Ilustração Revisão técnica Capa SENAI - Rio Branco do Sul Referência Bibliográfica. NIT - Núcleo de Informação Tecnológica SENAI - DET - DR/PR S474i SENAI - PR. DET Eletricidade Industrial Curitiba, 2001, 180 p CDU Direitos reservados ao SENAI — Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional do Paraná Avenida Cândido de Abreu, 200 - Centro Cívico Telefone: (41) 350-7000 Telefax: (41) 350-7101 E-mail: senaidr@pr.senai.br CEP 80530-902 — Curitiba - PR
SUMÁRIO 1. MOTORES ELÉTRICOS .......................................................................................... 05 2. MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO ......................................................................... 17 2.1 Motor Trifásico de Seis Terminais ........................................................................... 18 2.2 Motor Trifásico de Doze Terminais .......................................................................... 19 3. CHAVES MANUAIS .................................................................................................... 20 3.1 Chave Reversora Tripolar Manual ........................................................................... 20 3.2 Ligação do Motor Trifásico ...................................................................................... 21 3.2 Montagem e Instalação Chave Manual para Partida Estrela-Triângulo de Motor Trifásico ........................................................................................................ 23 4. MOTORES DE MÚLTIPLAS VELOCIDADES ........................................................... 29 4.1 Motor Trifásico de Duas Velocidades com dois Enrolamentos ............................... 29 4.2 Motor Trifásico de Duas Velocidades com um único Enrolamento (Dahlander) ..... 29 4.3 Chaves de Comutação Polar .................................................................................. 31 4.4 Chaves de Comutação Polar Manual apara Comando de Motor Trifásico de Duas Velocidades................................................................................................... 31 4.5 Chaves de Comutação Polar Manual com Reversão para Comando de Motor Trifásico de Duas Velocidades ................................................................................ 33 5. DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO E CONTROLE..................................................... 35 5.1 Apresentação .......................................................................................................... 35 5.2 Fusíveis ................................................................................................................... 36 5.3 Botões de Comando ............................................................................................... 49 5.4 Chave Auxiliar Tipo Fim de Curso ........................................................................... 56 5.5 Contatores ............................................................................................................... 63 5.6 Relês de Proteção................................................................................................... 79 5.7 Disjuntor Industrial ................................................................................................... 89 5.8 Sinalização .............................................................................................................. 93 5.9 Relês de Tempo ...................................................................................................... 96 5.10 Transformadores para Comandos Elétricos ....................................................... 102 5.11 Conectores Unipolares ........................................................................................ 110 6. SISTEMAS DE PARTIDA DE MOTORES ELÉTRICOS ......................................... 117 6.1 Direta ..................................................................................................................... 117 6.2 Partida Direta com Reversão ................................................................................ 124 6.3 Sistema de Partida Estrela-Triângulo de Motores Trifásicos ................................. 126 6.4 Sistema de Partida com Autotransformador (compensadora) de Motores Trifásicos ................................................................................................. 131 6.5 Comparação entre Chaves Estrela-Triângulo e Compensadoras Automáticas .... 135 6.6 Sistemas de Frenagem de Motores Trifásicos ..................................................... 139 6.7 Partida Consecutiva Automática de Motores Trifásicos ........................................ 145 7. SISTEMA DE PARTIDA COM ACELERAÇÃO ROTÓRICA AUTOMÁTICA .............. 146
1. Motores elétricos Sempre que necessitamos de um equipamento para realizar um determinado trabalho, utilizamos atuadores, que são dispositivos capazes de converter uma forma de energia em outra. Assim, podemos classificar esses atuadores em dois grandes grupos, a saber: M atuadores lineares; M atuadores rotativos. Atuadores lineares Dispositivos que operam em linha, realizando trabalho com movimentos de ida e volta. M Exemplo Cilindros pneumáticos e/ou hidráulicos. Atuadores rotativos Dispositivos que desenvolvem trabalho através do movimento rotativo de um eixo. M Exemplo Motores pneumáticos, hidráulicos, a explosão e elétricos. Embora sejam de fundamental importância todos os tipos de motores citados, centralizaremos nossos estudos nos motores elétricos, que são o objeto principal para o desenvolvimento do conteúdo de que estamos tratando. O motor elétrico tem como função transformar a energia elétrica em mecânica. Por ter custo reduzido, devido à sua simplicidade de construção e grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos, é o mais usado de todos os tipos de motores. 5 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
Tipos de motores elétricos Motores de corrente alternada São os de maior uso, devido ao fato de a energia elétrica ser distribuída normalmente em corrente alternada. Classificam-se em dois grupos principais: Motor síncrono - Funciona com velocidade fixa. Seu uso é limitado a grandes potências, devido ao seu alto custo em tamanhos menores, ou quando é necessária uma velocidade invariável. Motor de indução - É utilizado na grande maioria das máquinas e equipamentos encontrados na prática. É, sem dúvida, o mais utilizado devido à sua simplicidade, robustez e baixo custo. Sua velocidade sofre ligeiras variações em função da variação da carga mecânica aplicada ao eixo. Motor de corrente continua Motor de custo elevado, requer alimentação especial, fonte de corrente contínua. Presta-se a controles de grande flexibilidade e precisão, devido à elevada gama de valores de ajuste de velocidade. O uso desse motor é restrito a casos onde tais exigências compensam o elevado custo da instalação. Ligação de cargas a um sistema monofásico Podemos ligar duas ou mais cargas a um sistema monofásico de duas formas: M série; M paralelo. 6 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
Série - As duas cargas são atravessadas pela corrente total ou máxima do circuito. A tensão em cada carga é igual à metade da tensão aplicada ao circuito, caso as cargas sejam iguais. Paralelo - A corrente em cada carga é igual à metade da corrente total do circuito, considerando-se cargas iguais. A tensão em cada carga é igual à tensão aplicada ao circuito. Sistema de corrente alternada trifásico Um sistema trifásico é formado pela associação de três sistemas monofásicos, de tensões V1, V2 e V3, defasadas entre si, de 120º elétricos. Assim, temos que os atrasos de V1 em relação a V3, V2 em relação a V1 e V3 em relação a V2 são iguais a 120º, considerando-se um ciclo completo igual a 360º. 7 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
Um sistema trifásico equilibrado é o sistema no qual as três tensões (V1, V2 e V3) têm o mesmo valor eficaz. Os fatos mencionados são ilustrados na figura que segue. Características de ligações elétricas de sistemas trifásicos Ligação triângulo ou ∆ Se ligarmos três sistemas monofásicos entre si, conforme mostrado na figura abaixo, poderemos eliminar três fios, utilizando apenas um em cada ponto de conexão, ficando o sistema reduzido a três fios R, S e T. 8 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
A tensão entre duas fases quaisquer (R, S ou T) denomina-se tensão de linha (VL), e a corrente em cada um desses fios, corrente de linha (IL). Analogamente, a tensão em cada grupo ou elemento do circuito (Z1, Z2 e Z3) denomina-se tensão de fase (VF) e a corrente em cada um desses elementos, corrente de fase (IF).Na ligação triângulo, a tensão de linha é igual à tensão de fase, e a corrente de linha é igual à soma (fasorial) das correntes de fase de dois elementos do circuito, ou simplesmente, IL = IF . 1,732. VL = VF IL = IF .V3 = IF . 1,732 Os voltímetros V1, V2 e V3 medem tensão de fase, enquanto V4 e V5 medem tensão de linha. Os amperímetros A1, A2 e A3 medem corrente de fase, enquanto A4, A5 e A6 medem corrente de linha. M Exemplo Um sistema trifásico equilibrado, de tensão nominal igual a 220V, fornece uma corrente de linha a uma carga trifásica, composta por três cargas iguais ligadas em triângulo, igual a 100A. Determine os valores da tensão e da corrente em cada uma das cargas. Solução VL = VF = 220V IL = IF . 1,732 ∴ IF =`IL/1,732 ∴ ΙF = 100A/1,732 ∴IF = 0,58 . 100A = 58A 9 SENAI-PR
Ligação estrela ou Y Se ligarmos um dos fios de cada sistema monofásico a um ponto comum entre os três, os três fios que restam formam um sistema trifásico em estrela. Esse ponto comum, às vezes, é aterrado, originando um quarto fio denominado neutro (N), formando um sistema trifásico em estrela a quatro fios. As tensões e correntes são definidas do mesmo modo que na ligação triângulo. Assim, a corrente em cada fio (R, S ou T), denominada corrente de linha (IL), é igual à corrente em cada elemento (Z1, Z2 ou Z3), e a tensão entre dois fios quaisquer (R, S ou T), denominada tensão de linha (VL) é igual à soma (fasorial) das tensões nos elementos ligados a esses dois fios, denominada tensão de fase (V ) ou simplesmente V = V . 1,732. F L F A figura abaixo à direita ilustra o que foi mencionado.. IL = IF VL = VF . V3 Os voltímetros V1, V2 e V3 medem tensão de fase, enquanto V4 e V5 medem tensão de linha. 10 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
Os amperímetros A1, A2 e A3 medem corrente de linha, que neste caso é igual à corrente de fase. M Exemplo Tem-se uma carga trifásica, de cargas iguais, ligada a uma rede trifásica. Sabendo-se que a tensão em cada carga é de 220V e a corrente é de 8A, determine os valores de tensão da rede que alimenta a carga trifásica e da corrente absorvida. Solução VL = VF . 1,732 ∴ VL = 220V . 1,732 ∴VL - 381,05V IL - IF = 8A Características importantes dos motores elétricos Conjugado Denomina-se conjugado (também chamado de torque, momento ou binário), a medida do esforço necessário para girar um eixo. Esse esforço é igual ao produto da força pela distância radial do eixo, onde está é aplicada (raio da polia), expresso por: T=F.a Onde T - conjugado ou torque em kgfm (quilo - grama - força metro) F - força aplicada em kgf (quilo - grama - força) a - raio da polia em m (metro) 11 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
M Exemplo Deseja-se mover uma carga de peso igual a 20kgf, usando um motor elétrico com polia de diâmetro igual a 40cm. Qual o torque desenvolvido? Solução T = F . ∴ T = 20kgf . 0,2m ∴ T = 4kgfm Potência mecânica A potência exprime a rapidez com a qual a energia ou trabalho é aplicado. É determinada dividindo-se o trabalho realizado pelo tempo gasto para fazê-lo. A propósito, o trabalho (W) representa o produto da força aplicada (F) pelo deslocamento (d). Assim, temos: P = W/t e W = F-d Onde P - potência mecânica em kgfm/s (quilo - grama - força - metro por segundo) W - trabalho em kgfm (quilo - grama - força - metro) d - distância em m (metros) t - tempo em s (segundo) M Exemplo Um guincho elétrico ergue um peso de 200 kgf a uma altura de 15m em 25s. Qual é a potência do motor do guincho? Solução P = W/t ∴ P = F . d/t ∴ P = 200kgf . 15m/25s ∴ P = 120kgfm/s 12 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
A unidade usual de potência mecânica é o CV (cavalo vapor) e vale 75kgfm/s. Assim, a potência do motor anterior, expressa em CV, será: P (CV) = 120kgfm/s ∴ 75kgfm/s P (CV) = 1,6CV Potência elétrica Em um sistema monofásico com carga resistiva, a potência representa o produto da tensão da rede pela corrente, dado por: P=V.I Em se tratando de sistema trifásico, com carga resistiva, a potência em cada fase da carga será: PF = VF . IF A potência total do sistema trifásico será igual à soma das potências das três fases, ou seja, P = 3PF ou 3 . VF . IF. Sabendo-se que, para a ligação triângulo, V = V e I = I . L F L 1,732 e para a ligação estrela VL = VF . 1732 e IL = IF, a equação de potência para qualquer caso será: P = V3 V . I Esse produto exprime o valor da potência aparente em sistemas trifásicos (Pa). Considerando-se cargas reativas, ou seja, onde existe defasagem (atraso ou adiantamento) da tensão em relação à corrente, esta tem que ser levada em consideração. Isso ocorre com os motores de indução, passando a expressão anterior a valer: 13 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
P= V3 . V . I . cos ϕ ou P = Pa . cos ϕ A potência elétrica tem como unidade usual o watt (W), com múltiplos e submúltiplos, dentre os quais citamos o quilowatt (kW), cujo valor é 1000W. Essa unidade é válida somente quando se considera a defasagem. Caso contrário, teremos expresso o valor da potência aparente, cuja unidade de medida usual é o volt-ampère (VA) ou seu múltiplo, o quilo-volt-ampère (kVA). Observação 1CV = 736W ou 0,736kW. Rendimento (η) η Representa a eficiência com a qual a energia elétrica absorvida é transformada em energia mecânica disponível no eixo do motor. Considerando a potência mecânica útil disponível no eixo (Pu) e a potência elétrica absorvida da rede (Pe, o rendimento será a relação entre elas, expresso por: η = Pu Pe ou η % = Pu Pe Onde η - rendimento Pu - potência mecânica útil em W (736 . P (CV)) Pe - potência elétrica em W 14 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
Fator de potência (cos ϕ) Expressa a relação entre a potência elétrica real ou ativa (Pe) e a potência aparente (Pa). Assim, tem-se: cos ϕ = Pe Pa Fator de serviço (Fs) É a fator que, aplicado à potência nominal, indica a carga permissível que pode ser aplicada continuamente ao motor, sob condições especificadas. Velocidade nominal É a velocidade (rpm) do motor funcionando à potência nominal, sob tensão e freqüência nominais. Corrente nominal (A) É a corrente que o motor absorve da rede quando funciona à potência nominal, sob tensão e freqüência nominais. Corrente de partida dos motores de indução A partida dos motores trifásicos de indução deverá, sempre que possível, ser direta, por meio de contatores. Porém, há casos em que a corrente de partida do motor é elevada, tendo as seguintes conseqüências prejudiciais: M queda de tensão elevada no sistema de alimentação da rede. Isso provoca perturbações em equipamentos instalados no sistema; M elevação no custo da instalação, uma vez que o sistema de proteção e controle (cabos, contatores, etc.), deverão ser superdimensionados; M imposição da concessionária de energia elétrica, que limita a queda de tensão da rede. 15 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
Caso o sistema de partida direta não seja possível, devido às implicações citadas acima, pode-se optar por um sistema de partida indireta, a fim de reduzir a corrente de partida. Em alguns casos, pode-se necessitar ainda de um alto conjugado de partida, com corrente de partida baixa, devendose então utilizar um motor de anéis. 16 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................

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  • 2. © SENAI - PR, 2001 CÓDIGO DE CATÁLOGO : Trabalho elaborado pela Diretoria de Educação e Tecnologia do Departamento Regional do SENAI - PR , através do LABTEC - Laboratório de Tecnologia Educacional. Coordenação geral Elaboração técnica SENAI - Rio branco do Sul - PR Equipe de editoração Coordenação Digitação Diagramação Ilustração Revisão técnica Capa SENAI - Rio Branco do Sul Referência Bibliográfica. NIT - Núcleo de Informação Tecnológica SENAI - DET - DR/PR S474i SENAI - PR. DET Eletricidade Industrial Curitiba, 2001, 180 p CDU Direitos reservados ao SENAI — Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional do Paraná Avenida Cândido de Abreu, 200 - Centro Cívico Telefone: (41) 350-7000 Telefax: (41) 350-7101 E-mail: senaidr@pr.senai.br CEP 80530-902 — Curitiba - PR
  • 3. SUMÁRIO 1. MOTORES ELÉTRICOS .......................................................................................... 05 2. MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO ......................................................................... 17 2.1 Motor Trifásico de Seis Terminais ........................................................................... 18 2.2 Motor Trifásico de Doze Terminais .......................................................................... 19 3. CHAVES MANUAIS .................................................................................................... 20 3.1 Chave Reversora Tripolar Manual ........................................................................... 20 3.2 Ligação do Motor Trifásico ...................................................................................... 21 3.2 Montagem e Instalação Chave Manual para Partida Estrela-Triângulo de Motor Trifásico ........................................................................................................ 23 4. MOTORES DE MÚLTIPLAS VELOCIDADES ........................................................... 29 4.1 Motor Trifásico de Duas Velocidades com dois Enrolamentos ............................... 29 4.2 Motor Trifásico de Duas Velocidades com um único Enrolamento (Dahlander) ..... 29 4.3 Chaves de Comutação Polar .................................................................................. 31 4.4 Chaves de Comutação Polar Manual apara Comando de Motor Trifásico de Duas Velocidades................................................................................................... 31 4.5 Chaves de Comutação Polar Manual com Reversão para Comando de Motor Trifásico de Duas Velocidades ................................................................................ 33 5. DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO E CONTROLE..................................................... 35 5.1 Apresentação .......................................................................................................... 35 5.2 Fusíveis ................................................................................................................... 36 5.3 Botões de Comando ............................................................................................... 49 5.4 Chave Auxiliar Tipo Fim de Curso ........................................................................... 56 5.5 Contatores ............................................................................................................... 63 5.6 Relês de Proteção................................................................................................... 79 5.7 Disjuntor Industrial ................................................................................................... 89 5.8 Sinalização .............................................................................................................. 93 5.9 Relês de Tempo ...................................................................................................... 96 5.10 Transformadores para Comandos Elétricos ....................................................... 102 5.11 Conectores Unipolares ........................................................................................ 110 6. SISTEMAS DE PARTIDA DE MOTORES ELÉTRICOS ......................................... 117 6.1 Direta ..................................................................................................................... 117 6.2 Partida Direta com Reversão ................................................................................ 124 6.3 Sistema de Partida Estrela-Triângulo de Motores Trifásicos ................................. 126 6.4 Sistema de Partida com Autotransformador (compensadora) de Motores Trifásicos ................................................................................................. 131 6.5 Comparação entre Chaves Estrela-Triângulo e Compensadoras Automáticas .... 135 6.6 Sistemas de Frenagem de Motores Trifásicos ..................................................... 139 6.7 Partida Consecutiva Automática de Motores Trifásicos ........................................ 145 7. SISTEMA DE PARTIDA COM ACELERAÇÃO ROTÓRICA AUTOMÁTICA .............. 146
  • 4.
  • 5. 1. Motores elétricos Sempre que necessitamos de um equipamento para realizar um determinado trabalho, utilizamos atuadores, que são dispositivos capazes de converter uma forma de energia em outra. Assim, podemos classificar esses atuadores em dois grandes grupos, a saber: M atuadores lineares; M atuadores rotativos. Atuadores lineares Dispositivos que operam em linha, realizando trabalho com movimentos de ida e volta. M Exemplo Cilindros pneumáticos e/ou hidráulicos. Atuadores rotativos Dispositivos que desenvolvem trabalho através do movimento rotativo de um eixo. M Exemplo Motores pneumáticos, hidráulicos, a explosão e elétricos. Embora sejam de fundamental importância todos os tipos de motores citados, centralizaremos nossos estudos nos motores elétricos, que são o objeto principal para o desenvolvimento do conteúdo de que estamos tratando. O motor elétrico tem como função transformar a energia elétrica em mecânica. Por ter custo reduzido, devido à sua simplicidade de construção e grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos, é o mais usado de todos os tipos de motores. 5 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
  • 6. Tipos de motores elétricos Motores de corrente alternada São os de maior uso, devido ao fato de a energia elétrica ser distribuída normalmente em corrente alternada. Classificam-se em dois grupos principais: Motor síncrono - Funciona com velocidade fixa. Seu uso é limitado a grandes potências, devido ao seu alto custo em tamanhos menores, ou quando é necessária uma velocidade invariável. Motor de indução - É utilizado na grande maioria das máquinas e equipamentos encontrados na prática. É, sem dúvida, o mais utilizado devido à sua simplicidade, robustez e baixo custo. Sua velocidade sofre ligeiras variações em função da variação da carga mecânica aplicada ao eixo. Motor de corrente continua Motor de custo elevado, requer alimentação especial, fonte de corrente contínua. Presta-se a controles de grande flexibilidade e precisão, devido à elevada gama de valores de ajuste de velocidade. O uso desse motor é restrito a casos onde tais exigências compensam o elevado custo da instalação. Ligação de cargas a um sistema monofásico Podemos ligar duas ou mais cargas a um sistema monofásico de duas formas: M série; M paralelo. 6 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
  • 7. Série - As duas cargas são atravessadas pela corrente total ou máxima do circuito. A tensão em cada carga é igual à metade da tensão aplicada ao circuito, caso as cargas sejam iguais. Paralelo - A corrente em cada carga é igual à metade da corrente total do circuito, considerando-se cargas iguais. A tensão em cada carga é igual à tensão aplicada ao circuito. Sistema de corrente alternada trifásico Um sistema trifásico é formado pela associação de três sistemas monofásicos, de tensões V1, V2 e V3, defasadas entre si, de 120º elétricos. Assim, temos que os atrasos de V1 em relação a V3, V2 em relação a V1 e V3 em relação a V2 são iguais a 120º, considerando-se um ciclo completo igual a 360º. 7 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
  • 8. Um sistema trifásico equilibrado é o sistema no qual as três tensões (V1, V2 e V3) têm o mesmo valor eficaz. Os fatos mencionados são ilustrados na figura que segue. Características de ligações elétricas de sistemas trifásicos Ligação triângulo ou ∆ Se ligarmos três sistemas monofásicos entre si, conforme mostrado na figura abaixo, poderemos eliminar três fios, utilizando apenas um em cada ponto de conexão, ficando o sistema reduzido a três fios R, S e T. 8 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
  • 9. A tensão entre duas fases quaisquer (R, S ou T) denomina-se tensão de linha (VL), e a corrente em cada um desses fios, corrente de linha (IL). Analogamente, a tensão em cada grupo ou elemento do circuito (Z1, Z2 e Z3) denomina-se tensão de fase (VF) e a corrente em cada um desses elementos, corrente de fase (IF).Na ligação triângulo, a tensão de linha é igual à tensão de fase, e a corrente de linha é igual à soma (fasorial) das correntes de fase de dois elementos do circuito, ou simplesmente, IL = IF . 1,732. VL = VF IL = IF .V3 = IF . 1,732 Os voltímetros V1, V2 e V3 medem tensão de fase, enquanto V4 e V5 medem tensão de linha. Os amperímetros A1, A2 e A3 medem corrente de fase, enquanto A4, A5 e A6 medem corrente de linha. M Exemplo Um sistema trifásico equilibrado, de tensão nominal igual a 220V, fornece uma corrente de linha a uma carga trifásica, composta por três cargas iguais ligadas em triângulo, igual a 100A. Determine os valores da tensão e da corrente em cada uma das cargas. Solução VL = VF = 220V IL = IF . 1,732 ∴ IF =`IL/1,732 ∴ ΙF = 100A/1,732 ∴IF = 0,58 . 100A = 58A 9 SENAI-PR
  • 10. Ligação estrela ou Y Se ligarmos um dos fios de cada sistema monofásico a um ponto comum entre os três, os três fios que restam formam um sistema trifásico em estrela. Esse ponto comum, às vezes, é aterrado, originando um quarto fio denominado neutro (N), formando um sistema trifásico em estrela a quatro fios. As tensões e correntes são definidas do mesmo modo que na ligação triângulo. Assim, a corrente em cada fio (R, S ou T), denominada corrente de linha (IL), é igual à corrente em cada elemento (Z1, Z2 ou Z3), e a tensão entre dois fios quaisquer (R, S ou T), denominada tensão de linha (VL) é igual à soma (fasorial) das tensões nos elementos ligados a esses dois fios, denominada tensão de fase (V ) ou simplesmente V = V . 1,732. F L F A figura abaixo à direita ilustra o que foi mencionado.. IL = IF VL = VF . V3 Os voltímetros V1, V2 e V3 medem tensão de fase, enquanto V4 e V5 medem tensão de linha. 10 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
  • 11. Os amperímetros A1, A2 e A3 medem corrente de linha, que neste caso é igual à corrente de fase. M Exemplo Tem-se uma carga trifásica, de cargas iguais, ligada a uma rede trifásica. Sabendo-se que a tensão em cada carga é de 220V e a corrente é de 8A, determine os valores de tensão da rede que alimenta a carga trifásica e da corrente absorvida. Solução VL = VF . 1,732 ∴ VL = 220V . 1,732 ∴VL - 381,05V IL - IF = 8A Características importantes dos motores elétricos Conjugado Denomina-se conjugado (também chamado de torque, momento ou binário), a medida do esforço necessário para girar um eixo. Esse esforço é igual ao produto da força pela distância radial do eixo, onde está é aplicada (raio da polia), expresso por: T=F.a Onde T - conjugado ou torque em kgfm (quilo - grama - força metro) F - força aplicada em kgf (quilo - grama - força) a - raio da polia em m (metro) 11 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
  • 12. M Exemplo Deseja-se mover uma carga de peso igual a 20kgf, usando um motor elétrico com polia de diâmetro igual a 40cm. Qual o torque desenvolvido? Solução T = F . ∴ T = 20kgf . 0,2m ∴ T = 4kgfm Potência mecânica A potência exprime a rapidez com a qual a energia ou trabalho é aplicado. É determinada dividindo-se o trabalho realizado pelo tempo gasto para fazê-lo. A propósito, o trabalho (W) representa o produto da força aplicada (F) pelo deslocamento (d). Assim, temos: P = W/t e W = F-d Onde P - potência mecânica em kgfm/s (quilo - grama - força - metro por segundo) W - trabalho em kgfm (quilo - grama - força - metro) d - distância em m (metros) t - tempo em s (segundo) M Exemplo Um guincho elétrico ergue um peso de 200 kgf a uma altura de 15m em 25s. Qual é a potência do motor do guincho? Solução P = W/t ∴ P = F . d/t ∴ P = 200kgf . 15m/25s ∴ P = 120kgfm/s 12 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
  • 13. A unidade usual de potência mecânica é o CV (cavalo vapor) e vale 75kgfm/s. Assim, a potência do motor anterior, expressa em CV, será: P (CV) = 120kgfm/s ∴ 75kgfm/s P (CV) = 1,6CV Potência elétrica Em um sistema monofásico com carga resistiva, a potência representa o produto da tensão da rede pela corrente, dado por: P=V.I Em se tratando de sistema trifásico, com carga resistiva, a potência em cada fase da carga será: PF = VF . IF A potência total do sistema trifásico será igual à soma das potências das três fases, ou seja, P = 3PF ou 3 . VF . IF. Sabendo-se que, para a ligação triângulo, V = V e I = I . L F L 1,732 e para a ligação estrela VL = VF . 1732 e IL = IF, a equação de potência para qualquer caso será: P = V3 V . I Esse produto exprime o valor da potência aparente em sistemas trifásicos (Pa). Considerando-se cargas reativas, ou seja, onde existe defasagem (atraso ou adiantamento) da tensão em relação à corrente, esta tem que ser levada em consideração. Isso ocorre com os motores de indução, passando a expressão anterior a valer: 13 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
  • 14. P= V3 . V . I . cos ϕ ou P = Pa . cos ϕ A potência elétrica tem como unidade usual o watt (W), com múltiplos e submúltiplos, dentre os quais citamos o quilowatt (kW), cujo valor é 1000W. Essa unidade é válida somente quando se considera a defasagem. Caso contrário, teremos expresso o valor da potência aparente, cuja unidade de medida usual é o volt-ampère (VA) ou seu múltiplo, o quilo-volt-ampère (kVA). Observação 1CV = 736W ou 0,736kW. Rendimento (η) η Representa a eficiência com a qual a energia elétrica absorvida é transformada em energia mecânica disponível no eixo do motor. Considerando a potência mecânica útil disponível no eixo (Pu) e a potência elétrica absorvida da rede (Pe, o rendimento será a relação entre elas, expresso por: η = Pu Pe ou η % = Pu Pe Onde η - rendimento Pu - potência mecânica útil em W (736 . P (CV)) Pe - potência elétrica em W 14 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
  • 15. Fator de potência (cos ϕ) Expressa a relação entre a potência elétrica real ou ativa (Pe) e a potência aparente (Pa). Assim, tem-se: cos ϕ = Pe Pa Fator de serviço (Fs) É a fator que, aplicado à potência nominal, indica a carga permissível que pode ser aplicada continuamente ao motor, sob condições especificadas. Velocidade nominal É a velocidade (rpm) do motor funcionando à potência nominal, sob tensão e freqüência nominais. Corrente nominal (A) É a corrente que o motor absorve da rede quando funciona à potência nominal, sob tensão e freqüência nominais. Corrente de partida dos motores de indução A partida dos motores trifásicos de indução deverá, sempre que possível, ser direta, por meio de contatores. Porém, há casos em que a corrente de partida do motor é elevada, tendo as seguintes conseqüências prejudiciais: M queda de tensão elevada no sistema de alimentação da rede. Isso provoca perturbações em equipamentos instalados no sistema; M elevação no custo da instalação, uma vez que o sistema de proteção e controle (cabos, contatores, etc.), deverão ser superdimensionados; M imposição da concessionária de energia elétrica, que limita a queda de tensão da rede. 15 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
  • 16. Caso o sistema de partida direta não seja possível, devido às implicações citadas acima, pode-se optar por um sistema de partida indireta, a fim de reduzir a corrente de partida. Em alguns casos, pode-se necessitar ainda de um alto conjugado de partida, com corrente de partida baixa, devendose então utilizar um motor de anéis. 16 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................