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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 SENAI - Rio Branco do Sul Capa 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
- 5. 5 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................ 1. Motores elétricos Sempre que necessitamos de um equipamento para re- alizar 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 movi- mento rotativo de um eixo. M Exemplo Motores pneumáticos, hidráulicos, a explosão e elétri- cos. 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 conteú- do de que estamos tratando. O motor elétrico tem como função transfor- mar 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.
- 6. 6 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. Classifi- cam-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 veloci- dade 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 fun- ção 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 instala- ção. Ligação de cargas a um sistema monofásico Podemos ligar duas ou mais cargas a um sistema monofásico de duas formas: M série; M paralelo. .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
- 7. 7 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 en- tre 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.
- 8. 8 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, confor- me 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.
- 9. 9 SENAI-PR A tensão entre duas fases quaisquer (R, S ou T) deno- mina-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, cor- rente 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 sim- plesmente, IL = IF . 1,732. VL = VF IL = IF . 3 = IF . 1,732 Os voltímetros V1 , V2 e V3 medem tensão de fase, en- quanto 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. V Solução VL = VF = 220V IL = IF . 1,732 ∴ IF =`IL /1,732 ∴ ΙF = 100A/1,732 ∴IF = 0,58 . 100A = 58A
- 10. 1 0 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 for- mam 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 (VF ) ou simplesmente VL = VF . 1,732. A figura abaixo à direita ilustra o que foi mencionado.. IL = IF VL = VF . 3 Os voltímetros V1 , V2 e V3 medem tensão de fase, en- quanto V4 e V5 medem tensão de linha. V
- 11. 1 1 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) .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
- 12. 1 2 SENAI-PR M Exemplo Deseja-se mover uma carga de peso igual a 20kgf, usan- do 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 rea- lizado pelo tempo gasto para fazê-lo. A propósito, o trabalho (W) representa o produto da força aplicada (F) pelo desloca- mento (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 guin- cho? Solução P = W/t ∴ P = F . d/t ∴ P = 200kgf . 15m/25s ∴ P = 120kgfm/s .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
- 13. 1 3 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 po- tência 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, VL = VF e IL = I . 1,732 e para a ligação estrela VL = VF . 1732 e IL = IF , a equação de potência para qualquer caso será: P = 3 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: V .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................
- 14. 1 4 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................ P = 3 . 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 quilo- watt (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 medi- da usual é o volt-ampère (VA) ou seu múltiplo, o quilo-volt-am- père (kVA). Observação 1CV = 736W ou 0,736kW. Rendimento (η η η 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 disponí- vel no eixo (Pu ) e a potência elétrica absorvida da rede (Pe , o rendimento será a relação entre elas, expresso por: η = Pu ou η % = Pu Pe Pe Onde η - rendimento Pu - potência mecânica útil em W (736 . P (CV)) Pe - potência elétrica em W V
- 15. 1 5 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................ Fator de potência (cos ϕ ϕ ϕ ϕ 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 car- ga permissível que pode ser aplicada continuamente ao mo- tor, 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 funci- ona à potência nominal, sob tensão e freqüência nominais. Corrente de partida dos motores de indução A partida dos motores trifásicos de indução deverá, sem- pre 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 equipamen- tos instalados no sistema; M elevação no custo da instalação, uma vez que o sis- tema 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.
- 16. 1 6 SENAI-PR .................................................. ........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ........................................ ....................................... ...................................... ........................................ ...................................... ....................................... ...................................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................... ....................................... ....................................... ........................................ Caso o sistema de partida direta não seja possível, devi- do às implicações citadas acima, pode-se optar por um siste- ma 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, devendo- se então utilizar um motor de anéis.