Instalações Elétricas Industriais: Proteção de Circuitos e Motores

Instalações Elétricas Industriais
Aula Unidade 6 – Proteção de circuitos elétricos,
especificação e instalação de motores elétricos
ProfessorMe. AndréL. A. da Fonseca
Curso de engenharia de
AutomAção e Controle

Objetivos
• Conhecer e entender os principais dispositivos de
proteção utilizados em instalações elétricas em geral
e principalmente nas industriais;
•Apresentar e discutir os métodos para
dimensionamento de dispositivos de comando,
controle e proteção;
• Conhecer os tipos de motores e suas aplicações;
• Apresentar os métodos especificação e instalação de
motores elétricos de indução;
• Compreender o dimensionamento dos condutores
para proteção contra contatos indiretos e pelo
método de harmônicos;
Me. André Luiz A. da Fonseca 2IFMT- DAEE

IFMT- DAEE Me. André Luiz A. da Fonseca 3
• Contator de potência
• Relé de sobrecarga;
• Fusíveis de força;
• Disjuntor motor;
-Seccionamento;
-N° de contatos;
-N° de contatores auxiliares;
-Categorias (AC-1 a AC8-B)
- Proteção contra sobrecarga;
- Bimetal ou eletrônico;
- Ajustes;
- Não atuar na partida (tp).
- Proteção contra curto circuito
- Descartáveis (NH ou DZ);
- Não fundir na partida (tp);
-tfusão>tpartida (fusível retardado);
-Pode tornar a carga bifásica;
-Ifus>=1,2In;
-Protege contatores e relés bimetálicos;
-Capacidade de ruptura.
-Proteção contra curto circuito e sobrecarga;
-Seccionamento;
- Incorporação de prot. Contra falta de fase;
- Disparador magnético (curto circuito);
-Disparador térmico ajustável (sobrecarga);
• Autotransformador
• Softstarter;
• Conversor de frequência;
-Redução de tensão;
-frequência das partidas;
-tempo de partida;
-taps necessários (65 e
80%);
-vários motores;
- Controle de velocidade;
- Reversão e frenagem;
- Próprio para automação;
-Entradas analógicas e digitais;
-Partida ajustável(tp aj.);
-Partida suave em rampa;
-proteção adequada;
PARA TODOS EQUIPAMENTOS: CONSIDERAR:
-V, I, cos Fi, frequência nominais motores e sistema;
-carga mecânica acionada;
-caracteristicas dos motores acionados
Dispositivos utilizados em circuitos de motores

Classificação dos dispositivos de
manobra (ou de comando) e de proteção
Dispositivos de
Baixa Tensão
quando
projetados para
emprego em
circuitos cuja
tensão de linha é
inferior ou igual a
1.000 V.
Dispositivos de
Alta Tensão
quando
projetados para
emprego em
circuitos cuja
tensão de linha é
superior a 1.000 V.

Classificação de acordo com
O meio em que seus
contatos fecham e abrem:
Dispositivos a ar
(ou secos)
Dispositivos a
óleo
Dispositivo a
vácuo
Dispositivo a SF6
O número de pólos
Unipolares
Bipolares
Tripolares
Tetrapolares

Dispositivos principais e correntes
• Alguns dispositivos de
manobra e/ou de
proteção
 Disjuntor ;
 Disjuntor Motor;
 Dispositivo fusível;
 Chave ;
 Seccionador ;
 Interruptor;
 Contator ;
 Relé ;
 Dispositivo DR.
Correntes
Corrente nominal;
Corrente de operação;
Corrente de ajuste;
Faixa de corrente de ajuste;
Corrente convencional de atuação;
Corrente convencional de não
atuação;
Corrente presumida;
Corrente presumida de interrupção;
Corrente presumida de
estabelecimento;
Corrente de curto-circuito presumida;
Corrente de interrupção;
Corrente de corte;
Corrente suportável de curta duração;
Capacidade de interrupção;

Características principais
• Tensões
 Tensão nominal
 Tensão de isolamento
nominal
• Tempos
 Tempo de fusão
 Tempo de abertura
 Tempo de interrupção
 Tempo de fechamento
 Tempo de estabelecimento
 Tempo morto
 Tempo de estabelecimento-
interrupção
Integral de Joule
A integral de Joule dá o valor da
energia térmica por unidade de
resistência liberada em um circuito.
Representações gráficas
Característica tempo-corrente
Característica de corte

Disjuntores – Termomagnéticos

Tipos de faixas instantâneas disjuntores

Disjuntores Motor
• Curva adequada para
proteção de motores;
• Proteção contra
sobrecarga, curto-
circuito e falta de fase;
• Ajuste para a proteção
térmica;
• Especificado em faixas
de corrente;
• Abrir um catálogo de
disjuntores motor;

Fusíveis
• Características
 Formato: cartucho, rolha, encapsulado.
 Faixa de interrupção e categoria de
utilização
 gL, gG: aplicação geral;
 aM: proteção de circuitos de motores contra
curtos-circuitos, caracterizados por um único
valor de corrente nominal;
 gM: proteção de circuitos de motores contra
curtos-circuitos, caracterizados por dois
valores de corrente.
• Tipo de pessoa indicada para
utilização
 “Para uso por pessoas autorizadas”;
 “Para uso por pessoas não qualificadas”.
 Tensões nominais.
 Correntes nominais: 4 – 6 – 8 – 10 – 12 – 16 –
20 – 25 – 32 – 40 – 50 – 63 – 80 – 100 – 125 –
160 – 200 – 250 – 315 – 400 – 500 – 630 –
800 – 1.000 – 1.250 ampères.
 Correntes convencionais de fusão e não
fusão.
 Característica tempo-corrente: dá o tempo
virtual de fusão ou de interrupção, em
função da corrente presumida simétrica, sob
condições especificadas de operação.

Ilustrações Fusíveis

Fusível limitador

Dimensionamento
de Fusíveis
Partida direta, Delta-Y, inversor,
softstarter ou Autotransformador:
1,2
Bancos de capacitores:
1,65
*Não deve fundir durante a partida,
verificar graficamente a coorden
fusível n Motor
fusível n Banco
I I
I I


 
 
ação.
Dimensionamento
de Disjuntores e
Relé Bimetálico de
Sobrecarga
.
Partida direta:
Partida Y-Delta com relé dentro do delta:
0,58
relé n Motor
ajuste DJ motor n Motor
relé n Motor
I I
I I
I I

 



 

Dispositivos Diferenciais Residuais
• Meio mais eficaz de
proteção das pessoas (e
dos animais domésticos)
contra choques elétricos.
• Funções
 Detecção: sentir a presença
de uma corrente residual.
 Avaliação: possibilidade de
operar quando a corrente
detectada excede valor de
referência.
 Interrupção: mover
automaticamente os
contatos principais,
interrompendo a corrente.

Detalhe de um dispositivo DR
• DR sem fonte auxiliar
• DR com fonte auxiliar
• Sensibilidade
 Alta sensibilidade: IDN menor ou
igual a 30 mA.
 Baixa sensibilidade: IDN maior
que 30 mA.
• Interruptores DR: destinados
unicamente à proteção contra
choques elétricos por contato
direto (os de alta
sensibilidade) e por contato
indireto (os de alta e de baixa
sensibilidade).
• Disjuntores DR: dispositivos
mais completos, com
capacidade de interrupção
mais elevada, que garantem,
além da proteção contra
choques elétricos, a proteção
contra sobrecorrentes, isto é,
contra correntes de sobrecarga
e de curto-circuito

Tipos de motores

Motor elétrico
Motores:
energia elétrica→ mecânica
1) Motor CC com ≠s excitações;
2) Motor CA 3f síncrono;
3) Motor CA 3f assíncrono gaiola de esquilo;
4) Motor CA 3f assíncrono rotor bobinado;
5) Motor CA 1f gaiola de esquilo com
≠s auxiliares;
6) Motor CA linear;
7) Motor universal.
Características de motores:
-Conjugado;
-fator de potência;
-rendimento;
-tensão nominal;
-conexões possíveis;
-inércia da carga;
-Tempo de aceleração;
-Regime de partida;
-Regime de serviço (S1 a Sn);
-Fator de serviço;
2 ( )
( )
m ce
a
mmed rmed
N J J
t
C C
   



Importância dos motores

Tipos de motores

Motor CC x Motor CA
- Maior custo de manutenção;
- Maior custo de aquisição;
-Pior rebobinamento;
-Poucas empresas especializadas e
fornecedores;
-Maior fisicamente para a mesma potência;
-Pior controle e incorporação de automação
(etc.)
- Menor custo de manutenção;
- Menor custo de aquisição;
-Melhor rebobinamento;
-Muitas empresas especializadas e
fornecedores;
-Menor fisicamente para a mesma potência;
-Melhor controle e incorporação de
automação (etc.)

Curvas de partida

Circuitos de motores
arg arg
Motores de 2 pólos:
4,2 a 9
Motores com mais de 2 pólos:
4,2 a 7
p n
p n
z s n Motor
z s i n Motor i
z motores s i n Motor i c as s i n c as
I I
I I
I f I
I f I
I FD f I FD f I

  
    


 
 
     

 

Dimensionamento por contatos
indiretos
– Proteção contra contatos
indiretos
• Se aplica nos casos em que
este tipo de proteção é
atribuído aos dispositivos de
sobrecorrente.
• Descrito na seção 5.1.3 da
NBR 5410;
• Assegura que o circuito seja
automaticamente desligado
caso ocorra alguma falta à
terra ou à massa;
• Destina-se a evitar tensão de
contato;
• Princípios básicos:
a) Aterramento;
b) Tensão de contato limite;
c) Seccionamento da alimentação.
Requesitos básicos para proteção contra
choques:
Equipotencialização da proteção;
Seccionamento automático:
Dispositivos de proteção à
sobrecorrente;
Esquemas: TN-C, TN-CS e IT
(Neutro isolado)
Dispositivos de proteção a
corrente diferencial-residual
(DR).
Esquemas: TN-S, TT e IT
(Neutro com impedância)
Independente do aterramento, o uso
de DR tornou-se obrigatório.

Equipotencialização da
proteção
a) Equipotencialização da proteção

Dimensionamento de contatos
indiretos por tabela
b) Seccionamento automático por sobrecorrente
• Assegura proteção contra contatos indiretos quando
não ultrapassar os limites da tabela (TN – Disjuntor
tipo B):
• Fatores de correção
– f1 = 0,62 para condutores de alumínio;
– f2 = 2/(m+1) m = relação entre seção da fase e proteção
– f3 = Vn/220 para tensão fase neutro ≠ 220V;
– f4 = 1 para esquema TN;
– f5 = 0,5 para disjuntor tipo C;
– f6 = 0,25 para disjuntor tipo D.

Dimensionamento por
harmônicos
• Considerar as
correntes
harmônicas.
2 2 2 2 2
1 2 3 4 (...)TRMSprojeto RMS RMS RMS RMS RMSnI I I I I I    

Dimensionamento pelo
critério econômico
• Considera o
custo dos
condutores e
da
instalação;
• O gasto de
energia;
• O tempo de
vida do
circuito.
• Ver exemplo.

Reflexões iniciais
• Função dos condutores
• Eficiência
• Custo da baixa eficiência
• Como diminuir esses custos?
• Quando podemos diminuir esses custos?
• Leva em consideração a energia dissipada por
efeito joule em um condutor e o custo desta
energia para o proprietário.

Formulação básica de explicação
2
E R i t  D
l
R
A
 

2l
E i t
A
  
  D 
 
O efeito joule é uma forma de
potência, que pode ser
consumida em um intervalo de
tempo constituindo um
desperdício de energia.
A resistência elétrica do condutor
diminui com o aumento da seção do
condutor.
A energia consumida por um
condutor de maior seção pode
tornar o uso desse condutor
viável em relação a um de seção
menor, dependendo do tempo
em que o circuito é utilizado.

Quando aplicar este critério
É bastante vantajoso nos seguintes casos de circuitos:
• Com seções iguais ou superiores a 25mm2.
• Que funcionam em regime contínuo.
• Onde o critério de capacidade de corrente prevaleceu
diante do critério de queda de tensão.
----------------------------------------------------------------------------------
Vantagens:
• Redução do custo operacional da instalação ao longo do
tempo.
• Aumento da vida útil dos condutores, pois irão trabalhar
em uma temperatura menor.

Procedimento
• Deve-se seguir as recomendações da norma IEC
287-3-2 (ainda não há norma NBR sobre o assunto);
• Este procedimento traz cálculos simplificados
baseados nas seguintes hipóteses:
1. Custo de instalação constante;
2. Perdas em blindagens e pelo efeito pelicular
desprezíveis;
3. Considerar custo apenas da energia ativa;
4. Temperatura de operação média de 50ºC.

Expressões para o cálculo
2 1
2 1
'
2,66
0,69
1 0,937
'
B
E
h n
h
n N
I e
S
C C G
C
H
C
P P
G
S S
 







: Seção econômica calculada pelo
método econômico;
:Corrente de projeto;
:Constante de horas;
: Numero de horas por ano do
funcionamento do circuito;
: Constante anual;
: Número de anos;
:Custo d
E
B
h
n
S
I
C
H
C
N
e
1 2
1 2
e energia elétrica ativa em R$/kWh;
': Taxa de variação de preço por mm² em R$/mm²;
, : Preço dos condutores 1 e 2;
, :Seção dos condutores 1 e 2.
G
P P
S S

Determinação de G’
• É preciso consultar um fornecedor de cabos e
obter a tabela de preços em R$/km.
• E obter o valor médio R$/mm².km

Exemplo de cálculo
• Considerando um circuito que alimenta um
quadro de distribuição trifásico;
• Comprimento 100m;
• Condutor de isolação de XLPE;
• Temperatura ambiente 30°C;
• Corrente de projeto 220A;
• Instalação em eletrocalha aberta em trifólio;
• Foi estimado que este circuito funciona 4000 h/ano;
• Valor da tarifa de energia R$0,257 / kWh;
• Anos a serem considerados 10 anos.

Execução do método
10
Cálculo das constantes:
2,66 2,66
0,0421
4000
0,69 0,69
0,998
1 0,937 1 0,937
h
n N
C
H
C
  
  
 
Cálculo da Seção econômica:
220 0,257
205,4 ²
' 0,0421 0,998 167
Mais próximo é o de 185mm².
B
E
h n
I e
S mm
C C G
    
 

Dimensionamento por Ampacidade
• Considerando um agrupamento de 1 circuito
FCA = 1
• Considerando a temperatura ambiente 30oC
FCT = 0,94
• Calculando a corrente corrigida:
• Utilizando as tabelas da norma...
.
220
234
1 0,94
B
fic
CA CT
I
I A
F F
  
 

Selecionando o método de instalação

Tabela 39 . Capacidades de condução de corrente, em ampères, para
os métodos de referência E, F e G Condutores: cobre e alumínio
Isolação: EPR ou XLPE
Temperatura no condutor: 90°C
Temperatura ambiente de referência: 30°C

Análise comparativa
• Utilizando a tabela encontra-se:
Por Ampacidade:
Condutor de 70mm²:
• Com capacidade de condução de 268A
Preço total apenas dos condutores
• 0,3km x R$ 12.290,00 / km = R$ 3.687,00
Pelo critério da seção econômica
Condutor de 185mm²:
• Com capacidade de condução de 510A
Preço total apenas dos condutores:
• 0,3km x R$ 31.130,00 / km = R$ 9.339,00
• Onde está a vantagem?

Estimando o custo de energia
• Utilizamos a seguintes expressão para o cálculo
do curto com a perda de energia no cabo:
2
Onde:
: Custo energético;
: Corrente (A);
: Resistência elétrica do condutor( )
: Número de condutores carregados do circuito;
: Número de horas/ano de funcionamento do circuito;
: Custo
e
e
C I R n H e
C
I
R
n
H
e
    

da energia elétrica (ativa), em R$/kWh.

Relação corrente real e capacidade
cabo de 70mm²
• Precisa-se calcular a resistência do cabo na
temperatura de funcionamento;
• Calcula-se a carga percentual do cabo pela
expressão:
.
. .
220
0,82
268
B
IB Icap
cap cond
I
R
I
   

Obtendo a temperatura de funcionamento
• De acordo com
a relação
corrente e
capacidade de
corrente se
obtêm no
gráfico ao lado
a temperatura
de regime do
cabo;
• Aproximados
75°C.

Encontrando Correção para resistência 70mm²
• Com a temperatura de funcionamento,
calcula-se a resistência do cabo através de um
fator de correção, utilizando a tabela abaixo.
• Utiliza-se o maior mais próximo 1,236

Calcula R do cabo
• Calculando-se a resistência do cabo, utilizando
o valor de resistência padrão para cada seção.

Para o cabo de 70mm²
Calculando-se a resistência tota
0,268 0,1 1
l temos:
,236
0,0331
tot
tot
tot
R
R distância FCT
km
R
R
  
  
 
2 2 3
Calculando a energia elétrica anual:
220 0,0331 3 4000 0,257 10
$
4940,70
e
e
C I R n H e
R
C
ano

          


Relação corrente real e capacidade
cabo de 185mm²
• Precisa-se calcular a resistência do cabo na
temperatura de funcionamento;
• Calcula-se a carga percentual do cabo pela
expressão:
.
. .
220
0,43
510
B
IB Icap
cap cond
I
R
I
   

Obtendo a temperatura de funcionamento
• De acordo com
a relação
corrente e
capacidade de
corrente se
obtêm no
gráfico ao lado
a temperatura
de regime do
cabo;
• Aproximados
50°C.

Encontrando Correção para Resistência 185mm²
• Com a temperatura de funcionamento,
calcula-se a resistência do cabo através de um
fator de correção, utilizando a tabela abaixo.
• Utiliza-se o maior mais próximo 1,118

Para o cabo de 185 mm²
Calculando-se a resistência total
0,1 1,118
0,
temos:
0,099
0
1
111
tot
tot
tot
R
R distância FCT
km
R
R
  
  
 
2 2 3
Calculando a energia elétrica anual:
220 0,0111 3 4000 0,257 10
$
1656,85
e
e
C I R n H e
R
C
ano

          


Análise final
Seção
(mm²)
Custo de
Instalação
(R$)
Custo de
energia
Anual
(R$)
Custo de
energia
Em 10 anos
(R$)
Custo total
em
10 anos
(R$)
Percentual
de gastos
(%)
Percentual
de
economia
(%)
70 R$ 3.687,00 R$ 4.940,70 R$ 49.407,00 R$ 53.094,00 100,00% 0%
185 R$ 9.339,00 R$ 1.656,85 R$ 16.568,50 R$ 25.907,50 48,80% 51,2%
Consultoria

Referências
1. MAMEDE FILHO, J. Instalações Elétricas
Industriais. 8a ed. Rio de Janeiro: LTC, 2010;
2. COTRIM, A. A. M. B. Instalações Elétricas. 5a ed.
São Paulo: Prentice Hall do Brasil,2008;
3. MAMEDE FILHO, J. Instalações Elétricas
Industriais. 8a ed. Rio de Janeiro: LTC,2010;
4. COTRIM, A. A. M. B. Instalações Elétricas. 5a ed.
São Paulo: Prentice Hall do Brasil,2008;
5. NEGRISOLI, Manuel E. M. Instalações Elétricas:
projetos prediais.

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