SENAI - Eletrica - eletrotecnica basica, Notas de estudo de Eletromecânica

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Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 3 CPM - Programa de Certificação de Pessoal de Manutenção Elétrica Materiais e Equipamentos em Sistemas de Baixa Tensão WWW.THEREBELS.COM.BR Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 4 Companhia Siderúrgica de Tubarão Materiais e Equipamentos em Sistemas de Baixa Tensão - I - Elétrica © SENAI - ES, 1997 Trabalho realizado em parceria SENAI / CST (Companhia Siderúrgica de Tubarão) SENAI - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial DAE - Divisão de Assistência às Empresas Departamento Regional do Espírito Santo Av. Nossa Senhora da Penha, 2053 - Vitória - ES. CEP 29045-401 - Caixa Postal 683 Tel: (27) 334-5774 Fax: (27) 334-5783 CST - Companhia Siderúrgica de Tubarão AHD - Divisão de Desenvolvimento de Recursos Humanos AV. Brigadeiro Eduardo Gomes, s/n, Jardim Limoeiro - Serra - ES. CEP 29160-972 Telefone: (027) 348-1322 Telefax: (027) 348-1077 Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 7 Máquinas Elétricas Rotativas Noções Gerais Sobre Motores Elétricos Os motores elétricos são máquinas que transformam energia elétrica em energia mecânica; assim, ao ligarmos um motor à rede, ele irá absorver uma dada quantidade de energia elétrica, e em troca aciona uma carga, por exemplo, um bonde. Este processo de conversão da forma de energia é análogo ao que se verifica num motor a gasolina. Neste motor, também dito motor a explosão, aproveita-se a energia proveniente da queima de combustível para movimentar o veículo. Num motor elétrico o combustível é a energia elétrica. Os motores elétricos em geral se compõem de duas partes: o rotor que é a parte móvel e o estator ou carcaça que é a parte fixa. Estator ou Carcaça Rotor Podemos classificar os motores, quanto à energia elétrica absorvida, da seguinte maneira: Motores eletricos de CA monofasico trifasico de CC            Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 8 Companhia Siderúrgica de Tubarão Os motores elétricos de corrente alternada funcionam quando ligados à uma rede de tensão alternada; são monofásicos ou trifásicos se necessitam de tensão monofásica ou de tensão trifásica. Os motores elétricos de corrente contínua funcionam quando ligados à uma rede de tensão contínua. Os motores de CA são hoje os mais utilizados; podemos encontrá-los em refrigeradores domésticos. em máquinas ferramentas etc. Os motores de CC são de emprego mais restrito, sendo encontrados na tração elétrica, grandes laminadores etc. Vamos estudar com maior profundidade os motores de CA. Eles podem se classificar, segundo o sistema elétrico de alimentação e o princípio de funcionamento ou arranque, em: Motores trifásicos Motores monofásicos Existem outros tipos de motores de CA, que se encontram mais raramente. Os motores de indução (tanto trifásicos como monofásicos) possuem no estator um jogo de bobinas que produzem um campo magnético. No interior do motor, apoiando- se sobre mancais, encontra-se a parte móvel, ou rotor. Este rotor dispõe de um enrolamento constituído por simples condutores ou barras postas em curto-circuito entre si (rotor em curto ou em gaiola de esquilo) ou podem também possuir um outro tipo de enrolamento, cujos extremos são levados a anéis coletores eletricamente isolados do eixo e entre si e sobre os quais se apoiam escovas de carvão, fixas ao estator, que nos permitem ligar o motor a um circuito externo.         de indução ou assincrono   de rotor emcurto ou gaiola de esquilo de rotor bobinado sincrono         de indução ou assincrono série         de arranque capacitativo e marcha indutiva (fase dividida) de arranque por repulsão de pólo dividido Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 9 Rotor Gaiola Rotor Bobinado O motor de indução possui velocidade praticamente constante. Os motores de indução de pequena potência são, na maioria das vezes, monofásicos, com rotor em curto; para a partida necessitam de dispositivos especiais, uma vez que não tem arranque próprio. Já os motores trifásicos de indução são de maior potência e tem arranque próprio. Como exigem grande corrente da rede, no instante de partida, usam-se dispositivos especiais para diminuí- la. No motor monofásico série ou universal o enrolamento do rotor é levado às escovas, por intermédio de um comutador (coletor constituído por lâminas isoladas entre si), e ligado ao estator. Este tipo de motor funciona tanto com CC como com CA. Possui velocidade variável. No motor à repulsão o enrolamento do rotor é levado às escovas que estão ligadas em curto circuito. Possui velocidade variável, sendo usualmente empregado como motor repulsão indução. Na partida funciona como motor de repulsão (que tem arranque próprio) e, posteriormente, por um dispositivo centrífugo, as lâminas do coletor são colocadas em curto- circuito, passando a funcionar como motor de indução monofásico. Os motores de corrente contínua podem ser classificados segundo o modo de excitação em: Motores de CC auto excitados motores series motores paralelos motores mistos ou compound com excitaç ao independente                  Num motor de CC distinguimos o estator com pólos indutores, o rotor com enrolamento induzido e o comutador. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 12 Companhia Siderúrgica de Tubarão Os motores universais apresentam um alto conjugado de partida, desenvolvem alta velocidade, são construídos para tensões de 110V e 220V CC ou CA e normalmente a sua potência não vai além de 300W, salvo em casos especiais. Este tipo de motor é aplicado na maioria dos aparelhos portáteis eletrodomésticos e em algumas máquinas portáteis usadas na indústria. Motor Monofásico de Anel em Curto O motor monofásico de anel em curto é um motor de indução de rotor tipo gaiola de esquilo e seu estator é de pólos salientes com cavidades, onde são colocados anéis de cobre ou latão, que abraçam pouco menos da metade de cada pólo. É criado pelos anéis, um fluxo, devido as correntes induzidas produzida pelo fluxo variável, defasado em atraso do fluxo originado pelas bobinas dos pólos indutores, surgindo com a resultante, um campo giratório. O rotor dentro dele é forçado a girar no mesmo sentido devido ao campo produzido pelas correntes induzidas nas barras alojadas nas ranhuras do rotor. São construídos para tensões de 110V e 220V, 50 ou 60 Hz, 25W a 120W e normalmente para 2 - 4 e 6 pólos para velocidades de 900 a 2800 R.P.M. em 50 Hz e 1000 a 3400 R.P.M. para 60 Hz. tem velocidade constante não admite regulagem e nem reversibilidade. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 13 A aplicação desses motores se faz em pequenas máquinas tais como: toca-discos, relógios, servo-mecanismos, etc; porque é um motor de baixo conjugado de partida e baixo rendimento. Motor Monofásico de Fase Auxiliar O motor de fase auxiliar é um motor de indução constituído de um rotor tipo gaiola de esquilo e um estator formado por coroas de chapas isoladas de ferro-silício, com ranhuras na parte interna, fixadas numa carcaça. Os enrolamentos, principal e auxiliar são alojados nas ranhuras isoladas, deslocadas de um ângulo de 90º elétricos um do outro. Os motores monofásicos de indução sem dispositivos de partida, não tem arranque próprio, por não produzir campo rotativo, daí a necessidade, de se utilizar a fase auxiliar com características diferentes do principal, para que os campos magnéticos defasados entre si, produzam uma resultante rotativa, que por indução movimente o rotor tipo gaiola colocado dentro dele. O enrolamento principal é calculado de modo preciso, mas o auxiliar é conseguido de maneira empírica, mas sempre em relação ao principal, isto é, o auxiliar vai de 34% a 80% do número de condutores do principal e a seção do condutor varia de 30% a 50% do condutor empregado no principal, calculado para 110V. Para duas tensões, basta desdobrar o enrolamento do principal calculado inicialmente para 110V em duas vezes o número de condutores, com sua seção reduzida pela metade, dividido em dois circuitos, para que possibilite ligar em paralelo para 110V e em série para 220V. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 14 Companhia Siderúrgica de Tubarão O enrolamento auxiliar não deve ser modificado para 220V, mas seus terminais deverão ser ligados um num dos extremos e o outro no centro da ligação série do principal, para que o condensador que fica ligado em série com o auxiliar, não receba uma tensão além de 110V. Geralmente é usado o enrolamento auxiliar somente para o arranque, depois, por intermédio de um interruptor comandado por um dispositivo centrífugo o auxiliar é desligado, permanecendo o campo rotativo pela ação do sentido de rotação do rotor e pela componente de campo criada pelas correntes induzidas nas barras do tipo gaiola (rotor em curto). Atualmente estes motores são fabricados para duas tensões. 110V e 220V, para as freqüências de 50 Hz ou 60 Hz, para as potências, de 1/6 a 2 c.v. Sobre o motor é colocado um condensador eletrolítico com sua proteção conforme a figura abaixo. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 17 φ R = 1,5 x φ B, onde φB = máximo no instante considerado. O campo magnético rotativo gira com velocidade uniforme, fazendo uma rotação em cada período da corrente de alimentação. O sentido de giro está subordinado à seqüência de fases das correntes nos três enrolamentos das fases do motor que para girar ao contrário é preciso inverter-se a corrente de dois enrolamentos. Em geral, os três enrolamentos são ligados em estrela ou triângulo, para receber ligação de uma linha trifásica com três fios. O sentido de giro do campo poderá ser invertido, trocando-se simplesmente dois fios da linha ligados aos terminais do motor. O gráfico abaixo mostra uma curva senoidal que é a representação da f.e.m. da corrente alternativa, e do campo magnético variável produzido por uma corrente que varia periodicamente seu sentido e sua intensidade. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 18 Companhia Siderúrgica de Tubarão O motor trifásico de indução tem rotação de campo girante de acordo com a freqüência da rede e do número de pares de pólos: n = 120 x P f , onde: f = frequência de rede elétrica e P = número de pólos do motor Escorregamento A diferença entre a velocidade do campo girante e a do rotor dá- se o nome de escorregamento. Geralmente o escorregamento é expresso percentualmente em relação à velocidade de sincronismo. Seu valor é baixo quando o motor funciona à vazio. O escorregamento é calculado pela relação:s n n n xs s = − 100 onde: s = escorregamento, em %; ns = velocidade síncrona; n = velocidade do rotor. O rotor do motor à plena carga dá um escorregamento que varia de 3% para os motores potentes até 6% para os de pequena potência. Estes motores levam vantagem sobre o motor síncrono, pelo fato de poder partir com carga. Há dois tipos de motores de indução, conforme a forma do enrolamento do seu induzido: • Motor de rotor gaiola de esquilo; • Motor de rotor bobinado. Rotor com Gaiola de Esquilo O enrolamento do induzido deste tipo de motor é formado por barras de alumínio ou cobre, colocadas dentro das ranhuras do rotor e tendo suas extremidades reunidas através de anéis de curto circuito; as barras, quando de cobre, são soldadas aos anéis. Este motor é também chamado rotor em curto circuito. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 19 A velocidade do motor é praticamente constante, pois o escorregamento varia pouco com a carga. O fator de potência aumenta com a utilização do motor até próximo à plena carga nominal, quando alcança o seu máximo; a partir de então elevando-se a carga, diminuirá o valor de cos ϕ. O rendimento cresce, com a carga, até determinado ponto, também vizinho à plena carga nominal quando as perdas fixas e variáveis se equivalem; além deste ponto o rendimento passa a baixar. As características acima podem ser observadas no gráfico seguinte, onde 3 curvas relacionam o rendimento, a velocidade e o fator de potência com a potência solicitada ao motor. O conjugado que vem relacionado com o escorregamento, no gráfico seguinte é baixo no início do funcionamento, sendo próprio para arranques sem carga. Quando se necessita maior conjugado no início do funcionamento eleva-se a resistência do induzido usando-se rotores com dupla ou tripla gaiola, ou ainda com ranhuras profundas. O motor de indução com o rotor em curto circuito é próprio para comando de eixo de transmissão, acionando bombas centrífugas, compressores de ar, ventiladores, tornos mecânicos etc. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 22 Companhia Siderúrgica de Tubarão Defeitos Internos nos Motores de C.A. Assíncronos O Motor Não Arranca Interrupção numa das fases do estator trifásico A interrupção numa das fases dos motores trifásicos transforma o enrolamento em monofásico e o motor não arranca. o consumo de corrente será excessivo e o enrolamento, como é óbvio, se aquecerá demasiadamente, podendo até queimar o motor. Com um multímetro, procura-se a fase interrompida e a seguir, usando-se o mesmo processo, verifica-se qual a ligação ou bobina defeituosa. Encontrando-se o defeito, o reparo é simples. Interrupção do circuito de trabalho ou auxiliar dos estatores monofásicos A interrupção na alimentação de uma das bobinas (ou nas próprias bobinas), no condensador ou no interruptor centrífugo faz com que o motor não arranque. Localize o defeito como anteriormente e repare. Rotor roçando no estator O entreferro de motores de pequena e média potência é muito reduzido e qualquer desgaste de mancais ou defeitos nos rolamentos desloca o rotor que entra em contato com o estator; tem-se então o rotor bloqueado em razão da atração magnética, o que faz com que o rotor permaneça parado. Constatado o defeito, proceder o reparo dos mancais ou rolamentos. Interrupção em uma das fases do rotor bobinado Havendo interrupção em uma das fases do rotor, o motor não dá partida. Com um multímetro observar os defeitos que podem ser devido à falta de contato das escovas com os anéis, ligações não executadas ou bobinas interrompidas. Constatado o defeito, proceder o reparo. O Motor Não Mantém Carga Fase interrompida no enrolamento do rotor bobinado A interrupção de uma fase no rotor bobinado, durante o funcionamento sob carga provoca perda de velocidade do motor, gradualmente, até parar; essa anomalia é verificada também por um ruído característico. A localização deste defeito se efetua ligando-se três amperímetros em série com as fases respectivas do rotor. No funcionamento à vazio, as correntes assinaladas nos aparelhos são iguais; a medida que se carrega o motor, há diminuição da velocidade e um desequilíbrio nas fases do rotor que se observa nos amperímetros. Num dos aparelhos a corrente cai a zero e nos outros dois, ela se eleva, indicando a fase interrompida naquela em que a corrente se anula. Procurar o defeito e efetuar o reparo. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 23 Defeito de fundição ou de solda no rotor gaiola de esquilo Pode acontecer que, na fundição, o alumínio não encha completamente as ranhuras, ficando as barras defeituosas, ou ainda, partirem-se devido ao esforço a que o rotor está submetido. Em se tratando de barras de cobre, ligadas ao anel de curto circuito, com solda fraca, podem elas, por aquecimento, dessoldarem-se. Essas irregularidades trazem consigo aumento de resistência do rotor, o motor se aquece e a velocidade será inferior à do regime. Inspecionando-se o rotor, constata-se o defeito e substitui-se o induzido ou refaz-se a solda conforme o caso. É sempre preferível usar a solda forte ao invés da solda fraca, pois o ponto de fusão da solda forte é mais elevado que o da fraca. Aquecimento Anormal Interrupção numa fase do estator Durante o funcionamento, ocorrendo a interrupção numa fase do estator, o motor passa a trabalhar como monofásico, absorvendo maiores correntes e aquecendo exageradamente. Deve-se parar o motor, verificar a fase interrompida, com um multímetro e efetuar o conserto. O interruptor centrífugo não desliga (motores monofásicos) O circuito auxiliar dos motores monofásicos não sendo interrompido durante o funcionamento , provoca aquecimento do motor podendo queimar o enrolamento. Verificar o interruptor centrífugo e repará-lo. Ligações erradas Engano nas ligações das fases ou nos grupos de bobinas de uma fase, ou ainda desigualdade do número de espiras nas fases dão lugar a desequilíbrios de correntes. Comumente a corrente resulta ser superior a do regime e o aquecimento será anormal. Com três amperímetros inserido em série nas fases do motor verificam-se as diferenças das correntes. Também pode ocorrer dissimetria devido a curto circuito entre espiras de uma fase. Localizar o defeito, com instrumento adequado e conferir as ligações. Refazer as conexões conforme esquema ou trocar bobinas com espiras em curto. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 24 Companhia Siderúrgica de Tubarão Curto circuito no rotor bobinado Contato entre espiras ou entre bobinas do rotor, provocam maior consumo de corrente do estator, principalmente no arranque, e forte aquecimento. Localizar o defeito com instrumento adequado e efetuar o reparo. Contato defeituoso entre barras e anéis de curto circuito A f.e.m. induzida nas barras do rotor é muito pequena e a corrente, dada a baixa resistência da gaiola, é grande. Os contatos, quando imperfeitos, provocam aumento de resistência, havendo, pela Lei de Joule, aquecimento suficiente para dessoldar as barras de anéis (quando se trata de solda fraca). Com este defeito o motor perde velocidade. Com gaiola de alumínio fundido sob pressão ou com barras de cobre unidas aos anéis, com solda forte, estes inconvenientes não se manifestam. Umidade ou óleo nos enrolamentos Umidade ou óleo nos enrolamentos baixa a resistência do isolamento, provocando aquecimento anormal na máquina. Quando este fica depositado em lugar pouco arejado e com vapor de água os enrolamentos adquirem umidade. É de boa norma efetuar um teste de isolação antes de colocarmos a máquina em funcionamento. No caso do óleo lubrificante escorregar dos mancais, penetrando nos enrolamentos; é necessário efetuarmos um teste de isolação, pois tanto a umidade como o óleo lubrificante estragam o verniz dos enrolamentos. Para repararmos estes inconvenientes é necessário colocarmos a máquina em estufa, tendo o cuidado de retirar as partes que podem se danificar com a temperatura que vai aproximadamente a 100ºC. Em alguns casos torna-se necessário aplicar nova camada de verniz nos enrolamentos. Enrolamento do estator ou do rotor ligados à massa Com um megôhmetro, verificar se há contato entre condutores e massa. localizar as bobinas defeituosas e isolá-las ou substituí- las por outras novas, conforme a necessidade. Mancais ou rolamentos gastos Verificar a folga nos mancais e rolamentos e proceder a reparação do mancal ou substituição dos rolamentos. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 27 Alternadores Noções Sobre Alternadores Todas as máquinas que geram corrente alternada são chamadas de alternadores. Durante cinqüenta ou sessenta anos tem-se fabricado diferentes tipos de alternadores, quanto às suas formas e tamanhos que foram se modificando dentro da linha evolutiva do progresso industrial. Atualmente se fabricam alternadores de dois tipos: o de pólos indutores salientes que é acoplado a um motor de baixa velocidade e o turbo-alternador de pólos indutores não salientes que é acoplado a uma turbina que gira a alta velocidade. Os dois modelos são bastantes parecidos e possuem um induzido fixo e um indutor móvel. Dá-se também à parte fixa de uma máquina de Corrente Alternada o nome de estator e à parte móvel o nome de rotor. Alternadores com Indutor (rotor) de Pólos Salientes É formado por um núcleo polar fixado na superfície de um volante de aço fundido. Cada núcleo é envolvido com uma bobina fixada na sua parte superior por uma sapata polar constituindo o que chamamos de peças polares. As bobinas são ligadas em série e tem seus terminais presos a anéis coletores, isolados e fixos ao eixo do indutor. Esses anéis permitem a sua excitação por uma fonte de corrente contínua. As bobinas são ligadas alternadamente formando os pólos norte e sul nas peças polares. Os pólos formados são sempre em números pares. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 28 Companhia Siderúrgica de Tubarão O estator se compõe de um anel fixo onde são alojadas as bobinas que formam o enrolamento do induzido. Esse anel é constituído de um empilhamento de chapas de aço silício isoladas entre si e que formam quando prensadas um bloco maciço. As bobinas que constituem o enrolamento, são encaixadas em ranhuras ou canais que podem ser fechados ou abertos situados na periferia interna do anel chamado estator. Alternador com Indutor de Pólos não Salientes É uma máquina de alta rotação própria para fornecer potências elevadas. Esse tipo de alternador, geralmente é acoplado a turbinas hidráulicas ou a vapor. O indutor ou rotor é construído com diâmetro relativamente pequeno e grande comprimento para não sofrer as conseqüências da força centrífuga. O cilindro de aço maciço é formado pelo empilhamento de chapas prensadas e fixadas por processos diversos. Na periferia são abertos os canais onde se alojam as bobinas que, devidamente ligadas constituem o enrolamento. Esses canais após receberem o enrolamento são fechados por talas de bronze fixadas por processo especial. O induzido desse tipo de alternador pouco difere do de pólos salientes, existindo apenas pequenos espaços entre empilhamento das chapas para favorecer a ventilação do alternador. Funcionamento do Alternador A energia elétrica produzida no alternador se baseia no princípio de que todo condutor quando cortado por um campo magnético e desde que haja movimento relativo entre este campo magnético e o condutor é induzida nele uma força eletro-motriz (Lei de Faraday). Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 29 Não há variação de fluxo não há tensão induzida Há pequena variação de fluxo aparece uma pequena tensão Máxima variação de fluxo máxima tensão induzida A senoide ao lado representada, é o gráfico de uma f.e.m. alternada gerada numa rotação completa da bobina acima. Se uma bobina rodar num campo magnético as variações de fluxo do pólo norte e do pólo sul sucedem-se na rotação, gerando na bobina uma f.e.m. alternada senoidal. O alternador, conforme descrito anteriormente, para cumprir a sua finalidade (produzir energia elétrica) necessita, dentre outras, das partes seguintes: indutor, induzido, excitação e movimento. O indutor é excitado por uma fonte de corrente contínua que cria um campo magnético polarizado no bobinado do indutor. Esse indutor recebe em seu eixo um movimento de rotação que o faz agir dentro do induzido. Com o movimento de rotação o campo magnético do indutor corta os enrolamentos do induzido fazendo gerar uma corrente elétrica alternada com característica trifásica, ou monofásica, conforme a construção do alternador. A freqüência é determinada em função do número de pares de pólos e da velocidade angular. Sua medida é o ciclo por segundo, verificando-se a seguinte relação: onde: f = p x n 120 f = frequencia em ciclos / segundo ou Hertz (Hz) p = numero de polos n = velocidade angular, em r.p.m.        Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 32 Companhia Siderúrgica de Tubarão Estas curvas são chamadas curvas V. Como sabemos: W = E x I x cos ϕ W = cte E = cte Apenas os valores de I e de cos ϕ variam. Quando ie é baixo I é grande e o cos ϕ tem valor baixo, sendo a corrente atrasada da tensão. Quando se aumenta ie, o valor de I diminui e cresce o valor de cos ϕ, até que no ponto A, I passa por um mínimo e o cos ϕ por um máximo. Isto é, cos ϕ = 1; a corrente está em fase com a tensão. Aumentando-se ainda mais o valor de ie, a corrente aumenta e adianta da tensão, diminuindo o cos ϕ ; portanto o motor síncrono pode funcionar com qualquer fator de potência, sendo por isso, empregado para correção do cos ϕ . Entretanto, o motor síncrono não tem arranque próprio, devendo-se empregar dispositivos especiais para iniciar o movimento. Vários são os métodos empregados para a partida dos motores síncronos, entre os quais podem citar-se os seguintes: • o emprego de um motor auxiliar; • fazendo-o funcionar inicialmente como motor de indução. Além da desvantagem do arranque, o motor síncrono necessita de uma fonte de C.C. para excitar o campo; em virtude disso, os motores síncronos tem seu emprego restrito quase que exclusivamente à melhoria do fator de potência de uma instalação ou sistema de C.A. vazio meia carga plena carga motor subexcitado F.P. indutivo (em atraso) motor sobre-excitado F.P. capacitativo (em vanço) F.P. Unitário A Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 33 Gerador de Corrente Contínua Dínamo A corrente contínua encontra aplicação em vários setores industriais, como, por exemplo: Instalações de eletroquímica, carga de baterias de acumuladores, tração elétrica, eletroímãs de aplicações industriais, solda elétrica a arco voltáico, etc. Nas instalações de eletroquímica a corrente contínua é obtida por meio da retificação da corrente alternada por meio de retificadores tungar, de selênio ou de silício, porém em muitas instalações deste genero a corrente contínua é produzida por dínamos, isto é, por máquinas que geram energia elétrica de corrente contínua utilizando energia mecânica produzida por motores térmicos ou por motores assíncronos. A base de funcionamento dos dínamos é a mesma que a dos alternadores, ou seja: para que uma bobina gere uma f.e.m. é preciso que a mesma sofra uma vairação de fluxo (Lei da Indução eletromagnética) f.e.m. = t ∆ ∆ φ . Não há variação de fluxo não há tensão induzida Há pequena variação de fluxo aparece uma pequena tensão Máxima variação de fluxo máxima tensão induzida A senoide ao lado representa, o gráfico de uma f.e.m. alternada gerada numa rotação completa da bobina acima. Se uma bobina rodar num campo magnético as variações de fluxo do pólo norte e do pólo sul sucedem-se na rotação, gerando na bobina uma f.e.m. alternada senoidal. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 34 Companhia Siderúrgica de Tubarão É evidenciada ai a impossibilidade de se gerarem f.e.m. contínua diretamente por intermédio de bobinas que girem num campo magnético. Para retificar as f.e.m. alternadas no induzido dos dínamos, usa- se o coletor formado por lâminas de cobre isoladas entre si, também chamado comutador. As figuras seguintes mostram de modo simplificado como as f.e.m. alternativas podem ser retificadas por um coletor de 2 lâminas e uma bobina. A figura mostra uma bobina que no instante considerado está produzindo a f.e.m. máxima com o condutor escuro na frente do pólo N e o branco na frente do pólo S. A escova B será sempre positiva e a A sempre negativa enquanto for mantida a rotação indicada pela seta circular e for mantido o sentido de campo, mesmo quando o condutor branco trocar com o preto. O dínamo se compõe de um indutor formado pela carcaça, sapatas polares e pelas bobinas de campo. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 37 Motor de Corrente Contínua Princípio de Funcionamento Num motor de c.c., tanto o indutor como o induzido são alimentados por corrente contínua. O motor de corrente contínua se compõe dos mesmos elementos ou órgãos constituintes dos geradores de corrente contínua (dínamo); isto é, do ponto de vista de construção nenhuma diferença existe entre o dínamo e o motor. As ligações entre o campo indutor e o induzido também são as mesmas. O campo magnético, originado nas bobinas do induzido, pela passagem da corrente elétrica, deforma o fluxo indutor dando lugar a forças que obrigam os condutores a se deslocarem no sentido que há menor número de linhas de força. Coletor Numa das extremidades do eixo do motor e isolado dele, acha- se o coletor sobre o qual apoiam-se as escovas. O coletor é constituído por lâminas de cobre isoladas entre si. Os extremos das bobinas do induzido são ligados às lâminas do coletor. Conjugado Também chamado “par motor”, é o momento da força que se exerce tangencialmente à polia do motor em relação ao seu eixo. O par motor, pela ação eletromagnética, é diretamente proporcional ao fluxo indutor e à corrente que circula pelo induzido. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 38 Companhia Siderúrgica de Tubarão Sendo: C = K x ϕ x I; C = conjugado em metroquilograma; K = constante de proporcionalidade que depende dos fatores; ϕ = fluxo indutor em maxwell; I = intensidade da corrente em ampères. Força contra-eletromotriz Os condutores do induzido ao entrarem em rotação cortam o fluxo indutor. Pelo princípio de Faraday nasce nos condutores uma f.e.m. induzida cujo sentido, dado pela Lei de Lenz, (aplica- se a regra do saca-rolha), é inverso ao da tensão aplicada no motor. A tensão induzida nos condutores recebe o nome de força contra-eletromotriz. (f.c.e.m.) por se opor a tensão aplicada ao rotor. O valor da f.c.e.m. é calculada pela expressão: E = x n x Z 60 x 10 p a8 ϕ x Sendo: E = força contra-eletromotriz, em volts; n = velocidade angular em r.p.m.; Z = número de condutores eficazes; p = número de pólos; a = pares de ramais internos que dependem do tipo de enrolamento. É evidente que no início da marcha, devido à pouca velocidade da máquina a f.c.e.m. é baixa, subindo gradativamente até o normal, quando o motor atinge a velocidade de regime. Deve-se notar que o valor da f.c.e.m. deve ser inferior ao da tensão aplicada ao motor. Como a tensão aplicada às escovas do induzido e a f.c.e.m. são opostas, resulta que a tensão na armadura ou induzido é dada pela diferença das duas ou seja: u = U - E Sendo: Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 39 u = queda de tensão na armadura, em volts; U = tensão aplicada às escovas do induzido, em volts; E = força contra-eletromotriz, em volts. A corrente do induzido Expressa pela Lei de Ohm, será: I = u r U - E r = Onde: r = é a resistência do induzido. Esta fórmula nos mostra que no início de marcha, quando a força contra-eletromotriz, é baixa a corrente atingiria um grande valor uma vez que a resistência interna do induzido é pequena. Por isso para limitarmos a corrente de partida são utilizados reostatos de arranque, colocados em série com o induzido. Velocidade do motor Da expressão de força-eletromotriz podemos fazer considerações sobre a velocidade do motor. E = x n x Z x p 60 x 10 x a8 ϕ donde: n = a x E x 10 x 60 p x x Z 8 ϕ Porém, na corrente do induzido vimos que I = U - E r donde: E = U - ( I x r ) Substituindo E na equação, resulta: ( )( ) n = U - I x r x a pϕ x Z x x 108 x 60 Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 42 Companhia Siderúrgica de Tubarão A velocidade do motor é dada pela expressão: ( ) n = K U - I x r φ Desprezando a queda I x r e se a tensão for invariável, resulta que o numerador permanece constante. O denominador, formado pelo fluxo, varia com a carga. Com o crescer da carga aumenta o fluxo e a velocidade baixa, por outro lado, se a carga baixa decresce o fluxo e sobe a velocidade. Para este tipo de motor deve-se ter o cuidado de não deixar a carga baixar demasiadamente, pois sendo o fluxo muito pequeno, há o perigo da máquina disparar com desastrosas conseqüências para os mancais e o induzido. Quando a carga for constante e necessita-se regular a velocidade o campo série que possui diversas derivações e que permite variar o número de espiras controlando-se assim, o fluxo. Há ainda outros processos para controlar a velocidade de um motor série. O rendimento do motor série, como também do paralelo e misto, cresce rapidamente no início, alcança seu máximo aproximadamente com 2 da carga nominal para depois baixar. O rendimento alcança sua máximo valor quando as perdas joule se eqüivalem às perdas por atrito e no ferro. Os motores com excitação série são usados onde se exige grande conjugado inicial: tração elétrica, gruas, pontes rolantes, guinchos, etc. Os motores série de pequena potência que possuem o campo laminado servem para funcionar com C.A. e são chamados de motores universais. Dispensam reostatos de arranque. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 43 Motor de excitação paralelo Neste tipo de motor o campo e o induzido são ligados em derivação, a corrente da linha bifurca-se passando parte pelo campo e o restante pelo induzido. A corrente do campo independente da corrente do induzido. Esta por sua vez, é uma função da carga. Esquematicamente o motor com excitação paralelo é representado como mostra-se abaixo: A fórmula do par motor, como já vimos, é: C = K x φ x I. O fluxo é invariável pois, como dissemos acima, a corrente do campo independe, praticamente da carga, resulta que o par motor é diretamente proporcional à corrente, C = K x I. A velocidade ( )n = K U - r x I φ é praticamente constante com a variação da carga. O numerador, pelas mesmas razões, vistas no motor série, permanece invariável. O fluxo também não varia por ser independente da carga. Quando for necessário variar a velocidade do motor derivação, adiciona-se um reostato em série com o campo; manobrando-se o reostato consegue-se ajustar a corrente do campo que proporciona um fluxo adequado à velocidade desejada.\ Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 44 Companhia Siderúrgica de Tubarão Os motores com excitação paralelo são usados onde se requer pequeno par motor inicial e uma velocidade praticamente constante, como nos ventiladores, bombas centrífugas, máquinas ferramentas, etc. Motor com excitação mista Este tipo de motor possui dois campos: um em série e o outro em paralelo com o induzido. Esquematicamente a máquina com excitação mista pode ser representada por: O par motor e a velocidade são valores intermediários aos motores séries e paralelo. Quando se necessita controlar a velocidade age-se sobre o campo paralelo através do reostato. Os motores mistos são usados em máquinas que necessita um moderado par motor inicial. Por exemplo: guindastes. Instalações de Motores de Corrente Contínua Motor com excitação em derivação Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 47 Defeito nas Ligações dos Motores de Corrente Contínua Introdução Como nas máquinas de CA, trataremos, nesta informação, apenas dos defeitos externos mais freqüentes nos motores de CC. O motor não arranca Interrupção nas linhas ou falta de tensão Com o auxílio de um multiteste pode ser verificado o ponto falho da instalação, como fusível interrompido, maus contatos, fio interrompido, defeito nos reostatos etc. As anomalias são de fácil reparação, salvo a falta de tensão que depende da rede de distribuição externa. Erro de ligação do reostato Com um esquema, verificar as ligações e corrigir as conexões. Aquecimento anormal Verificar a corrente do campo. Se for excessiva, reduzir a excitação. Faiscamento das escovas Excesso de carga A sobrecarga provoca um grande faiscamento das escovas. Com um amperímetro se verifica o excesso de corrente. Retirar a carga excedente. Excitação baixa A diminuição da excitação, além do valor normal, provoca faiscamento. Manobrar o reostato para o valor da excitação de regime. Aumento de velocidade O excesso de velocidade pode ser causado, nos motores série, pela falta de carga e, no motor paralelo, pela interrupção do circuito de excitação. Localizar o defeito e reparar. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 48 Companhia Siderúrgica de Tubarão Defeitos Internos nos Motores de Corrente Contínua Faiscamento nas Escovas Escovas fora da linha neutra Verificar as escovas e ajustá-las no plano de comutação. Isolamento defeituoso entre escovas Desmontar o porta-escovas, verificar a isolação e polir cuidadosamente ao trocar os isolantes que separam as escovas da máquina. Pressão irregular das escovas Verificar o porta-escovas e regular a pressão das escovas. As escovas são responsáveis na maioria das vezes pelo faiscamento que se origina entre elas e o coletor. Caracteriza-se uma boa escova a sua resistência ao desgaste, ao aquecimento e à fricção e sua condutibilidade elétrica. As máquinas que trabalham com baixas correntes e tensão não muito elevada suportam escovas semiduras de carvão que contém pouco gravite, são de baixo preço. Para máquinas de grande potência e alta velocidade, a construção será com elevada percentagem de grafite. Seu preço é caro. Em máquinas de grandes correntes e baixa tensão usam-se escovas compostas de uma mistura de carvão e cobre comprimidos. Há ainda outros tipos de escovas. Mau contato entre escovas e coletor Verificar a superfície de contato das escovas. Colocar sobre o coletor uma lixa fina e sobre ela apertar as escovas sob pressão. Girar o eixo com a mão, procurando, ajustar as escovas para que toda sua superfície apoie-se sobre o coletor. Coletor sujo ou com superfície irregular O faiscamento neste caso é intermitente. Quando sujo, desengraxa-se com benzina ou dá-se um polimento com lixa fina. No caso de ser a superfície rugosa, desmonta-se a máquina e leva-se a um torno para dar-lhe um breve desbaste. Deve-se ter cuidado para que as lâminas do coletor não se tornem muito finas. O melhor é retificar com rebolo de carburundum de grãos finos. Enrolamento do induzido com solda defeituosa ou com solda solta do coletor O faiscamento devido a solda defeituosa provoca um escurecimento nas lâminas correspondentes. Quando as pontas forem dessoldadas aparece em outras duas lâminas consecutivas, o faiscamento. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 49 Desmonta-se o induzido e faz-se a prova de continuidade. Esta se faz enviando-se corrente contínua de baixa tensão nas lâminas onde deveriam estar as escovas. A seguir mede-se com mili-voltímetro a tensão entre duas lâminas adjacentes e assim por diante. as leituras devem ser iguais, salvo nas pontas defeituosas em que a tensão venha a ser diferente do zero. Refazer ou efetuar a solda. Curto circuito no induzido Este defeito pode ser provocado devido a um aquecimento excessivo ou por um isolamento fraco ou defeituoso. O curto circuito do induzido além do faiscamento provoca um consumo de corrente maior que o normal que pode provocar queima do enrolamento. A localização deste defeito se faz com a prova eletromagnética (com o eletroímã). Substituir as bobinas defeituosas ou se necessário refazer o enrolamento. Enrolamento do induzido ligado à massa Com megôhmetro, verificar se há contato entre condutores e massa. Localizar a bobina defeituosa e refazer o isolamento ou substituir por outra nova conforme necessidade. Curto circuito no indutor ou dissimetria do fluxo A extra corrente de abertura devido ao fenômeno de auto indução é a maior responsável pelo curto circuito provocado no indutor. O curto circuito nos indutores também pode ser provocado por causas acidentais como umidade, excesso de aquecimento, etc. A dissimetria do fluxo pode ter como origem curto circuito entre algumas espiras ou desigualdade de espiras nos pólos. Este defeito é mais acentuado nos motores com o enrolamento do induzido em paralelo. Verificar o defeito com instrumento adequado e efetuar o reparo. Excesso de velocidade Bobina de campo interrompida. Localizar o defeito e reparar. Mica saliente Provoca falta de corrente contínua entre coletor e escovas provocando além de faiscamento funcionamento ruidoso. Rebaixar a mica. Aquecimento Anormal Mancais ou rolamentos gastos. Verificar a folga nos mancais e rolamentos e efetuar reparo ou troca. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 52 Companhia Siderúrgica de Tubarão Como conseqüência da variação de campo magnético sobre suas espiras surge na segunda bobina uma tensão induzida. A bobina na qual se aplica a tensão CA é denominada de primário do transformador e a bobina onde surge a tensão induzida é denominada de secundário do transformador. É importante observar que as bobinas primária e secundária são eletricamente isoladas entre si. A transferência de energia de uma para a outra se dá exclusivamente através das linhas de força magnéticas. A tensão induzida no secundário de um transformador é proporcional ao número de linhas magnéticas que corta a bobina secundária. Por esta razão, o primário e o secundário de um transformador são montados sobre um núcleo de material ferromagnético. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 53 O núcleo diminui a dispersão do campo magnético, fazendo com que o secundário seja cortado pelo maior número de linhas magnéticas possível, obtendo uma melhor transferência de energia entre primário e secundário. As figuras abaixo ilustram o efeito provocado pela colocação do núcleo no transformador. Com a inclusão do núcleo o aproveitamento do fluxo magnético gerado no primário é maior. Entretanto, surge um inconveniente: o ferro maciço sofre grande aquecimento com a passagem do fluxo magnético. Para diminuir este aquecimento utiliza-se ferro silicoso laminado para a construção do núcleo. Com a laminação do ferro se reduzem as “correntes parasitas” responsáveis pelo aquecimento do núcleo. A laminação não elimina o aquecimento, mas reduz sensivelmente em relação ao ferro maciço. A figura abaixo mostra os símbolos empregados para representar o transformador, segundo a norma ABNT. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 54 Companhia Siderúrgica de Tubarão Os traços colocados no símbolo entre as bobinas do primário e secundário, indicam o núcleo de ferro laminado. O núcleo de ferro é empregado em transformadores que funcionam em baixas freqüências (50 Hz, 60 Hz, 120 Hz). Transformadores que funcionam em freqüências mais altas (KHz) geralmente são montados em núcleo de FERRITE. A figura abaixo mostra o símbolo de um transformador com núcleo de ferrite. Transformadores com mais de um secundário É possível construir transformadores com mais de um secundário, de forma a obter diversas tensões diferentes. Estes tipos de transformadores são muito utilizados em equipamentos eletrônicos. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 57 Tipos de transformador quanto a relação de transformação Quanto a relação de transformação os transformadores podem ser classificados em três grupos: • transformador elevador • transformador abaixador • transformador isolador Transformador elevador Denomina-se transformador elevador todo o transformador com uma relação de transformação maior que 1 (NS > NP). Devido ao fato de que o número de espiras do secundário é maior que do primário a tensão do secundário será maior que a do primário. Transformador Elevador NS > NP ⇒ VS > VP A figura abaixo mostra um exemplo de transformador elevador, com relação de transformação de 1,5. Se uma tensão de 100VCA for aplicada ao primário no secundário será de 150V (100 x 1,5 = 150). Transformador abaixador É todo o transformador com relação de transformação menor que 1 (NS < NP). Neste tipo de transformadores a tensão no secundário é menor que no primário. Transformador Abaixador NS < NP ⇒ VS < VP Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 58 Companhia Siderúrgica de Tubarão A figura abaixo mostra um exemplo de transformador abaixador, com relação de transformação de 0,2. Neste transformador aplicando-se 50 VCA no primário a tensão no secundário será 10 V (50 x 0,2 = 10). Os transformadores abaixadores são os mais utilizados em eletrônica, para abaixar a tensão das redes elétricas domiciliares (110 V, 220 V), para tensões da ordem de 6 V, 12 V e 15 V necessárias para os equipamentos. Transformador Isolador Denomina-se de isolador o transformador que tem uma relação de transformação 1 (NS = NP). Como o número de espiras do primário e secundário é igual, a tensão no secundário é igual a tensão no primário. Transformador Isolador NS = NP ⇒ VS = VP A figura abaixo mostra um exemplo de transformador isolador. Este tipo de transformador é utilizado para isolar eletricamente um aparelho da rede elétrica. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 59 Os transformadores isoladores são muito utilizados em laboratórios de eletrônica para que a tensão presente nas bancadas seja eletricamente isolada da rede. Relação de Potência em Transformadores O transformador é um dispositivo que permite modificar os valores de tensão e corrente em um circuito de CA. Em realidade, o transformador recebe uma quantidade de energia elétrica no primário, transforma em campo magnético e converte novamente em energia elétrica disponível no secundário. A quantidade de potência absorvida da rede elétrica pelo primário do transformador é denominada de potência do primário, representada pela notação PP. Admitindo-se que não existam perdas por aquecimento do núcleo, pode-se concluir que toda a potência absorvida no primário está disponível no secundário. Potência Disponível no Secundário = Potência Absorvida no Primário A potência disponível no secundário é denominada de potência do secundário PS. Se não existem perdas pode-se afirmar: PS = PP A potência do primário depende da tensão aplicada e da corrente absorvida da rede: Potência do Primário ⇒ PP = VP x IP Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 62 Companhia Siderúrgica de Tubarão A potência absorvida da rede pelo primário é a soma das potências de todos os secundários. Matematicamente pode-se escrever: PP = PS1 + PS2 + . . . . . + PSn Onde: PP = potência absorvida pelo primário; PS1 = potência fornecida pelo secundário 1; PS2 = potência fornecida pelo secundário 2; PSn = potência fornecida pelo secundário n. Esta equação pode ser reescrita usando os valores de tensão e corrente no transformador. VP = IP = (VS1 x IS1) + (VS2 x IS2) + . . . . + (VSn x Isn) Onde: VP e IP = tensão e corrente no primário VS1 e IS1 = tensão e corrente no secundário 1 VS2 e IS2 = tensão e corrente no secundário 2 VSn e ISn = tensão e corrente no secundário n. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 63 Transformador Trifásico Os transformadores trifásicos tem as mesmas funções que os monofásicos, ou seja, abaixar e elevar a tensão. Mas trabalham com três fases, ao invés de apenas uma como os monofásicos. Enquanto o transformador de seu televisor tem a função de reduzir 220 volts para 110 volts, ou estabilizar a tensão, o transformador que você vê nos postes tem por finalidade a distribuição da energia elétrica para os consumidores. Existem vários tipos de transformadores trifásicos de força. Existem transformadores de grande potência e alta tensão. Você poderá ver transformadores de força de grande potência e alta tensão nas subestações. Nas subestações, os transformadores não tem a mesma finalidade que os pequenos transformadores domésticos. Eles são distribuídos e tem maiores capacidades. Mas tem, basicamente, o mesmo princípio de funcionamento e executam o mesmo trabalho: transforma tensões. Transformar, por exemplo, 120 KV em 13,8 KV. Os enrolamentos do transformador trifásico nada mais é que uma associação de três enrolamentos monofásicos. O núcleo dos transformadores trifásicos é constituído de chapas siliciosas a exemplo dos monofásicos. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 64 Companhia Siderúrgica de Tubarão Possuem três colunas. Cada coluna servirá de núcleo para uma fase, como se cada coluna fosse um transformador monofásico. Então em cada coluna você terá duas bobinas, uma primária e outra secundária. Portanto, o transformador trifásico tem, no mínimo seis bobinas: três primárias e três secundárias. Veja a figura onde as seis bobinas estão montadas no núcleo. O conjunto é colocado em um recipiente próprio, denominado tanque. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 67 Resfriamento dos Transformadores Resfriamento por ventiladores Resfriamento por tubulações Resfriamento por radiadores ao natural Como você já sabe, as perdas do transformador geram calor, provocando o aquecimento dos enrolamentos. Com o excesso de calor, o isolamento dos enrolamentos e também o isolamento entre as bobinas, tendem a deteriorar-se, provocando curto-circuito e queima do transformador. O calor deve ser dissipado, a fim de que a temperatura estabelecida para os enrolamentos seja mantida. Os pequenos transformadores podem dissipar o calor por radiação direta, isto é, expostos ao ar, naturalmente. Porém, transformadores para grandes capacidades monofásicas ou trifásicas, precisam de maior resfriamento. Não sendo suficiente a ventilação natural, esses transformadores podem ser resfriados por ventilação forçada. Na ventilação forçada, empregam-se ventiladores que impelem ar frio para dentro do transformador. A contínua circulação de ar frio retira o calor dos pontos onde ele é gerado. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 68 Companhia Siderúrgica de Tubarão Esses transformadores, resfriados a ar, por ventilação natural ou forçada, são classificados como transformadores a seco. Transformadores a óleo Você viu que os transformadores a seco são resfriados por ventilação natural ou forçada. Agora, vamos examinar outra forma de resfriamento de transformadores: trata-se da refrigeração a óleo. Transformadores a óleo tem suas bobinas e núcleo colocados num tanque, cheio de óleo isolante. Circulando no tanque, o óleo retira o calor das bobinas e se aquece, precisando ser novamente resfriado. O óleo pode ser resfriado pelo ar, em movimento natural ou forçado por ventiladores; pode também ser refrigerado pela água, com o uso de serpentinas. Analise cada caso: 1o - O óleo pode ser resfriado pelo ar ambiente, em movimento natural, de três maneiras: circulando no próprio tanque, circulando por canos externos ao tanque, circulando por aletas. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 69 Em todos os casos, o resfriamento do óleo é possível graças ao processo de convecção. Veja como ele ocorre, num transformador de aletas: • o óleo quente sobe e vai para as aletas; • ao circular pelas aletas, o óleo se resfria e volta ao transformador; • o óleo frio, mais pesado, força a entrada no transformador e vai resfriar as bobinas; • e, assim, o processo recomeça. Essa é a refrigeração por óleo, com a ajuda do ar ambiente. O ar é o agente da dissipação do calor. 2o - Os transformadores de aletas podem ter refrigeração forçada, através do ar frio, que é impelido por ventiladores. O ar frio é movimentado por entre as aletas, retirando o calor, num processo contínuo. 3o - A refrigeração pode ser conseguida com o uso de água, para dissipar o calor. A água retira o calor do óleo e o óleo retira o calor das bobinas e núcleo. Nesse caso, a água é o agente dissipador do calor. O óleo é refrigerado pela circulação de água fria, através de serpentinas de cobre (tubo) imersas no óleo. As serpentinas são colocadas na parte superior interna do tanque. Nesse caso, o óleo tem refrigeração forçada, através da água. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 72 Companhia Siderúrgica de Tubarão Veja, novamente, a mesma ligação, representada de forma mais simples. Observe que os três diagramas representam a mesma ligação em estrela. Essa ligação é válida tanto para o primário como para o secundário. De forma idêntica, você pode fazer a ligação triângulo. Vejamos um exemplo de ligação triângulo no primário de um transformador. A ligação triângulo também é válida, tanto para o primário como para o secundário. No transformador, as ligações estrela ou triângulo devem obedecer às notações que correspondem às Entradas e Saídas das fases. Isso é necessário, pois a corrente, em cada fase, tem que ter sentido definido. Vamos representar as fases, com as entradas e saídas, e as letras correspondentes, conforme as normas. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 73 Observe o diagrama: As letras U, V e W correspondem às entradas das fases F1, F2 e F3, respectivamente. As letras X, Y e Z correspondem às saídas das fases F1, F2 e F3, respectivamente. Como ficou visto acima, essas letras são normalizadas. • U, V e W são sempre entradas. • X, Y e Z são sempre saídas. Para o fechamento em estrela, temos que ligar as três saídas das fases. Fechamos X, Y e Z. Esse fechamento origina o ponto neutro. U, V e W ficam sendo as entradas das fases. Vamos, agora, ao fechamento em triângulo, conforme as notações de entrada e saída. Veja o diagrama abaixo: Esse diagrama representa as conexões internas de um transformador fechado em triângulo. Tem, ainda, as notações de entrada e saída das fases. Em U, V e W temos as entradas das fases. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 74 Companhia Siderúrgica de Tubarão Para o fechamento em triângulo, as ligações são feitas da seguinte forma: • Entrada de F1 com saída de F3 ⇒ U com Z; • Entrada de F2 com saída de F1 ⇒ V com X; • Entrada de F3 com saída de F2 ⇒ X com Y. Essas conexões são válidas para primário e secundário. Vimos os fechamentos estrela e triângulo, conforme as notações para entrada e saída. Vamos, agora, complementá-las: • Para o primário você notará U1, V1 e W1; • Para o secundário você notará U2, V2 e W2. Por norma, temos que observar os terminais que correspondem à entrada e saída do transformador. Não confundir entrada e saída das fases, com a entrada e saída do transformador. A entrada e saída do transformador se refere aos terminais de entrada e saída do primário e secundário. Esses terminais ficam na tampa, na parte superior externa do transformador. Veja, na figura abaixo, onde tem origem os terminais do primário e secundário. Note que por hipótese, suas fases são ligadas em triângulo e estrela. A notação dos terminais é feita conforme as normas da ABNT: • H1, H2 e H3 ⇒ é usada para os terminais de tensão mais alta; • X1, X2 e X3 ⇒ é usada para os terminais de tensão mais baixa. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 77 Aterramento Introdução É fundamental que você aprenda muito bem todas as noções sobre aterramento, uma vez que aterramento é segurança. Segurança no trabalho (para o próprio eletricista); segurança do material (dos equipamentos e instalações) e segurança pessoal (daqueles que utilizam as instalações). As estruturas, equipamentos e outros elementos condutores precisam ter uma ligação elétrica com a terra. Essa ligação depende do eletrodo de aterramento. Os eletrodos de aterramento ou dispersores de terra podem ser de diversos tipos: Vejamos quando se aplica cada um deles: Cabo Para solos cuja umidade se situe, praticamente, na superfície, é recomendável o eletrodo tipo cabo. O cabo é disposto sob a terra, no sentido horizontal, como mostra a figura abaixo. A umidade propicia um bom contato do solo com o dispersor. O cabo deve ter a seção mínima de 53,48mm2 (1/0 na tabela A.W.G.). Seu comprimento mínimo deve ser 10m, e deverá ficar sob a camada úmida de terra, com um mínimo de 0,6 m de profundidade. Cabo Estaca Rede d’água Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 78 Companhia Siderúrgica de Tubarão Estaca Esse tipo de dispersor deve ser fincado verticalmente, de modo que a terra o envolva, fazendo pressão em torno do mesmo. Isso propicia melhor contato, baixando consideravelmente a resistência de terra. Se o eletrodo atingir a camada úmida do solo, serão melhores os resultados. Essa camada úmida é denominada lençol freático. O dispersor tipo estaca pode ser de cano galvanizado, cantoneira galvanizada ou barras especiais: Rede d’água A rede d’água urbana, sendo um conjunto de canos enterrados no solo, nada mais é do que um eletrodo de aterramento, sob a terra, quando utilizada para esse fim. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 79 Para ser usada como dispersor de terra, a rede d’água terá de ser metálica. Os encanamentos de PVC não servem como eletrodos porque o plástico é isolante. A rede metálica de água só pode ser usada como eletrodo de aterramento para tensões de até 220 V. Para utilizá-la, deve-se consultar o órgão competente para verificar se há ou não proibição a respeito. Nunca utilize a rede de gás como dispersor de terra! Isso, além de perigoso, é expressamente proibido. A parte superior do eletrodo ou dispersor, onde se localiza o ponto de conexão com o condutor de terra, deve ser protegida por uma caixa de inspeção, como mostra a figura abaixo: A conexão do cabo de terra com o eletrodo deve ser feita com braçadeira. De preferência, usam-se duas, para garantir melhor a qualidade de trabalho. Os eletrodos de aterramento devem ser colocados em pontos de livre acesso, que permitam a inspeção periódica. Em áreas de circulação (corredores, pátios de estacionamento ou descarga, passagem de veículos etc.), não é aconselhável que se cravem eletrodos de aterramento. Nesse locais, eles correm o risco de serem danificados. Aterros e eletrodos de aterramento também não “se casam”. nos aterros, por ter sido sobreposta, a terra fica pouco compacta. Isso dificulta o contato com o eletrodo. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 82 Companhia Siderúrgica de Tubarão Porque, praticamente, não há resistência entre esses pontos. Eles são eqüipotenciais e, por isso, não há tensão entre eles. Mas, se você seccionar um condutor de proteção, pelo qual esteja passando uma corrente, você poderá ser eletrocutado, ao tocar nas duas pontas do cabo. Nunca interrompa um condutor de proteção, sem primeiro constatar se o mesmo está ou não “descarregado”. Tenha certeza de que, naquele momento, não está circulando corrente pelo cabo. Use um amperímetro-alicate para comprovar se há ou não corrente. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 83 Outros detalhes que você precisa conhecer sobre o condutor de proteção. • O condutor de proteção deve ser tão protegido quanto qualquer outro condutor; Há concessionárias que fazem respeitar rigorosamente essa recomendação. Veja, por exemplo, esta instalação abaixo: O condutor que liga a caixa do medidor à terra está protegido por um eletroduto. • As emendas ou derivações não dever ser feitas com solda fraca. Se tiverem de ser soldadas, deve-se usar solda forte; • As emendas ou derivações não soldadas devem ser feitas com conectores a pressão; Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 84 Companhia Siderúrgica de Tubarão • A conexão do condutor de proteção ao dispersor e à massa deve ser feita com braçadeiras e conectores. Ao conectar o condutor de proteção ao dispersor de terra, ou a equipamentos que ficam em locais úmidos, é preferível que todos os elementos da conexão (braçadeiras, conectores, parafusos, etc.), sejam do mesmo material. Em ambientes úmidos, juntando-se materiais diferentes (por exemplo, cobre e zinco), provoca-se uma reação. Essa reação gera correntes eletrolíticas, que causam a corrosão dos materiais. Assim sendo, se o dispersor for de ferro zincado, os outros elementos (tais como parafusos, braçadeiras etc.) também deverão sê-lo. Não use, por exemplo, uma braçadeira zincada em dispersor de cobre ou cobreado (isto é, revestido por uma camada de cobre). Use cobre com cobre. Se o dispersor for de cobre, use parafusos e braçadeiras de cobre ou cobreados. Você já está informado dos principais detalhes sobre o condutor de proteção e sobre as conexões com solda, braçadeiras e conectores. Além dos processos normais de solda forte (solda oxiacetilênica, solda elétrica), você pode soldar por um novo processo, muito prático e muito usado atualmente. Você terá oportunidade de ver como se fazem conexões por soldagem, segundo esse novo processo. Atualmente, no aterramento de estruturas metálicas, é muito conveniente usar esse processo moderno de soldagem, para conexões de cabos de aterramento. Ele emprega equipamento leve, portátil, que permite o trabalho no local do ponto de solda. Esse equipamento propicia uma conexão, por soldagem, de cabos com cabos, ou de cabos com estruturas. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 87 Atenção ! Sempre que você for fixar um terminal, diretamente na base da máquina ou de qualquer consumidor, verifique antes se o local onde vai aparafusar o terminal permite furações, sem prejuízo para a estrutura da máquina. De acordo com a bitola do cabo e para melhor capacidade de corrente, usa-se colocar mais parafusos no ponto de fixação dos terminais. Veja estas figuras: Furos para a fixação do terminal Solda de Cabo à Haste de Aterramento Vamos ver as etapas do processo de soldagem de cabos às hastes de aterramento. Essas etapas também são válidas para as demais situações, isto é, para a soldagem de cabos às estruturas e a terminais, desde que se empregue o molde próprio. Acompanhe a seqüência das ilustrações: Primeiramente, monta-se o molde. Em seu interior, ficam os extremos do cabo e da haste de aterramento. Em seguida, faz-se o enchimento do molde, com a mistura dos metais, em forma de óxidos. Com o “ignitor” (acendedor especial), faz-se a ignição. Assim, inicia-se o processo de fusão dos metais. Após aproximadamente cinco segundos, ficou concluída a soldagem. Retira-se o molde, e a conexão estará pronta para ser utilizada. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 88 Companhia Siderúrgica de Tubarão Determinação do que aterrar Como você já sabe, todas as partes que constituem a massa devem ser aterradas. Por isso, é preciso aterrar: • motores; • calhas; • transformadores; • leitores de cabos; • caixas de passagem; • máquinas operatrizes; • quadros de comando; • estruturas metálicas; • eletrodomésticos; • caixas de quadro de distribuição, etc. Vamos particularizar apenas alguns casos, pois, na realidade, são inúmeros os equipamentos ou elementos que devem ser aterrados. As máquinas devem ser aterradas, independentemente da ligação de terra da carcaça do seu motor. Assim, o cabo de terra que é ligado ao motor deve ter uma derivação, para ser ligada à máquina. As caixas dos quadros de distribuição também devem ser aterradas, quando forem metálicas. As caixas de boa fabricação tem um parafuso próprio para tal fim. As caixas de passagem também devem ser aterradas. Assim como as caixas do quadro de distribuição, também devem ter um parafuso próprio, para a ligação do condutor de aterramento. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 89 Os quadros de comando tem sempre uma barra de terra; mas também é interessante ligar a porta à terra, através de uma cordoalha ou cabo flexível. Também se deve garantir que sejam ligados à terra as eletrocalhas, os leitos de cabos e os demais elementos condutores. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 92 Companhia Siderúrgica de Tubarão Nesse sistema, o neutro é aterrado através de vários eletrodos de aterramento, em intervalos regulares. Independentemente desses aterramentos espaçados, o neutro será sempre aterrado na entrada dos prédios. Observe, na ilustração abaixo, o ramal de entrada do consumidor. A caixa de medição de consumo foi instalada no poste particular do usuário. Dela sai a ligação para o eletrodo de aterramento. Nesse caso, a ligação tem três linhas, para atender 110/220 volts; o condutor do centro é o neutro. Veja, agora, outra situação: A caixa de medição foi instalada no próprio prédio. Novamente, é dela que sai a ligação do neutro para o eletrodo de aterramento do ramal de entrada. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 93 Nesse exemplo, o tipo de ligação é com duas linhas, para atender 110V. Um dos condutores é o neutro. Então, você conclui que: O neutro é aterrado nas entradas das instalações: • Junto ao poste, se ai for instalado o medidor, ou • Junto à residência, se ai for instalado o medidor (NBR 5410 312.2.2.). Você poderá encontrar, também, outras situações. entre elas, uma distribuição trifásica a quatro fios, para 110/220 V, na qual existirão 3 condutores-fase e um neutro. Essa situação, porém, é idêntica às citadas, porque o neutro sempre será aterrado. Para sistemas de distribuição onde o fio neutro é aterrado, este pode ser usado para aterramento de equipamentos e de elementos de instalação, desde que sejam observadas certas condições. Condições para Uso do Neutro no Aterramento 1. Que essa forma de aterramento, usando-se o neutro, seja prevista no projeto da instalação elétrica do prédio, conforme o item 541:2 da NBR 5410; 2. Que a concessionária autorize o uso do neutro para aterramento. Respeitadas as condições, você poderá ligar os equipamentos e usar o neutro para o aterramento, visando à proteção contra problemas de falta de isolação. Nesse caso, o neutro terá duas funções: • ser o neutro do sistema; • ser o condutor de proteção. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 94 Companhia Siderúrgica de Tubarão Classificação dos Sistemas A NB-3 classifica os sistemas elétricos de baixa tensão tendo em vista a situação da alimentação e das massas (e eventuais elementos condutores) em relação à terra. É utilizada a seguinte simbologia literal para essa classificação: a) Primeira letra - situação da alimentação em relação à terra T - 1 ponto diretamente aterrado; I - isolação de todas as partes vivas me relação à terra ou aterramento de um ponto através de uma impedância. b) Segunda letra - situação das massas em relação à terra T - massas diretamente aterradas independentemente de aterramento eventual de um ponto da alimentação; N - massas ligadas diretamente ao ponto da alimentação aterrado (em CA o ponto aterrado é normalmente o ponto neutro). c) Outras letras (eventuais) - disposição do condutor neutro e do condutor de proteção S - funções de neutro e de proteção asseguradas por condutores distintos; C - funções de neutro e de proteção combinadas num único condutor [condutor PEN (312.2)]. As instalações devem ser executadas num dos sistemas indicados a seguir: • sistema TN, com as variações TN-S, TN-C-S e TN-C; • sistema TT; • sistema IT (312.2.1). Quando a alimentação provier de uma rede de distribuição de baixa tensão, o condutor neutro deve sempre ser aterrado na origem da instalação do consumidor (312.2.2). Passemos agora à análise dos diversos sistemas. Sistema de Aterramento Sistema TN Os sistemas desse tipo tem um ponto diretamente aterrado, sendo as massas ligadas a esse ponto através de condutores de proteção. De acordo com a disposição do neutro e do Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 97 outros elementos do percurso e é praticamente igual à impedância total. Percurso da corrente de falta num sistema TT Sistemas IT Nesse sistemas, não há ponto da alimentação diretamente aterrado, estando as massas aterradas. Sistema IT Num sistema IT a) a corrente resultante de uma só falta entre fase e massa não tem intensidade suficiente para provocar o surgimento de qualquer tensão de contato perigosa; b) a limitação da intensidade da corrente resultante de uma primeira falta é obtida pela ausência de ligação à terra da alimentação ou pela inserção de uma impedância entre um ponto da alimentação e a terra. Impedância num sistema IT Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ CST 98 Companhia Siderúrgica de Tubarão A figura, mostra as impedâncias a serem consideradas no percurso da corrente de falta para terra num sistema IT. São elas: RA - resistência de aterramento do eletrodo das massas; RB - resistência de aterramento do eletrodo do neutro; Z - impedância de valor elevado; ZF - impedância das fugas naturais da instalação. Valor da Tensão em sistemas de Baixa Tensão A tabela abaixo mostra os limites de tensão (CA e CC) usados pela NB-3 para classificar os sistemas aterrados de baixa tensão. Sistemas Diretamente Aterrados Sistemas não Diretamente Aterrados Faixa CA CC CA CC Entre Fase e Terra Entre Fases Entre Pólo e Terra Entre Pólos Entre Fases Entre Pólos I V ≤ 50 V ≤ 50 V ≤ 120 V ≤ 120 V ≤ 50 V ≤ 120 II 50 < V ≤ 600 50 < V ≤ 1000 120 < V ≤ 1500 120 < V ≤ 15000 50 < V ≤ 1000 120 < V ≤ 1500 (V é a tensão da instalação em volts) Observação: 1. Nos sistemas não diretamente aterrados, se o neutro for distribuído, os equipamentos alimentados entre fase e neutro, ou entre pólo e compensador, devem ser escolhidos de forma a que sua isolação corresponda à tensão entre fases. 2. Esta classificação das tensões não exclui a possibilidade de serem introduzidos limites intermediários para certas prescrições de instalação. Assim, por exemplo, o limite de 500 volts é introduzido para os locais de serviço elétrico nos quais é admitido que se dispensem medidas de proteção contra os contatos diretos. 3. A faixa I corresponde à extrabaixa tensão, quer seja de segurança ou funcional, enquanto a faixa II corresponde às tensões de instalações residenciais, comerciais e industriais (313.1.2.1). Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ Pára-Raios Prediais _________________________________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 99 Eletricidade Atmosférica As nuvens são formadas por uma quantidade muito grande de partículas de água. Em virtude de correntes e turbulências atmosféricas, as partículas se atritam e colidem, comportando- se, então como minúsculas baterias nas quais se acumula uma carga elétrica, positiva ou negativa. As cargas elétricas negativas, normalmente, acumulam-se na parte baixa das nuvens. Isto significa que estas camadas inferiores das nuvens se acham com potencial negativo em relação ao solo, cuja carga é positiva. Como as cargas elétricas de mesmo sinal se repelem, a nuvem, com carga negativa, rechaça os elétrons (sinal negativo) existentes na superfície do solo abaixo dela. Deste modo, a carga positiva induzida na superfície do solo assume o mesmo valor da carga negativa da nuvem. Ao mesmo tempo que a nuvem se desloca, a zona de carga positiva no solo a acompanha. Vemos assim, que a nuvem e a superfície da terra se comportam como um capacitor, dotado de carga elétrica muito grande. Como a camada de ar que as separa é quase um isolante perfeito, isto é, possui elevada rigidez dielétrica, pode não ocorrer nenhuma descarga entre ambas. Quando, porém, a carga total, sob tensão elevada, é muito grande, o excesso de carga na nuvem provoca a emissão de um raio preliminar, denominado raio líder ou descarga-piloto, que se dirige para um pólo de carga oposta., isto é, o solo ou uma outra nuvem. Em seu trajeto sinuoso, essa descarga preliminar ioniza o ar, despojando de elétrons os incontáveis átomos de nitrogênio, oxigênio e argônio, encontrados em seu percurso no ar da atmosfera. Os átomos, que perderam um ou mais de seus elétrons, isto é, os íons, funcionam, então, como constituintes de uma espécie de “condutor” , porque o gás ionizado é bom condutor de eletricidade. Ao longo deste “condutor”, após a descarga-piloto, vem, em seguida, a chamada descarga-guia, de movimento sincopado, procurando seguir o percurso de maior condutibilidade. Enquanto isto acontece, de um ponto da terra (eventualmente um pára-raios) desenvolve-se analogamente uma descarga- piloto ascendente, a qual após encontrar a descarga-guia descendente, entra em contato com esta e prossegue em alta velocidade até a nuvem. Por isto denomina-se descarga de retorno. Portanto, numa primeira etapa, ocorre uma descarga de retorno da terra para a nuvem, onde se iniciou o processo de indução