Instalações Eletricas

Inst ns t al açõe çõ es el ét r i cas cas

massa

Instalações elétricas © 2010 - SENAI São Paulo - Departamento Regional Qualquer parte desta obra poderá ser reproduzida, desde que citada c itada a fonte.

Equipe responsável Diretor da Escola Coordenação Pedagógica Coordenação Técnica Organização Organização do conteúdo

Nivaldo Silva Braz Paulo Egevan Rossetto Anton io Varlese Senai Senai “ Humberto Reis Reis Costa”

Ficha catalográfica SENAI. SP

Instalaçõ es elétric as/ SENAI. SENAI. SP - São São Paulo : Escola SENAI “ Humberto Reis Cost a” , 2010. 2010.

Escol a SENAI SENAI

Humberto Reis Costa Rua Aracati Mirim, 115 – Vila Alpina São Paulo - SP - CEP 03227-160 Fone/fax: (11) 2154-1300 www.sp.senai.br/vilaalpina

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Sumário Sistema monofásico ................ .................................. .................................... .................................... .................................... ................................ .............. 5 Potência ativa.................. ativa .................................... .................................... .................................... .................................... .................................... .................... .. 16 Sistema trifásico ................ .................................. .................................... .................................... .................................... .................................... .................. 23 Sistemas de transmissão t ransmissão ................... ..................................... .................................... .................................... .................................... .................... 37 Sistemas de distribuição ................ ................................... ..................................... .................................... .................................... ...................... .... 41 Sistema de distribuição monofásico ................ .................................. .................................... .................................... ........................ ...... 42 Sistema de distribuição bifásico ................ .................................. .................................... .................................... .............................. ............ 42 Sistema trifásico de distribuição ................ .................................. .................................... .................................... .............................. ............ 42 Sistema tarifário industrial ................ .................................. .................................... .................................... .................................... ....................... ..... 49 Sistema tarifário .................. .................................... .................................... .................................... ................................... .................................. ................. 49 Aterramento .................. .................................... .................................... .................................... .................................... .................................... ...................... .... 57 Luminotécnica.................. Luminotécnica .................................... .................................... .................................... .................................... .................................... .................... 67 Luminotécnica Luminotécnica - glossário................. glossário ................................... .................................... .................................... .................................... ..................... ... 89 Cálculos básicos em luminotécnica ................... ..................................... .................................... ................................... ...................... ..... 91 Esquema multifilar de instalação de lâmpada incandescente com interruptor simples .................. ..................................... .................................... ................................... .................................... .................................... .................................... ...................... .... 105 Esquema multifilar de instalação de lâmpada incandescente com interruptor simples e tomada.................. tomada .................................... .................................... ................................... ................................... .................................... ............................. ........... 107 Esquema multifilar de fiação de instalação de lâmpadas incandescentes com interruptores simples conjugados ................... ..................................... .................................... ................................... ....................... ...... 109 Esquema multifilar de instalação de lâmpada incandescente com interruptores paralelos ................. ................................... .................................... .................................... .................................... .................................... .......................... ........ 111 Esquema unifilar de fiação de instalação de lâmpada fluorescente em dependência residencial.................. residencial .................................... .................................... ................................... ................................... .................................... ........................ ...... 113 Esquema unifilar de fiação de instalação de lâmpadas fluorescentes e minuteria em sala de arquivo morto ................. ................................... .................................... .................................... ................................... ......................... ........ 115 Esquema unifilar de fiação de instalação de luminárias em sala de lazer ................ .................. .. 117 Esquema unifilar de fiação de instalação de luminárias com interruptores simples de duas secções em sala de jantar ................. jantar ................................... .................................... .................................... .................................... .................... 119 Esquema unifilar de fiação de instalação de lâmpadas com interruptores paralelos e intermediário em sala de lazer ................ .................................. .................................... .................................... ................................ .............. 121 Esquema multifilar de instalação de quadro P. C. 220/110V para entrada de rede residencial................ residencial .................................. .................................... .................................... .................................... .................................... .......................... ........ 123 Esquema unifilar de fiação de instalação de quadro de chamada em enfermaria ......... ........... 125 125 Esquema de centro de distribuição e esquema unifilar de fiação de instalação elétrica em residência ................ .................................. .................................... .................................... .................................... .................................... .......................... ........ 127 Esquema unifilar de fiação de instalação de sinalização luminosa e sonora da enfermaria .................. ..................................... .................................... ................................... .................................... .................................... .................................... ...................... .... 129 Esquema multifilar de instalação de motor monofásico de indução .................. ............................... ............. 131 Esquema multifilar de instalação de motor trifásico ................ .................................. ..................................... ..................... 133 Esquema funcional de instalação de contator para comando de motor .................. ......................... ....... 135 Planejamento de uma instalação elétrica ................. .................................... .................................... ................................. ................ 137 Instrumento de medição de grandezas elétricas .................. .................................... .................................... ...................... .... 161 Instalação de lâmpada incandescente com interruptor simples ................... ..................................... .................. 167 Instalação de lâmpadas incandescentes com interruptores de duas seções ................. 169

Instalação lâmpada comandada por interruptor simples e tomada universal ................. 171 Instalação lâmpada comandada por pontos diferentes ................ ................................... ................................. .............. 173 Montar quadro de distribuição de luz e força residencial ................. ................................... .............................. ............ 175 Inspecionar componentes elétricos de QGLF .................. ..................................... ..................................... ......................... ....... 177 Montar circuito elétrico simulando uma residência ................. ................................... .................................... .................... .. 181 Instalação de lâmpada incandescente com interruptor simples .................. .................................... .................... 183 Instalação de lâmpada fluorescente comandada por interruptor de minuteria ................ 185 Instalar lâmpadas comandadas por relê fotoelétrico e controle de luminosidade ........... 187 Instalar lâmpada PL.................. PL .................................... .................................... .................................... ................................... ............................ ........... 189 Emendar cabos de alta corrente .................. .................................... .................................... .................................... ........................... ......... 191 Montar circuito elétricos simulando uma pequena indústria ................. ................................... ......................... ....... 193 Montar circuito elétricos para iluminação ................. ................................... .................................... .................................. ................ 195 Efetuar medida de aterramento .................. .................................... .................................... ................................... ............................. ............ 197 Bibliografia ................. ................................... .................................... .................................... .................................... .................................... ........................ ...... 199

Instalações elétricas

Siste ist ema monofá mono fásic sico o

Neste capítulo, estudaremos um assunto de fundamental importância para os profissionais da área da manutenção eletroeletrônica: vamos estudar sistemas monofásicos. Veremos como a tensão alternada monofásico é gerada a forma de onda senoidal por ela fornecida e a potência dissipada nesses sistemas. Para estudar esse assunto com mais facilidade, é necessário ter conhecimentos anteriores sobre corrente e tensão t ensão elétrica alternadas Geração de corrente alternada monofásica Para se entender como se processa a geração de corrente alternada monofásica, é necessário saber como funciona um gerador elementar que consiste de uma espira disposta de tal forma que pode ser girada em um campo magnético estacionário. Desta forma, o condutor da espira corta as linhas do campo eletromagnético, eletromagnético, produzindo produzindo a força f orça eletromotriz (ou fem). Veja, na figura a seguir, a representação esquemática de um gerador elementar monofásico. monofásico .

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Funcionamento do gerador Para mostrar o funcionamento do gerador, vamos imaginar um gerador cujas pontas das espiras estejam ligadas a um galvanômetro.

Na posição inicial, o plano da espira está perpendicular ao campo magnético e seus condutores se deslocam paralelamente ao campo. Nesse caso, os condutores não cortam as linhas de força e, portanto, a força eletromotriz (fem) não é gerada. No instante em que a bobina é movimentada, o condutor corta as linhas de força do campo magnético e a geração de fem f em é iniciada. Observe na ilustração a seguir, a indicação do galvanômetro e a representação dessa indicação no gráfico correspondente. correspondente.

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À medida que a espira se desloca, aumenta seu ângulo em relação às linhas de força do campo. Ao atingir o ângulo de 90º, o gerador atingirá a geração máxima da força eletromotriz, pois os condutores estarão cortando as linhas de força perpendicularmente.

Acompanhe, na ilustração a seguir, a mudança no galvanômetro e no gráfico.

Girando-se a espira até a posição de 135º, nota-se que a fem gerada começa a diminuir.

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Quando a espira atinge os 180º do ponto inicial, seus condutores não mais cortam as linhas de força e, portanto, não há indução de fem e o galvanômetro marca zero. Formou-se assim o primeiro semiciclo (positivo).

Quando a espira ultrapassa a posição de 180º, o sentido de movimento dos condutores em relação ao campo se inverte. Agora, o condutor preto se move para cima e o condutor branco para baixo. Como resultado, a polaridade da fem e o sentido da corrente também são invertidos. A 225º, observe que o ponteiro do galvanômetro e, consequentemente, o gráfico, mostram o semiciclo negativo. Isso corresponde a uma inversão no sentido da corrente, porque o condutor corta o fluxo em sentido contrário.

A posição de 270º corresponde à geração máxima da fem como se pode observar na ilustração a seguir.

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No deslocamento para 315º, os valores medidos pelo galvanômetro e mostrados no gráfico começam a diminuir.

Finalmente, quando o segundo semiciclo (negativo) se forma, e obtém-se a volta completa ou ciclo (360º), observa-se a total ausência de força eletromotriz porque os condutores não cortam mais as linhas de força do campo magnético.

Observe que o gráfico resultou em uma curva senoidal (ou senoide) que representa a forma de onda da corrente de saída do gerador e que corresponde à rotação completa da espira. Nesse gráfico, o eixo horizontal representa o movimento circular da espira, daí suas subdivisões em graus. O eixo vertical representa a corrente elétrica gerada, medida pelo galvanômetro.

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Valor de pico e valor de pico a pico d a tensão alternada senoidal Tensão de pico é o valor máximo que a tensão atinge em cada semiciclo. A tensão de pico é representada pela notação V p.

Observe que no gráfico aparecem tensão de pico positivo e tensão de pico negativo. O valor de pico negativo é numericamente igual ao valor de pico positivo. Assim, a determinação do valor de tensão de pico pode ser feita em qualquer um dos semiciclos.

A tensão de pico a pico da CA senoidal é o valor medido entre os picos positivo e negativo de um ciclo. A tensão de pico a pico é representada pela notação V PP. Considerando-se que os dois semiciclos da CA são iguais, pode-se afirmar que: VPP = 2VP.

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Observação Essas medições e conseqüente visualização da forma de onda da tensão CA, são feitas com um instrumento de medição denominado de osciloscópio. Da mesma forma que as medidas de pico e de pico a pico se aplicam à tensão alternada senoidal, aplicam-se também à corrente alternada senoidal.

Tensão e corrente eficazes Quando se aplica uma tensão contínua sobre um resistor, a corrente que circula por ele possui um valor constante.

Como resultado disso, estabelece-se uma dissipação de potência no resistor = E . I). Essa potência é dissipada em regime contínuo, fazendo com que haja um desprendimento constante de calor no resistor.

(P

[

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Por outro lado, aplicando-se uma tensão alternada senoidal a um resistor, estabelecese a circulação de uma corrente alternada senoidal.

Como a tensão e a corrente são variáveis, a quantidade de calor produzido no resistor varia a cada instante.

Nos momentos em que a tensão é zero, não há corrente e também não há produção de calor (P = 0). Nos momentos em que a tensão atinge o valor máximo (V P), a corrente também atinge o valor máximo (I P) e a potência dissipada é o produto da tensão máxima pela corrente máxima (PP = VP . IP). Em conseqüência dessa produção variável de "trabalho" (calor) em CA, verifica-se que um resistor de valor R ligado a uma tensão contínua de 10V produz a mesma quantidade de "trabalho" (calor) que o mesmo resistor R ligado a uma tensão alternada de valor de pico de 14,1 V, ou seja, 10 V ef .

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Assim, pode-se concluir que a tensão eficaz de uma CA senoidal é um valor que indica a tensão (ou corrente) contínua correspondente a essa CA em termos de produção de trabalho. Cálculo da tensão/corrente eficazes Existe uma relação constante entre o valor eficaz (ou valor RMS) de uma CA senoidal e seu valor de pico. Essa relação auxilia no cálculo da tensão/corrente eficazes e é expressa como é mostrado a seguir. Tensão eficaz: V p V = ef 2

Corrente eficaz: I p I = ef 2

Exemplo de cálculo: Para um valor de pico de 14,14 V, a tensão eficaz será:

V = ef

V p 2

=

14,14 1,414

= 10V

Assim, para um valor de pico de 14,14 V, teremos uma tensão eficaz de 10 V. A tensão/corrente eficaz é o dado obtido ao se utilizar, por exemplo, um multímetro. Observação Quando se mede sinais alternados (senoidais) com um multímetro, este deve ser aferido em 60Hz que é a frequência da rede da concessionária de energia elétrica. Assim, os valores eficazes medidos com multímetro são válidos apenas para essa freqüência. Valor médio da corrente e da tensão alternada senoidal (V CC) O valor médio de uma grandeza senoidal, quando se refere a um ciclo completo é nulo. Isso acontece porque a soma dos valores instantâneos relativa ao semiciclo positivo é igual à soma do semiciclo negativo e sua resultante é constantemente nula. SENAI-SP

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Veja gráfico a seguir.

Observe que a área S 1 da senoide (semiciclo) é igual a S 2 (semiciclo), mas S 1 está do lado positivo e S 2 tem valor negativo. Portanto S total = S1 - S2 = 0. O valor médio de uma grandeza alternada senoidal deve ser considerado como sendo a média aritmética dos valores instantâneos no intervalo de meio período (ou meio ciclo). Esse valor médio é representado pela altura do retângulo que tem como área a mesma superfície coberta pelo semiciclo considerado e como base a mesma base do semiciclo.

A equação para o cálculo do valor médio da corrente alternada senoidal é: Idc = Imed =

2 ⋅ Ip π

Nessa equação, Imed é a corrente média; IP é a corrente de pico, e 14

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é 3,14.


A fórmula para calcular o valor médio da tensão alternada senoidal é: Vdc = Vmed =

2 ⋅ Vp π

Nela, Vmed é a tensão média, VP é a tensão máxima, e é igual a 3,14. Exemplo de cálculo: Em uma grandeza senoidal, a tensão máxima é de 100V. Qual é a tensão média?

Vmed =

2 ⋅ Vp π

=

2 ⋅ 100 3,14

=

200 3,14

= 63,6 V

Potência em sistemas monofásicos Como já vimos, a capacidade de um consumidor de produzir trabalho em um determinado tempo, a partir da energia elétrica, é chamada de potência elétric a. Em um circuito de corrente contínua, a potência é dada em watts, multiplicando-se a tensão pela corrente. P=V.I Esta equação é válida não só para CC mas também para CA, quando os circuitos são puramente resistivos. Todavia, quando se trata de circuitos de CA com cargas indutivas e/ou capacitivas, ocorre uma defasagem entre tensão e corrente. Isso nos leva a considerar três tipos de potência: • Potência aparente (S); • Potência ativa (P); • Potência reativa (Q). Potência aparente A potência aparente (S) é o resultado da multiplicação da tensão pela corrente. Em circuitos não resistivos em CA, essa potência não é real, pois não considera a defasagem que existe entre tensão e corrente. A unidade de medida da potência aparente é o volt-ampère (VA). SENAI-SP

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Exemplo de cálculo: Determinar a potência aparente do circuito a seguir. S = U . I = 100 . 5 = 500 S = 500 VA

Potência ativa A potência ativa, também chamada de potência real, é a potência verdadeira do circuito, ou seja, a potência que realmente produz trabalho. Ela é representada pela notação P. A potência ativa pode ser medida diretamente através de um wattímetro e sua unidade de medida é o watt (W). No cálculo da potência ativa, deve-se considerar a defasagem entre as potências, através do fator de potência (cos ϕ) que determina a defasagem entre tensão e corrente. Assim, a fórmula para esse cálculo é: P = U . I . cos Exemplo de cálculo: Determinar a potência ativa do circuito a seguir, considerando cos ϕ = 0,8. P = U . I . cos ϕ = 100 . 5 . 0,8 = 400 P = 400 W

Observação O fator cos (cosseno do ângulo de fase) é chamado de fator de potência do circuito, pois determina qual a porcentagem de potência aparente é empregada para produzir trabalho. 16

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O fator de potência é calculado por meio da seguinte fórmula: P cos ϕ = S No circuito do exemplo apresentado, a potência ativa é de 400 W e a potência aparente é de 500 VA. Assim, o cos ϕ é: cos ϕ =

P S

=

400 500

=

0,8

A concessionária de energia elétrica especifica o valor mínimo do fator de potência em 0,92 , medido junto ao medidor de energia. O fator de potência deve ser o mais alto possível, isto é, próximo da unidade (cos ϕ = 1). Assim, com a mesma corrente e tensão, consegue-se maior potência ativa que é a que produz trabalho no circuito. Potência reativa Potência reativa é a porção da potência aparente que é fornecida ao circuito. Sua função é constituir o circuito magnético nas bobinas e um campo elétrico nos capacitores. Como os campos aumentam e diminuem acompanhando a freqüência, a potência reativa varia duas vezes por período entre a fonte de corrente e o consumidor. A potência reativa aumenta a carga dos geradores, dos condutores e dos transformadores originando perdas de potência nesses elementos do circuito. A unidade de medida da potência reativa é o volt-ampère reativo (VAr ), e é representada pela letra Q. A potência reativa é determinada por meio da seguinte expressão: Q = S . sen ϕ

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Exemplo de cálculo: Determinar a potência reativa do circuito a seguir.

Primeiramente, verifica-se na tabela, o valor do ângulo ϕ e o valor do seno desse ângulo: arc cos 0,8 = 36 o 52' sen 36o 52' = 0,6 Outra maneira de determinar o sen ϕ é por meio da seguinte fórmula: sen ϕ = 1 - (cos ϕ) 2 No exemplo dado, tem-se sen ϕ = 1 - (cos ϕ) 2 = 1 − 0,8 2 = 1 − 0,64 = 0,36 = 0,6

Q = S . sen ϕ = 500 . 0,6 = 300 Q = 300 VAr

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Triângulo das pot ências As equações que expressam as potências ativa, aparente e reativa podem ser desenvolvidas geometricamente em um triângulo retângulo chamado de triângulo das potências.

Assim, se duas das três potências são conhecidas, a terceira pode ser determinada pelo teorema de Pitágoras. Exemplo Determinar as potências aparente, ativa e reativa de um motor monofásico alimentado por uma tensão de 220 V, com uma corrente de 3,41 A circulando, e tendo um cos ϕ = 0,8. Potência aparente S = V . I = 220 V . 3,41 S ≅ 750 VA

Potência ativa P = V . I . cos ϕ = 220 x 3,41 x 0,8 P = 600 W Potência reativa Q = S2 − P2 =

7502 - 6002 = 202500

Q = 450 VAr

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Exercícios 1.

Responda às questões a seguir. a) Qual é a diferença entre as potências ativa, aparente e reativa? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ b) O que o cosseno do ângulo ϕ representa? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ c) Analisando o gráfico senoidal da tensão alternada, em quais posições em graus geométricos a tensão atinge seus valores máximos? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ d) Qual a diferença entre os valores de tensão de pico e tensão de pico a pico? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________

2.

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Resolva os exercícios que seguem. a) Calcule as potências aparente e ativa de uma instalação com os seguintes valores: • Tensão: 110 V; • Corrente: 10 A; • Cos ϕ: 0, 90.

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b) Um motor elétrico monofásico tem uma potência ativa de 736 W (1 CV), e uma potência aparente de 981 VA. Calcule a potência reativa e o cos ϕ desse motor.

c) Qual será a potência reativa em um circuito com sen ϕ 0,80, cuja tensão de alimentação é 220 V e a corrente é 12 A?

d) Calcule os valores das tensões de pico a pico, eficaz e média para uma senoide com 300 V de pico.

e) Quais os valores das correntes máxima (I P) e eficaz (Ief ) para uma corrente média (Imed) de 15 A?

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3.

Assinale a alternativa correta. A tensão alternada indicada no multímetro é: ( ) VP

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( ) VPP

( ) Vef

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( ) Vmed


Sistema trifásico

Neste capítulo você estudará o princípio da geração da corrente alternada trifásica, bem como o comportamento da corrente nos sistemas trifásicos. Esse conhecimento é muito importante, porque esse sistema é o utilizado na geração de energia elétrica e na sua distribuição. Para aprender esses conteúdos com mais facilidade, é necessário ter conhecimentos anteriores sobre corrente alternada, funcionamento do gerador monofásico e defasagem. Geração de tensão e corrente alternadas trifásicas A geração de tensão e corrente alternadas é feita pelo gerador. Como já foi visto, gerador é uma máquina elétrica que transforma energia mecânica em energia elétrica com a ajuda da força magnética. O gerador de tensão trifásica é constituído por um ímã indutor girando no centro de um conjunto de três bobinas colocadas a 120 0 uma da outra, com as seguintes características: • Mesma freqüência angular, ou seja, mesma velocidade angular; • Mesmo valor eficaz; o • Fases iniciais defasadas entre si 120 . Geração de energia elétrica trifásica Os geradores de eletricidade podem produzir corrente contínua (CC) ou corrente alternada (CA). A corrente contínua é pouco usada devido às dificuldades para aumentar ou diminuir os valores de tensão e corrente. SENAI-SP

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A corrente alternada, por sua vez, permite aumentar ou diminuir os valores de corrente o que é feito por meio de transformadores. Além disso, a corrente alternada facilita bastante a transmissão e a distribuição de energia elétrica desde a usina geradora até os consumidores. No Brasil, a energia elétrica é gerada em corrente alternada no sistema trifásico, na freqüência de 60 Hz. Nesse sistema, utiliza-se um gerador de CA, constituído por um indutor (rotor) girando no centro de um sistema fixo de três bobinas (estator) colocadas a 120o uma da outra.

Um ciclo completo de corrente alternada corresponde a 360 o , ou seja, uma volta completa do rotor. Por isso, as três correntes alternadas monofásicas produzidas por um gerador trifásico estão defasadas entre si de 120 o elétricos ou 1/3 do ciclo. Num gráfico, as correntes das bobinas I, II e III fornecem a seguinte configuração:

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A defasagem de 120 o entre as correntes alternadas e as suas variações para valores positivos e negativos ocorre tanto para os valores de tensão (E), quanto para os valores da intensidade da corrente elétrica (I).

Ligações em um sistema trifásico Como já vimos, a energia elétrica é gerada industrialmente em corrente alternada no sistema trifásico por meio de geradores trifásicos constituídos por três bobinas dispostas de tal forma que as tensões induzidas ficam defasadas 120 o. As três fases são independentes entre si e geram formas de onda também defasadas 120 o. As três bobinas do gerador produzem três CAs monofásicas. Teoricamente, para transportar essas três CAs monofásicas até os consumidores, seriam necessários seis condutores.

Na prática, porém, é possível diminuir esse número de condutores para apenas três ou SENAI-SP

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quatro. Para isso, o gerador pode ser ligado de duas formas diferentes: • Por meio da ligação em estrela, representada simbolicamente pela letra Y; • Por meio da ligação em triângulo (ou delta), representada pela letra grega ∆ (delta). Ligação em estrela Tem-se uma ligação em estrela quando as extremidades de cada uma das fases ou bobinas geradoras são ligadas entre si. Essa ligação pode ser feita com condutor neutro (4 fios) ou sem condutor neutro (3 fios). A ligação em estrela com condutor neutro é chamada ainda de sistema a quatro fios. Nesse tipo de ligação, os três fios por onde retornam as correntes podem ser reunidos para formar um só condutor ou fio neutro. Esse condutor recolhe as três correntes das cargas e as conduz ao centro das fases geradoras. A figura que segue mostra a representação esquemática desse tipo de ligação, bem como as respectivas curvas de tensões.

Outro dado a ser lembrado é que a soma das três tensões, num mesmo instante, eqüivale a zero. Isso acontece porque a tensão na fase I assume seu valor máximo positivo. Enquanto isso, as tensões nas fases II e III apresentam, respectivamente e no mesmo instante, um valor máximo negativo. Matematicamente, esses valores se anulam. Isso significa que a soma das correntes de cada carga é nula no fio neutro. Por esse motivo, ele pode ser retirado. Disso resulta a ligação em estrela sem condutor neutro ou sistema a três fios. Veja a representação esquemática desse tipo de ligação.

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Tensão de fase e tensão de lin ha na ligação estrela A tensão entre as duas extremidades de cada bobina é chamada de tensão de fase (Ef ). Veja a localização das tensões de fase na representação esquemática a seguir.

A tensão entre duas fases, seja entre a fase I e a fase II, entre a fase I e a fase III, ou ainda entre a fase II e a fase III, é chamada de tensão de linha (E L).

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Num sistema trifásico, ligado em estrela, a tensão de fase em qualquer instante corresponde à tensão de linha dividida pela raiz de três. Isso acontece porque os valores instantâneos de tensão em cada fase não são coincidentes, estão defasados 120 o. Assim, a tensão de fase (E f ) é calculada com o auxílio da seguinte equação: E f =

EL 3

ou

E f =

EL 1,73

A tensão de linha deveria ser calculada por meio da soma das tensões E f1 e Ef3. Todavia, por causa da defasagem de 120 o já citada, não é possível fazer a soma aritmética das duas tensões. Portanto, deduzindo a fórmula, temos: EL = Ef . 1,73 Como exemplo, vamos aplicar essa fórmula na ligação em estrela apresentada a seguir.

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EL = 127 . 1,73 = 219,71 = 220 V

Corrente de linha e corrent e de fase na ligação em estrela Numa ligação em estrela, chama-se corrente de linha (I L) a corrente que se encontra em cada uma das linhas.

Na ligação em estrela, a corrente de cada bobina é chamada de corrente de fase (If).

Por exemplo, num sistema trifásico ligado em estrela, a corrente de linha é igual à corrente de fase, isto é, I L = If . Isso acontece porque a corrente flui em série através da fase e da carga. Como não há ramificação da corrente, a intensidade de I na fase I f é exatamente igual à corrente de linha (I L). Potência na ligação estrela A potência total fornecida por um sistema trifásico ligado em estrela é igual à soma das SENAI-SP

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potências das correntes alternadas das três fases. Como as fases estão deslocadas 120 o, não é possível fazer uma soma aritmética. Assim, a potência aparente é calculada através da seguinte equação: S = EL . If . 3

Observação O cos ϕ é o cosseno do ângulo de defasagem entre tensão e corrente e corresponde ao fator de potência usado para cálculo da potência real. Como: E f =

EL 3

,

EL = E f . 3

Temos: S = EL . IL . 3

Sendo, IL = If e I f = IL . 3 S = EL . If . 3 . 3

Logo: S = E f . If . 3

Logo, a potência ativa poderá ser calculada das seguintes formas: S = EL . If . 3

ou S = E f . If . 3

O resultado desse cálculo é multiplicado pelo cos ϕ (fator de potência), o que dará a potência ativa ou real. Se multiplicado por sen ϕ, dará a potência reativa. Exemplo Calcular a potência de um gerador ligado em estrela, com uma tensão de linha de 440 V, uma corrente de 300 A por linha e um fator de potência de 0,8. Potência aparente 30

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S = EL . If . 3

S = 440 . 300 . 1,73 = 228,36 kVA Potência ativa P = S . Cos ϕ P = 228,36 . 0,8 = 182,69 kW

Ligação em tri ângulo A ligação em triângulo é feita de modo que o início de um enrolamento é ligado ao final do outro, formando graficamente um triângulo equilátero. Os condutores externos são ligados às junções de cada fase.

Esse tipo de ligação forma um circuito fechado. Todavia, a corrente não circula por esse circuito, pois a tensão resultante é a soma das tensões geradas em cada fase. Como a tensão de uma fase é igual e oposta à soma das outras duas, elas se anulam.

Tensão de fase e tensão de linha na ligação em triângulo Como acontece na ligação em estrela, na ligação em triângulo, a tensão entre as duas extremidades de cada bobina é chamada tensão de fase (E f ).

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Por sua vez, a tensão entre qualquer dos pares de fases é chamada de tensão de linha (EL).

Num sistema trifásico ligado em triângulo, a tensão de linha é igual à tensão de fase. Portanto: EL = Ef

Corrente de linha e corrente de fase na ligação em triângulo Na ligação em triângulo, a corrente de linha (I L) é aquela que se encontra em cada uma das linhas.

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Na ligação em triângulo, a corrente de fase (I f ) é a corrente de cada bobina.

Para estudar o comportamento das correntes de linha e de fase na ligação em triângulo com três cargas monofásicas iguais, é preciso lembrar que cada condutor externo é comum a duas fases. Com os três condutores externos podemos formar três circuitos elétricos. Quando, num instante qualquer, a corrente entra por um dos condutores, esse será o condutor de entrada, e os outros dois, os condutores de retorno. No instante seguinte, um segundo condutor será o de entrada, enquanto o primeiro e o terceiro serão os condutores de retorno e assim por diante. Como as correntes estão defasadas 120 o, a corrente de linha é igual à corrente de fase multiplicada por 1,73, ou seja: IL = If . 1,73

Assim, numa ligação em que a corrente de fase é de 10 A, teremos: IL = 10 . 1,73 = 17,3 A SENAI-SP

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Potência na ligação triângulo Para calcular a potência de um sistema trifásico ligado em triângulo, procede-se da mesma maneira utilizada para saber a potência de um sistema trifásico ligado em estrela, ou seja: P = 1,73 . EL . IL . cos ϕ É importante notar que, com o auxílio da equação acima, calcula-se a potência ativa (real) do sistema. A potência aparente é calculada multiplicando-se a constante 1,73 pelos valores de E L e IL. S = EL . IL . 3

Para calcular a potência ativa, basta multiplicar a potência aparente pelo cosseno do ângulo de defasagem (cos ϕ ou fator de potência). P = S . cos ϕ Exemplo Calcular a potência ativa de um gerador ligado em triângulo, com uma tensão de linha de 380 V, corrente de fase de 15 A e um fator de potência de 0,85. P = 1,73 . EL . IL . cos ϕ P = 1,73 . 380 . 15 . 0,85 P = 8300 W ou 8,3 kW Exercícios 1. Responda às seguintes perguntas: a) ual é a defasagem entre as fases em um sistema trifásico? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ b) Quais são os tipos de ligações que podem ser feitas em um sistema trifásico? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 34

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2. Faça os esquemas solicitados: a) Ligação em triângulo:

b) Ligação em estrela:

3. Resolva os seguintes exercícios: a) alcule a tensão de linha no circuito que segue.

b) Calcule a corrente de linha no circuito que segue.

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4. Relacione a segunda coluna com a primeira. ( ) A tensão de linha é igual a tensão de fase ( ) A corrente de linha é 1,73 vezes maior que a corrente de fase ( ) A tensão de linha é 1,73 vezes maior que a tensão de fase ( ) A corrente de linha é igual à corrente de fase

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a. Ligação em triângulo b. Ligação em estrela


Sistemas de transmissão

Neste capítulo, estudaremos um assunto muito importante para os profissionais da área da manutenção eletroeletrônica: sistemas de transmissão. Para estudar esse assunto com mais facilidade, é necessário ter conhecimentos anteriores sobre aterramento, sistemas monofásicos e trifásicos

Sistemas de transmissão Após a geração da energia elétrica, a transmissão desta energia até os consumidores ocorre em várias etapas e de diversas formas. A transmissão da energia elétrica é feita em alta tensão ou ultra alta tensão e pode ser feita em linhas de CC e CA, sendo que a transmissão em CA é predominante. A transmissão em alta tensão é feita por motivos de economia, pois aumentando a tensão, a corrente diminui proporcionalmente. Com a diminuição da corrente a ser transportada, é possível utilizar condutores com menores seções e torres de sustentação menos reforçadas. O exemplo a seguir ilustra esta redução de corrente.

E1 E2

=

I2 I1

I2 =

I1 . E1 E2

=

100.6 200

I2 = 3 kA SENAI-SP

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No exemplo apresentado, uma corrente de 100 kA solicitada do gerador, pode ser transportada com apenas 3 kA. Os condutores que transportam a energia elétrica da usina até as subestações de distribuição normalmente são de alumínio, pois o alumínio é mais leve que o cobre, e desta forma é possível diminuir a força de tração nas torres. A figura a seguir ilustra um sistema de torres de sustentação dos condutores de distribuição de energia elétrica.

Para a determinação dos valores da tensão de transmissão são considerados vários aspectos. Como exemplos podemos citar: a distância entre a usina e os consumidores, o trajeto, a segurança, a potência solicitada.

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O esquema a seguir apresenta um exemplo de geração e transmissão de energia elétrica.

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Sistemas de distribuição

Toda energia elétrica gerada ou transformada por meio de transformadores, deve ser transportada e distribuída de alguma forma. Para efetuar, no gerador ou transformador, as ligações necessárias ao transporte e distribuição da energia, alguns detalhes devem ser observados. Neste capítulo serão estudados os sistemas de ligações existentes e algumas particularidades importantes destes sistemas. Para ter bom aproveitamento nesse estudo, é necessário ter bons conhecimentos anteriores sobre geração de energia elétrica e tensão alternada.

Tipos de sistemas O sistema de distribuição deve ser escolhido considerando-se a natureza dos aparelhos ou consumidores e os limites de utilização da fonte disponível pelo distribuidor de energia elétrica, e a tensão do sistema. Neste capítulo serão estudados somente sistemas de baixas tensões. Por definição da NBR 5473, são considerados como sendo de baixa tensão em CA, os sistemas cujos valores de tensão não ultrapassem 1.000V. A norma NBR 5410 (item 4.2.2), considera os seguintes sistemas de CA: • Monofásico; • Bifásico; • Trifásico.

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Sistema de distribui ção monofásico O sistema de distribuição monofásico é o sistema de distribuição que usa dois ou três condutores para distribuir a energia. Enquanto os sistemas com dois condutores podem ter duas fases, ou fase e neutro, o sistema monofásico de três condutores tem duas fases e neutro. Sistema de distribui ção bifásico Neste sistema são utilizados três condutores para a distribuição da energia. Trata-se de um sistema simétrico, ou seja, aquele no qual as senoides alcançam seus valores máximos e mínimos ao mesmo tempo, como pode ser observado na ilustração a seguir.

Sistema trifásico de distribuição O sistema trifásico distribui energia por meio de três ou quatro condutores, e os terminais do equipamento fornecedor (gerador ou transformador) podem ser fechados, ou seja ligados, de duas formas: estrela ou triângulo. No fechamento estrela, as extremidades 1, 2 e 3 dos grupos de bobinas fornecem as fases R, S, T, enquanto que as extremidades 4, 5 e 6 são interligadas. Observe isso na ilustração a seguir.

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No fechamento triângulo, as ligações são feitas de forma que o início de um grupo de bobinas é ligado ao final de um outro grupo de bobinas. O aspecto final desse tipo de ligação lembra o formato de um triângulo. Veja ilustração a seguir.

No sistema trifásico com três condutores, as tensões entre os condutores são chamadas de tensão de fase e têm valores iguais. As figuras que seguem ilustram os fechamentos neste sistema.

VRS = VRT = VST O sistema trifásico com quatro condutores apresenta além dos condutores das fases, o condutor neutro. Este sistema com ligação estrela, fornece tensões iguais entre as fases, porém a tensão entre o neutro e uma das fases é obtida com o auxílio da equação:

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VFN =

VFF 3

Nessa igualdade, V FN é a tensão entre fase e neutro, e V FF é a tensão entre fases. Dizer VFF é o mesmo que dizer: V RS, ou VRT, ou VST.

Na ligação triângulo (ou delta) com quatro fios, as tensões entre as fases são iguais porém, obtém-se o fio neutro a partir da derivação do enrolamento de uma das fases, conforme ilustração que segue.

VRS = VRT = VST A utilização do fio neutro nesta ligação deve ser feito com alguns cuidados, pois, entre o fio neutro e as fases de onde ele derivou, a tensão obtida é a metade da tensão entre as fases. VFF 2

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VFN

=

VFF 2

=

VRN

=

VSN

VFN é a tensão derivada entre fase e neutro e V FF é a tensão entre as duas fases. Porém entre o neutro e a fase não-derivada , normalmente chamada de terceira fase ou quarto fio (fase T), a tensão será 1,73 vezes maior que a V FN prevista na instalação. Logo, se esta fase for usada com o neutro na instalação para alimentações de equipamentos, eles provavelmente serão danificados por excesso de tensão. Através de um exemplo exemplo,, é possível observar esta ocorrência.

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A geração e transmissão de energia elétrica da usina de Itaipu é ilustrada a seguir.

Exercícios 1. Responda às seguintes perguntas: a) Por que a energia elétrica elétrica é transportada transportada em em alta tensão? tensão? __________________ _________ __________________ __________________ __________________ __________________ __________________ ____________ ___ __________________ _________ __________________ __________________ __________________ __________________ __________________ ____________ ___ __________________ _________ __________________ __________________ __________________ __________________ __________________ ____________ ___ b) Qual é o valor das tensões na subestação elevadora da usina hidroelétrica hidroelétri ca de Itaipu? __________________ _________ __________________ __________________ __________________ __________________ __________________ ____________ ___ __________________ _________ __________________ __________________ __________________ __________________ __________________ ____________ ___ __________________ _________ __________________ __________________ __________________ __________________ __________________ ____________ ___

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c) Cite dois aspectos que devem ser considerados para a determinação determinaçã o dos valores da tensão de transmissão. __________________ _________ __________________ __________________ __________________ __________________ __________________ ____________ ___ __________________ _________ __________________ __________________ __________________ __________________ __________________ ____________ ___ __________________ _________ __________________ __________________ __________________ __________________ __________________ ____________ ___

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Instalações Eletricas

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