Introdução aos circuitos com cargas dinâmicas - Aula 1 PDF

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introdução aos conceitos iniciais sobre cargas dinâmicas (motores elétricos)...

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AULA 1

INTRODUÇÃO AOS CIRCUITOS COM CARGAS DINÂMICAS

Prof. Luiz Erley Schafranski

CONVERSA INICIAL O correto dimensionamento de circuitos elétricos é fundamental para atender ao funcionamento adequado da carga alimentada por esse circuito, de forma a garantir a segurança das instalações e das pessoas, compatibilizando aspectos técnicos (atendimento a normas) e econômicos (custos envolvidos). O dimensionamento de circuitos elétricos está intrinsicamente ligado com o correto dimensionamento dos seus dispositivos de proteção, por exemplo, fusíveis ou disjuntores. Desta forma, quando fazemos um dimensionamento de circuitos elétricos, devemos também dimensionar as suas proteções. As cargas elétricas possuem como principais variáveis a sua tensão, corrente e potência. Do ponto de vista funcional, essas cargas podem ser classificadas em cargas estáticas (um chuveiro, por exemplo) ou cargas dinâmicas (um motor, por exemplo). Nesta aula veremos as principais características das cargas dinâmicas. Falaremos sobre os conceitos de cargas dinâmicas; o comportamento elétrico desse tipo de carga; a corrente nominal e a corrente de partida; curva de partida de um motor elétrico, finalizando com a corrente e o tempo de rotor bloqueado de um motor elétrico.

CONTEXTUALIZANDO O que queremos dizer quando falamos em dimensionamento de circuitos elétricos? Será que estamos apenas fazendo uma escolha de uma seção nominal de um condutor para uma determinada carga? Não, com certeza não: teremos que determinar e/ou escolher outras características desses condutores, como se serão de cobre ou de alumínio; se serão fios ou cabos; qual a classe de encordoamento; se serão isolados ou nus; qual o material da isolação (se forem isolados); se serão do tipo unipolar ou multipolar, e uma série de outras características que veremos ao longo das aulas deste curso. Quais são as variáveis e informações que necessitamos conhecer para esse dimensionamento? Podemos citar como exemplos de variáveis de entrada: qual a maneira que os condutores serão instalados (em eletrodutos enterrados, em leitos de cabos etc.); qual a máxima queda de tensão que o circuito admite; qual o valor da corrente de curto-circuito e por quanto tempo esse valor de curto-

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circuito pode permanecer nos condutores; qual a temperatura do local onde esses condutores serão instalados; entre outras. E não podemos nos esquecer das normas técnicas. Existem normas técnicas específicas a que devemos atender no dimensionamento de circuitos elétricos. Para os circuitos de baixa tensão, ou seja, com tensão em corrente alternada abaixo de 1,0 kV, temos a NBR-5410, e para circuitos em média tensão (entre 1,0 kV e 36,2 kV) temos a NBR-14039. Para alta tensão, ou seja, acima de 69 kV, também existem normas específicas para o dimensionamento de condutores, porém o foco deste curso será o dimensionamento de condutores de baixa e média tensão.

TEMA 1 – CONCEITOS SOBRE CARGAS DINÂMICAS Quando usamos a expressão cargas dinâmicas, estamos nos referindo exatamente a que tipo de carga? Bom, primeiro vamos falar sobre o termo carga, que não é exclusivo da área elétrica. Para a engenharia civil e mecânica, carga é uma força que atua sobre uma estrutura. Para engenharia elétrica e em específico para física, carga elétrica é um conceito que determina as interações eletromagnéticas dos corpos eletrizados. Na área de instalações elétricas, usamos o termo carga elétrica para qualquer equipamento que absorva energia elétrica e forneça algum tipo de outra energia (mecânica no caso dos motores, térmica no caso de aquecedores etc.) ou até mesmo a própria energia elétrica, como no caso dos transformadores. O termo carga elétrica, no contexto de instalações elétricas, é comumente simplificado como carga. Já o termo dinâmico refere-se a equipamentos do tipo rotativos. Um equipamento (ou máquina) dinâmico é uma combinação de um dispositivo acionado (sopradores, compressores, ventiladores, bombas, elevadores etc.) e de um dispositivo acionador (turbina a vapor, turbina a gás, motores elétricos, motores de combustão interna etc.). Juntando os termos cargas e dinâmico, chegamos à nomenclatura cargas dinâmicas, que será usada nesta disciplina do curso para nos referirmos a qualquer equipamento elétrico que absorva e transforme energia elétrica em energia mecânica, ou seja, motores elétricos. Os motores elétricos podem ser de corrente alternada ou corrente contínua. Entre os motores de corrente alternada, temos os motores síncronos e os motores assíncronos (motores de indução). O motor de indução é o mais usado de todos 03

os tipos de motores, pois combina as vantagens da utilização de energia elétrica – baixo custo, facilidade de transporte, limpeza, simplicidade de comando – com sua construção simples e grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos (WEG Motores, 2016).

TEMA 2 – COMPORTAMENTO ELÉTRICO DE CARGAS DINÂMICAS Na figura a seguir, temos a ilustração de uma placa de identificação de um motor elétrico com a descrição das informações sobre esse motor. Figura 1 – Placa de identificação de um motor

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Fonte: WEG Motores, 2017, p. 12.

Para o dimensionamento do circuito de alimentação de um motor e de seus dispositivos de proteção, não necessitamos de todos esses dados de placa. Os dados necessários são:  número de fases;  tensão nominal de operação;  rendimento;  potência ou corrente nominal de operação  fator de potência;  fator de serviço;  relação da corrente de partida/corrente nominal;  tempo máximo de rotor bloqueado (normalmente esta informação não aparece na placa, apenas em manuais). É importante ressaltar que muitas vezes temos que fazer o projeto de dimensionamento de circuitos sem ainda termos os dados de placa de motor, possuindo apenas informações de potência, número de fases e tensão do motor. Nesses casos buscamos as informações adicionais em catálogos de fabricantes. Vamos

descrever

e

comentar

alguns

detalhes

importantes

do

comportamento elétrico dos motores. Com relação a sua potência nominal, o dado de placa (seja em CV ou kW) sempre indica a sua potência mecânica, ou seja, a sua potência no eixo. Por 05

exemplo, o motor ilustrado na Figura 1 possui uma potência mecânica de 75 kW. Se desejarmos calcular a sua potência elétrica em kW, devemos dividir esse valor pelo seu rendimento.

Quanto ao fator de serviço (FS), refere-se a um fator que, aplicado à potência nominal, indica a carga permissível que pode ser aplicada continuamente ao motor, sob condições especificadas. Note que se trata de uma capacidade de sobrecarga contínua, ou seja, uma reserva de potência que dá ao motor uma capacidade de suportar melhor o funcionamento em condições desfavoráveis. O fator de serviço não deve ser confundido com a capacidade de sobrecarga momentânea, durante alguns minutos. Conforme a NBR 17094 da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), os motores com potência nominal até 315 kW e tensão nominal inferior ou igual a 1 kV devem ser capazes de suportar uma corrente igual a 1,5 vez a corrente nominal durante 2 minutos, no mínimo.

Para o dimensionamento de circuitos, consideramos o fator de potência para carga nominal (dado de placa) para calcularmos a corrente nominal e queda de tensão em regime. Para calcularmos a queda de tensão na partida utilizamos o fator de potência na partida, que normalmente não é informado na placa do motor. Se não encontrarmos esse valor em referências de fabricantes, utilizamos o valor recomendável pela NBR 5410, que estabelece 0,3 como fator de potência na partida (ABNT, 2004b).

TEMA 3 – CORRENTE NOMINAL E CORRENTE DE PARTIDA DE UM MOTOR ELÉTRICO TRIFÁSICO Corrente nominal de um motor é a corrente absorvida da rede quando esse motor funciona à potência nominal, sob tensão e frequências nominais. A corrente nominal depende do rendimento (ɳ) e do fator de potência (FP). A equação para calcularmos a corrente nominal de um motor trifásico é: 06

𝐼𝑛 = (𝑃 × 𝐹𝑆) ÷ (√3 × 𝑉𝑛 × ɳ × 𝐹𝑃) Em que:  In = corrente nominal do motor em amperes.  P = potência nominal do motor (dado de placa) em W. Se for dada a potência em CV, devemos usar a relação 1 CV = 736 W, se for em HP, então 1 HP = 746 W.  FS = fator de serviço. Se não for informado o fator de serviço, usamos 1.  Vn = tensão nominal do motor em volts.  ɳ = rendimento do motor, que é a relação entre a potência útil (potência mecânica – dado de placa) e a potência elétrica ativa absorvida rede.  FP = fator de potência nominal do motor, que é a relação entre a potência elétrica ativa absorvida rede e a potência aparente do motor. Para o dimensionamento de circuitos sempre utilizamos como corrente de projeto o valor da corrente nominal do motor. A corrente de partida de um motor de indução do tipo gaiola assume valores que podem ser de 4 a 10 vezes o valor de sua corrente nominal. Um valor normalmente usado como referência em projetos de dimensionamento de circuitos para calcular a queda de tensão na partida é 6 vezes a corrente nominal. Mas devemos sempre buscar alguma referência mais precisa quanto ao valor da corrente de partida, como, por exemplo, em catálogos de fabricantes. Os fabricantes normalmente informam a corrente de partida como uma relação Ip/In, ou seja, em múltiplos da corrente nominal. No exemplo da Figura 1, o motor possui uma relação Ip/In de 8,5. As correntes de partida dos motores elétricos podem ser reduzidas por meio da diminuição da tensão de alimentação do instante da partida. Essa redução de tensão durante a partida é o princípio de funcionamento das chaves de partida. As principais chaves de partida para motores de indução trifásicos tipo gaiola que utilizam redução de tensão são:  Estrela-Triângulo;  Compensadora;  Série-Paralelo;  Eletrônicas (soft-starter).

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TEMA 4 – CURVA DE PARTIDA DE UM MOTOR ELÉTRICO TRIFÁSICO Em um motor elétrico de indução, o estator está ligado a uma fonte de alimentação e o rotor não está ligado a nenhuma fonte de alimentação. Quando o enrolamento do estator é energizado através de uma alimentação trifásica, criase um campo magnético girante. Esse campo magnético girante induz no rotor outro campo magnético girante e a interação entre estes dois campos faz com que o motor entre em rotação. No instante da partida, com o rotor parado, quem limita o valor da corrente que circula pelo estator é somente a impedância dos enrolamentos do estator, pois não temos a força contra-eletromotriz do rotor. Nesse caso, a corrente assume valores maiores (corrente de partida) que a corrente em regime nominal do motor. Define-se então a corrente de partida de um motor elétrico como sendo a variação de corrente que ocorre no motor a partir do instante de sua energização até o momento em que ele atinge a sua rotação nominal, ou seja, a sua corrente de operação. A Figura 2 a seguir ilustra o comportamento de uma corrente de partida em um motor elétrico trifásico com partida direta.

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Figura 2 – Curva típica de partida de um motor

Fonte: Bulgarelli, 2006, p. 25.

Podemos observar na Figura 2 que o valor da corrente de partida inicial do motor corresponde a 6 vezes a corrente nominal, e à medida que o motor acelera, ou seja, consegue vencer o conjugado resistente da carga que está conectada ao seu eixo, essa corrente de partida vai diminuindo até atingir a sua corrente de operação. Também na Figura 2 está indicada uma curva chamada de região de sobrecarga, que representa a relação de máxima de corrente x tempo a que o motor pode ser submetido sem danificar a sua isolação. Ainda na Figura 2, temos a indicação de região de rotor bloqueado (a quente e a frio), assunto que será tratado no tema seguinte desta aula. Com relação ao tempo de partida (tempo de duração da corrente de partida), ele depende da carga que está sendo acionada pelo motor. Se um motor parte a vazio, ou seja, sem carga no eixo, o tempo de partida é baixo, pois o motor necessita apenas vencer a sua inércia até atingir a sua rotação nominal. Já na condição de partida, com a carga acoplada ao seu eixo, o motor necessita vencer 09

a sua inércia, a inércia da carga e o conjugado (torque resistente) da carga. Podemos calcular o tempo de aceleração de um motor de indução conforme a equação abaixo:

Fonte: WEG Motores, 2016, p. 28.

Como podemos observar, as variáveis para calcular esse tempo de aceleração estão relacionadas ao comportamento mecânico da carga, o que demanda que esses cálculos sejam feitos por profissionais da área de engenharia mecânica. Para o foco de dimensionamento elétrico, necessitamos conhecer essa curva para o correto dimensionamento das proteções do motor (sobrecarga). Se não tivermos informações precisas sobre o tempo de partida, podemos usar valores típicos em função do tipo de carga, como por exemplo, 5 segundos para bombas e 10 segundos para compressores.

TEMA 5 – CORRENTE E TEMPO DE ROTOR BLOQUEADO DE UM MOTOR ELÉTRICO O termo rotor bloqueado para motores elétricos representa uma condição em que o rotor desse motor possui rotação nula com a fonte de alimentação ligada, ou seja, o estator e o rotor possuem corrente circulando pelos seus rolamentos, mas o motor está com rotação nula. Podemos encontrar duas condições para um rotor bloqueado. A primeira acontece no instante da partida, no momento em que o motor está desligado e a sua fonte de alimentação é energizada. Nesse momento, o rotor está parado e passa a circular uma corrente no estator e no rotor. Em condições normais, isto é, se o eixo do motor estiver 010

liberado para girar (com ou sem carga), o rotor entra em movimento. Porém, se a carga no eixo for superior à capacidade do motor em vencer a sua inércia (por exemplo, um motor acionando um britador cujo rolamento do mancal está danificado e não rotaciona na partida), o rotor ficará travado (bloqueado). O tempo máximo entre o início da partida e o tempo que o motor pode ficar com o rotor travado desde que a corrente de partida foi imposta ao motor é chamado tempo de rotor bloqueado a frio. A outra condição para um rotor travado acontece quando o motor já se encontra em operação e a carga causa um travamento no seu eixo por um problema mecânico – também aqui o motor para de girar e o rotor fica travado. Nessa condição, o tempo máximo entre a corrente de operação e o tempo que ele suporta ficar com seu rotor travado a partir da corrente de operação é chamado tempo de rotor bloqueado a quente. É importante conhecermos o valor da corrente e o tempo máximo que o motor suporta a condição de rotor travado para fazermos o correto dimensionamento das proteções de sobrecarga desse motor. O valor da corrente de rotor travado representa eletricamente a mesma condição da máxima corrente de partida, ou seja, é a própria corrente de partida direta do motor, representada pelos fabricantes pela relação Ip/In, como podemos ver no exemplo do catálogo da figura 3. Figura 3 – Exemplo de catálogo de motores elétricos

Fonte: Siemens, 2010, p. 8.

Podemos observar na Figura 3 a informação da corrente de rotor bloqueado (Ip/In) para cada tipo de motor, reforçando que essa relação Ip/In é a mesma para o valor da corrente de partida direta desses motores. Voltando à placa de identificação do motor da Figura 1, temos a informação de Ip/In = 8,5, indicando 011

que esse motor possui uma corrente de partida e de rotor bloqueado de 8,5 vezes a sua corrente nominal. Quanto ao tempo de rotor bloqueado, observando a Figura 3 temos uma coluna onde o fabricante informa esse tempo para cada tipo de motor. Mas fica uma dúvida: é o tempo de rotor bloqueado a quente ou a frio? Sempre que o fornecedor não indicar se é a quente ou a frio, o valor apresentado é a quente, que é o menor tempo (mais crítico e que deve ser protegido pelos dispositivos de proteção). Na condição a quente, o motor já está em operação (aquecido) e levará um tempo menor para atingir a sua temperatura limite de operação se o rotor sofrer um bloqueio.

FINALIZANDO Nesta aula abordamos as características de cargas dinâmicas. Iniciamos tratando dos conceitos sobre essas cargas, definindo que o entendimento de cargas dinâmicas para este curso é o de cargas elétricas em movimento de rotação,

ou

seja,

motores

elétricos.

Lançamos

a

questão

sobre

o

dimensionamento de circuitos elétricos para cargas dinâmicas: quais são as principais variáveis (de entrada e de saída) que necessitamos trabalhar para um correto dimensionamento desses circuitos? Ao longo desta aula tratamos dessas variáveis, começando pelo comportamento elétrico de cargas dinâmicas, passando pelo estudo da corrente nominal e da corrente de partida, na sequência estudamos a curva de partida de um motor elétrico trifásico, e finalizamos com o entendimento de corrente e tempo de rotor bloqueado de um motor elétrico trifásico. Vamos agora fazer uma síntese dos conteúdos principais desta aula:  No instante da partida de um motor elétrico, quanto menor a tensão de alimentação, menor será a corrente de partida. Por outro lado, depois que o motor acelera e entra em rotação nominal, se a tensão for reduzida a sua corrente aumenta.  Todos os tipos de chaves de partida, exceto a partida direta, têm como princípio de funcionamento a redução da tensão nos terminais do motor no instante da partida.  O fator de serviço (FS) de um motor elétrico não indica uma sobrecarga momentânea que o motor suporta, mas sim um adicional de potência em relação à sua potência nominal. 012

 O fator de potência (FP) de motor varia em função da sua carga no eixo. O dado de placa indica o FP em plena carga no motor. No instante da partida o FP é baixo e, se não for informado pelo fabricante, deve ser considerado como 0,3 (conforme NBR 5410).  O rendimento de motor elétrico (ɳ) varia com a carga no eixo. O dado de placa desse rendimento é para condição de corrente nominal do motor.  A potência nominal de um motor (dado de potência) sempre indica a sua potência mecânica (potência útil no eixo).  A corrente de partida direta de um motor possui o mesmo valor da corrente de rotor bloqueado. Elas normalmente são informadas como uma relação Ip/In pelos fabricantes  O tempo de rotor bloqueado de um motor elétrico é o tempo máximo que ele suporta a corrente de rotor bloqueado sem danificar sua isolação. Já o tempo de partida é o tempo que o motor leva para acelerar e atingir a sua corrente nominal. Um motor deve ter sempre um tempo de partida menor que o tempo de rotor bloqueado.  Temos dois tempos de rotor bloqueado: a frio (quando o eixo é travado na partida) e a quente (quando o eixo trava e o motor já está em operação e aquecido). Quando o fabricante não informa no catálogo se o tempo considerado é a quente ou a frio, entende-se que se trata do tempo a quente, que é o pior caso (menor tempo).

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REFERÊNCIAS ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14039: instalações elétricas de média tensão de 1,0 kV até 36,2 kV. Rio de Janeiro, 2004a. _____. NBR 5410: instalações elétricas de baixa tensão. Rio de Janeiro, 2004b. BULGARELLI, R. Proteção térmica de motores de indução trifásicos industriais. 136 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2006. CREDER, H. Instalações Elétricas. 15. ed. São Paulo: LTC, 2007. MAMEDE FILHO, J. Instalações Elétricas Industriais. 8. ed. São Paulo: LTC, 2010. _____. Manual de Equipamentos Elétricos. 3. ed. São Paulo: LTC, 2005. MARTINEWSKI, A. Máquinas Elétricas: geradores, motores e partida. São Paulo: Érica, 2014. NERY, N.; KANASHIRO, N. M. Instalações Elétricas Industriais. São Paulo: Érica, 2014. SIEMENS. Motores trifásicos de baixa tensão. Siemens, 2010. Disponível em: . Acesso em: 30 nov. 2017. WALENIA, P. S. Projetos Elétricos Industriais. Curitiba: Base, 2008. WEG MOTORES. W22 motor elétrico trifásico – Catálogo ...