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Circuito Elétrico
O circuito elétrico mais simples é composto por um gerador (ou fonte), por um receptor (ou carga do circuito) e pelos condutores que os interligam.
Funcionamento do Gerador
O gerador elétrico recebe energia externa (mecânica, química ou luminosa) e energiza eletricamente as cargas de seu interior à medida que as força a se deslocarem todas em direção a um de seus terminais (ou pólos do gerador). O pólo que recebe elétrons fica cada vez mais negativo, enquanto o pólo que perde elétrons fica cada vez mais positivo. A diferença de potencial criada cresce até que a energia proveniente do gerado deixa de ser capaz de mover mais elétrons. Neste ponto atingiu-se a tensão nominal do gerador. A energia entregue à cada unidade de carga eletrica (joule por coulomb) é medida em volt – V - e é chamada de tensão ou voltagem – simbolizada por E (para os geradores ) e U (para os circuitos). Às vezes a tensão é simbolizada por V. A tensão é também denominada diferença de potencial elétrico – ddp - Se um circuito elétrico externo interliga os terminais do gerador, a energia das cargas elétricas dos terminais do gerador se propaga para as cargas elétricas desse circuito que, energizadas, pôe-se em movimento através do circuito. Pelo fato de colocar as cargas em movimento a tensão do gerador é chamada também força eletromotriz ( fem ).
Corrente elétrica
À medida que se movem, as cargas transferem ao circuito receptor a energia que receberam no gerador. No receptor essa energia é transformada em outra forma de energia. O citado movimento é a corrente elétrica, e sua intensidade, também chamada amperagem (quantidade de cargas que passam por segundo; coulombs por segundo) –simbolizada por I -, é medida em ampère - A -. A movimentação das cargas é tanto maior quanto mais energia recebem. Ou seja quanto maior for a tensão aplicada maior é a corrente. A constituição física do circuito de corrente facilita ou dificulta o movimento das cargas. Se os elétrons de valência dos átomos que compôem o circuito estão muito presos ao átomos então o circuito apresenta grande dificuldade à movimentação das cargas. Quanto maior for a quantidade de energia necessária para por em movimento as cargas elétricas do circuito, maior é a chamada resistência elétrica de tal circuito. A movimentação das cargas é portanto menor, quanto maior for a dificuldade ou resistência – R - imposta pelo circuito à passagem das cargas. Para se conseguir a movimentação das cargas é necessária diferença de potencial de valor tanto maior quanto maior for a movimentação desejada e também quanto maior for a resistência do circuito:
U=RI
Tal equação denomina-se lei de Ohm. A razão entre tensão e corrente tem como unidade o ohm – ΩΩ ΩΩ -
A equação mostrada pode é claro ser reescrita :
Ou
A energia elétrica no receptor pode ser calculada por:
onde E é a energia em joules V a tensão em volts I a corrente em ampères t o tempo em segundos. R é a resistência em ohms, Ω.
Potência Elétrica
A velocidade de transferência ou conversão da energia elétrica por unidade de tempo, - a energia por segundo - é denominada potência elétrica A potência elétrica – P - é medida em watts - W - e pode ser calculada pelo produto da tensão (V) pela corrente (I).
Obs.: Tal fórmula é válida para circuitos onde as variações da tensão provocam proporcionais e simultânea variação da corrente. Alguns circuitos chamados reativos não apresentam tal simultaneidade e para tais circuitos a fórmula acima não pode ser aplicada.
Cada receptor tem a função de converter a energia elétrica em um determinado tipo de energia. Por exemplo:
motor elétrico -> mecânica lâmpada -> luminosa bateria em recarga -> química resistores -> térmica
Como não se podem construir condutores práticos com materiais supercondutores (resistência zero) já que isso além de caro necessita de temperatura muito baixa menor que 150 graus celcius negativos, todos os circuitos elétricos apresentam resistência não só no receptor (seria o ideal) como também nos condutores e até no gerador. As cargas perdem energia para transpor a resistência do circuito. Essa energia é convertida em energia térmica, que produz aquecimento. O efeito de aquecimento produzido pela passagem da corrente na resistência se chama efeito joule. O efeito joule é útil nos resistores de aquecimento, mas é muito incoveniente em todos os outros dispositivos. A energia convertida por efeito joule pode ser calculada por
E=VxIxt
E=RI^2 t
R=V / I
P=VxI
I=V / R
Dimensionamento de condutores
O dimensionamento do condutor que servirá a uma instalação deve em primeiro lugar levar em consideração a corrente que deve conduzir; em segundo lugar a queda de tensão admissível no circuito.
Os fabricantes de condutores fornecem tabelas com os condutores fabricados identificados pelas suas bitolas e capacidades correspondentes em ampères, também chamada ampacidade.
DIMENSIONAMENTO PELA CAPACIDADE DE CORRENTE
♦ Pela capacidade de corrente basta procurar na tabela qual bitola suporta a corrente da carga. A tabela a baixo mostra a capacidade de corrente de fios Pirelli de cobre isolados com pvc, quando instalados unidos e à temperatura ambiente de 50^0 C. Outras condições determinam outros valores de capacidade que devem ser procuradas nas tabelas dos fabricantes.
Para circuitos de tensão contínua ou tensão mono-
fásica, a corrente pode ser calculada por:
Para circuitos de tensão alternada trifásica:
Capacidade de corrente Ampères Secção nominal mm^2 2 condutorescarregados 3 condutorescarregados
1.0 13.5 12 1,5 17,5 15. 2.5 24 21 4 32 28 6 41 36 10 57 50 16 76 68 25 101 89 35 125 111 50 151 134 70 192 171 95 232 207 120 269 239 150 309 272 185 353 310 240 415 364 300 473 419 400 566 502 500 651 578
P
Vxηxc os ϕ
I=
P
√√√√ 3 xVxηxc os ϕ
I=
Onde
I é a corrente em ampéres
P é a potência em watts
V a tensão em volts
ηη ηη o rendimento e
cos ϕϕϕϕ é o fator de potência
DIMENSIONAMENTO PELA QUEDA DE TENSÃO
Pela queda de tensão pode-se usar a fórmula a seguir, que fornece a bitola em função da queda de tensão, da corrente e da distância com fórmulas distintas, para sistema monofásico ou CC e para o sistema trifásico:
Para sistema monofásico ou CC:
Para sistema trifásico:
Deverá ser escolhida a maior entre as bitolas conseguidas por cada método (ampacidade e queda de tensão).
Ex.1: Deseja-se alimentar um circuito de iluminação ( monofásico) de 6kW (potência elétrica), tensão de 220V, fator de potência 0,8, que se encontra a 200m do gerador. Qual deve ser o condutor para essa função? Considere uma queda admissível de 3%.
R: A corrente no sistema monofásico é calculada por:
♦ Pelo critério da capacidade de corrente, usando a tabela, o condutor deve ser o de 6mm^2
♦ Pelo critério de queda de tensão tem-se:
O condutor deve ser então o de 50mm^2. Aceitando-se uma queda de tensão um pouco maior poderia ser usado
nesse caso o condutor de 35mm^2 , que está muito próximo do valor calculado.
P
Vxηηηηxcosϕ
I=
2 xIx L
56 xu
S=
√√ √√ 3 xIx L
56 xu
S=
Onde S é a bitola em mm^2
I a corrente em ampères
u=queda de tensão absoluta em volts
L= distância ao gerador em
metros
220x0,
I= =34,09A
2x34,09x
56x220x0,
S= =36,9mm^2
♦ Pelo critério da capacidade de corrente, usando a tabela, o condutor deve ser o de 70mm^2.
♦ Pela queda de tensão:
O condutor escolhido deve ser então o de 70mm^2
Exercício
- Um motor trifásico é instalado a 45m do gerador, e admite-se uma queda de 4% nos condutores de sua instalação.
Na placa do motor encontram-se Pn=50cv; Vn=440/760; η=0,9; cosφ=0,
Dimensione os condutores.
- Na placa de um motor trifásico encontram-se os seguintes dados: Pn=20cv; Vn=220/380; η=0,9; cosφ=0,85.
Dimensione os condutores para a instalação do motor a 120m do gerador, admitida queda de tensão de 6%
√3x133.8x
56x440x0,
S=
=15,05mm^2
Diagramas esquemáticos
Nos diagramas a seguir vêm-se circuitos simples, onde o gerador está identificado por G, o receptor por R e os condutores são as linhas que os interligam. A maioria dos circuitos reais não se resume apenas nos componentes do diagrama 1, pois há a necessidade de se dispor de um dispositivo para ligar e desligar o circuito, e isso é conseguido pela adição de uma chave (contato elétrico) em série com o receptor, como se vê no diagrama 2. A chave está identificada por S Valores excessivos de corrente provocam aquecimento também excessivo, que pode determinar a destruição tanto do gerador quanto do receptor e condutores. Por isso, para evitar que a corrente atinja valores excessivos, coloca-se, também em série, um elemento que interrompa rápida e automaticamente a corrente caso esta ultrapasse muito o valor estimado como normal para o circuito. O elemento mais simples para esta função é o fusível e é representado no circuito 3 e identificado por (F).
Diagrama 1 Diagrama 2 Diagrama 3
A utilização de chaves e outros dispositivos que permitem ligar e desligar cargas elétricas, nos momentos adequados para que essas cargas desempenhem suas funções se denomina comando elétrico.
Além de poder ligar e desligar, é de suma importância proteger e sinalizar o estado de funcionamento das cargas.
Os principais dispositivos utilizados no comando, proteção e sinalização elétricos são vistos a seguir.
G R
S
G R
S
F
G R
DISPOSITIVOS DE COMANDO, PROTEÇÃO E SINALIZAÇÃO
Comando Chave : É também denominado contato. Tem a função de conectar e desconectar dois pontos de um circuito elétrico. A chave tem dois terminais: um deve ser ligado à fonte (ou gerador) e outro ligado à carga (ou receptor). É feita de metal de baixa resistência elétrica para não atrapalhar a passagem de corrente e alta resistência mecânica, de modo a poder ligar e desligar muitos milhares de vezes. A estrutura metálica tem área de secção transversal proporcional à corrente que comandam: quanto maior for a corrente que se deseja comandar, maiores são as superfícies de contato e maior a chave. O valor de corrente a ser comandada também influencia na pressão de contato entre as partes móveis do contato: maiores correntes exigem maiores pressões de contato para garantir que a resistência no ponto de contato seja a menor possível. A separação dos contatos na condição de desligamento deve ser tanto maior quanto maior for a tensão para a qual o contato foi produzido. A velocidade de ligação ou desligamento deve ser a mais alta possível, para evitar o desgaste provocado pelo calor proveniente do arco voltáico, provocado no desligamento quando a carga for indutiva. O contato pode ser do tipo com trava (por exemplo, o tipo alavanca usado nos interruptores de iluminação) e também pode ser do tipo de impulso, com uma posição normal mantida por mola e uma posição contrária mantida apenas enquanto durar o impulso de atuação do contato. Nesse caso se chama fechador ou abridor conforme a posição mantida pela mola.
Fechador : Também chamado ligador, é mantido aberto por ação de uma mola e se fecha enquanto acionado. Como a mola o mantém aberto é ainda denominado normalmente aberto (ou NA ou do inglês NO). Abridor ou ligador: é mantido fechado por ação de uma mola e se abre enquanto acionado. Como a mola o mantém fechado, é chamado também de normalmente fechado (ou NF, ou do inglês NC).
O contato pode ter diversos tipos de acionamento, como por exemplo, por botão, por pedal, por alavanca, por chave (chave de tranca), por rolete por gatilho, ou ainda por ação do campo magnético de uma bobina (eletroímã), formando neste último caso um conjunto denominado contator magnético ou chave magnética.
símbolos NA NF
Chave magnética ou contator magnético
É formada basicamente por um eletroímã e um conjunto de chaves operado pelo fluxo magnético do eletroímã quando energizado.
A seguir vê-se o símbolo de uma chave magnética com a identificação típica das chaves: os terminais do eletroímã são identificados por letras, em geral a1 e a2 ou a e b, e os terminais das chaves são identificados com numeração.
O número de chaves do contator é bem variado dependendo do tipo. De acordo com o fim a que se destinam, as chaves do contator recebem denominações específicas:
Chaves principais: São mais robustas e destinam-se a comandar altos valores de corrente típicos de motores e outras cargas. São sempre do tipo NA. Sua identificação se faz com números unitários de 1 as 6. Chaves auxiliares: Bem menos robustas, se prestam a comandar as baixas correntes de funcionamento dos eletroímãs (bobinas) de outras chaves magnéticas, lâmpadas de sinalização ou alarmes sonoros. As chaves auxiliares podem ser do tipo NA ou NF. A identificação das auxiliares se faz com dezenas de final 3 e 4 para as NA e com 1 e 2 para as dotipo NF. Essas numerações podem aparecer identificando terminais de contatos mesmo que não sejam operados por chave magnética e sim por botão ou rolete por exemplo.
O eletroímã (formado por bobina e entreferro) da chave magnética deve ser ligado à tensão nominal e obedecendo ao tipo: CA ou CC.
b
a 13
Um eletroímã feito para operar em CC, se for ligado em CA de valor suficiente para acioná-lo ficará superaquecido nonúcleo de ferro por causa do alto valor da corrente de Foucaut induzida no mesmo. No caso do eletroímã de CA, o núcleo é laminado para evitar essas correntes enquanto no de CC é maciço. Um eletroímã de CA, caso seja ligado em CC (com mesmo valor de tensão de CA) ficará superaquecido no eletroímã pela alta corrente, já que em CC só haverá resistência enquanto em CA há resistência e reatância indutiva. O eletroímã alimentado por CC gera alto valor de tensão de auto-indução e isso provoca suavidade na ligação e um arco voltáico na chave que o comanda, durante o desligamento, bem maior que em CA. Este arco no desligamento exige alguns cuidados para diminuir os seus efeitos destrutivos.
Contator de potência e contator auxiliar
Alguns contatores magnéticos são construídos apenas com contatos de alta potência, quando então se denominam chaves (ou contatores) de potência. Há também contatores magnéticos que só possuem chaves auxiliares sendo por isso chamados de contatores (ou chaves) auxiliares.
O contator tem diversas aplicações, entre elas :
- Inversão de lógica: usa-se uma chave ou contato NF acionado pelo contator para acionar uma carga e isso provoca uma inversão na lógica de funcionamento da chave ou contato que comanda o eletroímã do contator.
No exemplo, a chave 1 é NA, porém a carga será acionada (pela chave 41-42) como se a chave S1 fosse NF pois sempre que a mesma estiver em repouso a carga estará acionada e quando a chave S1 estiver acionada a carga estará desligada.
Caso a chave 1 fosse NF a carga ficaria acionada como se a chave fosse NA, ligando-se e desligando-se juntamente com a mesma.
- Multiplicação de contatos: com uma única chave pode-se acionar o contator, que pode ter várias chaves, que ligarão (NA) ou desligarão (NF) os circuitos que estiverem ligados através dessas chaves, permite que uma única chave opere diversos circuitos simultaneamente, como visto no exemplo abaixo onde S1 liga o eletroímã que por sua vez aciona três cargas.
cargas
b
a 13
127VCA
S
b
a
127VCA^42
S1 carga
Associações de chaves
Série
Associadas em série entre si as chaves só permitem o acionamento da carga ligada a elas (em série, é claro) se todas estiverem fechadas. Uma chave ligada em série com outras garante através de sua abertura o desligamento da carga.
”A carga só se ligará se todas as chaves estiverem fechadas” , executando uma lógica chamada lógica E.
Paralelo
Associadas em paralelo entre si as chaves acionam a carga (ligada a elas em série é claro), desde que pelo menos uma chave esteja fechada. Uma chave ligada em paralelo com outras garante através de seu fechamento a ligação da carga.
”A carga só se desligará se todas as chaves estiverem abertas” , executando uma lógica chamada lógica OU.
G
R
S
S
G
R
S1 S
Sinalização
Para a sinalização de eventos usam-se lâmpadas, buzinas e sirenes.
As lâmpadas, são usadas para sinalizar tanto situações normais quanto anormais, tendo uma cor referente a cada tipo de ocorrência
Cor Significado Explicação
Amarela Atenção Condições normais em alteração
Vermelha Perigo; Situação que exige intervenção imediata, como altas temperaturas ou pressões;
Carga ligada
Verde Segurança;
Circuito desligado;
Temperatura ou pressões normal;
Carga pronta para ser acionada;
Branca ou azul Informação Qualquer significado não simbolizado pelas outras cores
As buzinas e sirenes são usadas apenas para sinalizar condições de emergência, como vazamentos de gases, ou ainda para informações em local onde a sinalização visual seja insuficiente.
Símbolo
Os fusíveis de acordo com seu formato e forma de conexão podem ser :
NH - Usados em circuito de alta potência e conectados por encaixe, com ferramenta própria (punho) para proteção do operador;
Diazed - Usados em circuitos baixa potência e conectados através do porta-fusível que se monta por rosca. O próprio suporte do fusível protege o operador contra choque elétrico.
Neozed – muito parecido com o diazed, só que menor, esse fusível é usado para a proteção de circuitos de comando.
Velocidade
O fusível interrompe o circuito quando houver correntes maiores que 160% da sua corrente nominal. O tempo de atuação diminui a medida em que aumenta o valor relativo da sobrecarga. Assim uma sobrecarga de 190% da corrente nominal será interrompida mais rapidamente que uma de 170%.
Correntes de até 120% do valor nominal não atuam o fusível.
A velocidade de ação dos fusíveis varia conforme sua aplicação:
- Rápidos : Estes tipos são os que têm atuação mais rápida..
- Retardados : Fusíveis para circuitos de motores elétricos e de capacitores normalmente são mais lentos pois há a necessidade de não se romper durante os picos de corrente existente durante alguns instantes após sua ligação. Na partida dos motores há corrente de até oito vezes o valor nominal, porém caso a corrente seja muito maior que oito vezes a normal o fusível passa a agir tão rápido quanto um de ação rápida.
A escolha do fusível se faz pela corrente, pela tensão e pelo tipo de circuito (se sujeito a grandes variações de corrente, ou não).
Disjuntores São também usados na proteção contra altas correntes com a vantagem de poderem ser religados várias vezes. O número de vezes é determinado pelo fabricante, mas é sempre da ordem de milhares. Os grandes disjuntores são desligados através de relés que podem por sua vez atuar por diversas grandezas físicas como por exemplo tensão, corrente ou temperatura. Como a potência comandada é muito grande os processos de ligar e desligar devem ser rápidos e precisos, e isso é conseguido, nos disjuntores de alta potência, por uma forte mola que é tensionada por um motor elétrico, e a energia mecânica acumulada na mola é descarregada no mecanismo de fechamento ou de abertura do disjuntor, fazendo com estes sejam muito rápidos.
Em circuitos de baixa potência o termo disjuntor normalmente se refere a uma chave com desligamento automático quando a corrente se eleva acima do valor nominal de funcionamento. O desligamento pode se dar pelo efeito térmico que é o mais lento, ou magnético que é o mais rápido
Símbolos
