Inst Elet Industrial parte 1, Notas de estudo de Tecnologia Industrial

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1.2 - A PRIMEIRA LEI DE OHM

Considere um fio feito de material condutor. As extremidades desse fio, são ligadas aos

pólos de uma pilha, por exemplo, como mostra a figura abaixo. Desse modo, a fonte de tensão

estabelece uma diferença de potencial no fio condutor e, conseqüentemente, uma corrente

elétrica. Para se determinar o valor da corrente elétrica, coloca-se em série no circuito um

amperímetro e, em paralelo, um voltímetro que permititrá a leitura da tensão. A montagem do

circuito está ilustrada na figura abaixo:

1.3 - ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES

Muitas vezes utilizam –se vários resistores associados entre si. Os resistores podem ser

associados em série, em paralelo ou numa combinação de ambas, a associação mista.

Resistor equivalente – É o resistor que produz o mesmo efeito que a associação, ou seja,

submetido à mesma ddp da associação, deixa passar corrente de mesma intensidade.

 Associação em série

Um circuito elétrico com resistores, um seguido do outro, de modo a oferecer um

único caminho para a passagem da corrente.

Rs é o resistor equivalente da

associação.

Características da associação em série:

 A intensidade de corrente I é a mesma em todos os resistores, pois eles estão

ligados um após o outro.

 A tensão V na associação é igual à soma das tensões em cada resistor

V = V

1

+ V

2

+ V

3

 Aplicando-se a Lei de ohm, podemos calcular a resistência do resitor equivalente

da associação, da seguinte forma :

R = R

1

+ R

2

+ R

3

 Se houver somente dois resistores em paralelo, de resistências R 1 e R 2 , a resistência

equivalente R eq dessa associação pode ser determinada por:

R

eq

R

1

x R

2

R

1

+ R

2

 Associação mista

É aquela na qual encontramos, ao mesmo tempo, resistores associados em série

e em paralelo. A determinação do resistor equivalente final é feita a partir da

substituição de cada uma das associações, em série ou em paralelo, que compõem o

circuito pela respectiva resistência equivalente.

1.4 - MEDIÇÃO DE CORRENTE E TENSÃO

O amperímetro é um aparelho que serve para medir a intensidade da corrente

elétrica. Um amperímetro perfeito é aquele que apresenta uma resistência interna nula. Ele é

disposto em série com o elemento de circuito em que se deseja medir a corrente elétrica.

voltímetro é um aparelho utilizado para medir a diferença de potencial entre dois pontos de

um circuito elétrico. O voltímetro perfeito é aquele que apresenta uma resistência interna

infinita. Ele é disposto em paralelo com o elemento de circuito da corrente elétrica que se

deseja medir.

Uma Corrente Alternada (I CA ) é aquela que inverte, periodicamente, o sentido no qual

está circulando. Ela também varia a intensidade continuamente no tempo. Uma Tensão

Alternada (V CA ) é aquela que inverte, periodicamente, a polaridade da tensão. Já Tensão ou

Corrente Alternada Senoidal é aquela cuja forma de onda é representada por uma senóide.

Dizemos que é um sinal senoidal.

A forma de onda periódica mais importante e de maior interesse é a alternada senoidal

de tensão e de corrente, porque a energia gerada nas usinas das concessionárias e a maioria

dos equipamentos usam tensão e corrente alternadas senoidais.

A maior parte da energia elétrica consumida é gerada e distribuída na forma de tensão e

corrente alternadas para os consumidores que são as residências, o comércio e,

principalmente, as indústrias. A principal razão pela qual a energia elétrica gerada e distribuída

em grande escala ser em tensão e corrente alternadas é que ela apresenta uma facilidade

tanto na geração como na transformação dos níveis de tensão (elevação ou redução). Para

transportar a energia a longas distâncias é necessário elevar a tensão a níveis que chegam a

750kV, para reduzir as perdas no transporte (principalmente por Efeito Joule). Nos centros de

consumo a tensão é novamente reduzida e distribuída aos consumidores.

Os motores de corrente alternada são construtivamente menos complexos que os

motores de corrente contínua. Isto é uma grande vantagem pois, reduz custos e cuidados com

a manutenção. Por isso são os mais baratos e os mais usados nos equipamentos.

2.2 - INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA

Quando a região onde um circuito elétrico se encontra apresenta uma variação de fluxo

magnético, surge nesse circuito, uma corrente elétrica. Este fenômeno é chamado de indução

eletromagnética.

Esta corrente induzida circula no circuito devido à uma diferença de potencial (tensão),

chamada de força eletromotriz induzida (FEM), ou simplesmente, tensão induzida.

A Lei de Faraday diz que a Fem (tensão) induzida média em um circuito é igual ao

resultado da divisão da variação do fluxo magnético numa bobina com N espiras pelo intervalo

de tempo em que ocorre, com sinal trocado. Ou seja, quanto mais o fluxo variar num intervalo

de tempo, tanto maior será a tensão induzida.

A Lei de Lenz diz que o sentido da corrente induzida é tal que origina um fluxo

magnético induzido, que se opõe à variação do fluxo magnético indutor.

Figura 2.2 – Indução Eletromagnética

Por exemplo, na figura 2.2 aproximação do imã provoca um aumento do fluxo

magnético perto da bobina. Conseqüentemente começa a circular, na bobina, uma corrente

que cria um campo magnético com polaridade inversa ao do imã. O campo criado tenta

impedir a aproximação do imã, tenta parar o imã, para manter o fluxo magnético constante

(variação de fluxo nula). Quando o ímã se afasta, o efeito é contrário e a corrente induzida tem

o seu sentido alternado.

Um condutor se movimentando num campo magnético também produz variação de

fluxo magnético e sofre, consequentemente, indução magnética de corrente.

Há três condições fundamentais que devem existir antes que uma tensão possa ser

produzida por magnetismo.

• Deve haver um CONDUTOR no qual a tensão será induzida.
• Deve haver um CAMPO MAGNÉTICO na vizinhança do condutor.
• Deve haver movimento relativo entre o campo e o condutor.

De acordo com estas condições, quando o condutor (ou condutores) se MOVER através

de um campo magnético de maneira que as linhas de campo o atravesse, elétrons DENTRO DO

CONDUTOR serão estimulados em uma direção ou outra. Assim, uma força eletromotriz, ou

tensão elétrica, é induzida (criada).

MÁQUINAS ELÉTRICAS

3.1 - CONCEITOS BÁSICOS

São apresentados a seguir os conceitos de algumas grandezas básicas, cuja

compreensão é necessária para melhor acompanhar as explicações das outras partes desta

apostila.

Motor elétrico é a máquina destinada a transformar energia elétrica em energia

mecânica (em geral, energia cinética ). No campo de acionamentos industriais, avalia-se que

de 70 a 80 % da energia elétrica consumida seja transformada em energia mecânica por

motores elétricos. Considerando-se um rendimento médio de 80 %, cerca de 15% da energia

elétrica industrial transforma-se em perdas nos motores.

3.4 - ENERGIA E POTÊNCIA ELÉTRICA

Embora a energia seja uma coisa só, ela pode se apresentar de formas diferentes. Se

ligarmos uma resistência a uma rede elétrica com tensão, passará uma corrente elétrica que

irá aquecer a resistência. A resistência absorve energia elétrica e a transforma em calor, que

também é uma forma de energia. Um motor elétrico absorve energia elétrica da rede e a

transforma em energia mecânica disponível na ponta do eixo.

 Circuitos de corrente contínua ( CC )

A “potencia elétrica”, em circuitos de corrente continua, pode ser obtida através da

relação da tensão ( V ), corrente ( I ) e resistência ( R ) envolvidas no circuito, ou seja:

P = V. I ( W ) ou, P =

V

2

R

( W ) ou, P = R.I

2

( W )

Onde: V = tensão em volt

I = corrente ampère ( A )

R = resistência em ohm (  )

P = potência média em Watt ( W )

 Circuitos de corrente alternada ( CA )

a) Resistência

No caso de “resistências”, quanto maior a tensão da rede, maior será a corrente e mais

depressa a resistência irá se aquecer. Isto quer dizer que a potência elétrica será maior. A

potência elétrica absorvida da rede, no caso da resistência, é calculada multiplicando-se a

tensão da rede pela corrente, se a resistência (carga), for monofásica.

P = V

f

. I

f

( W )

No sistema trifásico a potência em cada fase da carga será P f

= V

f x I f , como se fosse um

sistema monofásico independente. A potência total será a soma das potências das três fases,

ou seja:

P = 3P

f

= 3. V

f

. I

f

Lembrando que o sistema trifásico é ligado em estrela ou triângulo, temos as seguintes

relações:

Ligação estrela: V L

√ 3

. V

f e I L

= I

f

Ligação triângulo: V L

= V

f e I L

√

. I

f

Então, P =

S

cos ∅

( VA )

Evidentemente, para as cargas resistivas, cos ϕ = 1 e a potência ativa se confunde com

a potencia aparente. A unidade de medidas para potência aparente e o Volt-ampère (VA) ou

seu multiplo, o quilo-volt-ampère (kVA).

Potência ativa ( P ) - É a parcela da potencia aparente que realiza trabalho, ou seja, que é

transformada em energia.

P = √ 3. V. I. cos ϕ ( W ) ou P = S. cos ϕ ( W )

Potencia reativa ( Q ) - É a parcela da potência aparente que “não” realiza trabalho.

Apenas

é transferida e armazenada nos elementos passivos (capacitores e indutores) do circuito.

Q = √ 3. V. I sen ϕ ( VAr ) ou Q = S. sen ϕ ( VAr )

3.6 - DEFASAGEM (  )

É a diferença (ângulo em graus) da onda de tensão com relação a onda de corrente.

Essa diferença ocorre somente se tivermos no circuito cargas indutivas, capacitivas ou mistas.

Para cargas puramente resistivas não ocorre a defasagem pois neste caso o fator de potência é

igual a 1 (cos  = 1).

3.7 - FATOR DE POTÊNCIA

O fator de potência, indicado por cos ϕ , onde ϕ é o ângulo de defasagem da tensão em

relação a corrente, e a relação entre a potencia real (ativa) P e a potência aparente S.

cos ϕ =

P

S

P

√

3. V. I

Assim,

 Carga Resistiva: cos ϕ = 1

 Carga Indutiva: cos ϕ atrasado

 Carga Capacitiva: cos ϕ adiantado

Os termos, atrasado e adiantado, referem-se a fase da corrente em relação a fase da

tensão.

Um motor não consome apenas potencia ativa que é depois convertida em trabalho mecânico,

mas também potencia reativa, necessária para magnetização, mas que não produz trabalho.

3.7.1 - Correção do fator de potência

O aumento do fator de potência e realizado, com a ligação de uma carga capacitiva, em

geral, um capacitor ou motor síncrono superexcitado, em paralelo com a carga.

Por exemplo:

Um motor elétrico, trifásico de 100 CV (75kW), IV pólos, operando com 100% da

potência nominal, com fator de potencia original de 0,87 e rendimento de 93,5%. O fator de

potência desejado é de 0,95.

Solução:

Utilizando-se da tabela 3.1, na intersecção da linha 0,87 com a coluna de 0,95, obtém-se o

valor de 0,238, que multiplicado pela potência do motor em kW, absorvida da rede pelo motor,

Tabela 3.1 - Correção do fator de potência

3.8 - RELAÇÕES BÁSICAS DOS MOTORES ELÉTRICOS

3.8.1 Velocidade síncrona (n s

A velocidade síncrona de um motor ( n s ) é definida pela velocidade de rotação do

campo girante, que depende diretamente do número de pólos ( p ) e da freqüência ( f ) da

rede, em Hertz. Assim sendo, a velocidade síncrona de um motor é dada por:

N

s

120 f

P

(rpm)

O rotor de um motor de indução em carga, jamais gira com velocidade síncrona. Pois se

isso acontecesse a velocidade do rotor seria igual a do campo do estator. Sem o movimento

relativo entre os dois, não haveria corrente induzida no rotor, e conseqüentemente não haveria

conjugado.

3.8.2 Escorregamento (s)

Quando ligamos um motor de indução, o rotor acelera até próximo da velocidade

síncrona e, em carga nominal, ele apresenta uma velocidade ligeiramente inferior a velocidade

síncrona. Essa diferença em percentual é denominada escorregamento.

s (rpm) =

N

s

− N

N

s

ou s (%) =

N

s

− N

N

s

x 100

Onde: s = escorregamento

N

s = rotação síncrona (rpm)

N = rotação nominal (rpm)

Exemplo : Para um motor de seis pólos, 60 Hz, que gira a 1120 rpm com carga, o

escorregamento será:

s (%) =

x 100 = 6,7%

3.8.3 - Rendimento