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Proteção de motores, Notas de estudo de Cultura

proteção de motores eletricos industrias

Tipologia: Notas de estudo

2011

Compartilhado em 26/09/2011

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ROBERVAL BULGARELLI
PROTEÇÃO TÉRMICA DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS
INDUSTRIAIS
Dissertação apresentada à Escola Politécnica
da Universidade de São Paulo para obtenção
do Título de Mestre em Engenharia.
São Paulo
2006
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ROBERVAL BULGARELLI

PROTEÇÃO TÉRMICA DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS

INDUSTRIAIS

Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do Título de Mestre em Engenharia.

São Paulo 2006

ROBERVAL BULGARELLI

PROTEÇÃO TÉRMICA DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS

INDUSTRIAIS

Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do Título de Mestre em Engenharia.

Área de Concentração: Sistemas de Potência

Orientador: Prof. Dr. Eduardo César Senger

São Paulo 2006

AGRADECIMENTOS

Expresso meus agradecimentos à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo por ter proporcionado a oportunidade de evolução pessoal, profissional e acadêmica, decorrentes da pesquisa, elaboração e realização deste trabalho de mestrado;

Ao professor e orientador Dr. Eduardo César Senger, pela dedicação à disciplina, pelo incentivo, apoio, diretrizes e orientação durante a pesquisa, desenvolvimento e elaboração deste trabalho;

Aos professores José Roberto Cardoso, José Antônio Jardini e Armando de Oliveira Alves de Souza, pelo apoio e incentivo para o ingresso no Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica da Escola Politécnica da USP;

Aos professores Josemir Coelho dos Santos, Lourenço Matakas, Sérgio Luiz Pereira e Cícero Couto de Moraes, pelo profissionalismo e dedicação na transmissão de conhecimentos nas disciplinas cursadas na pós-graduação e que, além de competentes professores, mostraram-se também grandes colegas, enriquecendo e tornando ainda mais gratificante o período de Mestrado na POLI/USP;

Aos colegas da área de proteção de sistemas elétricos de potência do Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas (PEA) e do Laboratório de Pesquisa em Proteção de Sistemas Elétricos (L-PROT), pela amizade, apoio e companheirismo demonstrados durante as etapas de pesquisa e desenvolvimento dos trabalhos;

Ao engenheiro Stanley Ernest Zocholl, pesquisador norte-americano, Life-Fellow do IEEE, exemplo de profissional dedicado à pesquisa sobre proteção de sistemas elétricos, atuante na área desde os anos 50 até a proteção digital moderna, autor de livros e de diversos artigos que serviram como referência para a pesquisa e elaboração deste trabalho;

À Petrobras – Refinaria Presidente Bernardes de Cubatão (RPBC), que forneceu os necessários incentivo, apoio e infra-estrutura para a participação nos estudos e trabalhos do programa de mestrado da EPUSP;

À minha esposa, pela constante presença, paciência, compreensão e estímulo, durante todo o período de elaboração deste trabalho;

A todos os colegas, professores e amigos que direta ou indiretamente colaboraram para a realização deste trabalho de pesquisa.

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RESUMO

Em função das limitações apresentadas pelos relés eletromecânicos, a proteção térmica de motores foi historicamente tratada como um problema de coordenação de sobrecorrente, sem levar em consideração a dinâmica e o histórico térmico envolvido na operação contínua do motor. Os atuais relés microprocessados para proteção de motores implementam equações diferenciais de primeira ordem, cujos algoritmos, processados em tempo real, possibilitam uma nova abordagem para uma adequada proteção térmica, utilizando modelos matemáticos. Especialmente para os motores industriais de grande porte e de maior importância operacional, somente os recentes relés de proteção microprocessados e seus algoritmos digitais tem sido efetivamente capazes de fornecer proteção adequada, baseados em modelos térmicos que realisticamente estimam, continuamente e em tempo real, o nível térmico atual do motor.

A proteção térmica de motores de indução trifásicos tem sido uma das maiores áreas onde a proteção numérica, baseado em microprocessadores, tem proporcionado um aprimoramento do nível básico das funções de proteção de motores. O método da proteção térmica tem sido aperfeiçoado, de forma a implementar modelos que levam em consideração o aquecimento do motor devido às correntes de seqüência positiva e negativa e as características térmicas de um motor de indução. A capacidade do processamento digital de sinais tem possibilitado a implementação de novas soluções para as deficiências de proteção de motores industriais trifásicos apresentadas pelas tecnologias convencionais de proteção, até então fundamentadas em proteção de sobrecorrente.

As principais funções de proteção aplicáveis para motores trifásicos industriais, bem como os aspectos do estado da arte de hardware , software e filtros digitais implementados nos atuais relés de proteção microprocessados são discutidos neste trabalho. O equacionamento de um sistema térmico de primeira ordem e os requisitos de modelo para a implementação da proteção térmica de motores são também aqui analisados. São discutidas as dinâmicas de dois modelos térmicos, um baseado em proteção por sobrecorrente e outro baseado em um sistema térmico de primeira ordem. São simulados e comparados os desempenhos destes dois diferentes algoritmos de proteção térmica de motores, quando submetidos às correntes de carga e de sobrecarga, tanto constantes como cíclicas.

Palavras chaves : modelo de proteção térmica, modelo térmico, proteção térmica de motor, proteção de sobrecorrente, relé microprocessado para proteção de motor.

iii

  • 1 Introdução......................................................................................................................... SUMÁRIO
  • 2 Características gerais e aplicação de motores trifásicos industriais.................................
    • 2.1 Características gerais de motores de indução trifásicos industriais.................................
    • 2.2 O Fator de Serviço (FS) de motores ................................................................................
      • função do nível de tensão do sistema elétrico. ................................................................ 2.3 Faixas típicas de potência utilizadas em motores de indução trifásicos industriais, em
    • 2.4 Tipos de falhas em motores de indução trifásicos...........................................................
    • 2.5 Riscos potenciais de danos ao motor.............................................................................
    • 2.6 Problemas, sintomas e possíveis soluções para elevações de temperatura em motores.
    • 2.7 Classificação dos sistemas de isolação de motores .......................................................
  • 3 Funções de proteção para motores elétricos trifásicos industriais .................................
    • 3.1 Conceitos gerais e critérios para proteção de motores industriais.................................
    • 3.2 Funções de proteção aplicáveis a motores trifásicos industriais ...................................
    • 3.3 Proteção térmica (Função 49)........................................................................................
    • 3.4 Proteção de sobrecorrente instantânea e de tempo inverso (Funções 50/51) ................
    • 3.5 Proteção de sobrecorrente de terra (Função 50 GS)......................................................
    • 3.6 Proteção de desbalanço de corrente ou corrente de seqüência negativa (Função 46) ...
    • 3.7 Proteção por inibição de repartida (Função 66).............................................................
    • 3.8 Proteção por monitoração de tempo de partida ou partida longa (Função 48)..............
    • 3.9 Proteção de subvelocidade (Função 14) ........................................................................
    • 3.10 Proteção diferencial para motor (Função 87 M)............................................................
    • 3.11 Proteção de subtensão (Função 27) ...............................................................................
    • 3.12 Proteção contra rotação ao contrário ( back-spin ) ..........................................................
      • potência e da aplicação dos motores em sistemas industriais. ...................................... 3.13 Critérios típicos de aplicação de funções de proteção de motores, em função da

iv

4 Estado da arte de hardware, filtros e algoritmos de relés microprocessados para proteção de motores. ...................................................................................................... 4.1 Componentes de hardware de relés microprocessados para proteção de motores ........ 4.2 Filtragem analógica antialiasing.................................................................................... 4.3 A Conversão A/D em relés de proteção microprocessados........................................... 4.4 O DSP - Processador Digital de Sinais e a arquitetura para hardware para implementação de filtros do tipo FIR ............................................................................ 4.5 Algoritmos e filtragem digital em relés microprocessados de proteção de motores ..... 4.6 Características de projeto de filtros digitais para relés de proteção numéricos............. 4.7 A função de sobrecorrente instantânea adaptativa em relés microprocessados devido à saturação de TC’s. .........................................................................................................

5 Modelo para proteção térmica de motores de indução trifásicos industriais baseado em sistemas térmicos de primeira ordem ............................................................................. 5.1 Conceitos básicos sobre sistemas térmicos ................................................................... 5.2 Perdas em motores de indução trifásicos industriais ..................................................... 5.3 Modelagem da potência térmica dissipada no motor – componentes de seqüência negativa.......................................................................................................................... 5.4 Características e cálculo da constante de tempo térmica ( τ ) de um motor de indução.. 5.5 Equacionamento de um sistema térmico de primeira ordem......................................... 5.6 A dinâmica de um modelo de proteção baseado em um sistema térmico de primeira ordem ............................................................................................................................. 5.7 O modelo de proteção térmica de motores apresentado na Norma IEC 60255-8 .........

6 Modelo para proteção térmica de motores de indução trifásicos industriais baseado em modelo de sobrecorrente ................................................................................................ 6.1 Aplicação histórica da função de proteção por sobrecorrente para proteção de motores 91 6.2 As características tempo-corrente das Normas ANSI/IEEE C37.112 e IEC 60255-3 e a implementação digital da função de sobrecorrente ....................................................... 6.3 Algoritmo do modelo de proteção por sobrecorrente com reset térmico ......................

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 – Distribuição de consumo de energia elétrica no Brasil...........................................

Figura 1.2 – Distribuição de consumo de energia elétrica no setor industrial brasileiro ............

Figura 1.3 – Distribuição de acionamentos na indústria .............................................................

Figura 2.1 – Temperaturas limites normalizadas para as classes térmicas de sistemas de isolação normalmente utilizadas nos atuais motores de indução trifásicos...........

Figura 3.1 - Exemplo de aplicação de relé de proteção multifunção a um motor de indução trifásico. ...................................................................................................

Figura 3.2 - Curva típica de limite de dano térmico e de corrente de partida de um motor......

Figura 3.3 - Esquema de ligação de cabos de média tensão e blindagens através de TC toroidal para proteção Ground Sensor ...................................................................

Figura 3.4 – Esquema típico de proteção diferencial autobalanceada para motores.................

Figura 3.5 – Valores mínimos de tempo t E de motores do tipo Segurança Aumentada em função da relação da corrente de partida e corrente nominal ( I A/ I N).....................

Figura 4.1 - Diagrama de blocos de um relé microprocessado para proteção de motor. ..........

Figura 4.2 - Arquitetura de hardware para implementação de um filtro do tipo FIR. ..............

Figura 4.3 - Tempo de operação de um relé de proteção microprocessado versus taxa de amostragem............................................................................................................

Figura 4.4 - Diagrama de blocos de um elemento de sobrecorrente instantâneo (Função 50) com filtro adaptativo de cosseno e de pico. ......................................

Figura 5.1 - Distribuição de corrente nas barras do rotor de um motor de indução em função do escorregamento e do desequilíbrio de correntes...................................

Figura 5.2 - Curvas típicas de corrente, torque do motor e resistência do rotor versus escorregamento, durante a partida de um motor. ..................................................

Figura 5.3 - Resposta de aquecimento de um motor quando submetido a um degrau de corrente nominal....................................................................................................

Figura 5.4 – Resposta de aquecimento de um motor submetido à corrente nominal e resfriamento após desligamento. ...........................................................................

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Figura 5.5 – Representação de um motor como um sistema térmico de primeira ordem. ........

Figura 5.6 - Resposta dinâmica do modelo de proteção térmica de primeira ordem, com motor em estado inicial a frio................................................................................

Figura 5.7 - Resposta dinâmica do modelo de proteção térmica de primeira ordem, com motor em estado inicial (prévio) a quente. ............................................................

Figura 6.1 - Curvas características de tempo inverso para trip e para reset ..............................

Figura 6.2 - Coordenação obtida entre a característica de tempo Extremamente Inversa (EINV) e a característica de um fusível de média tensão......................................

Figura 6.3 – Superposição de curva de sobrecorrente do tipo extremamente inverso com os pontos da curva característica número 1 do manual do relé de proteção de motor....................................................................................................................

Figura 7.1 - Curva característica número 5 do manual de relé de proteção de motor do tipo modelo de sobrecorrente, para coordenar com o tempo e corrente de rotor bloqueado do motor. ...................................................................................

Figura 7.2 - Comparação de resposta do modelo térmico e do modelo de sobrecorrente com o motor submetido à corrente de carga constante........................................

Figura 7.3 - Comparação de tempo para trip entre ambos os modelos térmicos, submetidos à corrente de sobrecarga constante...................................................

Figura 7.4 - Comparação de resposta do modelo térmico e do modelo de sobrecorrente frente a corrente de carga seguida de sobrecarga constante. ...............................

Figura 7.5 - Resposta do modelo de proteção térmica submetido à uma corrente cíclica de sobrecarga igual ao limite do trip térmico, com o motor previamente aquecido...............................................................................................................

Figura 7.6 - Resposta do modelo de sobrecorrente submetido à uma corrente cíclica de sobrecarga igual ao limite do trip térmico, com o motor previamente aquecido...............................................................................................................

Figura 7.7 - Comparação de resposta do modelo de proteção térmica e de sobrecorrente submetidos à uma corrente cíclica de sobrecarga igual ao limite do trip térmico, com o motor previamente aquecido. .....................................................

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LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 – Faixas típicas de potência utilizadas para aplicação de motores industriais, com partida direta na rede, em função do nível de tensão do sistema elétrico. .......................

Tabela 2.2 - Tipos e taxas de falhas ocorridas em motores industriais. ......................................

Tabela 2.3 - Tipos e objetivos das proteções em motores elétricos ..........................................

Tabela 2.4 – Problemas, sintomas e possíveis soluções para elevações de temperatura em motores industriais. ........................................................................................................

Tabela 2.5 - Temperaturas máximas de enrolamentos para sobrecargas com variação lenta, de acordo com a Norma IEC 60034-11. .............................................................................

Tabela 3.1 - Funções de proteção indicadas na Norma ANSI/IEEE C37.2, aplicáveis a motores industriais trifásicos..........................................................................................

Tabela 6.1 - Constantes e expoentes para curvas características de tempo-corrente inverso, de acordo com a Norma ANSI/IEEE C37-112. ..................................................................

Tabela 6.2 - Constantes e expoentes para curvas características de tempo-corrente inverso, de acordo com a Norma IEC 60255-3. ...............................................................................

1

1 INTRODUÇÃO

A proteção de equipamentos e sistemas elétricos de potência por relés é uma área da engenharia elétrica que está em constante mudança e expansão, o que desafia aqueles que se encontram envolvidos com esta área. As mudanças de tecnologias aplicadas, iniciando com a eletromecânica, passando depois de muitas décadas para a de circuitos eletrônicos analógicos a semicondutor discreto, logo depois para os circuitos integrados e mais recentemente para microprocessadores, têm contribuído para a solução de antigos problemas, representando um campo fascinante de estudo e pesquisa.

Embora algumas vezes rotulada como conservadora, a área de proteção de sistemas elétricos de potência, tanto em termos de filosofia como em termos de equipamentos, vem passando por grandes inovações em um curto espaço de tempo.

A história da evolução dos relés de proteção para sistemas elétricos é um dos aspectos mais surpreendentes da evolução tecnológica dentro da área da engenharia elétrica. Neste contexto histórico, que teve origem no início do século XX, os relés eletromecânicos, com componentes baseados em mecânica de precisão e de relojoaria, com características monofásicas e de uma única função de proteção, provaram ser eficientes e confiáveis por cerca de um século. Ainda hoje são encontrados diversos sistemas elétricos operando com este tipo de equipamentos eletromecânicos. Ao longo das três últimas décadas os relés de proteção sofreram uma evolução substancial em seus aspectos tecnológicos, construtivos e de operação, incorporando os avanços da microeletrônica, dos processadores digitais de sinais e das redes de comunicação de dados. Em meados da década de 60, os relés estáticos, com tecnologia eletrônica analógica, sucederam os relés eletromecânicos, porém tiveram um período de vida extremamente curto. Na década de 80, os relés microprocessados, já incorporando definitivamente o conceito do processamento digital de sinais, dos elementos de software , da multi-funcionalidade e da comunicação de dados, rapidamente substituíram os relés das duas gerações anteriores.

As indústrias de um modo geral se esforçam para otimizar o tempo de operação das plantas e dos processos produtivos. Uma vez que os motores elétricos representam cerca de 90% dos acionamentos das máquinas associadas a estes processos, a identificação e a correção de problemas de manutenção elétricos e mecânicos destes motores são fundamentais para a elevação dos níveis de confiabilidade do sistema e para o aumento dos lucros operacionais.

3

relação ao consumo de energia e aos tipos de acionamentos industriais, divulgados pelo Ministério das Minas e Energia - ELETROBRAS - PROCEL - Programa de Conservação de Energia Elétrica [2] são indicados nas Figuras 1.1, 1.2 e 1.3 apresentadas a seguir.

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27 Industrial Comercial Residencial

Figura 1.1 – Distribuição de consumo de energia elétrica no Brasil

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6 2

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Motores Processos Eletroquímicos Aquecimento Refrigeração Iluminação

Figura 1.2 – Distribuição de consumo de energia elétrica no setor industrial brasileiro

Motores Elétricos Outros Acionamentos

Figura 1.3 – Distribuição de acionamentos na indústria Este trabalho se propõe a estudar a proteção térmica de motores através da seguinte seqüência de capítulos e evolução de assuntos:

  • No Capítulo 2 deste trabalho são apresentadas as características técnicas gerais de motores trifásicos industriais, bem como considerações sobre suas aplicações e defeitos ocorridos.

4

  • No Capítulo 3 são apresentadas as características e considerações sobre as principais funções de proteção aplicáveis para motores industriais.
  • No Capítulo 4 é apresentado o estado da arte de hardware e de software de um relé microprocessado para a proteção de motores, bem como considerações sobre filtros digitais e os principais algoritmos utilizados nestes relés numéricos.
  • No Capítulo 5 são discutidos os requisitos necessários para um adequado modelo para proteção térmica de motores, bem como o equacionamento de um sistema térmico de primeira ordem. É também analisado um algoritmo baseado na equação diferencial deste sistema térmico e a dinâmica de resposta deste modelo. São efetuadas considerações sobre as suas características, comparados com os requisitos e equacionamento apresentados na atual edição da Norma internacional IEC 60255-8.
  • No Capítulo 6 são discutidos, para fins de comparação com o modelo térmico do sistema de primeira ordem, detalhes e a dinâmica de um modelo baseado na função de proteção de sobrecorrente, ainda atualmente utilizado na proteção térmica de motores por alguns fabricantes. É analisado um modelo térmico que implementa esta dinâmica para a região de operação ( trip ), utilizando a constante de tempo térmica do motor para o decréscimo exponencial do valor do elemento de sobrecorrente ( reset térmico ).
  • No Capítulo 7 são comparados os desempenhos dos dois algoritmos destinados à proteção térmica de motores, um baseado em um sistema térmico de primeira ordem e outro baseado em um modelo de sobrecorrente. É apresentada também uma comparação entre a medição real de temperatura de um motor, quando submetido a correntes cíclicas de sobrecarga, com a resposta de estimativa de nível térmico calculado por um algoritmo de proteção baseado em um sistema térmico de primeira ordem.

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confiabilidade, quando comparados com os motores do tipo gaiola de esquilo. Em aplicações industriais da atualidade, os motores com rotor bobinado estão tornando-se cada vez mais raros, ficando restritos a somente algumas aplicações especificas, sendo cada vez mais freqüentemente substituídos por motores do tipo gaiola de esquilo, acionados por conversores de freqüência eletrônicos.

Embora os princípios de um motor de indução tenham se mantido inalterados, significantes progressos tecnológicos têm sido introduzidos através dos anos, particularmente nas últimas décadas.

Em comparação com os primeiros motores de indução trifásicos, os motores atuais são mais compactos, leves, confiáveis e eficientes. Os assim chamados motores de “alta eficiência” possuem reduzidas resistências de enrolamento e materiais com baixas perdas ferro-magnéticas, que resultam em considerável economia de energia. Motores com alta eficiência são atualmente ainda relativamente mais caros do que os motores padrão, mas em muitas aplicações, o período de retorno do investimento é bastante reduzido, o que justifica a sua especificação e utilização nos novos sistemas elétricos industriais. Conservativamente, o período de vida médio de um motor de indução trifásico pode ser estimado em cerca de 20 anos, embora motores devidamente dimensionados e manutenciados possam operar adequadamente por décadas. [3]

2.2 O Fator de Serviço (FS) de motores

Uma característica importante para o estudo de proteção térmica de um motor é o denominado Fator de Serviço , definido como um fator multiplicador (por exemplo, 1.00, 1.05, 1.10 ou 1.15) que, quando aplicado à potência nominal do motor de indução, indica a carga que pode ser acionada continuamente sob tensão e freqüência nominais, dentro do limite permitido de elevação de temperatura do enrolamento.

Quando da operação do motor utilizando o fator de serviço, os valores de rendimento, fator de potência e velocidade podem diferir dos valores nominais, porém o conjugado, a corrente de rotor bloqueado e o conjugado máximo permanecem inalterados. O fator de serviço representa uma capacidade de sobrecarga contínua, ou seja, uma “reserva” de potência que possibilita ao motor uma capacidade de suportar melhor a operação em condições desfavoráveis de sobrecarga.

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A utilização do fator de serviço implica uma vida útil inferior àquela do motor com carga nominal. O fator de serviço não deve ser confundido com a capacidade de sobrecarga momentânea que o motor pode suportar, geralmente da ordem de alguns minutos.

A norma NBR 7094 - Máquinas Elétricas Girantes - Motores de Indução e NEMA MG 1 – Motors and Generators [5], especificam os fatores de serviço usuais em função de classes de potência. Fator de serviço 1.0 significa que o motor não foi projetado para operar continuamente acima de sua potência nominal, entretanto, não muda a sua capacidade para sobrecargas ocasionais. Para o caso de Fator de Serviço 1.0, os motores trifásicos com potência nominal inferior ou igual a 315 kW e com tensão nominal inferior ou igual a 1 kV devem ser capazes de suportar uma corrente de sobrecarga ocasional igual a 1.5 vezes a corrente nominal durante um mínimo de 2 minutos. Para os motores trifásicos com potência nominal superior a 315 kW, nenhuma sobrecorrente ocasional é especificada para motores com Fator de Serviço 1.0. Estes motores devem, entretanto, serem capazes de suportar durante 15 s, sem parada ou mudança brusca de velocidade, um excesso de 60% do seu conjugado nominal, sob tensão e freqüência nominais.

2.3 Faixas típicas de potência utilizadas em motores de indução trifásicos industriais, em função do nível de tensão do sistema elétrico. Os critérios de projeto para dimensionamento de circuitos de força e de dispositivos de manobra, comando e proteção de motores industriais levam ao estabelecimento prático de faixas de potência típicas, adotadas para a seleção de motores, em função dos níveis de tensão normalmente existentes em sistemas elétricos industriais de grande porte. Desta forma, requisitos práticos de especificação de circuitos elétricos para alimentação de motores, tais como, por exemplo, a seção nominal dos cabos, queda de tensão na partida e nível de potência dos transformadores e níveis de curto circuito de painéis do tipo CCM limitam as faixas de potência nominal dos motores de indução trifásicos normalmente adotadas, dentro de cada nível de tensão existente.

Para os casos típicos de aplicação de motores de indução trifásicos com partida diretamente na rede, à plena tensão, em grandes sistemas industriais de plantas de processamento de petróleo e plantas petroquímicas, são normalmente utilizados os valores de potência de motores em função do nível de tensão do sistema elétrico, conforme indicado na Tabela 2.1.