Aula 07 - Componentes mecânicos utilizados em painel elétrico de comando

O painel de comando é um conjunto importante, porque contém os dispositivos eletroeletrônicos que controlam o funcionamento da máquina. Sua infraestrutura é composta de: caixa; trilhos; canaletas e acessórios.
Um painel elétrico de comando e montagem industrial pode ser definido como um compartimento modular utilizado para alocar dispositivos eletrônicos em seu interior. Geralmente, os painéis são construídos em estruturas em chapa metálica, com perfis de dobras perfurados ou não, possuindo fechamentos em chapas e portas com sistema de fecho.

O painel elétrico de comando e montagem deve ser construído somente com materiais capazes de resistir esforços mecânicos, elétricos e térmicos, bem como aos efeitos da umidade, que provavelmente serão encontrados em serviço normal. A proteção contra corrosão deve ser assegurada pelo uso de materiais apropriados ou pela aplicação de camadas protetoras equivalentes em superfície exposta, levando em conta as condições pretendidas de uso e manutenção. Os dispositivos e os circuitos de um conjunto devem ser dispostos de maneira que facilite a sua operação e manutenção e, ao mesmo tempo, que assegure o grau necessário de segurança.

Os painéis elétricos de baixa tensão são normatizados NBR IEC 60439-1 (“Conjuntos de manobra e controle de baixa tensão”). Esta norma foi publicada em 01/05/2003, substituindo a antiga NBR 6808 que deixou de vigorar. A norma também é chamada de NBR IEC porque é uma norma equivalente a IEC. A ABNT define que uma norma Brasileira é denominada “equivalente” quando é idêntica à norma internacional, caso contrario seria definida como “baseada”.

Um painel elétrico de comando é utilizado para controlar uma máquina e/ou equipamento. Neste caso, os componentes de um painel de controle dependem da máquina que estão sendo comandadas e do tipo de controle que é necessário. Dificilmente, na literatura, será possível encontrar um assunto que fale sobre todos os tipos de comandos, uma vez que é a exigência do sistema que orienta o controle. Na montagem do painel elétrico de comando são utilizadas chaves eletrônicas, inversores, contatores, CLPs e dispositivos de entrada de sinais (sensores, medidores, etc) com o objetivo de controlar outros dispositivos eletrônicos.

Também são painéis similares ao CCM, porém se diferenciam por conter conversores CC-CC, CC-CA ou CA-CC com a finalidade de, além de acionar, controlar motores elétricos.
Os quadros protegem o painel elétrico como também evita que se ocorra acidentes, como choque elétrico ou dano aos componentes e condutores.
Existem no mercado consumista os mais diversos e variados tipos conectores e de terminais, cada um com um determinado meio de utilização.
A especificação técnica de um painel de comando é dada por: Fabricante, Modelo e Tamanho onde deve estar definido: Altura (A), Largura (L), Profundidade (P) e Peso (Kg).
As dimensões de quadros podem ser consultadas nos catálogos disponíveis nos links abaixo: 14_08_011 Quadros de Comando Standart .

Os trilhos usados em painéis de comandos elétricos servem para fixar e manter os dispositivos elétricos alinhados em uma mesma posição.

Figura 01 - Trilho DIN35 ( 35 x 7,5 mm).

Eles são fabricados em material metálico, principalmente aço bicromatizado ou galvanizado. Podem também ser encontrados em alumínio ou cobre. Normalmente, são fornecidos já perfurados para facilitar a instalação, mas também há a opção de não perfurados. Os fabricantes fornecem esses trilhos em barras de geralmente 2 m de comprimento.
Você pode encontrar, basicamente, quatro padrões de trilho de fixação para a montagem de painéis: o padrão DIN 35 (que é o mais comum).
Trilho DIN é uma estrutura sobre a qual são fixados de componentes elétricos e eletrônicos em instalações especialmente de painéis elétricos, recebe esse nome devido ao padrão DIN que estabelece suas medida e especificações.

As canaletas servem para acondicionar os condutores elétricos de forma organizada e estética em um painel de comando. São feitas de plástico PVC (cloreto de polivinila) com propriedade autoextiguível, ou seja, não propagam chamas.

Figura 01 - Dimensões de Canaletas

As canaletas podem possuir perfurações laterais transversais, destinadas à passagem dos condutores que vão para os dispositivos elétricos instalados na placa de montagem. Possuem tampa plástica que deve ser encaixada após a instalação das canaletas e condutores (fiação) do painel.

Encontramos canaletas de diversos tamanhos, com variações das medidas de largura (L) e altura (A). As larguras mais comuns, em mm, são: 15, 20, 30, 50, 60 e 80, e as alturas mais comuns, em mm, são: 20, 30, 50 e 80. Os fabricantes de canaletas combinam essas medidas formando alguns padrões e modelos, como por exemplo: canaleta de 30 mm x 50 mm (L x A).

O tamanho da canaleta são definidos em função da quantidade de condutores e de sua bitola ou secção transversal. Quanto mais condutores passando nas canaletas, ou quanto maior a bitola, maiores devem ser as canaletas.
As dimensões de canaletas podem ser consultadas no catálogo disponível no link abaixo: 14_08_010 Canaletas.pdf .

A função dos prensa-cabos é prender o cabo elétrico que sai de um painel para um motor ou uma válvula.

Figura 1 - Prensa Cabos

Os prensa-cabos são fabricados em diversas medidas para atender os variados diâmetros dos cabos elétricos.

O procedimento de instalação de prensa-cabos consiste em:

a) selecionar o prensa-cabo que se vai utilizar, de acordo com o diâmetro do cabo que vai prender;

b) consultar o catálogo do fabricante para identificar o diâmetro do furo a ser feito no painel;

c) selecionar a serra-copo mais adequada para a furação;

d) fazer o furo e fixar o prensa-cabo.
As dimensões de prensa cabos podem ser consultadas nos catálogos disponíveis nos links abaixo: 17_09_01 Prensa Cabos e Tampões.

© Direitos de autor. 2019: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 01/09/2019

Aula 06 - Como usar o CADe Simu para desenhar diagramas elétricos

Figura 01 - Barra de ferramenta do
Software CADe Simu

Para realizar a construções de diagramas elétricos no CADe Simu antes de qualquer coisa, é necessário que vocês tenham um conhecimento mínimo de Comandos Elétricos. 
O CADe Simu possui sua interface  muito amigável, para desenvolver desenhos elétricos. Sua ampla biblioteca é dividida em grupos: Alimentações: Rede trifásica RST, Neutro, Aterramento, Tensões + e - tipo VCC; Fusíveis : tipo NH e tipo seccionadora; Disjuntores: disjuntores do tipo unipolar, bipolar, tripolar, disjuntor-motor. Contatores, botoeiras, botões pulsador e fixo, contatos auxiliares. Motores: motores trifásico, dahlander, monofásico ,motores com rotor-bobinado, motores corrente-continua. Dispositivos : fim de curso, sensores, auto-transformador , reles temporizadores ( on-delay / off-delay ). O melhor de tudo isso é você pode fazer a simulação do seu circuito corrigindo possíveis erros e falhas na elaboração do desenho.

Figura 02 - Edição de componentes
no Software CADe Simu

Primeiramente temos que executar o CADe_Simu.exe e em seguida colocar a senha (Digite: 4962) na caixa “Clave de acesso a CADe_SIMU”. Tendo feito isso a tela do software irá abrir e está tudo pronto para começar.

Na barra de ferramentas há ícones que abrem a biblioteca de símbolos elétricos que estão agrupados por funções de: Alimentações, Fusíveis, Proteções, Contatores, Motores, etc... 

Vamos então inserir a rede trifásica para podermos alimentar nossas cargas (Motor). Vamos selecionar a rede trifásica. Depois é só clicar sobre a área onde é desenhado o diagrama e arrastar o mouse.

Pronto, criamos a rede trifásica, você pode criar com este ícone de três linhas ou uma a uma (você é quem escolhe). Vamos adicionar os fusíveis, o contator, o relé térmico e o motor.

OBS: Clicando duas vezes sobre o contato é possível alterar as TAG`s (nomenclaturas) destes, faça isto para melhor organizar seu diagrama.

Figura 03 - Simulação de funcionamento no 
Software CADe Simu

Utilize as linhas para interligar os componentes e não se esqueça de colocar os nós em todos os cruzamentos das linhas. Com todos os componentes identificados vamos incluir a alimentação na linha. Vamos montar o diagrama de comando, encontre os contatos necessários para satisfazer sua necessidade. No meu exemplo estarei utilizando a partida direta de motor trifásico. Execute os mesmos procedimentos do diagrama de potência, colocando os contatos e nomeando-os.

OBS: Não se esqueça da alimentação do diagrama de comando e também coloque os “nós” em cada intersecção de fases.

Vamos à simulação: Com o diagrama pronto click no botão de PLAY, Acione os disjuntores, Acione os botões para começar a simulação. Veja se o comando corresponde ao que se espera.

O Software CADeSimu pode ser baixado no link a seguir: CADeSimu_setup_PT_BR .

© Direitos de autor. 2016: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 20/11/2016

Aula 05 - Símbolos Elétricos e Diagrama de Comandos

Para poder analisar um circuito elétrico industrial deve ter em mente um conceito fundamental: tratar o circuito em duas partes separadas (circuito de comando, e circuito de força). O circuito de comando mostra a “lógica” com que o circuito de força deve operar e é composto por Botoeiras que realizam juntamente com os Contatores o comando funcional do motor. O circuito de força, por sua vez, estabelece ou não a energia para a carga e é composto por Fusíveis, Relé Térmico e Contatores .

Botoeiras São elementos de comando que servem para energizar ou desenergizar contatores, sendo que comutam seus contatos NA ou NF através de acionamento manual. 

Podem variar quanto às cores, formato e proteção do acionador, quantidade e tipos de contatos, e reação ao acionamento. Quanto ao formato e proteção do acionador temos desde as botoeiras tipo soco, que têm o acionador grande na forma de “cogumelo”, sendo de fácil acionamento, destinadas à situações de emergência; até as botoeiras com acionador protegido por tampa, que evitam o acionamento por toque acidental e somente devem ser operadas conscientemente. 

A variação quanto à reação ao acionamento consiste de dois tipos: as de posição mantida que trocam a condição do contado NA ou NF toda vez que são operadas e permanecem na nova posição até o próximo acionamento; e as pulsantes, que trocam a condição do contato somente enquanto existir a pressão externa, voltando às condições iniciais assim que cesse a mesma.

Fusíveis são elementos de proteção contra curto-circuito que operam pela fusão de seu elo, que é o elemento especialmente projetado para se fundir com o aquecimento provocado pela passagem de corrente elétrica acima de determinado valor. 

Os Fusíveis Diazed cujas características são do elo ser feito de cobre e a fusão se dar em um ambiente cheio de areia, o que propicia fácil extinção do arco, fazendo com que cortem correntes de até 100 kA com segurança. Possuem também a sinalização de queima e são feitos nas versões rápido e retardado, sendo este último utilizado em circuitos de motores, não atuando indevidamente durante a partida, dos mesmos, instante no qual é solicitada uma corrente de 8 vezes a corrente nominal do motor.

Contatores são dispositivos que permitem basicamente ligar/desligar qualquer dispositivo elétrico sem que seja necessário conectar/desconectar a rede elétrica manualmente, isto é possível pois os contatores são produzidos com uma bobina interna, que ao ser acionada cria um campo magnético que inverte todos os contatos de um contator, realizando assim a ação de ligar/interromper o circuito, além da função básica de realizar o trabalho de ligar/desligar o circuito, os contatores possuem contatos auxiliares, e são estes contatos que utilizamos para realizar circuitos lógicos com os contatores. 

Os contatos terminados em 1 e 2, por exemplo 11, 12, 21, 22, etc são os contatos normalmente fechados, que se tornam abertos quando o contator é acionado. Já os contatos terminados em 3 e 4, por exemplo 33, 34, 23, 24, etc são os contatos normalmente abertos, que se tornam fechados quando o contator é acionado. Sendo assim, você pode utilizar todos estes contatos para realizar qualquer tipo de lógica.

Relé térmico é um relé de sobrecorrente de atuação temporizada efetuada por um bimetal. O bimetal consiste de duas lâminas, de dois matérias com coeficientes de dilatação diferentes, coladas longitudinalmente, e sendo enrolado sobre elas um condutor, no qual passa a corrente da carga . 

Com a passagem desta corrente, o calor dissipado faz com que estas duas lâminas se dilatem de forma desigual, fazendo uma deflexão, responsável pela abertura/fechamento de contatos auxiliares, localizados na sua extremidade livre. A atuação da proteção, com consequente parada do motor, se dá através da bobina do contator. Esta proteção é usada como sobrecarga e é normalmente regulada para um aumento de corrente da ordem de 20 a 60%. É temporizada por ser realizada através de efeito térmico, o qual leva um tempo para se propagar/estabilizar.

O diagrama trifilar e o funcional para a ligação básica de um motor, a qual deverá atender os seguintes requisitos: Ligar e desligar um motor através de um contator e botoeiras pulsantes; Utilizar fusíveis para proteção de curto-circuito e relé térmico para sobrecarga; A atuação do térmico deverá parar o motor através do contator e sinalizar a sua atuação; Sinalizar também as condições de motor ligado e desligado e Medir a corrente da fase V, e as tensões entre as fases utilizando uma chave de transferência voltimétrica.

A figura mostra um dos circuitos mais elementares: a partida direta de motores. À esquerda podemos ver o circuito de força, onde temos 3 fusíveis (um para cada fase), um contator tripolar (que liga ou desliga o motor), o relé térmico, e o motor de indução trifásico.

Nesse exemplo o único componente de manobra é o contator K1. Imaginem ainda que desejamos ligar esse motor através de um botão (botoeira), e desligá-lo através de outro botão. Ora, o circuito de comando direto mostra exatamente isso. As linhas da esquerda e da direita estabelecem os limites do circuito de comando. Caso esse contator tivesse a bobina alimentada por 24 Vcc (por exemplo), a linha da esquerda seria +24 Vcc e a da direita 0 V (ou terra).

Notem que temos os contatos do relé térmico (proteção) em série com uma botoeira de desligamento (tipo NF), uma botoeira de “liga” (NA) e, finalmente, a bobina do contator. Em paralelo com a botoeira “liga” temos um contato K1, esse contato é chamado auxiliar ou “de selo”.

O contato de selo serve para manter o contator fechado na ausência da atuação da chave liga, após o sistema ter sido acionado. Em outras palavras, quando acionamos L o contator “entra” e o contato de selo também. Como ele está em paralelo com a chave liga (L), mesmo após tirarmos o “dedo”, o sistema continuará ligado. Para desligar, basta pressionarmos a chave desliga (D) que, por ser normalmente fechada (uma vez acionada), interromperá o processo.

O projeto de um diagrama é essencial para a montagem dos circuitos, auxilando o eletricista corretamente. A atenção é indispensável durante o projeto do diagrama de comando e potência, garantindo assim a segurança na prática.

O Diagrama de Comando representa a parte elétrica do circuito responsável pelo acionamento e desligamento de um ou mais componentes. Na Partida Direta os contatos de acionamento são identificados por números, sendo 1 e 2 para contatos normalmente fechados, e 3 e 4 para contatos normalmente abertos. 

O primeiro algarismo identifica o número do contato, por exemplo: contato 13 14: contato número 1, normalmente aberto.

As indicações superiores e laterais esquerda (1, 2, 3... e A, B, C...) informam a localização dos contatos na cruzeta (C5, indicando o contato de K1, normalmente aberto - NA - como mostra na figura acima).

F21/F22 protegem o circuito de comando contra anomalias, como curtu-circuito. 

F7 é um contato NF do relé térmico, que desliga o comando se o motor aquecer demais (corrente de sobrecarga). 

S0 e S1 são as botoeiras para desligar e acionar o comando, respectivamente. 

K1, representada por um retângulo, é a bobina do contator 1. K1, localizado em C5, é um contato auxiliar do contator K1, este fará com que o comando permaneça ligado, mesmo quando o operador aliviar (soltar) a botoeira S1, ou seja, quando o operador pressionar S1, K1 liga, alterando o estado dos seus contatos, inclusive K1, 13 14. Com este fechado, note que K1 está em paralelo com S1, neste caso, estando fechado, S1 poderá estar tanto aberto como fechado, que K1 continuará ligado.

Este é um comando simples, que pode acionar um motor trifásico em partida direta. O Diagrama de Potencia é a parte elétrica responsável por alimentar a carga, objetivo do circuito. No momento em que o circuito de comando e de potencia serem alimentados e S1 acionado, K1 altera o estado de seus contatos, alimentando M1 (motor Trifásico - 3 ~) acionando-o em partida direta.
Os símbolos elétrico utilizados em Comandos Elétricos e Eletropneumática está disponíveis no links abaixo: 09_05_018 Simbolos de Eletropneumática.

Resumo sobre Acionamentos Elétricos disponível em: 14_08_009 Apostila Acionamentos .

© Direitos de autor. 2015: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 01/09/2015.

Aula 04 - Equipamentos á Motor de Indução Trifásico

Os equipamentos á motor constituem cargas em que a corrente elétrica durante a partida é bastante superior á de funcionamento normal. A potência elétrica em funcionamento é determinada pela potência mecânica no eixo.
Estas características podem resultar em sobrecarga á instalação se não houver proteção adequada. Os circuitos que alimentam equipamentos á motor devem possuir proteção contra correntes de sobrecargas que suportem a corrente de partida do motor. 

As quedas de tensão entre a origem (QD) e os terminais dos motores não devem ultrapassar 4% nos circuitos alimentados por rede pública em baixa tensão e 7% nas redes com alimentadas com transformador próprio durante o funcionamento normal do motor. Durante a partida a queda máxima admitida é de 10%.
Os motores elétricos são máquinas que recebem energia elétrica da rede e fornecem energia mecânica através da movimentação de seu eixo. 

Quando um motor é energizado, este exige uma corrente (corrente de partida) extremamente elevada, podendo atingir valores de 6 a 10 vezes o valor nominal especificado. 

Se o motor é energizado em vazio (sem carga) ele adquire rapidamente sua velocidade nominal e a diminuição da corrente de partida será rápida também. Porém, se o motor partir “em carga” a situação é mais complicada, pois as correntes serão maiores e as solicitações elétricas dos dispositivos de acionamento também serão elevadas.

Os componentes utilizados no circuito á motor devem possuir as funções de seccionamento, proteção contra correntes de curto-circuito e sobrecarga além de comando funcional.

A potência elétrica do motor em CV é essencial para a seleção do dispositivo de partida, ela indica a "força" disponível para executar o trabalho (girar o eixo do motor, elevar um peso, etc). A categoria de emprego determina exatamente para que finalidade pode ser aplicado um equipamento em função da corrente e tensão nominal. Cargas indutivas tais como motores de anéis sem reversão, sem frenagem por contra-corrente ou com partida em estrela-triângulo se enquadram na categoria AC2. Já cargas fortemente indutivas,tais como partida direta de motores de gaiola em onde ocorre desligamento com carga se enquadram na categoria AC3. E finalmente cargas fortemente indutivas constituídas por motores de gaiola com frenagem por contra-corrente e reversão na categoria AC4.

Para estas situações a utilização de componentes elétricos com o correto dimensionamento e instalação é fundamental para um desempenho satisfatório e não sobrecarregar a rede e os componentes elétricos. A capacidade elétrica dos componentes utilizados deve ser maior ou no mínimo igual à potência do motor e/ou equipamento a ser comandado. É recomendável que os dispositivos operem a 75% da potência nominal especificada pelo fabricante.
Os componentes a serem utilizados na partida direta segundo recomendação Siemens está disponível no link a seguir: 10_06_002 Partida Direta Siemens .
Os componentes a serem utilizados na partida com reversão segundo recomendação Siemens está disponível no link a seguir: 10_06_003 Partida direta com reversão Siemens.pdf.
Os componentes a serem utilizados na partida estrela triangulo segundo recomendação Siemens está disponível no link a seguir: 10_06_004 Partida estrela triângulo Siemens.pdf.
Os componentes a serem na partida compensadora utilizados segundo recomendação Siemens está disponível no link a seguir; 10_06_006 Partida com auto transformador Siemens.pdf.
© Direitos de autor. 2014: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 20/09/2014

Aula 03 - Trabalho, Potência Elétrica, Mecânica e Rendimento de Motores

Figura 01 - Conceito de Horse Power

Está abaixo as principais fórmulas que abrangem a rede trifásica e motores AC, independentemente de o motor ser síncrono ou assíncrono. Em um motor trifásico projetado corretamente , a tensão e a corrente será igual entre as fases . Isso significa Vf1 = Vf2 = VF3 ; If1 = IF2 = IF3. O mesmo fenômeno ocorre quando falamos de tensões de linha e correntes . VL1 = VL2 = VL3 ; IL1 = IL2 = IL3 . A relação entre as tensões de linha e tensões de fase , dependem inteiramente do sistema de conexão que encontramos instalado, ou estrela ou triangulo.

A potência mecânica é definida como sendo a força aplicada sobre um corpo, para deslocá-lo uma certa distância em um determinado intervalo de tempo. 

James Watt foi um engenheiro que celebrizou-se por seu trabalho a respeito e foi o criador dos termos watts e hp (Horse Power).

Figura 02 - Potência Mecânica

Em avaliações que ele realizou junto aos cavalos que retiravam carvão das minas, Watt concluiu que em média, cada cavalos era capaz de içar dos fundos das minas, cerca de 330 libras (149.7 kg) de carvão, por uma distância de 100 pés (30.48 metros) em um intervalo de 1 minuto (60 Segundos), ou seja, 33000 lb.ft/min (746,7 W). Tal potência ficou conhecida e é utilizada até hoje, como sendo o equivalente a 1 hp.

O Trabalho e Potência Mecânica de um motor é definido pela força do motor. A Força é o produto da massa pela aceleração, peso é uma força que age sobre a massa pela aceleração da gravidade (g = 9,81 m/s2), sua unidade é N ou Kgf. 

Figura 03 - Potência Mecânica em
movimentos circulares

Define-se como trabalho mecânico o produto da força aplicada a um determinado corpo pelo deslocamento do mesmo, sua unidade é o [Nm] ou [J]. O trabalho necessário para elevar um corpo de 150 kgf a uma altura de 30 m é: 4500 Kgf.m

A potência mecânica é o trabalho mecânico realizado na unidade de tempo (1 j/s = 1 watts). A potência mecânica necessária para elevar um corpo de 150 kgf a uma altura de 30 m em 60 segundos é: 75 Kgf.m/s. Como a força (da gravidade) que se opõe ao  movimento é de 9,81 m/s2, temos 75 x 9,81 = 736 Watts = 1 cv.

Para movimentos circulares, a distância é substituída pela velocidade periférica, isto é, pelo caminho percorrido em metros na periferia da peça girante em um segundo.

Onde: v = Velocidade angular em m/s, d = Diâmetro da peça em metros e n = Velocidade em rpm.

Figura 04 - Potência Elétrica

A potência elétrica (P) é calculada pela fórmula ao lado que representa o consumo de energia. Onde: U = tensão da rede em volts; I = intensidade da corrente em amperes e cos* é o fator de potência.

Potência ativa é a parte da potência aparente que é realmente transformada em energia. É obtida do produto entre a potência aparente e o fator de potência. Se a carga for puramente resistiva o cos ϕ = 1, a potência ativa e a potência aparente terão o mesmo valor.

Figura 05 - η (Rendimento)

O Fator de potência é indicado usualmente pela expressão  e representa o ângulo de defasagem da tensão em relação à corrente, além de representar a relação entre a potência real P (ativa, efetivamente transformada em trabalho) e a potência aparente S. 

A potência aparente é a soma vetorial da potência ativa e da potência reativa Q, potência esta que não realiza trabalho e é transferida e armazenada nos elementos passivos (capacitores e indutores) do circuito.

O rendimento, também conhecido pelo símbolo η, representa a relação entre a potência real ou útil Pu (efetivamente transferida para a ponta do eixo) e a potência total absorvida da rede Pa, ambas são potências ativas. O rendimento é calculado pela fórmula abaixo. Onde: Pu = Potência mecânica e Pa = Potência elétrica. 

A rotação do motor é calculada pela fórmula ao lado que representa o as rotações por minuto do rotor. Onde: n = velocidade nominal do eixo do motor assíncrono; F. frequência da rede;   P. pares de pólos do motor e S o escorregamento do rotor.
É importante dimensionar os motores para uma condição de funcionamento entre 75% e 100% do valor nominal, onde estes apresentam valores de rendimento mais elevados, o que proporciona uma redução nos gastos com energia elétrica.
© Direitos de autor. 2015: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 22/02/2015

Aula 02 - Características dos motores de indução trifásicos

Os motores de indução trifásicos do tipo gaiola de esquilo são os mais comuns na indústria. Este nome é dado devido ao formato do seu rotor. Algumas características são interessantes ao estudo dos comandos elétricos. Basicamente os motores do tipo gaiola são compostos por dois subconjuntos: Estator: com enrolamento montado na carcaça do motor, fornecendo o campo girante e Rotor: enrolamento constituído por barras curto-circuitadas, a sua corrente é induzida pela ação do campo girante, provocando uma rotação do rotor e o fornecimento de energia mecânica ao eixo do motor.

Quando o motor é energizado, ele funciona como um transformador com o secundário em curto-circuito, portanto exige da rede elétrica uma corrente muito maior que a nominal, podendo atingir cerca de 7 vezes o valor da mesma.
As altas correntes de partida causam inconvenientes pois exigem um dimensionamento de cabos com diâmetros bem maiores do que o necessário. Além disso podem haver quedas momentâneas do fator de potência , que é monitorado pela concessionária de energia elétrica, causando multas a indústria.

Para evitar estas altas correntes na partida, existem algumas estratégias em comandos. Uma delas é alimentar o motor com 50% ou 65% da tensão nominal, é o caso da partida estrela-triângulo, que será vista neste curso. Outras estratégias são: Resistores ou indutores em série; Transformadores ou autotransformadores; Chaves série-paralelo e Chaves compensadoras, etc.

Os motores de indução podem ser comprados com 6 pontas e 12 pontas. No caso do motor de 6 pontas existem dois tipos de ligação: Triângulo: a tensão nominal é de 220 V e Estrela: a tensão nominal é de 380 V.

No caso do motor de 12 pontas, existem quatro tipos possíveis de ligação: Triângulo em paralelo: a tensão nominal é 220 V; Estrela em paralelo: a tensão nominal é 380 V; Triângulo em série: a tensão nominal é 440 V e Estrela em série: a tensão nominal é 760 V.

Nota-se que nas figuras são mostradas as quantidades de bobinas constituintes de cada motor. Assim um motor de 6 pontas tem 3 bobinas e um de 12 pontas tem 6 bobinas. Como cada bobina tem 2 pontas, a explicado o nome é explicita.

A união dos contatos segue uma determinada ordem padrão. Existe uma regra prática para fazê-lo: numera-se sempre os terminais de fora com 1, 2 e 3 e liga-se os terminais faltantes. No caso do motor de 12 pontas deve-se ainda associar o série paralelo com as bobinas correspondentes, como por exemplo. Deixa-se a cargo do aluno, a título de exercício a identificação dos terminais na ligação estrela em série.

Uma última característica importante do motor de indução a ser citada é a sua placa de identificação, que traz informações importantes, listadas a seguir:

• CV: Potência mecânica do motor em cv;

• Ip/In: Relação entre as correntes de partida e nominal;

• Hz: Freqüência da tensão de operação do motor;

• RPM: Velocidade do motor na freqüência nominal de operação;

• V: Tensão de alimentação;

• A: Corrente requerida pelo motor em condições nominais de operação;

• F.S.: Fator de serviço, quando o fator de serviço é igual a 1,0, isto implica que o motor pode disponibilizar 100% de sua potência mecânica.
As dimensões e características de motores elétricos podem ser consultadas no catálogo disponível no link a seguir: 14_09_024 Manual de Motores.
© Direitos de autor. 2015: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 01/09/2015.

Aula 01.1 - Como se faz um motor elétrico - Come Fatto Il Motore Elettrico

Aula 01 - História dos motores elétricos

Tudo começa com o grego Tales de Mileto que, em 41 a.C. ao esfregar um pedaço de resina fóssil em um pano, a resina parecia atrair pequenos corpos, como fios de cabelo. Depois de muito tempo, cerca de quinze séculos, Mileto foi completado pelo físico e inglês da corte, William Gilbert, em 1600, descobriu que além da resina experimentada por Tales, muitos outros materiais poderiam atrair se fossem friccionados.

Figura 01 - Otto Von Guericke e seu gerador eletrostático

A partir desse marco muitos inventos surgiram. Foi em 1663, o alemão Otto Von Guericke construiu a primeira máquina eletrostática, que transformava energia mecânica em energia elétrica. No final do século XVIII, foi verificado também que, por meio do princípio eletrostático, poderia ser possível também gerar energia mecânica. Antes dessa comprovação, o americano Benjamin Franklin, em 1752, com o experimento da pipa percebeu que a eletricidade podia ser captada e conduzida por fios.

Somente após o final do século XVIII, com o dinamarquês Hans Christian Oersted e o francês André Marie Ampère que foi dado realmente o primeiro e grande passo ao surgimento do motor elétrico. Oersted observou a agulha magnética de uma bússola desviar da posição original perto de um condutor de energia elétrica e voltar à posição inicial ao ser afastado dele, assim foi provado a influencia da eletricidade no magnetismo. Ampère, em 1821, um ano depois da conclusão de Oersted, complementou o experimento, criando a “lei da mão direita” que tomou como base a orientação de uma agulha imantada no sentido da corrente.

Figura 02 - William Sturgeon mostra
um experimento com eletroíma

Os cientistas ingleses William Sturgeon e Michael Faraday, inspirados pelas descobertas de Oersted e Ampère foram os responsáveis pelos últimos passos rumo à construção do motor elétrico onde Sturgeon inventou, em 1825, o eletroímã, fundamental na construção de máquinas elétricas gigantes e Faraday descobriu enfim a indução eletromagnética, provando que Tales de Mileto há quase dois mil anos atrás estava certo.

Entre 1831 quando Faraday comprovou o eletromagnetismo e 1886 quando o cientista alemão Werner Von Siemens criou o primeiro motor elétrico, esse intervalo de 35 anos para que o primeiro motor elétrico da história surgisse não atrapalhou que durante esse período, outras máquinas com o mesmo princípio fossem inventadas, pra começar Faraday criou um gerador, o inglês W. Ritchie inventou o comutador, peça que seria importante na composição do motor elétrico e o mecânico francês H. Pixii colocou o invento em prática. Pixii construiu um gerador composto de um imã em ferradura que girava na frente de duas bobinas presas com um núcleo de ferro, no final dessa mesma década, o alemão, Moritz Hermann Von Jacobi, instalou um motor movido a pilhas galvânicas dentro de uma lancha e transportou 14 pessoas durante algumas horas foi ai que se mostrou, pela primeira vez, que a energia elétrica podia ser utilizada a favor do trabalho mecânico, porem o custo fez com que o invento se tornasse um item de luxo. Werner Von Siemens, em 1866, já tenha criado um gerador de tensão elétrico baseado no princípio de indução eletromagnética, construiu um dínamo, ou seja, uma máquina eletrodinâmica que converte força mecânica em corrente elétrica e provou que a tensão necessária para o magnetismo podia ser extraída do próprio enrolamento do rotor, assim, a máquina podia gerar sua própria energia e não ficar dependente dos imãs então a invenção barateou o gerador, que também funcionava como motor quando alimentado por energia elétrica. Com preço menor, estavam criadas as condições para uma maior propagação do invento.

Novas evoluções foram surgindo, em 1879, Siemens em conjunto com Johann George Halske, apresentou uma nova invenção: uma locomotiva movida por um motor elétrico de dois quilowatts. O motor, apesar de mais barato que no início, continuava com o custo muito elevado para ser produzido em escala industrial, além de apresentar problemas técnicos.

Figura 03 - Galileu Ferraris

O italiano Galileu Ferraris, o iugoslavo Nicolau Tesla e alemão Friedrich Haselwander passaram a estudar a maquina e tentar tornar mais viável, então suas descobertas pareciam solucionar os problemas em um primeiro momento, mas logo se mostram inútil.

Em 1890, o cientista russo enraizado na Alemanha, Michael Von, que antes, desenvolveu um motor trifásico de corrente alternada com potência contínua de 80 watts e rendimento de aproximadamente 80%. O equipamento mostrou-se ideal para os planos da indústria, por apresentar alto rendimento, ótima partida, relativo silêncio durante o funcionamento e baixa complexidade o que facilitava a manutenção, tornando-o mais seguro para a operação.

Em 1891, o construtor russo já tinha conseguido produzir o novo equipamento em série. Simultaneamente, começaram a aparecer as primeiras indústrias de motores que logo se tornaram muitas. Os equipamentos se padronizaram e aos poucos diminuíram de tamanho e peso os motores de hoje, cujo peso representa somente 8% das máquinas com a mesma potência fabricadas no início do século XIX.

Para que desenvolvimentos e inovações ocorressem, foram necessários diversos motivos. O primeiro deles pode ser creditado na conta dos estudiosos da área, que ao analisar mais detalhadamente os aspectos técnicos do motor elétrico, consolidaram a teoria necessária para que construtores pudessem a partir delas realizar melhorias. O segundo fator deve-se à competição. Em busca de maiores fatias do mercado, indústrias de motores buscavam destaque, lançando equipamentos diferentes da concorrência, assim eram colocados à disposição dos consumidores motores com potência igual,mas cada vez menor. A terceira razão foi o uso de matérias-primas mais nobres e apropriadas na estrutura dos motores. A quarta talvez mais importante foi o uso em grande escala dos motores pela população mundial que impulsionou os fabricantes a desenvolverem mais e melhores produtos.

Figura 04 - Tipos de motores.

Hoje o motor elétrico é a máquina mais simples para se obter energia mecânica através da transformação de energia elétrica. Sendo que o motor de indução é o mais usado entre todos os tipos de motores, pois concilia robustez, grande versatilidade de aplicação, baixo custo, melhores rendimentos e não é poluente, aliados ao fato de se utilizar energia elétrica como fonte de alimentação (energia de fácil disponibilidade e baixo custo). Os tipos mais comuns de motores elétricos são mostrados na figura ao lado.

Motores de corrente contínua: São motores que precisam de uma fonte de corrente contínua, ou de um dispositivo que converta a corrente alternada em contínua. Sua velocidade pode ser ajustada de acordo com a tensão aplicada. Tem sua utilização principal nas aplicações que requeiram elevado conjugado de partida (como tração elétrica) e controle de velocidade sobre grandes faixas, principalmente em potências elevadas. Devido a necessidade de uma fonte de corrente contínua, e forma construtiva tem o seu custo elevado.

Motor universal: é um tipo de motor de funciona tanto em corrente contínua quanto em corrente alternada. O motor universal é um motor CC com excitação série, ou seja, um motor CC cujos enrolamentos de campo e de armadura estão conectados em série, podendo, portanto ser alimentado por uma única fonte, que pode ser contínua ou alternada monofásica.

Motores de corrente alternada: São motores que sua alimentação é feita através de uma fonte de corrente alternada. Podem ser classificados em assíncronos (indução) e síncronos. As máquinas síncronas possuem velocidade fixa e têm sua aplicação bastante limitada, devido ao alto custo. Já os motores de indução são utilizados na grande maioria das aplicações que necessitam de motores elétricos.

© Direitos de autor. 2015: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 01/09/2019