Apostila de eletricidade basica, Notas de estudo de Mecatrônica

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ETE – Campo Limpo Paulista

2° Módulo de Instrumentação

Projeto e planejamento de processos I

Eletricidade Básica

Comandos Elétricos

Conceito Geral

Energia é a capacidade de produzir trabalho e ela pode se apresentar sob várias formas:

Energia Térmica;
Energia Mecânica;
Energia Elétrica;
Energia Química;
Energia Atômica, etc.

Energia Elétrica

Uma das mais importantes características da energia é a possibilidade de sua transformação de uma forma para outra.

Por exemplo: a energia térmica pode ser convertida em energia mecânica (motores de combustão interna), energia química em energia elétrica (pilhas) etc.

Entretanto, na maioria das formas em que a energia se apresenta, ela não pode ser transportada, ela tem que ser utilizada no mesmo local em que é produzida.

A energia elétrica passa por 3 principais etapas:

a) Geração: - A energia elétrica é produzida a partir da energia mecânica de rotação de um eixo de uma turbina que movimenta um gerador.

Esta rotação é causada por diferentes fontes primárias, como por exemplo, a força da água que cai (hidráulica), a força do vapor (térmica) que pode ter origem na queima do carvão, óleo combustível ou, ainda, na fissão do urânio (nuclear).

As quedas d’água tem, na força hidráulica, a sua principal fonte de energia primária. Portanto, as usinas são em grande maioria, hidroelétricas.

Tensão, Corrente e Potência.

Todas as substâncias, gasosas, líquidas ou sólidas, são constituídas de pequenas partículas invisíveis a olho nu, denominadas átomos. O átomo é composto de três partículas básicas: Prótons , Nêutrons e Elétrons. Os Prótons e os Nêutrons formam o núcleo do átomo.

O Próton tem carga positiva e Nêutron não possui carga elétrica. As suas massas são equivalentes.

O Elétron possui uma carga negativa e a sua massa, por ser muito pequena, é desprezível.

Em um átomo, o número de Elétrons é igual ao número de Prótons, sendo, portanto, o átomo eletricamente neutro, pois a soma das cargas dos Elétrons (negativas) com as cargas dos Prótons (positivas) é igual a zero. Os Elétrons existentes em um condutor de eletricidade, estão em constante movimento desordenado.

O movimento ordenado de elétrons, provocado pela tensão elétrica, forma uma corrente de elétrons. Essa corrente de elétrons é chamada de Corrente Elétrica (I). Sua unidade de medida é o Ampère. O símbolo desta unidade é A. Exemplo: Corrente elétrica de 10 A (Ampères).

Para que se tenha uma idéia do comportamento da tensão e da corrente elétrica, será feita uma analogia com uma instalação hidráulica. A pressão feita pela água, depende da altura da caixa d’água. A quantidade de água que flui pelo cano vai depender: desta pressão, do diâmetro do cano e da abertura da torneira.

De maneira semelhante, no caso da energia elétrica, tem-se:

• A pressão da energia elétrica é chamada de Tensão Elétrica (U).
• A Corrente Elétrica (I) que circula pelo circuito depende da Tensão e da Resistência Elétrica (R).

A Resistência Elétrica (R) que o circuito elétrico oferece à passagem da corrente, é medida em Ohms (Ω) e varia com a seção dos condutores.

Resistência Elétrica – Lei de Ohm É chamada de Resistência Elétrica (R) a oposição que o circuito oferece à circulação da corrente elétrica. A unidade da Resistência Elétrica é o Ohm e o seu símbolo é o Ω (letra grega chamada de ômega). Lei de Ohm, assim chamada, devido ao físico que a descobriu. Essa Lei estabelece que:

• Se for aplicado em um circuito elétrico, uma tensão de 1V , cuja resistência elétrica seja de 1 Ω , a corrente que circulará pelo circuito, será de 1A.

Com isso tem-se:

I = U / R

Desta relação pode-se tirar outras, como:

U = R x I e R = U / I

Pode-se calcular também a Potência (P) através dos seguintes modos:

P = (R x I) x I ou P = R x I²

Então tem-se:

P = U x U / R ou P = U² / R

Onde:

P: Potência Elétrica; U: Tensão Elétrica; I: Corrente Elétrica; R: Resistência Elétrica.

Cálculo da Energia Elétrica A Energia Elétrica (E) é a Potência Elétrica (P) vezes o tempo de utilização (em horas, por exemplo) do qual o fenômeno elétrico acontece (uma lâmpada acesa, por exemplo).

E = (U x I) x t ou E = P x t

Onde:

E: Energia Elétrica; P: Potência Elétrica; U: Tensão Elétrica; I: Corrente Elétrica; t: Tempo normalmente nesse caso, é adotado em horas (h).

IMPORTANTE: A unidade de Energia Elétrica (E) é o Watt-hora e o seu símbolo é Wh.

Exemplo de expressão: 1.100 Wh ou 1,1 kWh. A Potência de uma lâmpada incandescente comum, é melhor ser expressa em Watts do que em kW. Outras unidades, muito utilizadas para expressar a Potência Elétrica de motores são:

Cavalo Vapor que equivale a 736 W. Sua unidade é o CV.
Horse Power (inglesa) que equivale a 746 W. Sua unidade é o HP.

Relação entre estas unidades de Potência:

1 cv = 735,5 W; 1 cv = 0,735 kW; 1 kW = 1,36 CV

1 HP = 746 W;

1 HP = 0,746 kW; 1 kW = 1,34 HP

As unidades possuem múltiplos e submúltiplos. A utilização de um ou outro, é em função da facilidade de expressar a quantidade da unidade em questão.

EXERCICIO (ANEXO 01)

Circuito Paralelo O Circuito Paralelo é aquele constituído por mais de uma carga, ligadas em paralelo uma com as outras.

As principais características são:

• As cargas não dependem umas das outras para o funcionamento do circuito elétrico;
• Existe mais de 1 (um) caminho para a passagem da corrente elétrica;
• As tensões elétricas nas cargas são iguais à tensão da fonte de alimentação:

Isto é:

U Fonte = U1 = U2 = U

A Corrente Elétrica (I) total absorvida pelas cargas é igual à soma das correntes de cada carga:

I Total = I1 + I2 + I

O inverso da Resistência Elétrica (R) equivalente, é igual a soma dos inversos das resistências de cada carga:

1 / R Equivalente = 1 / R1 + 1 / R2+ 1 / R

EXERCICIO (ANEXO 03)

Circuitos Monofásico e Trifásico

Circuito Monofásico Um gerador com uma só bobina (enrolamento), chamado de “Gerador Monofásico” ao funcionar, gera uma Tensão entre seus terminais.

Nos geradores monofásicos de corrente alternada, um dos terminais deste Gerador é chamado de Neutro (N) e o outro de Fase (F). Um circuito monofásico é aquele que tem uma Fase e um Neutro (F e N). A tensão elétrica (U) do circuito é igual à tensão entre Fase e Neutro (UFN). A forma de onda da Tensão Elétrica é uma senóide.

Circuito Trifásico Ligadas em Triangulo (∆) Quando as bobinas do Gerador Trifásico são ligadas entre si, de modo a constituírem um circuito fechado, como na figura abaixo, o Gerador tem uma ligação em Triângulo ( ∆ ).

As relações entre as tensões e correntes, podem-se dizer que:

UFF = UFN e I = i x √ 3

Podem-se ter os circuitos trifásicos:

• A três fios: 3 Fases (F1, F2 e F3)
• A quatro fios: 3 Fases e 1 Neutro (F1, F2 e F3 e N).

Essas Fases também podem ser representados pelas letras: R, S, T ou L1, L2, L. As formas de onda da tensão são senóides, defasadas entre si de 120°. Observação: usa-se também, denominar os geradores de corrente alternada de “Alternadores”.

Potência em Corrente Alternada (CA) Em um condutor elétrico energizado em Corrente Alternada (CA), passa uma determinada quantidade de energia, sendo um percentual Ativo e outro Reativo. Quanto maior for o percentual de Potência Ativa (kW) que passar, será melhor e mais econômico. A Potência Reativa (kVAr) é necessária para produzir o fluxo magnetizante para o funcionamento dos aparelhos (motores, transformadores, etc), pode ser obtida junto a esses equipamentos, com a instalação de Capacitores. A seguir, serão apresentados alguns conceitos, de forma bastante simplificada. Como foi visto anteriormente, em Corrente Alternada (CA), a Corrente Elétrica (I) e a Tensão Elétrica (U), são geradas e transmitidas em uma forma de onda de uma senoide. As ondas de Corrente e de Tensão podem estar defasadas uma da outra em um circuito elétrico: quando a Corrente está em uma determinada posição, a Tensão pode estar em outra posição, e vice-versa.

Quando a Tensão está em fase com a Corrente, a carga é denominada de Resistiva. O circuito elétrico é Resistivo.

Quando a Corrente está atrasada em seu deslocamento da Tensão, a carga é denominada de Indutiva. Esse atraso (defasamento) é de até 90o. O circuito elétrico é Indutivo.

Quando a Corrente está adiantada em seu deslocamento da Tensão, a carga é denominada de Capacitiva. Esse adiantamento (defasamento) é de até 90o. O circuito elétrico é Capacitivo.

A expressão da Potência Reativa do circuito elétrico depende das Reatâncias existentes. Este produto é chamado de Potência Aparente, sendo a “soma vetorial” das duas Potências - Ativa e a Reativa.

Observação: não será explicado nas nossas aulas, como é feita a soma vetorial. Caso sejam necessárias maiores informações, deve-se procurar uma literatura técnica especializada.

Assim tem-se:

W = R x I² VAr = X x I² VA = Z x I²

W = Potência Ativa (ou kW, que corresponde a 1.000 W) VAr = Potência Reativa (ou kVAr, que corresponde a 1.000 VAr) VA = Potência Aparente (ou kVA, que corresponde a 1.000 VA)

Essas três Potências formam um triângulo, denominado “Triângulo das Potências”.

O ângulo Ø é o ângulo do Fator de Potência (cosØ = FP).

Fator de Potência A Potência Ativa (kW) é a que efetivamente produz trabalho. A Potência Reativa (kVAr) ou magnetizante, é utilizada para produzir o fluxo magnético necessário ao funcionamento dos motores, transformadores, etc. Para que se tenha uma idéia de como são essas duas formas de energia, será dado um exemplo de uma forma bastante simplificada. Num copo cheio de cerveja, tem-se uma parte ocupada pelo líquido e outra ocupada pela espuma. Para aumentar a quantidade de líquido nesse copo, tem-se que diminuir a espuma. Assim, de maneira semelhante ao copo com cerveja, a Potência Elétrica solicitada, por exemplo, por um motor elétrico, é composta de Potência Ativa (kW) que “corresponde” ao líquido e Potência Reativa (kVAr) que “corresponde” à espuma. A soma vetorial (em ângulo de 90º), das Potências Ativa e Reativa é denominada de Potência Aparente (kVA) que “corresponde” ao volume do copo (o líquido mais a espuma). Assim como o volume do copo é limitado, também a capacidade em kVA de

um circuito elétrico (fiação, transformadores, etc) é limitada. Para aumentar a Potência Ativa em um circuito, é preciso reduzir a Potência Reativa. O Fator de Potência (FP) é definido como o quociente entre a Potência Ativa (kW) e a Potência Aparente (kVA). O Fator de Potência (FP) também é igual ao coseno do ângulo Ø do “Triângulo das Potências”.

FP = cos Ø ou FP = kW / kVA

Exemplo: Qual a potência do transformador, necessária para se ligar um motor de 10 CV com FP = 0,50 e qual a corrente do circuito para a tensão igual a 220 V? Calcular também para o FP = 1,00.

Transformando a potência do motor de cv para kW tem-se: 10 cv = 10 x 735,5 = 7,3 kW

1º Caso: Para FP = 0,50 2º Caso: Para FP = 1,

PkVA = PkW / cosØ PkVA = PkW / cosØ PkVA = 7,3 kW / 0,50 PkVA = 7,3 kW / 1, PkVA = 14,6 kVA PkVA = 7,3 kVA I = PVA / U I = PVA / U I = 14.600 VA/ 220 V I = 7.300 VA/ 220 V I = 66 A I = 33 A Resposta: Resposta: Transformador de 15 kVA Transformador de 7,5 kVA

Pelo exemplo, verifica-se que quanto menor o Fator de Potência, mais problemas ele trará ao circuito: transformadores de maior capacidade (PkVA = PkW/cosØ), fiação mais grossa, consequentemente um maior custo, etc. Por isso é importante que o Fator de Potência de uma instalação elétrica tenha um valor mais próximo possível de 1 (um). Todas as Concessionárias de Energia Elétrica cobram um ajuste financeiro (R$) sobre o FP, quando o mesmo é inferior a 0,92 (capacitivo ou indutivo), de acordo com a Legislação em vigor. Para a correção do Fator de Potência podem ser utilizados os Capacitores, que são normalmente instalados junto as cargas (kW) elétricas.

Ohmímetro

O Ohmímetro é utilizado para medir a resistência elétrica. O Ohmímetro é também usado para se verificar a continuidade de um circuito elétrico. Observação: o circuito elétrico deverá estar desernergizado.

Alicate Volt-Amperímetro

O medidor de Corrente e de Tensão, tipo “alicate”, é um aparelho largamente utilizado. É conhecido como Alicate Volt-Amperímetro. Esse instrumento possui escalas para medir a Corrente e a Tensão. Com isso, deverá ser ajustado através de uma chave seletora (corrente ou tensão), antes de efetuar a medição. Se a pessoa não tem uma idéia do valor da corrente ou da tensão a ser medida, ela deverá ajustar o aparelho para a maior escala de corrente ou tensão e se for o caso, ir diminuindo a escala para que seja efetuada a medição corretamente. Deve-se consultar o Manual de instruções do aparelho.

Medição de corrente elétrica: O aparelho possui garras que “abraçam” o condutor onde passa a corrente elétrica a ser medida. Essas garras funcionam como núcleo de um transformador de corrente em que o primário é o condutor, no qual está sendo realizada a medição e o secundário é uma bobina enrolada que está ligada ao medidor propriamente dito, conforme indica a figura a seguir.

O amperímetro deverá abraçar apenas o(s) fio(s) da mesma Fase (F1, F2 ou F3),

Para medir tensão, esse instrumento possui dois terminais nos quais são conectados os fios, que serão colocados em contato com o local a ser medido.

Circuitos Elétricos Residenciais

Antes de iniciar, serão abordadas algumas informações gerais, que poderão ser importantes para a compreensão e entendimento das nossas aulas. As instalações elétricas de baixa tensão são regulamentadas pela Norma Brasileira vigente, a NBR 5410/97 “Instalações Elétricas de Baixa Tensão” da ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. Essa Norma, também conhecida como NB 3, fixa os procedimentos que devem ter as instalações elétricas: PROJETO, EXECUÇÃO, MANUTENÇÃO e VERIFICAÇÃO FINAL, a fim de garantir o seu funcionamento adequado, a segurança das pessoas e de animais domésticos e aplica-se às instalações elétricas (novas e reformas das existentes) alimentadas sob uma tensão nominal igual ou inferior a 1. Volts em Corrente Alternada (CA). As Concessionárias de energia por sua vez, fornecem a energia elétrica para os consumidores de acordo com a carga (kW) instalada e em conformidade com a legislação em vigor. “Condições Gerais de Fornecimento de Energia Elétrica”, que estabelece os seguintes limites para atendimento:

a) Tensão Secundária de Distribuição – Grupo B (Baixa Tensão): Quando a carga instalada na unidade consumidora for igual ou inferior a 75 kW. Os consumidores do Grupo B são atendidos na tensão inferior a 2.300 Volts. Os consumidores são atendidos na tensão 220/127 Volts (Trifásico); b) Tensão primária de distribuição inferior a 69 kV: Quando a carga instalada na unidade consumidora for superior a 75 kW e a demanda contratada ou estimada pelo interessado, para o fornecimento, for igual ou inferior a 2.500 kW. Os consumidores são atendidos geralmente na tensão de 13.800 Volts (Trifásico); c) Tensão primária de distribuição igual ou superior a 69 kV: Quando a demanda contratada ou estimada pelo interessado, para o fornecimento, for superior a 2.500 kW. Da legislação em vigor, foram retiradas as seguintes definições: d) Carga instalada: soma das potências nominais dos equipamentos elétricos instalados na unidade consumidora, em condições de entrar em funcionamento, expressa em quilowatts (kW).

. A dois fios (Monofásico):

• uma Fase e um Neutro
• tensão de 127 V; . A três fios (Bifásico):
• duas Fases e um Neutro
• tensões de 127 e 220 V, ou
• tensões de 127 e 254 V; . A quatro fios (Trifásico):
• três Fases e um Neutro
• tensões de 127 e 220 V