Equipamentos is - Dinamicos e Eletrico. PDF

8/3/2019 Equipamentos is - Dinamicos e Eletrico. PDF

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PP EE TT RR OO BB RR AA SS AA BB AA SS TT EE CC IIMMEE NN TT OO 22 00 00 88 QQ uu aa ll ii ff ii cc AA bb aa ss tt 1

2 edio

EQUIPAMENTOSINDUSTRIAIS ELTRICOS E DINMICOS

Curso de Formaode Tcnicos de Operao Jr

do Abastecimento


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EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS ELTRICOS E DINMICOS 2008 Petrobras Petrleo Brasileiro S.A.

Todos os direitos reservados

Petrleo Brasileiro S.A. - PETROBRAS Avenida Chile, 65 20 andar Ala Norte SALA 2001 CEP: 20031-912 Rio de Janeiro RJ

Revisado e Atualizado por:VANDERLEI CARDOSO

UN REPLANREPLAN/MI


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ndiceINTRODUO 09

EQUIPAMENTOS ELTRICOS 11(a) Transformadores 11(a.1) Natureza da mquina 12(a.2) Tipos e caractersticas 12(a.3) Transformadores em circuitos trifsicos 15(a.4) Caracterstica da ligao delta (tringulo) 16(a.5) Caracterstica da ligao estrela 16(a.6) Ligao dos transformadores 17(a.7) Caractersticas eltricas 18(a.8) Transformadores de corrente 23(a.9) Transformadores de tenso ou de potencial 26

(a.10) Formas construtivas dos transformadores de tenso 27(b) Motores Eltricos 28(b.1) Motores sncronos 31(b.2) Motores assncronos ou de induo 32(c) Geradores 47(c.1) Funo 48(c.2) Princpio de funcionamento 48(c.3) Cuidados operacionais e protees do TG (turbo-gerador) 50(c.4) Modos de falha 52(d) Acessrios eltricos e outros itens 53(d.1) Condutor 53(d.2) Painis 54(d.3) Disjuntores 54(d.4) Fusveis 55(d.5) Chaves magnticas 56(d.6) Chaves seccionadoras 57(d.7) Extrao, insero, liga e desliga de equipamentos 57(d.8) Baterias, inversores e carregadores de bateria 58(d.9) Baterias conceitos 60(d.10) Retificador 67(d.11) No-break 72(d.12) Aterramento dos sistemas eltricos 74(d.13) Pra-raios 76(d.14) Potncia, fator de potncia, energia e medio de energia 76(d.15) Instrumentos de medidas eltricas 82

BOMBAS 90(a) Bombas volumtricas ou de deslocamento positivo 91(a.1) Bombas alternativas 91(a.2) Bombas rotativas 93(b) Bombas dinmicas ou turbobombas 95(b.1) Bombas centrfugas 96(b.2) Bombas de fluxo axial 96(b.3) Bombas de fluxo misto 96


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(b.4) Bombas perifricas 97(c) Caractersticas gerais das turbobombas 98(c.1) Detalhes construtivos das turbobombas 99(d) Operao de bombas centrfugas 110

COMPRESSORES 113(a) Utilizao em refinarias 113(a.1) Compressores para servios ordinrios 113(a.2) Compressores para sistemas industriais 113(a.3) Compressores de gs ou de processo 114(a.4) Compressores de refrigerao 114(a.5) Compressores para servios de vcuo (bombas de vcuo) 114(b) Classificao dos compressores 115(b.1) Compressores de deslocamento positivo 115(b.2) Compressores dinmicos 120(b.3) Compressores centrfugos 120(b.4) Compressores de fluxo axial 120

TURBINAS E EJETORES 125(a) Turbinas a vapor 125(a.1) Conceito 125(a.2) Tipos 126(a.3) Outras classificaes de turbinas 128(a.4) Vantagens 129(a.5) Turbinas de uso industrial 130(a.6) Componentes 134(a.7) Operao de turbinas a vapor 141(b) Ejetores 144(b.1) Princpio de funcionamento 144(b.2) Usos dos ejetores 145

MANCAIS, LUBRIFICAO E ACOPLAMENTOS 147(a) Mancais 147(a.1) Mancais de deslizamento 148(a.2) Mancais de rolamentos 151(b) Lubrificao 157

(b.1) Principais propriedades 158(b.2) Classificao da lubrificao 159(b.3) Classificao dos lubrificantes de acordo com seu estado fsico 160(b.4) Mtodos de aplicao dos leos lubrificantes 162(c) Acoplamentos 164(d) Acoplamentos rgidos 164(d.1) Acoplamentos flexveis 165

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 168


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LISTA DE FIGURASEQUIPAMENTOS ELTRICOS Figura 1 Transformador - princpio de funcionamento 13Figura 2 Esquema do transformador trifsico 16Figura 3 Ligao delta 16Figura 4 Ligao estrela 16Figura 5 Tipos de ligao de primrio e secundrio 17Figura 6 Transformador de corrente de uma subestao de alta tenso 23

Figura 7 Esquema e as conexes do transformador de corrente 24Figura 8 Transformador de potencial de uma subestao de alta tenso 26Figura 9 Esquema de ligao de um transformador de tenso 26Figura 10 Transformadores diversos 27Figura 11 Simbologia usada para TCs e TPs 28Figura 12 Motor sncrono 32Figura 13 Rotores 34Figura 14 Motores assncronos - princpio de funcionamento 35Figura 15 Motores assncronos - princpio de funcionamento 35Figura 16 Curvas conjugado - velocidade 37Figura 17 Elevao de temperatura 44Figura 18 Gerador sncrono 49Figura 19 Rotor de um gerador sncrono 49Figura 20 Enrolamento do estator de um gerador sncrono 49Figura 21 Mancal de deslizamento de um gerador sncrono 51Figura 22 Mancal de deslizamento de um gerador sncrono 51Figura 23 Bomba de leo para mancais de um gerador sncrono 51


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Figura 24 Funcionamento do sistema baterias-retificadores 59Figura 25 Constituio bsica de uma clula de acumulador eltrico 60Figura 26 Esquema do retificador 67Figura 27 Retificador flutuante 70Figura 28 Diodos de queda 71Figura 29 Curva caracterstica de diodo de silcio 72Figura 30 Sistema no-break alimentando carga crtica 73Figura 31 Sistema com mesmo nvel de tenso 75Figura 32 Tringulo de potncias 78Figura 33 Carga eltrica 79Figura 34 Curva de carga 80Figura 35 Correo do fator de potncia 81Figura 36 Bobina mvel (1) 83Figura 37 Bobina mvel (2) 83Figura 38 Bobina mvel (3) 84Figura 39 Exemplo de multmetro 84Figura 40 Exemplo de osciloscpio 86Figura 41 Exemplo de voltmetros e ampermetros digitais 86

Figura 42 Voltmetros/ampermetros e frequencmetros analgicos 86Figura 43 Ampermetro x voltmetro x ohnmetro 87Figura 44 Wattmetros 88Figura 45 Exemplo de medidor de energia ativa - eletromecnico 88Figura 46 Exemplos de Instrumentos para painis 89

BOMBAS Figura 1


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Classificao das bombas quanto ao tipo 91Figura 2 Bomba alternativa 92Figura 3 Bomba de engrenagens

93Figura 4 Bomba de palhetas deslizantes 94Figura 5 Bomba de parafusos 95Figura 6 Peas das turbobombas 96Figura 7 Anis de desgaste 98Figura 8 Detalhes de uma turbobomba 100Figura 9 Impelidor de dupla suco 100Figura 10 Carcaa 102Figura 11 Caixa de gaxetas 103Figura 12 Vedao por selo mecnico 105Figura 13 Selos de ao simples 107Figura 14 Selos de ao dupla 108

COMPRESSORES Figura 1 Compressor alternativo 117Figura 2 Compressor rotativo 119Figura 3 Compressor axial 121Figura 4

Compressor axial centrfugo 122TURBINAS E EJETORES Figura 1 Turbinas de ao (tipos de estgios) 127Figura 2 Turbinas de reao (tipos de estgios) 128Figura 3 Turbina industrial a gs 131Figura 4 Compressores movidos por turbinas a vapor 132Figura 5 Turbina de uso especial 132


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Figura 6 Turbogerador 134Figura 7 Ejetor 144Figura 8 Esquema da queda de presso 144

MANCAIS, LUBRIFICAO E ACOPLAMENTOS Figura 1 Mancais 147Figura 2 Mancais de deslizament 148Figura 3 Mancal axial 149Figura 4 Sistemas bsicos de lubrificao 150Figura 5 Rolamentos rgidos de esfera 153Figura 6 Rolamentos de rolos cilndricos 153Figura 7 Rolamentos de rolos cnicos 154Figura 8 Rolamentos combinados de agulhas 155Figura 9 Rolamentos axiais de esfera de contato angular 156Figura 10 Rolamentos axiais de esferas 156Figura 11 Esforos na lubrificao 160Figura 12 Acoplamentos rgidos 165Figura 13 Acoplamentos flexveis lubrificados 166Figura 14 Acoplamentos flexveis no-lubrificados 167

TABELASEQUIPAMENTOS ELTRICOS Tabela 1 Desempenho de tipos de baterias 64Tabela 2 Perodo recomendados para carga de baterias 66Tabela 3 Especificaes gerais de um multmetro 85


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[Introduo

As aplicaes da eletricidade tornam-se cada dia maiores e mais importantes. Nas grandes indstrias, a energia eltrica produzida geralmente em termoeltricas por meio de equipamentos chamados geradores eltricos. Esses geradores so acionados por turbinas a vapor e turbinas a gs. Nesta publicao sero apresentados os principais equipamentos eltricos que so

utilizados em uma refinaria de petrleo. So eles: transformadores; motores de induo e geradores.

Veremos tambm os equipamentos dinmicos, aqueles que transferem energia para o processo, ou aproveitam a energia disponvel (ou gerada pelo processo), atravs de seus movimentos alternativos ou rotativos, podendo atuar de forma contnua ou intermitente.

So exemplos desses tipos de equipamentos: motores acionam outros equipamentos; bombas e compressores movimentam fluidos; agitadores auxiliam a realizao de misturas; ventiladores promovem a transferncia de calor; e turbinas expandem vapor para gerar movimento.

Os equipamentos dinmicos podem ser classificados em acionadores e

acionados, tendo em ambos os casos a funo de transformar energia.

A ligao entre os eixos acionadores e os acionados ser feita pelo acoplamento; e, quando a rotao do eixo do acionador no for adequada


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para o acionado, haver, entre eles, um redutor ou um multiplicador de engrenagens para reduzir ou ampliar a rotao/torque. J para o controle de rotao, usam-se outros dispositivos como: variadores de freqncia para motores eltricos e vlvulas de controle de admisso do fluido acionador.

Os eixos, os dispositivos que eles conectam e os esforos a eles transmitidos so suportados pelos mancais. Nos mancais e em outras partes mveis, onde seja necessria a reduo do atrito e da temperatura entre partes em movimento, sero utilizados fluidos lubrificantes. Pode ser o prprio fluido de processo ou outro fluido especfico fornecido por um sistema de lubrificao.


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[Equipamentos eltricos

(a) Transformadores

O transformador uma mquina do tipo esttica, isto , no possui partes

mveis. Isto no quer dizer que no haja esforos internos.

Os transformadores podem ser classificados em dois grupos: transformadores para sistema de potncia ou de energia, onde

esto envolvidas grandes potncias e transformadores para sistemas de proteo, medio ou controle,

onde esto envolvidas pequenas potncias.

Os primeiros, trabalham em regimes de tenso e freqncia constantes,

enquanto os segundos trabalham com freqncias variveis.

Entre os primeiros podemos distinguir os transformadores de fora e os de distribuio. Os transformadores de fora so usados na transmisso de energia a longas distncias e os transformadores de distribuio, para distribuir energia aos consumidores. Os transformadores de fora geralmente trabalham a plena carga, por isso so projetados para ter mximo rendimento nessa condio.

Os transformadores de distribuio trabalham em regime de carga varivel durante 24 horas do dia. Por isso, so projetados para ter rendimento mximo com a mdia em 24 horas.


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(a.1) Natureza da mquina

O transformador constitui-se dos quatro circuitos apresentados a seguir:

Circuito magntico Constitudo de material ferromagntico, permite ntimo acoplamento entre os circuitos eltricos. O fluxo nesse circuito essencialmente varivel.

Circuito eltrico Constitui-se de um circuito de entrada e outro de sada cujas funes so alterar os valores de entrada e de sada das tenses e correntes (enrolamentos).

Circuito isolante Composto de materiais isolantes de diferentes poderes dieltricos, entremea- dos nos circuitos eltricos nas partes metlicas aterradas.

Circuito de refrigerao Para dissipar o calor oriundo das perdas no ferro e no cobre.

(a.2) Tipos e caractersticas

Transformador de fora aquele que possui dois ou mais enrolamentos (circuitos eltricos) acoplados unicamente pelo circuito magntico. Esses enrolamentos so denominados primrios, secundrios, tercirios, etc.

Transformador elevador aquele cuja tenso primria menor que a tenso secundria.

Transformador abaixador aquele cuja tenso primria maior que a tenso secundria.


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Transformador regulador aquele cuja mudana de taps se d com o transformador energizado e em operao.

Princpio de funcionamento

Transformador monofsico

Figura 1 Transformador - princpio de funcionamento

Onde,

1 = fluxo magntico primrio 2 = fluxo magntico secundrio

A primeira bobina enrolamento primrio ou de entrada recebe a corrente alternada, que deve ser transformada. No ncleo se forma um campo

magntico, que varia constantemente com o que as espiras de um segundo enrolamento o enrolamento secundrio ou de sada so continuamente cortadas por esse campo magntico e, por isso, aparece nele uma fora eletromotriz induzida. Segundo as leis de induo, a tenso secundria que se forma, tal como a tenso de auto-induo, tem um sentido contrrio tenso primria que a originou, isto , a tenso secundria est defasada


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U U

N N

em relao tenso primria de 180. Ligando-se uma carga, ou consumi- dor, o enrolamento secundrio tambm cria um campo magntico no ncleo (2) de sentido contrrio ao campo magntico primrio (1). O fluxo total , por isso, enfraquecido, e, com ele, a tenso de auto-induo do enrolamento primrio. Como resultado, a absoro da corrente primria cresce com o aumento de carga.

A grandeza da tenso secundria depende da relao entre o nmero de espiras primrias e secundrias. Se o enrolamento secundrio tem o mesmo nmero de espiras do enrolamento primrio, ento a tenso em ambos os enrolamentos tem o mesmo valor (relao entre espiras 1:1). Se o enrolamento secundrio tem o dobro do nmero de espiras do enrolamento primrio, a tenso secundria duas vezes maior que a tenso primria (relao de espiras 1:2).

1 = 1

2 2

Nos transformadores, as tenses variam na mesma proporo, como as espiras.

Como o transformador no possui partes mveis, aparecem apenas perdas de aquecimento. Por isso, esse tipo de equipamento possui um bom rendimento. Se forem desprezadas perdas de importncia secundria, vale a relao: potncia primria P1 = potncia secundria P2. Quando a tenso secundria tem o dobro do valor da tenso primria, ento, para a mesma potncia, a corrente secundria pode apenas ter a metade do valor da corrente primria. Dessa relao resulta que as correntes variam no sentido inverso ao do nmero de espiras.

I1 =

I2

N2 N1

Em transformadores, as correntes variam no sentido inverso ao do nmero de espiras.

No transformador aparecem dois tipos de perdas:


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Perdas no ferro (perdas por histerese magntica e correntes de Foucault ou correntes parasitas). Permanecem praticamente constantes em servio e j existem em vazio.

Perdas no cobre (perdas no enrolamento por efeito Joule). Essas perdas so mnimas em vazio (transformador sem carga) e aumentam com a carga.

O chamado transformador ideal, que uma primeira aproximao no estudo

dos transformadores reais, possui as seguintes caractersticas: as resistncias dos enrolamentos so desprezveis; no h fluxo de disperso, isto , todo o fluxo est confinado ao

ncleo do transformador, enlaando ambos os enrolamentos; as perdas no ncleo so desprezveis; a permeabilidade do ncleo to alta que a corrente de magnetizao

desprezvel.

(a.3) Transformadores em circuitos trifsicos

Para a transformao de tenses em circuitos trifsicos, ou so usados transformadores trifsicos ou bancos de transformadores monofsicos. A ligao dos enrolamentos do primrio e do secundrio, que pode ser estrela ou delta (tambm chamado de tringulo), feita internamente nos transformadores trifsicos, enquanto que nos bancos feita externamente.

A Figura 2 mostra, esquematicamente, um transformador trifsico, ligao

delta-estrela aterrado, com as grandezas envolvidas:


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I =

Figura 2-

Esquema

do

transformador

trifsico

(a.4) Caracterstica da ligao delta (tringulo)

Quanto s tenses Vfase = Vlinha

Quanto s correntes linha 3 i fase

Figura 3- Ligao delta

(a.5) Caracterstica da ligao estrela

Quanto s tenses V linha = 3 V fase

Quanto s correntes I linha = I fase

Figura 4- Ligao estrela


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(a.6) Ligao dos transformadores

Na Figura 5, so apresentados alguns tipos de ligao de primrio e secundrio dos transformadores. Cada tipo tem uma caracterstica eltrica que envolve segurana pessoal e a dos equipamentos.

Tringulo/estrela aterrado Se houver uma falha para terra no secundrio, atuar proteo, desligando-se o transformador. O choque de fase/fase e fase/terra em uma pessoa fatal.

Tringulo/tringulo Se houver uma falha para terra no secundrio no atuar proteo, a no ser que haja um curto circuito entre fases. O choque de fase terra pode no ser fatal; por outro lado, um choque fase/fase em uma pessoa fatal.

Estrela/tringulo Idem ao tringulo/tringulo.

Estrela/estrela aterrado Idem ao tringulo/estrela aterrado.

Figura 5- Tipos de ligao de primrio e secundrio


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I 2 I

1 1 2 2

1 1 2

(a.7) Caractersticas eltricas

Potncia nominal A potncia nominal de um transformador , geralmente, expressa em kVA ou MVA. a potncia eltrica que o transformador pode fornecer, durante um tempo especificado, em condies de tenso e freqncia conhecidas, sem com isso ultrapassar os valores limites de temperatura fixados em norma em relao a uma temperatura ambiente tomada como referncia.

Para transformadores monofsicos, temos:

S = V = V kVA ou MVA

Para transformadores trifsicos, temos

S = 3.V I = 3.V I kVA ou MVA

Relao de tenses No caso de transformadores em circuitos trifsicos, os valores de tenses, em suas relaes de tenses, so os valores fase-fase do sistema. Por exemplo, um transformador trifsico de 13,8 a 2,4kV, recebe um valor fase-fase de um sistema trifsico em 13,8kV e fornece 2,4kV, valor fase-fase.

Vimos anteriormente que a relao de tenses de um transformador diretamente proporcional ao seu nmero de espiras do primrio e do secundrio. Ento, alterando essa relao de espiras, alteramos a relao de tenses. Isso feito atravs de tapes colocados no primrio ou no secundrio do transformador. Nos transformadores situados nas subestaes de rea, essa mudana de tapes feita manualmente e sem carga, isto , o tcnico de operao tem que desligar o transformador para poder alterar a sua relao de espiras. J nos situados na subestao de entrada, a mudana


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de tapes feita automaticamente e sob carga. So os chamados transformadores com comutao sob carga.

Impedncia O transformador, como qualquer equipamento eltrico, oferece uma certa impedncia passagem de corrente eltrica. Ela dada em percentagem, em relao aos valores nominais do transformador. comum, na anlise de sistemas eltricos, trabalharmos com valores relativos em vez de valores absolutos. Isso traz uma srie de vantagens em nossos clculos, principalmente quando lidamos com transformadores. O transformador, alm de transformar tenses e correntes, tambm transforma impedncias.

Imagine, ento, um sistema eltrico com dezenas de transformadores. Qualquer clculo de tenses e correntes nesse sistema seria extremamente complexo, devido, principalmente, s transformaes de impedncias. O clculo com valores relativos, ou valores por unidade (p.u.), elimina essa dificuldade, pois escolhendo-se valores-base convenientes, uma grandeza eltrica tem o mesmo valor, tanto de um lado quanto do outro de um transformador.

Rendimento O transformador uma mquina de alto rendimento, podendo passar de 99% nas grandes unidades. As perdas, basicamente, podem ser:

perdas no cobre So devidas s resistncias dos enrolamentos primrio e secundrio (RI2), portanto, dependem da carga.

perdas no ferro So as perdas do ncleo do transformador, consistindo em perdas por histerese e por correntes parasitas. Essas perdas independem da carga e dependem da tenso aplicada.

Resfriamento e Isolamento Depois da montagem completa, os transformadores so submetidos ao tratamento de secagem a vcuo para reduzir o ndice de umidade de isolamento


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de celulose ao ponto em que apresentem o menor fator de potncia; ento, so impregnados com o dieltrico lquido, sob vcuo. Os lquidos dieltricos usados so leo 10-C e Pyranol.

Esses lquidos dieltricos preenchem duas finalidades importantes: s ou em combinao com o isolamento slido elevam a resistn-

cia de isolamento e servem como meio de refrigerao.

As propriedades importantes do leo 10-C so: resistncia oxidao - o que significa vida mais longa de opera-

o do transformador;

baixa viscosidade - que importante quer como meio que transfere calor, quer como impregnante;

baixo ponto de congelao - sem ele, os transformadores que ope- ram intermitentemente em localidades muito frias, falhariam quando fossem postos em funcionamento, por causa dos vazios formados no lquido conge- lado e cristalizado;

alto ponto de ebulio - necessrio para evitar perdas por evapora- o nos sistemas abertos e durante o tratamento dos transformadores;

capacidade de penetrar e impregnar homogeneamente as partes isolantes sem absoro dgua - o que pode prejudicar, sob certas condies, todo o sistema de isolamento;

baixo ndice de solubilidade - se comparado a outros materiais orgnicos no aparelho;

rigidez dieltrica - o leo puro livre de contaminantes tem rigidez dieltrica muito alta.


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Quanto ao tipo de resfriamento usado, temos: LN (imersos em leo com resfriamento natural) - a circulao do

leo feita por conveco natural;

LVF (imersos em leo com ventilao forada) - h a presena de ventiladores para aumentar a taxa de transferncia de calor das superfcies de resfriamento. A presena de ventilao forada pode aumentar em at 33,3% a potncia dos transformadores, dependendo da potncia em LN;

LCF (imersos em leo com circulao forada do lquido isolante) - h a presena de bombas para fazer circular o leo. Uma combinao de ventiladores e bombas de leo pode aumentar em at 66,7% a potncia em LN dos transformadores;

LA (imersos em leo com resfriamento a gua) - a gua de resfriamento corre em tubulaes que esto em contato com o leo isolante do transformador;

SN (secos com resfriamento natural) - no contm nenhum lquido para isolar e resfriar; e

SVF (secos com ventilao forada) - h a presena de ventiladores.

Circuito de refrigerao O circuito de refrigerao, isto , o caminho atravs do qual o lquido dever passar, muito importante. Todos os dutos de refrigerao previstos devero estar livres, pois caso contrrio, poder haver aumento excessivo de temperatura, ocasionando carbonizao do isolamento e conseqente falha do transformador.


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Proteo de transformadores com rel de gs O rel de gs, ou do tipo Buchholz, destina-se proteo de transformadores imersos em leo, do tipo com conservador. Outras aplicaes similares so para proteo de autotransformadores, reguladores de tenso e transformadores com comutao em carga. prtica corrente em fbricas instal- los em transformadores com potncia igual ou superior a 5MVA. Em transformadores de menor capacidade, a instalao depende da opo do comprador.

O rel de gs responde s seguintes falhas: perda de leo por vazamento no tanque; descargas disruptivas internas; curto entre espiras; curtos verificados no circuito magntico; falhas entre fases de qualquer natureza; aquecimentos locais devido a mau contato em conexes internas; e proteo de retaguarda para falha de operao da proteo diferen-

cial, falha da proteo de sobrecorrente em nvel de acidente e falha de operao de sobrecorrente em nvel de sobrecarga.


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1

(a.8) Transformadores de corrente

Figura 6 - Transformador de corrente de uma subestao de alta tenso

Para realizar a medida de grandes valores de magnitudes eltricas, mediante

os instrumentos convencionais de corrente alternada, necessrio ampliar os alcances e garantir a segurana do trabalho com esses aparelhos.

A ampliao desses alcances em circuitos de corrente alternada e a garantia e segurana na medio de elevadas tenses so obtidas com a ajuda dos transformadores de medida.

Conforme a utilizao, os transformadores de medida dividem-se em transformadores de tenso e de corrente, sendo estes ltimos os que discu-

tiremos neste captulo.

A Figura 7 mostra o esquema e as conexes do transformador de corrente. O enrolamento do primrio compe-se de uma pequena quantidade de espiras w , de fio de cobre, com uma seo correspondente corrente primria nominal.


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1

2

1 2

Os transformadores de corrente so fabricados para correntes nominais primrias, desde fraes at dezenas de milhares de ampres. Mediante os bornes de conexo L1 e L2 (linha), o enrolamento primrio conecta-se diretamente no circuito, circulando atravs dele a corrente alternada medida I .

Figura 7- Esquema e as conexes do transformador de corrente

O enrolamento secundrio de fio de cobre e de seo correspondente corrente nominal secundria possui w de espiras w2 maior que w1.

espiras. Comumente, a quantidade

De acordo com a norma, a corrente nominal secundria I2 igual mostrada na Figura 7 para todos os transformadores de corrente. Aos bornes do secundrio A1 e A2 (instrumento de medida), so conectados as bobinas dos ampermetros e bobinas de wattmetros, fasmetros e medidores de energia, conectados em srie.

Dado que a resistncia das bobinas de corrente dos instrumentos de medida pequena, o transformador de corrente trabalha praticamente num regime prximo ao dos curtos-circuitos.

Quando a corrente I1 a ser medida circula pela espira w1 do primrio, cria-se um fluxo magntico alternado, que induz as foras eletromotrizes E e E em ambas as bobinas.


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2

1

K

1n 2n

Se o secundrio encontra-se fechado nas bobinas de intensidade dos instrumentos de medida, sob a ao da fora eletromotriz E , aparece nele a corrente secundria I2 , que se encontra em uma determinada correlao com a corrente a medir I .

A relao entre as correntes nominal primria I e secundria I denomina- se relao nominal de transformao do transformador de corrente.

Essa relao o parmetro fundamental do transformador de corrente indicada na placa de caractersticas de fabricao.

Segundo a relao de transformao nominal e a indicao do instrumento de medida, pode-se determinar o valor de magnitude a medir.

Por exemplo, segundo a indicao de I2 do ampermetro, conectado ao secundrio do transformador de corrente, e pela relao de transformao nominal Kin, o valor da corrente mdia I1 igual a:

I1 = Kin . I2

A escala do instrumento dever exibir a indicao de com transformador de corrente 1.000/5, o que significa que a escala desse instrumento est graduada tendo em conta a relao de transformao.

1000 in = = 200

5

Antes de se retirar os instrumentos do secundrio do TC para manuteno,

deve ser curto-circuitado para evitar a queima do TC, por elevao da tenso secundria.

A tenso secundria tende ao infinito at a ruptura do isolamento.


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(a.9) Transformadores

de

tenso

ou

de

potencial

Figura 8 - Transformador de potencial de uma subestao de alta tenso

Na forma mais simples, so constitudos de um ncleo magntico, no qual so montados um enrolamento primrio, para ligar em derivao ao circuito do qual se deseja medir a tenso, e um enrolamento secundrio, de tenso

reduzida, ao qual ligado o instrumento de medida (Figura 9). Para garantir a segurana dos operrios, no caso de as deficincias de isolamento coloca- rem em contato os dois enrolamentos, e para eliminar eventuais sobretenses transferidas por via capacitiva, um terminal do enrolamento secundrio deve ser conectado terra.

Figura 9 - Esquema de ligao de um transformador de tenso


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O funcionamento ideal de um transformador de tenso o que prev o enrolamento secundrio em vazio, ou com impedncia o mais possvel elevada. Por mais cuidadosa que possa ser a fabricao desses transformadores, a relao de transformao e a defasagem entre tenso primria e secundria so influenciadas pelas condies de funcionamento do aparelho.

(a.10) Formas construtivas dos transformadores de tenso

As formas construtivas dos transformadores de tenso variam com o valor da tenso a ser medida. Para a baixa e a mdia tenso, normalmente adotada a soluo construtiva, com a qual tm-se ambos os terminais do enrolamento primrio acessveis e isolados da terra para a tenso nominal (ver Figura 10). Podem servir tanto para medir a tenso concatenada como a de fase.

(a) (b) (c)

Figura 10 - Transformadores diversos

Para as medidas nas redes de alta tenso, usa-se exclusivamente a constru- o de plo nico, que prev um terminal do enrolamento primrio isolado, enquanto o outro conectado ao circuito de terra.

As formas construtivas dos transformadores de tenso permitem resolver os problemas ligados s elevadas tenses de trabalho, enquanto que isolam oportunamente o enrolamento secundrio, sendo possvel conduzir o ncleo a um potencial intermedirio entre o da linha e o de terra (Figuras 10a , 10c). So utilizados para a medida de tenso de fase.


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A Figura

10

mostra:

(a)

transformadores

de

tenso

para

interiores

com ambos os plos isolados para sistemas trifsicos e monofsicos (para ten-

ses nominais de 15 a 35kV); (b) transformadores de tenso para interiores, com um plo terra para tenses anlogas aos tipos precedentes, e (c) transformador de tenso a isolador para instalaes a cu aberto para tenses de nominais at 380/ 3 kV.

Na Figura 11, um exemplo de ligao e simbologia usadas para transformador de corrente (TC) e transformador de potencial (TP).

Figura 11 - Simbologia usada para TCs e TPs

(b) Motores eltricos

Motor eltrico um equipamento destinado a transformar energia eltrica em energia mecnica. A maioria das cargas eltricas de uma indstria constituda de motores eltricos. Por isso, importante conhecer um pouco sobre esse equipamento.


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Classificao quanto

ao

tipo

de

alimentao

Motores de corrente contnua So motores que normalmente tm um custo elevado, se comparado a um motor de corrente alternada de mesma potncia. Alm disso, esse tipo de motor exige a disponibilidade de uma fonte de corrente contnua para a sua alimentao. Seu uso justificado quando empregado em sistemas de controle de acionamento em que so necessrios motores de fcil variao de velocidade.

Excitao independente Srie

Corrente Contnua Auto-excitao Paralelo Composto

Motores de corrente alternada So motores que funcionam alimentados por corrente alternada. So de dois tipos: o sncrono e o assncrono ou de induo.

O motor sncrono funciona com velocidade fixa, um equipamento caro, se comparado com outros de mesma potncia e, por isso, utilizado apenas para acionamento de cargas de grandes potncias. O motor assncrono ou de induo tem grande aplicao nas indstrias, principalmente nas refinarias.

Corrente Alternada

Monofsicos

Trifsico

Tipo Universal

Rotor Tipo Gaiola

Sncronos Assncronos ou de Induo

Anel em curto Fase Auxiliar

Rotor Tipo Gaiola

Rotor Tipo Enrolado


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VN

Sero aqui

analisados

apenas

os

motores

de

corrente

alternada

trifsica, que so os mais utilizados em um sistema industrial.

A potncia mecnica no eixo pode ser expressa por HP (horse power) ou CV (cavalo vapor). A potncia eltrica de entrada igual potncia mecnica no eixo dividido pelo rendimento, que da ordem de 80% para motores mdios e ainda maior para os grandes motores.

A corrente nominal do motor monofsico ou bifsico obtida em ampres

pela expresso:

I = P . Cos .

onde:

I = corrente nominal (ampre) VN = tenso nominal (volts) Cos = fator de potncia = rendimento P = potncia til (watts) P (Watts) = P (HP) x 746 P (Watts) = P (CV) x 736

Se o motor for trifsico, o fator 3 aparece no denominador:

I = P VN . Cos . . 3


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p

(b.1) Motores sncronos

Caracterizam-se por funcionar com uma velocidade que depende da freqncia da rede que os alimenta, independentemente da carga.

Os motores sncronos so alternadores que funcionam como motores. Sua velocidade, em nmero de rotaes por minuto, expressa pela frmula:

n= 120 x f

onde:

n = nmero de rotaes (rpm) f = freqncia da rede (Hz) p = nmero de plos do motor

Esta frmula nos d a velocidade de sincronia do motor. Alm da produo de fora motriz, o motor sncrono tem a propriedade de fazer com que, variando a excitao do campo indutor e, portanto, a corrente dos plos e

conseqente fluxo magntico, a mquina produza ou absorva uma intensidade que se sobrepe da linha, a qual ocasiona defasagem da corrente resultante com relao voltagem, quer dizer, faz variar o Cos q.

Em resumo, diminuindo-se a excitao do campo, produz-se uma corrente atrasada e, aumentando-se a excitao, cria-se uma corrente adiantada.

Vantagem, desvantagem e aplicao do motor sncrono

Vantagem Sabemos que o motor sncrono o nico motor eltrico que tem velocidade constante tanto a vazio como com carga, considerando-se que a freqncia de suprimento seja constante. usado em duas condies:


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para velocidade sncrona com deslizamento igual a zero indepen-

dentemente tanto da carga como da tenso; e emprego combinado como motor e como refazedor, para melhorar o

fator de potncia de toda a instalao a que est ligado.

Desvantagem O emprego de corrente contnua para a sua excitao. Havendo qualquer perturbao no sistema, o motor poder sair de sincronismo, causando a sua parada (enquanto o motor assncrono continuar a girar). Por sua vez, o controle e automatizao de um motor sncrono no so to simples como

os de motor assncrono.

Aplicao Aplica-se como gerador, na correo do fator de potncia, nos compressores, laminadores, sopradores e conversores de freqncia.

(b.2) Motores assncronos ou de induo

Figura 12 - Motor sncrono


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Tipos

O motor de induo trifsico composto, fundamentalmente, de duas partes: estator e rotor.

O estator formado por: carcaa, que a estrutura-suporte do conjunto; ncleo de chapas magnticas; e enrolamento trifsico.

O rotor formado por: eixo, que transmite as potncias mecnicas desenvolvidas pelo

motor; ncleo de chapas magnticas; e enrolamento.

De acordo com a construo do enrolamento, o motor de induo pode ser dividido em dois tipos bsicos: rotor tipo gaiola e rotor tipo enrolado ou anis coletores.

Rotor tipo gaiola Construdo com chapas de cobre ou alumnio curto-circuito sobre um ncleo de ferro laminado. No se tem acesso s correntes que circulam pelos condutores do rotor, j que no h nenhum contato eltrico entre o rotor e a parte externa.

Rotor tipo enrolado ou anis coletores Seu rotor apresenta enrolamentos que so ligados a anis coletores existen-

tes no seu eixo. A esses coletores so conectadas resistncias para a partida, as quais devem ser curto-circuitadas.


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Figura 13 Rotores

Rotor tipo gaiola

Rotor tipo enrolado ou anis coletores

Aplicao O motor de induo trifsico tipo gaiola o mais utilizado nas indstrias, por causa da sua simplicidade, construo robusta e baixo custo de fabricao. Nas indstrias onde so processadas substncias de carter explosivo, devem ser util izados motores que no provoquem centelhamento.

Princpio de funcionamento do motor de induo Uma corrente eltrica, ao percorrer uma bobina, cria um campo magntico dirigido conforme o eixo da bobina, sendo seu valor proporcional ao da corrente. Quando um enrolamento trifsico de um motor de induo submetido a correntes alternadas defasadas de 120 graus, cria-se em cada bobina um campo magntico tambm alternado. Pode-se provar que o campo magntico resultante do efeito dos trs campos estabeleci-

dos nas bobinas do estator tem valor constante e girante, isto , sua direo varia angularmente no tempo. As Figuras 14 e 15 mostram, graficamente, esse efeito.


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Figura 14 Motores assncronos - princpio de funcionamento

Figura 15 Motores assncronos - princpio de funcionamento

Onde :

H1 = Hm . sen (wt) H2 = Hm . sen (wt 120) H3 = Hm . sen (wt 240)


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Esse campo girante H induz uma corrente nas barras do rotor que, por sua

vez, gera um campo magntico que se ope ao campo H. Desta forma, estabelecida uma fora de repulso entre o campo H do estator e o campo gerado por ele no rotor. Como o campo H girante, essa fora tambm gira, provocando o arraste do rotor.

Dependendo da relao entre o conjugado no eixo e a velocidade mecnica, os motores de induo so classificados em:

Categoria A e B: Conjugado de partida normal; corrente de partida normal;

baixo escorregamento. Constituem a maioria dos motores encontrados no mercado e prestam-se ao acionamento de cargas normais, como bombas, mquinas operatrizes, etc.

Categoria C: Conjugado de partida alta; corrente de partida normal; baixo escorregamento. Usados para carga que exigem maior conjugado na partida, como peneiras, transportadores carregados, cargas de alta inrcia, etc.

Categoria D: Conjugado de partida alta; corrente de partida normal; alto

escorregamento (mais de 5%). Usados em prensas excntricas e mquinas semelhantes, cuja carga apresenta picos peridicos. Usados tambm em elevadores e cargas que necessitam de conjugados de partida muito altos e corrente de partida limitada.

Categoria E: Conjugado de partida baixa; corrente de partida baixa; baixo escorregamento. Pouco usados, destinam-se a cargas com partidas freqentes, porm, sem necessidade de altos conjugados e onde importante limitar a corrente de partida.


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Figura 16 - Curvas conjugado velocidade


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Vantagens e desvantagens do motor assncrono

Vantagens O motor assncrono apresenta as seguintes vantagens:

relativamente simples; tem construo robusta; apresenta adaptao perfeita ao trabalho, velocidade constante; de fcil montagem e manuteno; tem manuteno de custo desprezvel, apresentando dois pontos de

desgastes: os dois mancais; e rotor no tem destruio, o estator bastante simples e impede as

centelhas durante o funcionamento; suporta altas sobrecargas.

Desvantagens Como desvantagem, no motor assncrono, a intensidade da corrente para dar a partida, necessria plena tenso, provoca uma indesejvel queda de tenso no sistema.

Valores de placa Para atender a uma determinada aplicao, necessria uma seleo adequada do motor. Essa seleo feita pelo tipo de carga e por condies de servio existentes at chegar-se finalmente a um determinado tipo de motor cujas caractersticas so resumidas na placa de caractersticas. A ABNR - NORMA PP 120 recomenda, no mnimo, as seguintes informaes:

nome e endereo do fabricante; modelo de fabricao; categoria; potncia nominal em C.V.; potncia aparente com rotor bloqueado (facultativo); letra cdigo; regime de funcionamento; classe de isolamento;


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velocidade nominal em RPM;

freqncia nominal em Hertz (H); nmeros de fases; tenso nominal em volts; corrente nominal em ampres; fator de servio; e nmero de fabricao.

Operao de motores assncronos

Partida A partida de um motor eltrico requer, da rede eltrica, o equivalente a 7 vezes mais energia do que necessita para operar em regime a plena carga, ou seja, um motor que consome 10A consome 70A na partida. Por esse motivo, devemos tomar alguns cuidados.

Rotor travado Se possvel, observar a partida do motor; caso o motor no parta, estando o

sistema de partida ligado, o motor poder queimar com o rotor travado, devido alta corrente de partida a que submetido.

muito comum travar bombas de leo combustvel quando esto abaixo do ponto de fluidez. Procura-se aquecer a bomba com vapor ou refluxo do leo. Em seguida, liga-se e desliga-se rapidamente a bomba, observando o movimento do rotor e, se a bomba girar, basta coloc-la em servio. Caso contrrio, repita a operao anterior.

Regime Temperatura anormal - A carcaa e os mancais so os pontos mais comuns de aquecimento e devem ser inspecionados com cuidado e com base na experincia do tcnico de operao. A origem pode ser:


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mancal: falta de lubrificao ou excesso de graxa, motor fora de alinhamento, folga nos mancais e desbalanceamento; e

a carcaa: sobrecarga, falta de fase, tenso baixa, problemas de isolao entre espiras, ventoinha com defeito e rotor com gaiola danificada.

Rudo Trata-se de um outro sentido que deve ser desenvolvido no tcnico deoperao e que lhe permite diagnosticar anormalidade em qualquer tipo de equipamento. Nos motores eltricos, pode ser diagnosticado:

zumbido caracterstico do campo magntico girante (normal);

ventoinha, que o que provoca mais rudo (normal); mancais: somente quando defeituosos; desbalanceamento do rotor; motor fora de alinhamento; e acoplamento defeituoso.

Vibrao Origina-se basicamente de problemas mecnicos. So eles:

rotor desbalanceado;

motor fora de alinhamento; mancais defeituosos; e acoplamento defeituoso.

Retorno de manuteno necessrio verificar o sentido de rotao, a vibrao, o rudo e a temperatura, principalmente nas primeiras horas de operao.

Sistema de partida em motores trifsicos

Sempre que possvel, a partida de um motor trifsico de gaiola dever ser direta e por meio de contatores ou disjuntores. Deve ter-se em conta que para um determinado motor, a curva de conjugados e corrente so fixas, independentemente da dificuldade da partida.


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Caso a partida direta no seja possvel, por exemplo, por imposio da

companhia fornecedora de energia ou da deficincia da instalao eltrica da prpria indstria onde ser instalado o motor, podem ser usados sistemas de partida indireta para reduzir a corrente de partida, como chave estrela/tringulo e chaves compensadoras.

Em alguns casos, ainda, pode ser necessria uma partida mais suave como, por exemplo, para algumas esteiras, transportadoras, redutores, etc.

Vantagens e desvantagens entre chaves estrela-tringulo e compensadoras automticas

Chave estrela-tringulo (automtica) Vantagens:

a chave estrela-tringulo muito popular por ter custo reduzido; nmero de manobras possveis no tem limite; os componentes ocupam pouco espao; e a corrente de partida fica reduzida para 1/3.

Desvantagens: a chave s pode ser aplicada a motores cujos 6 bornes ou termi-

nais sejam acessveis; a tenso da rede deve coincidir com a tenso em tringulo do motor; com a corrente de partida reduzida para 1/3 da corrente nominal,

reduz-se tambm o momento de partida para 1/3; caso o motor no atinja, pelo menos, 90% de sua velocidade

nominal, o pico de corrente na comutao de estrela para tringulo ser

quase como se fosse uma partida direta, o que se torna prejudicial aos contatos dos contatores e no traz nenhuma vantagem para a rede eltrica.


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Chave compensadora

(automtica) Vantagens:

no tap de 65%, a corrente de linha aproximadamente igual da chave estrela-tringulo, entretanto, na passagem da tenso reduzida para a tenso da rede, o motor no desligado e o segundo pico bem reduzido, visto que o autotrafo por curto tempo se torna uma reatncia; e

possvel a variao do tap de 65 para 80% ou at para 90% da tenso da rede, a fim de que o motor possa partir satisfatoriamente. Isso

quer dizer

que

sua

aplicao

ir

se

dar

na

partida

de

bombas,

ventiladores,

ou outras mquinas que demoram para atingir a velocidade nominal.

Desvantagens: a grande desvantagem a limitao da sua freqncia de mano-

bras. Na chave compensadora automtica, sempre necessrio saber a sua freqncia de manobra para determinar o autotrafo de acordo;

a chave compensadora bem mais cara do que a chave estrela-

tringulo devido ao autotrafo; e

devido ao tamanho do autotrafo, a construo torna-se volumosa, necessitando quadros maiores, o que determina elevao de preo.

Aquecimento do enrolamento

Perdas A potncia til fornecida pelo motor na ponta do eixo menor que a potn-

cia que o motor absorve da linha de alimentao, isto , o rendimento do

motor sempre inferior a 100%. A diferena entre as duas potncias representa as perdas que so transformadas em calor, que aquece o enrolamento e deve ser dissipado para fora do motor para evitar que a elevao de temperatura seja excessiva. O mesmo acontece em todos os tipos de motores. No motor de automvel, por exemplo, o calor gerado pelas perdas


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a

internas tem que ser retirado do bloco pelo sistema de circulao de gua com radiador, ou pela ventoinha em motores resfriados a ar.

Dissipao do calor O calor gerado pelas perdas no interior do motor dissipado para o ar ambiente atravs da superfcie externa da carcaa. Em motores fechados essa dissipao normalmente auxiliada pelo ventilador, montado no prprio eixo do motor. Uma boa dissipao depende:

da eficincia do sistema de ventilao; da rea total de dissipao da carcaa; da diferena de temperatura entre a superfcie externa da carcaa e

o ar ambiente (t ext t ).

Um sistema de ventilao bem projetado, alm de ter um ventilador eficiente capaz de movimentar grande volume de ar, deve dirigir esse ar de modo a varrer toda a superfcie da carcaa, onde se d a troca de calor. De nada adianta um grande volume de ar, se ele se espalha sem retirar o calor do motor.

A rea total de dissipao deve ser a maior possvel. Entretanto, no caso de um motor com uma carcaa muito grande, seria muito caro e pesado para se obter maior rea, alm de ocupar muito espao. Por isso, a rea de dissipao disponvel limitada pela necessidade de fabricar motores pe- quenos e leves. Isso compensado, em parte, aumentando-se a rea disponvel por meio de aletas de resfriamento fundidas com a carcaa.

Um sistema de resfriamento eficiente aquele que consegue dissipar a maior quantidade de calor disponvel atravs da menor rea de dissipao. Para isso, necessrio que a queda interna de temperatura seja minimizada. Isso quer dizer que deve haver uma boa transferncia de calor do interior do motor at a superfcie externa.

O que realmente queremos limitar a elevao da temperatura no enrolamento sobre a temperatura do ar ambiente. Essa diferena total (Dt) comumente


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chamada elevao

de

temperatura

do

motor

e,

como

indicado

na

Figura 17, vale a soma da queda interna com a queda externa.

Figura 17 - Elevao de temperatura


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Como vimos, interessa reduzir a queda interna (melhorar a transferncia de

calor) para haver uma queda externa possvel, pois esta que realmente ajuda a dissipar o calor. A queda interna de temperatura depende de diversos fatores, como indica a Figura 17, cujas temperaturas de certos pontos importantes do motor esto representadas e explicadas a seguir:

A - Ponto mais quente do enrolamento, no interior da ranhura, onde gerado o calor proveniente das perdas nos condutores.

AB - Queda de temperatura na transferncia de calor do ponto mais quente

at os fios externos. Como o ar um pssimo condutor de calor, importante que no haja vazios no interior da ranhura, isto , as bobinas devem ser compactas e a impregnao com verniz deve ser perfeita.

B - Queda atravs do isolamento da ranhura e no contato desta com os condutores de um lado, e com as chapas do ncleo, de outro. O emprego de materiais modernos melhora o contato do lado interno, eliminando espaos vazios; o bom alinhamento das chapas estampadas melhora o contato do lado externo, eliminando camadas de ar que prejudicam a transferncia de

calor.

BC - Queda de temperatura por transmisso atravs do material das chapas do ncleo.

C - Queda no contato entre o ncleo e a carcaa. A conduo de calor ser tanto melhor quanto mais perfeito for o contato entre as partes, dependendo do bom alinhamento das chapas e da preciso da usinagem da carcaa. Superfcies irregulares deixam espaos vazios entre elas, resultando mau

contato e, portando, m conduo do calor e elevada queda de temperatura nesse ponto.

CD - Queda de temperatura por transmisso atravs da espessura da carcaa.


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Temperatura externa do motor

Era comum, antigamente, verificar o aquecimento do motor, medindo, com a mo, a temperatura externa da carcaa. Em motores modernos, esse mtodo primitivo esta completamente errado. Como vimos anteriormente, os critrios modernos de projeto procuram aprimorar a transmisso de calor internamente, de modo que a temperatura do enrolamento fique pouco acima da temperatura externa da carcaa, onde ela realmente contribui para dissipar as perdas. Em resumo, a temperatura da carcaa no d indicao do aquecimento interno do motor, nem de sua qualidade. Um motor frio por fora pode ter perdas maiores e temperatura mais alta no enrolamento do que

um motor exteriormente quente.

Vida til do motor Sendo o motor de induo uma mquina robusta e de construo simples, sua vida til depende quase exclusivamente da vida til da isolao dos enrolamentos. Esta afetada por muitos fatores, como umidade, vibraes, ambientes corrosivos e outros. Dentre todos os fatores, o mais importante , sem dvida a temperatura de trabalho dos materias isolantes empregados. Um aumento de 8 a 10 graus na temperatura da isolao reduz sua vida til

pela metade.

Quando falamos em diminuio da vida til do motor, no nos referimos s temperaturas elevadas, quando o isolante se queima e o enrolamento destrudo de repente. Vida til da isolao (em termos de temperatura de trabalho, bem abaixo daquela em que o material se queima) diz respeito ao envelhecimento gradual do isolante, que se vai tornando ressecado, perdendo o poder isolante at que no suporte mais a tenso aplicada e produza o curto-circuito.

A experincia mostra que isolao tem uma durao praticamente ilimitada,se a sua temperatura for mantida abaixo de um certo limite. Acima desse valor, a vida til da isolao vai se tornando cada vez mais curta, medida que a temperatura de trabalho mais alta. Esse limite de temperatura


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muito mais baixo que a temperatura de queima do isolante e depende do

tipo de material empregado.

Essa limitao de temperatura est circunscrita ao ponto mais quente da isolao e no necessariamente ao enrolamento todo. Evidentemente, basta um ponto fraco no interior da bobina para que o enrolamento fique inutilizado.

Proteo trmica de motores eltricos

Os motores utilizados em regime contnuo devem ser protegidos contra sobrecargas por um dispositivo integrante do motor, ou um dispositivo de proteo independente, geralmente com rel trmico com corrente nominal ou de ajuste, igual ou inferior ao valor obtido multiplicando-se a corrente nominal de alimentao a plena carga por:

1,25 para motores com fator de servio igual ou superior a 1,15; e 1,15 para motores com fator de servio igual a 1,0 (NBR 5410).

A proteo trmica efetuada por meio de termorresistncias (resistncia

calibrada), termostatos ou protetores trmicos. Os tipos de detetores a serem utilizados so determinados em funo da classe de temperatura do isolamento empregado, de cada tipo de mquina e da exigncia do cliente.

(c) Geradores

Os geradores so mquinas eltricas rotativas, de construo semelhante

dos motores eltricos, os quais transformam energia mecnica em energia el-

trica. Em uma refinaria, a energia mecnica normalmente fornecida por uma turbina a vapor. O gerador sncrono trifsico o tipo de gerador utilizado em aplicaes industriais. Ele apresenta como vantagens o controle do fator de potncia e estabilidade. Esta seo abordar somente o gerador sncrono trifsico.


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(c.1) Funo

A funo dos geradores fornecer energia s cargas eltricas da refinaria, que so constitudas basicamente de motores eltricos, iluminao, instrumentos e equipamentos eletrnicos.

(c.2) Princpio de funcionamento

Assim como os motores, o gerador composto fundamentalmente de duas partes, o rotor e o estator. Tais partes tm a mesma composio citada na

seo de motores, com a diferena de que o enrolamento do rotor constitudo basicamente de uma bobina.

O gerador acionado pela turbina, que gira a velocidade sncrona. O gerador possui enrolamentos no estator distribudos em 3 fases, da mesma maneira que nos motores de induo. No enrolamento do rotor, aplicada corrente contnua pela excitatriz. Esta corrente ir produzir um campo magntico contnuo no rotor na direo e sentido perpendicular ao enrolamento. Este campo magntico gira junto com o rotor, e na mesma velocidade (sncrona).

Ao passar pelo enrolamento do estator, haver variao do campo magntico envolvido pelo enrolamento, gerando tenses nos 3 enrolamentos do estator defasadas 120 entre si.

A uma velocidade sncrona, o gerador produzir a tenso nominal a uma freqncia de 60Hz, que a freqncia requerida pelos motores eltricos da refinaria e da maioria dos equipamentos eltricos. A tenso gerada no atender a maioria dos equipamentos eltricos, mas pode ser transformada para nveis menores de tenso, o que feito pelos transformadores.


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Figura 18- Gerador sncrono

Figura 19 - Rotor de um gerador sncrono

Figura 20 - Enrolamento do estator de um gerador sncrono


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(c.3) Cuidados operacionais e protees do TG (turbo-gerador)

Existem alguns cuidados operacionais bsicos ao lidar com o conjunto turbina- gerador. A turbina a vapor no pode ser simplesmente ligada ou desligada. Existe um procedimento para partida e parada da turbina, que devem ser feitas gradativamente, com o risco de dano permanente no equipamento.

O girador de eixo acoplado turbina parada com a finalidade de girar a turbina em intervalos determinados de tempo para o eixo no empenar com o peso da turbina. Quando o girador de eixo acoplado turbina, a proteo

no permite que a turbina seja colocada em operao.

Os mancais, tanto da turbina quanto do gerado r, so lubrificados constantemente por bombas, que devem manter uma determinada presso de leo nos mancais. Quando a presso do leo de lubrificao cair abaixo

de um determinado valor, o pressostato atua.

A turbina possui um sistema de proteo mecnica contra sobrevelocidade, desligamento manual, baixa presso de leo de lubrificao, girador de eixo

acoplado, perda de vcuo e posio do rotor.

Quando, por alguma razo, ocorrer sobrevelocidade na turbina (de 109 a 111% da rotao nominal), a proteo mecnica atua, parando a turbina.

No caso de turbinas a vapor de extrao e condensao, h formao de vcuo na sada de condensao. Quando, por alguma razo, houver perda de vcuo, o pressostato atua, causando a parada da turbina.

Ao ocorrer um deslocamento axial do eixo, lado gerador, do ou do lado turbina, sua posio eletricamente detectada pelo indicador de posio do eixo que em caso de ultrapassagem dos valores acima atuar, causando a parada da turbina.


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Figura 21 - Mancal de deslizamento de um gerador sncrono

Figura 22 - Mancal de deslizamento de um gerador sncrono

Figura 23 - Bomba de leo para mancais de um gerador sncrono


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A parada repentina da turbina, causada pelas protees, diminui a vida til da mesma, porm, os eventos, que podem se suceder a qualquer dos problemas citados acima, so catastrficos.

(c.4) Modos de falha

A falha no funcionamento de um gerador um incidente grave em uma refinaria. Pode causar desde a passagem da refinaria de fornecedora a compradora de energia eltrica at a queda de unidades inteiras na refinaria, provocando perdas por lucros cessantes e possveis incndios nas unidades.

Abaixo so listados os mais comuns.

Trip no gerador O trip (desligamento) do gerador se d por atuao de alguma proteo, baseada em parmetros mecnicos ou eltricos, que visa proteger o gerador, a turbina, ou o sistema de acidentes catastrficos. Os geradores so os equipamentos eltricos mais caros de uma refinaria e que necessitam da mais alta confiabilidade. Por isso, possuem uma grande variedade de protees. Sempre que houver trip do gerador pela proteo, necessrio

que haja uma anlise da causa antes de coloc-lo em servio novamente.

Queda da interligao com a concessionria Uma causa provvel a perda de sincronismo. O sincronismo o equilbrio das tenses de dois sistemas eltricos. A perda de sincronismo dos geradores da refinaria com a concessionria pode ser causada por problemas tanto da concessionria quanto da refinaria. Quando ocorre a perda de sincronismo, a interligao entre a refinaria e a concessionria aberta automaticamente e ambas passam a operar separadamente.

Um curto-circuito no sistema da concessionria tambm causaria a queda da interligao.


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Sobrevelocidade

O gerador entra em sobrevelocidade quando uma carga grande desligada bruscamente. Uma causa provvel a sada de um equipamento de elevada potncia do sistema. Tambm possvel um curto-circuito onde a proteo atua, podendo desligar grandes cargas. Pode acontecer, tambm, com a queda da interligao com a concessionria quando a refinaria est venden- do energia. Existe um sistema de controle de velocidade dos geradores, impedindo estes de atingir nveis de velocidade perigosos.

Subtenso

O gerador produz tenso abaixo de um determinado limite normalmente quando est alimentando um curto-circuito. A proteo dever atuar isolando o circuito defeituoso restabelecendo a tenso nominal do gerador.

(d) Acessrios eltricos e outros itens

(d.1) Condutor

Um material condutor caracterizado pela grande quantidade de eltrons livres localizados na ltima rbita de seus tomos. A principal caracterstica desse tipo de material a sua capacidade de conduzir corrente eltrica, de um tomo para outro, atravs dos eltrons livres. Dessa maneira, os materiais que permitem o livre movimento dos eltrons so chamados condutores.

A energia eltrica nos condutores transferida atravs do movimento de eltrons livres ao se deslocarem de um tomo para outro. Cada um dos eltrons, portanto, percorre uma pequena distncia, alcana o tomo vizinho e substitui um eltron, desalojando-o de sua rbita externa. Os eltrons substitudos repetem o processo at que o movimento dos eltrons tenha percorrido toda a extenso do condutor.


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A maioria dos metais so bons condutores, tais como: o alumnio, a prata, o

ouro, o cobre etc. Sais e cidos tambm so bons condutores de eletricidade.

(d.2) Painis

Com suas blindagens perfeitas, garantem elevada segurana de ser vio e acentuada proteo contra acidentes. A evoluo tcnica na construo de painis de comando funcionais e de boa apresentao reflete a caracterstica principal dos painis modernos. Excees variadas, baseadas sempre em

dimenses padronizadas, em execuo aberta e fechada, so atualmente empregadas com freqncia em virtude das vantagens prticas que apresentam.

Os painis podem ser classificados segundo dois critrios: o tipo de proteo e a execuo construtiva. Quanto ao tipo de proteo, temos:

Aberto Como tais, no apresentam proteo contra o contato manual ou contra a

introduo de ferramentas, alm de permitirem a influncia de umidade e gua. Estes painis possuem aberturas de topo e na parte posterior, deven- do ser montados em interiores de indstrias.

Fechado Fundamentalmente, esta construo evita o contato manual e, de acordo com o tipo, impossibilita o uso de ferramentas de dimetro superior a 1mm, ou ter vedao total. No apresenta, porm, proteo contra os efeitos da gua, podendo ser construdo prova de poeira.

(d.3) Disjuntores

Disjuntores so equipamentos usados para estabelecer, manter e interromper as correntes dos circuitos, seja ela corrente de carga ou de curto-circuito.


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Podem operar diversas vezes, sem precisar de manuteno. Possuem contatos

eltricos que se abrem normalmente em um meio extintor de arco eltrico, por exemplo, leo mineral, SF6 (hexafluoreto de enxofre) e ar comprimido seco.

Alguns possuem mecanismos auxiliares para extino de arco eltrico: bobinas de sopro magntico, sopro de ar ou de gs SF6.

Os disjuntores podem ser do tipo: de caixa moldada, chamados normalmente no-fuse, quick-lag;

de ar, cujos contatos se abrem no ar ambiente; de grande volume de leo; de pequeno volume de leo; de volume reduzido de leo; a ar comprimido; a vcuo; e a SF6.

Seu acionamento pode ser comandado por rels de proteo, externos ou

acoplados ao prprio corpo do disjuntor. Nos de caixa moldada, o sistema de disparo magntico e/ou trmico e interno ao prprio disjuntor.

(d.4) Fusveis

Numa instalao eltrica, so empregados fios cuja finalidade suportar uma certa intensidade de corrente. Essa intensidade no poder atingir valor muito alm do previsto; caso contrrio, o calor liberado pelo efeito Joule poder fundir os fios e danificar a instalao.

Num circuito eltrico, sempre acontecem acidentes que elevam o valor da intensidade da corrente. Por isso, para a devida proteo da instalao eltrica, conecta-se em srie, no circuito eltrico, um condutor de chumbo. Se o valor da intensidade da corrente for maior do que o previsto, o calor


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produzido funde o chumbo antes dos outros condutores. O chumbo fundido

tem por finalidade a interrupo do circuito, e a intensidade da corrente deixa de passar. Esse condutor de chumbo, prata ou de uma liga metlica comumente chamado de fusvel.

O funcionamento do fusvel baseia-se no princpio segundo o qual uma corrente que passa por um condutor gera calor proporcional ao quadrado de sua intensidade. Quando a corrente atinge a intensidade mxima tolervel, o calor gerado no se dissipa com rapidez suficiente, derretendo um componente e interrompendo o circuito. O tipo mais simples composto

basicamente de um recipiente tipo soquete, em geral de porcelana, cujos terminais so ligados por um fio curto, que se derrete quando a corrente que passa por ele atinge determinada intensidade. O chumbo e o estanho so dois metais utilizados para esse fim. O chumbo se funde a 327C e o estanho a 232C, se a corrente for maior do que a especificada no fusvel.

O fusvel de cartucho, manufaturado e lacrado em fbrica, consiste em um corpo oco no-condutivo, de vidro ou plstico, cujo elemento condutor est ligado interiormente a duas cpsulas de metal, os terminais, localizados

nas extremidades.

(d.5) Chaves magnticas

So equipamentos dotados de uma bobina que, energizada, atrai uma charneira com contatos eltricos, ligando ou desligando cargas eltricas, normalmente motores.

Normalmente, se associam rels trmicos a esses equipamentos para a

proteo de motores. Geralmente, so ligados a distncia atravs de botoei- ras, podendo tambm atender a comandos automticos de rels temporizados, termostatos, etc. Possuem grande capacidade de manobra e correntes de cargas, sem prejuzo dos contatos eltricos.


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(d.6) Chaves seccionadoras

So amplamente utilizadas em circuitos eltricos. Servem para isolar fisica- mente um circuito eltrico. No devem operar correntes de cargas dos circuitos, pois no possuem meios para extino do arco eltrico. Atualmente, j se fazem chaves do tipo faca, com abertura rpida (independente do opera- dor da chave), providas de elementos auxiliares de extino. Podem, neste caso, operar correntes de carga. Tambm as chaves seccionadoras imersas em leo ou SF6 podem operar correntes de carga.

As seccionadoras devem suportar, fechadas, a corrente de curto-circuito, sem problemas.

(d.7) Extrao, insero, liga e desliga de equipamentos

Antes da realizao de qualquer trabalho, deve-se sempre comprovar que o circuito do equipamento esteja realmente desernegizado e que no haja possibi- lidade de energizao acidental. Realize teste prvio de tenso, antes de traba-

lhar no circuito, para verificar se realmente est desernegizado, utilizando multmetro em circuitos de baixa tenso e basto de teste para circuitos de mdia e alta tenso, desde que especificados para a tenso a ser testada.

Quando a corrente eltrica interrompida, h formao de centelha (arco voltaico). No caso de correntes elevadas, o arco formado pode ter temperaturas em torno de 2.500oC e deve ser controlado e extinto para que no haja a fuso do dispositivo interruptor. A capacidade de interrupo de corrente eltrica uma caracterstica de cada chave.

Dentre os maiores causadores de leses graves em acidentes em trabalhos com equipamentos eltricos esto os arcos voltaicos. Antes de se tocar na parte no isolada de um circuito eltrico, deve-se deslig-lo, test-lo e aterr-lo solidamente.


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Para desligar a gaveta de 480V, visando liberao de equipamento no

campo, o procedimento deve incluir, entre outros: confirmar junto unidade o desligamento do equipamento a ser liberado; verificar se a sinalizao na gaveta est compatvel com a informa-

o da unidade; abrir a chave seccionadora da gaveta; etiquetar a gaveta com etiquetas da operao e solicitar ao execu-

tante que coloque a sua etiqueta antes da liberao do equipamento; e comunicar unidade o trmino da manobra.

Para ligar a gaveta de 480V, visando ao retorno do equipamento no campo. O procedimento, neste caso, deve incluir, entre outros:

verificar, junto ao executante, o trmino de todos os servios reali- zados no equipamento a ser normalizado, bem como confirmar a remoo de todas as etiquetas da manuteno, afixadas ao equipamento no campo.

durante a insero de qualquer gaveta, no necessrio o emprego de fora excessiva. Desconfiar, caso esteja sendo necessrio o emprego de uma fora acima do normal, pois pode ser que as garras no estejam na posio correta, o que pode causar um curto-circuito.

(d.8) Baterias, inversores e carregadores de bateria

Em centrais geradoras de eletricidade e subestaes, a corrente contnua faz parte de um sistema constitudo de carregadores de baterias baterias e consumidores.

Bateria

Equipamento eletroqumico que transforma energia qumica em energia eltrica de corrente contnua.


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Carregador de Baterias

Retificador esttico de onda completa com a finalidade de alimentar o con- sumidor e manter uma carga de flutuao nas baterias.

Em condies normais, o retificador alimenta a carga do sistema (consumi- dor) e ainda mantm uma carga de flutuao nas baterias. Na falta de alimentao de corrente alternada para o retificador, as baterias passam a suprir de energia o sistema (ver Figura 24).

FONTE

C.A.

C.C. RETIFICADOR RETIFICADOR

BATERIAS

Figura 24 - Funcionamento do sistema baterias-retificadores

As baterias devem ter capacidade suficiente para suprir o sistema durante, pelo menos, algumas horas, dando, assim, oportunidade de recuperao da fonte para voltar a alimentar o retificador.

O sistema deve ser provido de meios para interlig-lo com outra fonte de C.C. por meio de outro retificador ou de outro sistema.

Tipo de consumo Consumo permanente: rels, sistemas de sinalizao e alarme. Consumo por tempo limitado: luz de emergncia. Consumo momentneo: fechamento e abertura de disjuntores.


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(d.9) Baterias conceitos

A bateria apresenta, na sua estrutura, trs partes essenciais: os eletrodos, onde se produzem as reaes qumicas; eletrlito, que a soluo reagente e que constitui o meio condutor

das cargas eltricas no interior do acumulador; e o vaso recipiente, que abriga os eletrodos e o eletrlito.

O diagrama da Figura 25 esquematiza, de forma simplificada, um acumulador eltrico. Na figura, os eletrodos so classificados como positivo e negativo e

so identificados pelos smbolos + e - , respectivamente, na parte externa do acumulador. Essa parte do eletrodo denominada terminal de ligao e serve como ponto de conexo entre o acumulador e o circuito externo. As placas dos eletrodos, que se localizam internamente ao acumulador, esto em contato direto com a soluo eletroltica e afastadas uma da outra mecanicamente. Esse afastamento mecnico representa tambm um isolamento eltrico e pode ser feito por um material isolante.

Figura 25 - Constituio bsica de uma clula de acumulador eltrico


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As substncias que formam cada eletrodo tm constituies diferentes e so

os reagentes, os quais vo formar compostos qumicos durante o fornecimento de carga eltricas ao circuito externo pela combinao com as partculas das substncias do eletrlito.

Eletrlito dos acumuladores reversveis so solues de cido, base ou sais, que servem de elemento condutor para permitir a circulao das cargas eltricas no interior do acumulador. Como se observa na figura, o eletrlito envolve totalmente os dois eletrodos.

Vaso recipiente constitui o elemento de proteo mecnica para os eletrodos e eletrlito, que so os componentes que participam ativamente do processo de formao ou acumulao de cargas eltricas.

A bateria tem o seu funcionamento caracterizado por reaes qumicas em seus eletrodos, as quais capazes de provocar a circulao de eltrons entre os seus terminais de ligao atravs de um circuito condutor externo. Para que essa corrente eletrnica se estabelea, devem ser atendi- dos os seguintes requisitos:

as reaes qumicas que ocorrem nos eletrodos devem, de um lado, liberar eltrons e, do outro, absorver eltrons. Esse requisito est ligado valncia dos elementos das substncias reagentes;

entre os dois eletrodos, deve existir uma diferena de potencial capaz de provocar o deslocamento dos eltrons pelo circuito externo. Este requisito est ligado ao potencial eletroqumico que se estabelece entre os eletrodos e o eletrlito durante as reaes eletroqumicas; e

eletrlito deve apresentar um alto grau de ionizao(1). Esse requisito estabelece a capacidade do acumulador em fornecer corrente ao circuito externo.

A circuito aberto, os ons existentes no eletrlito, que so tomos ou radicais com grande afinidade qumica com as substncias das placas, se deslocam para as placas afins. Em conseqncia, em volta das placas se formam concen- traes inicas.


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Ao se fechar um circuito eltrico entre os dois eletrodos do acumulador, atravs

de um circuito externo, o desequilbrio eltrico entre cada eletrodo e o eletrlito, resultante do seu potencial eletroqumico, atrai a maioria dos ons ao seu redor que so neutralizados, de um lado, por reao de oxidao e, do outro, por reduo, combinando-se com a substncia desses eletrodos. A partir da, as reaes se sucedem, formando-se um movimento de cargas eltricas no interior do eletrlito, resultante do deslocamento dos ons, e no circuito externo estabelecido o fluxo de eltrons entre os eletrodos.

O fluxo de eltrons atravs do circuito externo mantm o equilbrio entre as

reaes de reduo e oxidao. Assim, para cada combinao qumica nos eletrodos do acumulador ocorre a neutralizao de cargas eltricas. Para se manter o equilbrio das reaes eletroqumicas, os eltrons entregues ao eletrodo negativo se deslocam, pelo circuito externo, at o eletrodo positivo, onde so absorvidos durante as combinaes entre os reagentes.

Durante o processo, dois pontos bsicos se caracterizam: as cargas eltricas em movimento no interior do acumulador so

formadas por partculas eletrizadas (ons positivos e negativos); e

as cargas eltricas em movimento pelo circuito externo so eltrons resultantes das combinaes eletroqumicas nos eletrodos do acumulador.

As reaes qumicas que ocorrem durante o fornecimento de energia pelo acumulador so caracterizadas pelos processos de oxidao e reduo, como j vimos. O processo de oxidao ocorre no eletrodo negativo, enquanto a reduo ocorre no eletrodo positivo. Com estes processos qumicos se criam outras substncias, diferentes das originais, em cada eletrodo do acumulador eltrico. Para se restabelecer as condies originais das substncias dos eletrodos

que tomaram parte nas reaes, efetua-se o procedimento inverso ao anteri- or, fornecendo-se energia eltrica ao acumulador pela aplicao de uma fonte entre os seus terminais. Quando isso ocorre, a circulao de corrente eltrica atravs da soluo eletroltica provoca a sua eletrlise e, com isso, reconstitui as substncias originais dos eletrodos. Nesse processo, o acu-


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mulador eltrico consome energia. Essa propriedade do acumulador eltrico

torna a sua aplicao recomendvel para a maioria dos sistemas industriais que demandam uma fonte de emergncia para consumidores de CC.

Capacidade de descarga: a corrente, em ampres, que a bateria capaz de fornecer por determinado perodo de tempo, com um valor inicial de temperatura do elemento, enquanto a tenso mantida acima de um valor mnimo. Geralmente o tempo de descarga de 10 ou 08 horas. Assim, uma bateria de 100Ah capaz de fornecer 10A em 10 horas.

Densidade de eletrlito : Varia com a temperatura e com o nvel do eletrlito.

Tenso nominal: diferena de potencial nos terminais de baterias quando estiverem descarregando com corrente nominal.

Fora eletromotriz: diferena de potencial nos terminais da bateria em circuito aberto.

Temperatura de referncia: 25C. Ciclo: uma descarga e uma carga.

Energia: Ah x V = Wh


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Nquel-ferro

Prata-zinco

Tipos de baterias

TIPO Voltagem Durao

Fem Tenso Ciclos Anos

Chumbo 2 12 2 0 10 400 14 1,34 1,3 100 3000 8 20 Nquel-cdmio 1,36 1,2 100 2000 8 14

1,86 1,55 200 300 1 2 Prata-cdmio 1,34 1,3 500 3000 2 3

Tabela 1- Desempenho de tipos de baterias

A participao do eletrlito no desempenho do acumulador , sem dvida, de grande importncia. A determinao da substncia que constitui o eletrlito de um acumulador alcalino feita atravs de ensaios e pesquisas em torno das propriedades da substncia que so consideradas essenciais para otimizar o desempenho do acumulador. No caso dos acumuladores de Ni-Cd, a substncia usada como eletrlito o hidrxido de potssio em soluo aquosa.

Entretanto, outras substncias, como o hidrxido de sdio e o hidrxido de ltio, podem ser usadas tambm como eletrlito por outros tipos de acumuladores alcalinos.

As principais caractersticas desejveis para o eletrlito dos acumuladores alcalinos so:

alta condutncia eletroltica; baixo ponto de congelamento; e baixo poder de reao com os eletrodos a circuito aberto.


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Flutuao

Flutuao o termo aplicado ao mtodo de operao atravs do qual a bateria est continuamente conectada ao circuito de carga cuja tenso praticamente constante e um pouco maior que a tenso de circuito aberto da bateria. Com isso, uma pequena corrente de carga circular pela bateria, compensando a autodescarga dos elementos e mantendo-a plenamente car- regada.

A correta tenso de flutuao depende do tipo de bateria e da densidade do eletrlito, podendo ser determinada pelos manuais dos fabricantes.

desejvel manter a tenso de flutuao o mais constante possvel. Se excessivamente alta, faz com que uma corrente de maior intensidade atravesse os elementos, ocasionando desgaste excessivo s placas carregadas e causando maior perda de gua que com os nveis normais de flutuao. Por outro lado, tenso de flutuao muito baixa reduz a capacidade da bateria, por no compensar as perdas de carga, devido a descargas ocasionais da bateria e/ou autodescarga das placas.

Equalizao A carga de equalizao uma carga peridica, normalmente dada bateria para corrigir no uniformidades que possam ter ocorrido na flutuao. Essa carga torna-se menos necessria quanto maior for a te

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Equipamentos is - Dinamicos e Eletrico. PDF