ENTENDENDO A ELETRICIDADE DE UMA FORMA BÁSICA

Eletricidade não é uma coisa, é um acontecimento.

A eletricidade é o fluxo da energia elétrica através de uma trajetória
contínua – circuitos.

Todos os corpos são compostos de moléculas que são aglomerados de um
ou mais átomos. Os átomos possuem um núcleo central com prótons (com
carga positiva) e nêutrons (sem carga) e elétrons (carga negativa) que gravitam
em torno do núcleo.

Em um corpo não eletrizado a quantidade de prótons é igual a quantidade
de elétrons. Ao atritar dois corpos, há uma transferência de elétrons entre um
corpo e outro. Aquele que perde elétrons apresenta-se com excesso de prótons
e fica eletrizado positivamente. Aquele que recebe os elétrons fica eletrizado
negativamente. Perderá elétrons o átomo que exercer menor força entre eles,
dependendo dos materiais que estão envolvidos no processo.

Deve-se lembrar que prótons e nêutrons são localizados no centro do
átomo e não podem se deslocar, por isso apenas os elétrons podem ser trocados
entre dois corpos.

Condutores – Todos os materiais são constituídos de átomos. Alguns
materiais possuem elétrons que ficam na periferia de seus átomos e que não
permanecem ligados aos mesmos. Esses elétrons são chamados de elétrons
livres e podem circular livremente entre vários átomos, essas substâncias
podem transportar a carga elétrica e são chamadas de condutores.
Em geral todos os metais são condutores.

Isolantes ou dielétricos – ao contrário do que acontece com os
condutores, existem materiais nos quais os elétrons ficam firmemente ligados
aos respectivos átomos, não possuindo elétrons livres. Isso impossibilita a
transmissão de carga elétrica. Esses materiais são chamados de isolantes
elétricos ou dielétricos.

Ex: A borracha, o vidro, a porcelana, o plástico, o papel, a madeira.
Percebe-se que o valor da carga elétrica de um corpo (Q) pode ser
medido pela quantidade de elétrons que o corpo perdeu ou ganhou no processo
de eletrização. No entanto, o número de elétrons transmitido a cada processo de
eletrização é enorme o que tornaria impraticável realizar os cálculos
necessários.

Foi criada a unidade de carga elétrica denominada 1 Coulomb = 1 C. Quando
diz-se que um corpo possui uma carga de 1 C , isso significa que este corpo
ganhou (tornando-se negativo) ou perdeu (tornando-se positivo) 6,25 x 1018
elétrons.
Para que ocorra o processo de eletrização e os elétrons passem a se
transferir de forma ordenada pelo fio condutor, faz-se necessário uma força que
os empurre. A essa força é dado o nome de Tensão Elétrica (U ou V) e a sua
unidade de medida é o V (Volt).

Portanto, corrente elétrica só é transmitida quando há uma diferença de
potencial num circuito fechado, que tenderá a restabelecer o equilíbrio perdido.
Se o circuito estiver aberto, apesar de a diferença de potencial existir não
haverá corrente.

Tem-se que a Corrente Elétrica (I) é o fluxo de cargas (movimento
ordenado de elétrons) que se desloca na seção reta de um material condutor na
unidade de tempo – A unidade utilizada para corrente elétrica é o A (Ampère.)
Se o fluxo de cargas for constante define-se 1 ampère = 1 coulomb segundo.

A diferença de potencial entre dois pontos de um campo eletrostático é de
1 Volt quando o trabalho realizado ao se deslocar uma carga entre esses dois
pontos for de 1 joule / coulomb 1 Volt = 1 Joule Coulomb.

Essa é portanto, uma relação entre trabalho e carga. Por exemplo: um aparelho
elétrico ligado a uma tomada de 110V significa que cada carga de 1C que se
movimentar receberá 110 J de energia do campo elétrico existente.

Resistências Elétricas - Os elétrons estão seguindo por um condutor aí
a trajetória se estreita e eles começam a se atritar uns com os outros – isso
forma a Resistência – o que provoca o aquecimento e/ou acendimento (é assim
que a lâmpada acende). Há uma oposição interna do material à que as cargas
circulem, deduz-se então que materiais maus condutores tem resistência mais elevada.

Denomina-se Resistência Elétrica (R) à capacidade de oposição que um condutor
oferece à passagem de corrente elétrica R= V onde V é a diferença de
potencial i entre dois pontos (voltagem) e i a corrente elétrica transmitida. A unidade da
Resistência será:

1 = 1 Ohm = 1 VA

As três unidades mais básicas em eletricidade são voltagem (tensão
elétrica) (V), corrente (I) e resistência (r). Como visto acima, a voltagem é
medida em volts, e a corrente é medida em ampères. A resistência é medida em ohms.

Podemos utilizar uma analogia da água para entender sobre resistência.

A voltagem é equivalente à pressão da água, a corrente é equivalente à taxa de
fluxo e a resistência é como o tamanho do cano.

Como foi verificado, a equação expressa como os três termos são
relacionados diz que a corrente é igual a voltagem dividida pela resistência. I =V/r.

A tensão elétrica da origem à corrente elétrica que por sua vez provoca
um efeito luminoso ou térmico que é a potência elétrica. Potência é a grandeza
que mede o trabalho realizado na unidade de tempo. Trata-se da energia
elétrica que se transforma em luz ou em trabalho. O consumo de energia é
medido em watt.Portanto para haver potência elétrica faz-se necessário a
tensão elétrica e a corrente elétrica - P=VI cuja unidade será VA (Volt-Ampère)
essa potência é chamada de potência aparente.

Potência elétrica ativa é a parte da potência elétrica aparente que é
transformada em Potência mecânica, térmica ou luminosa e é medida em
watts. Num sistema elétrico a potência (P) é igual à tensão (Voltagem)
multiplicada pela corrente. P = VI, portanto Watts = Volts * ampères
Exemplo: ao ligar um aquecedor a uma tomada de 120 volts, se ao medir-se
 a corrente o valor encontrado for de 10 Ampères, isso significa que o
aquecedor utilizado é de 1.200 Watts.
Claro, que o inverso também é verdadeiro – Ao dividir a potencia (watt)
pela Tensão (Volts) obtem-se a corrente (ampère).
Exemplo: um chuveiro de 5500W ligado em 220V será percorrido por uma
 corrente de 5500/220= 25 A.

Quando um corpo eletrizado negativamente, mesmo que esteja apoiado
sobre uma superfície isolante, esteja ligado à terra por um condutor, os elétrons
em excesso escoarão naturalmente para a Terra através do condutor, fazendo
com que aquele corpo volte ao estado neutro.

Quando um corpo estiver eletrizado positivamente, e esteja ligado à terra por
um condutor, os elétrons livres da Terra passariam através do condutor até que
a carga positiva fosse neutralizado. Essa é a Função do FIO TERRA.
A rede elétrica também possui uma ligação de Fio terra.

Corrente contínua, Baterias, células de combustível e células solares produzem
corrente contínua (CC), isto é, os terminais de uma bateria são, respectivamente,
positivo e negativo e a corrente contínua sempre flui no mesmo sentido entre eles.

Corrente alternada
Já a força produzida por uma usina de energia é Corrente Alternada, isto é, o
sentido da corrente alterna-se 50 a 60 vezes por segundo, em forma de onda.
Isso facilita muito a transmissão elétrica pois com a Corrente Alternada, podemos
utilizar um aparelho chamado Transformador para mudar a Voltagem
quando necessário.


Assim pode-se utilizar enormes voltagens para transmitir energia para longas
distância gerando economia financeira. Por exemplo: se uma usina de energia
produz 1 milhão de watts de potência, pode-se transmitir essa potência de 1
milhão de ampères a 1 volt, exigindo um grande cabeamento, ou enviar 1
ampère a 1 milhão de volts o que pode ser feito com um fio fino.

O uso de CA apresenta vantagens sobre o uso CC em uma rede de distribuição
de energia:
1. Grandes geradores elétricos geram CA naturalmente; assim, a conversão
para CC envolveria uma etapa extra;
2. A rede de distribuição de energia depende do uso de transformadores,
que só operam em correntes alternadas;
3. É simples converter CA em CC, e dispendioso converter CC em CA;
Energia Trifásica

A energia elétrica é gerada na usina elétrica que, na maior parte das vezes, é
constituida de um gerador elétrico rotativo acionado por alguma fonte:
turbina hidráulica, motor movido combustíveis fósseis ou lenha ou bagaço de
cana, ou por um motor a vapor, alimentado por óleo ou mesmo por um
dispositivo nuclear.

A energia gerada é trifásica em Corrente Alternada.
Para entender o conceito da energia trifásica, faz-se necessário entender a
energia monofásica.

Ao analisar a energia de uma tomada residencial com um osciloscópio, vemos
que a mesma toma a forma de uma onda senoidal oscilando entre 120 e 170
volts e com uma freqüência de 60 ciclos por segundo (Hertz).

Como já foi citado, essa é a característica de uma Corrente alternada CA que
normalmente é monofásica, isto é, contém uma única fase e um neutro.
A usina elétrica produz energia CA Trifásica, isto é, em três fases simultaneamente,
 sendo que as três possuem um ângulo de 120º de defasagem uma em relação à outra.
Portanto, há 4 cabos saindo de cada usina elétrica: as três fases mais o neutro ou terra,
comum para todas as fases.

Abaixo um gráfico demonstrando a forma das três fases em relação ao terra:


Essa não foi uma escolha aleatória. Observem o gráfico acima, num sistema
com uma ou duas fases, existem 120 instantes por segundo em que uma
onda senoidal cruza o 0 volt. Já em um sistema trifásico, em qualquer instante
uma das fases está próxima do pico. Dessa forma, à um aumento considerável
da Potência para uso em motores e equipamentos trifásicos industriais.

O Terra, no sistema de distribuição de energia, possui também a função de
retorno. Por ser um ótimo condutor, representa um bom caminho de retorno
para os elétrons.

Resumo:

Tensão Elétrica - “voltagem” Símbolo = U (ou V); Unidade = Volt, V
Definição: Diferença de potencial entre dois condutores elétricos (fase e neutro).
Encontra-se por exemplo em um condutor fase certa tensão 127V e condutor neutro está a 0V. (força que impulsiona os elétrons livres nos fios).

Corrente Elétrica - “amperagem”; Símbolo = I; Unidade = Ampère,
Definição: A passagem de energia elétrica por um condutor elétrico submetido a
uma diferença de potencial.(é o movimento ordenado dos elétrons livres nos fios).

Resistência Elétrica ; Símbolo = R; Unidade = Ohm,
Definição: Resistência à passagem de corrente elétrica em um condutor.

Potência Ativa - Símbolo = P; Unidade = Watt, W
Definição: Energia instantânea, o consumo em cada instante, de um aparelho
elétrico

Energia; Símbolo = E; Unidade = Watt-hora, Wh
Definição: Capacidade de realizar trabalho; potência num intervalo de tempo.




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TENSÃO ELÉTRICA


Definição, causas e tipos de sobre tensões

Uma sobre tensão é qualquer tensão superior ao valor nominal da rede. As sobre tensões dividem-se em dois tipos:
  • Permanentes: a sobretensão tem uma duração superior a um semi-período, >10 ms a 50 Hz;
  • Transitórias: a sobretensão tem uma duração inferior a um semi-período, <10 ms a 50 Hz.
As principais causas de sobre tensões permanentes são a ruptura do neutro ou problemas na rede de distribuição que provocam um fornecimento de tensão superior à tensão nominal, já as sobre tensões transitórias são geradas por fatores atmosféricos como relâmpagos, na comutação de cargas (switching) em centrais e equipamentos elétricos, e acoplamentos de outros cabos de potência adjacentes.
Para neutralizar os efeitos de uma sobre tensão permanente, a única opção seria desligar a instalação até que a tensão recupere os níveis normais, à medida que para contrabalancear os efeitos de uma sobre tensão transitória devem ser instalados mecanismos e dispositivos de proteção que, ao detectar a sobre tensão, direcionem esta potência diretamente ao terra, evitando que danifique a instalação.

Regulamento

A análise dos riscos deve ser efetuada por um especialista em proteção contra raios e sobre tensões, e a partir de critérios como a frequência, exposição, finalidade do edifício/construção, altura, probabilidade e tipos de danos, entre outros, é determinado o nível de proteção contra raios que deve ser respeitada.
Tendo esta análise como ponto de partida, o edifício é classificado com um dos quatro níveis de proteção contra raios (LPL). Dependendo do nível de LPL devem ser projetados sistemas de proteção que suportem um valor máximo do raio, os atraindo e interceptando com um valor mínimo. Estes quatro níveis são os seguintes:

Valores máximos (dimensionado)
LPL
Valor máximo
Corrente Raio
Probabilidade
I
200 kA
99%
II
150 kA
98%
III
100 kA
97%
IV
100 kA
97%

Valores mínimos (intersecção)
LPL
Valormínimo
Corrente Raio
Probabilidade
>Valor mínimo
Raio
Esfera Rolante
I
3kA
99%
20 m
II
5kA
97%
30 m
III
10kA
91%
45 m
IV
16kA
84%
60 m
Quadros 1 e 2. Níveis de proteção contra raios (LPL)


Medidas externas e internas contra sobre tensões

Para conseguir a proteção requerida são necessários dois tipos de medidas:
  • Medidas externas e estruturais - Protegem contra as descargas diretas e indiretas de raios e que são necessárias para a proteção física das pessoas. Tais medidas precisam ser projetadas e desenvolvidas por um especialista em sobre tensões e pela construtora responsável pelo edifício, segundo a análise de riscos normatizados e os códigos de construção e normas locais em vigor. Estas medidas incluem os seguintes pontos:
     
    • Captadores - Para-raios;
    • Cabos Condutores - A ligação entre o para-raios e a ligação ao terra;
    • Pontos de Terra - Ponto onde há a descarga da sobre tensão captada;
    • Isolamento - Distância de separação entre os equipamentos anteriores e os indivíduos;
    • Compensação de potencial - Garante a equipotencialização.
       
  • Medidas internas - Fazem parte da instalação interna e protegem os equipamentos e instalações elétricas contra descargas.Mesmo com o desenvolvimento e instalação correta de um sistema externo de proteção contra sobre tensões, não é possível evitar por completo os efeitos das descargas de raio nas instalações internas, e da mesma forma, outras causas que geram sobre tensões como o chaveamento ou switching, acoplamento, entre outros podem danificar a instalação elétrica, eletrônica e de telecomunicações, e não estar totalmente protegida pelo sistema externo. Estas razões obrigam à implementação de um sistema interno de proteção contra raios e sobre tensões.
     

Protetores de sobre tensões

Os equipamentos de proteção contra sobre tensões transitórias são dispositivos que se encarregam de “pôr em derivação”, criando um curto-circuito ao terra durante o tempo curto que dura a sobre tensão, para que esta se derive e não danifique a instalação e os equipamentos.
Um protetor contra sobre tensões, também conhecido como DPS, é basicamente, um dispositivo que está ligado em paralelo com a alimentação/sinal para que durante o funcionamento normal se comporte como um curto-circuito com derivação ao aterramento. O protetor deve garantir que a tensão e a corrente na saída sejam muito inferiores à da sobre tensão de entrada e, desta forma, não coloquem em risco o equipamento ou a instalação que protegem.
Devem-se verificar principalmente as normas IEC61643-11 e IEC6164-21, que determinam os procedimentos mais adequados no que diz respeito à concessão e teste destes componentes.

Estrutura de um protetor contra sobre tensões

Os componentes mais comuns utilizados para a concessão de protetores de sobre tensão são os seguintes:
  • Centelhador ou descarregador de arco ou a gás: dois elétrodos localizados numa determinada distância e separados por material dielétrico. Quando a diferença de potencial entre ambos atinge um determinado valor é descarregado e cria um arco voltaico. O tipo mais comum e utilizado é um isolamento hermético que contém um gás inerte (árgon, neon) e que tem o nome de descarregador a gás. As suas principais vantagens são o seu elevado poder de descarga e um isolamento adequado, uma vez que quando o protetor está em funcionamento normal (sem atuar/ há uma desconexão completa entre os dois eletrodos). As desvantagens são o seu preço e o tempo de reação elevados.
     
  • Varistores: é um elemento semicondutor prensado (grãos de óxido de zinco) cuja resistência interna varia em função da tensão aplicada nos seus bornes. A sua principal vantagem é o preço e o tempo de reação muito baixo, e possui um poder de descarga médio. A sua desvantagem é que com o desgaste e o passar do tempo, o seu isolamento deixa de ser ideal e pode levar a correntes de fuga ao terra.
     
  • Diodo supressor: são diodos similares aos Zener. A sua vantagem é uma elevada capacidade de reação com tempos muito baixos e um custo muito reduzido, apesar da sua potência de descarga ser muito baixa.
Figura 1. Centelhador a gás (esquerda), varistor (centro) e díodo supressor (direita)
Normalmente todos estes componentes podem ser utilizados no que se conhece como "proteção por etapas” já que as qualidades dos diferentes componentes os tornam idôneos segundo a sua função e localização. Os centelhadores a gás são normalmente colocados no início (grande proteção) para absorver o pico inicial, os varistores nas etapas intermediárias e os díodos supressores como uma boa proteção localizada ao lado dos equipamentos sensíveis.
É importante observar a localização de elementos intermediários conhecidos como elementos de "desacoplamento”. A função destes elementos é a de retardar a onda para que a sobre tensão não chegue à etapa seguinte antes que o elemento de proteção anterior tenha sido “amortecido”. Se colocássemos imediatamente, por exemplo, um diodo supressor atrás de um centelhador a gás, o díodo por ter uma velocidade de reação superior iria atrair a sobre tensão e seria destruído devido ao impacto da potência. Por isso, é necessário assegurar que o primeiro dispositivo, no caso o centelhador, atue antes dos demais.
Hoje em dia, com as tecnologias atuais, estes elementos de desacoplamento já estão obsoletos, ou porque internamente incorporam os dispositivos ou porque com uma distância de cerca de 10 metros o próprio cabo já atua ao realizar o denominado “desacoplamento”.

Protetores contra sobre tensões: Curvas e Testes

Os equipamentos de proteção contra sobre tensões são testados segundo as curvas que simulam o mesmo efeito produzido por um raio:
Gráfico 1. Descarga natural de raios (laranja) e reprodução em um gerador de corrente(verde)
Desta análise extraímos dois tipos de curvas que são utilizadas para o teste e homologação dos protetores contra sobretensões que são o Tipo 1 (10/350 μs) e o Tipo 2 (8/20 μs):
Gráfico 2. Curvas de teste utilizadas para os elementos de proteção contra os raios e sobre tensões
Os protetores contra raios e sobre tensões necessitam de determinar qual o tipo de onda (Tipo 1 10/350 μs ou Tipo 2 8/20 μs) e o valor de descarga (kA) que têm sido testados.

Proteção contra sobre tensões em instalações de baixa tensão

O regulamento em vigor define as zonas de um edifício ou instalação:
  • LPZ 0A: Zona exposta a uma descarga direta de raios;
  • LPZ 0B: Zona dentro da proteção dos para-raios;
  • LPZ1: Área de entrada na instalação;
  • LPZ2: Área depois do isolamento (aproximadamente >5 metros dentro do edifício);
  • LPZ3: Equipamento final a proteger.
Gráfico 3. Zonas-Áreas importantes na proteção contra sobre tensões
Com base na determinação das zonas de proteção contra sobre tensões, os dispositivos que devem ser colocados são os seguintes:
  • Protetor Tipo 1: Entre as zonas LPZ0 e LPZ1;
  • Protetor Tipo 2: Entre as zonas LPZ1 e LPZ2;
  • Protetor Tipo 3: Entre as zonas LPZ2 e LPZ3.
Basicamente isto equivale a dizer que devemos colocar um protetor do Tipo 1 no quadro de distribuição principal, um protetor do Tipo 2 em cada um dos quadros de distribuição secundários e os protetores do Tipo 3 são aqueles componentes ou equipamentos finais que devem ser protegidos sobretudo por serem mais sensíveis.
Devido ao efeito de rearmamento das sobre tensões (a força eletromotriz de uma descarga de raio é tão elevada que a sobre tensão pode ser restabelecida até níveis perigosos apesar de ter sido reduzida por um protetor) é importante ressaltar que quando a distância entre dois locais na zona de distribuição é superior a aproximadamente 15 metros deve-se instalar novamente outro protetor de Tipo 2.
Os dispositivos de proteção contra raios e sobre tensões devem ser dimensionados segundo o nível de proteção contra raios (LPL) do edifício, obtido através da análise de riscos segundo a norma local vigente. Tudo isto tendo em conta que as medidas de proteção externa são capazes de derivar metade da sobre tensão aoaterramento e que outra metade da sobre tensão pode ser introduzida na instalação. Ou seja, os protetores contra raios e sobre tensões devem dimensionar-se para suportar a metade da corrente de raio máximo segundo o LPL:

Dimensionado do DPS Tipo 1 EN62305
Instalação na intersecção das zonas LPZ0 e LPZ1
Classe de risco no edifício
Raio
Descarga Total
I
até 200kA
100kA
II
até 150kA
75kA
III
até100kA
50kA
V
até100kA
50kA
        
Figura 2. Dimensão da descarga contra raios e sobre tensões segundo o LPL
Além disso, a norma indica que a sobre tensão que pode entrar na instalação se distribui de forma similar entre os diferentes condutores. Há diversos tipos de distribuição de alimentação, sendo classificadas de acordo com cabeamento, isolação e proteção, conforme tabelas abaixo:
1ª Letra
2ª Letra
3ª Letra
T – Aterramento do transformador entra na planta
T – Partes condutivas dainstalação são aterradas localmente
C – Condutores Neutro e Terra são combinados no mesmo cabo
I – Aterramento do Transformador isolado da planta
N – Partes condutivas da instalação não são aterradas localmente
S – Condutores Neutro e Terra Distintos

Descrição
Esquemático
IT
Não há conexão direta entre condutores e partes aterradas.
TT
Há um ponto de conexão direta (terra operacional). Os condutores são conectados separados do terra operacional.
TN-C
Condutor Neutro e Terra são combinados em um único cabo
TN-C-S
Condutor Neutro e Terra são combinados na entrada do sistema e são separados após a barreira potencial
TN-S
Condutor Neutro e Terra são separados antes da entrada de energia
Geralmente os fabricantes agrupam os protetores de modo a que consigam simplificar o número de variantes. E assim, o mais comum é ter uma gama de proteção até 25 kA por polo (para edifícios com LPL I ou II) e uma outra gama até 12,5 kA por polo (edifícios com LPL III ou IV)

A partir deste dimensionamento por polo e por descarga total, apenas temos colocado no quadro da caixa principal um descarregador de Tipo 1 e em todos os quadros de distribuição secundária os protetores de Tipo 2 com um poder de descarga superior ao requerido segundo o LPL do edifício.
Se houver algum equipamento particularmente sensível também se deve instalar um tipo de protetor de Tipo 3, o mais próximo possível do dispositivo final a proteger.
Abaixo temos as características dos DPS encontradas em catálogos e seus significados.
Atributo
Descrição
Ratedvoltage (AC)
Tensão Nominal
Max. continuousvoltage, Uc (AC)
Máxima tensão em modo contínuo Fase-Neutro /Fase-terra
Max. continuousvoltage, Uc (N-PE)
Máxima tensão em modo contínuo Neutro Terra
Lightning test current Iimp (10/350 μs) [L-PE]
Máxima corrente absorvida em Curva 10/350us - Descargas atmosféricas - Fase - Terra
Lightning test current Iimp (10/350 μs) [N-PE]
Máxima corrente absorvida em Curva 10/350us - Descargas atmosféricas - Neutro-Terra
Discharge current In (8/20μs) wire-PE
Corrente Nominal em curva 8/20us – Sobretensão - Fase-Terra
Discharge current In (8/20μs) GND-PE
Corrente Nominal em curva 8/20us – Sobretensão - Neutro-Terra
Discharge current Imax (8/20μs) wire-PE
Corrente Máxima em curva 8/20us que garante pelo menos uma operação – Sobretensão - Fase-Terra
Discharge current Imax (8/20μs) GND-PE
Corrente Máxima em curva 8/20us que garante pelo menos uma operação – Sobretensão - Neutro-Terra
Requirements class, acc. to EN 61643-11
Classe T-n do DPS (Classe I - T1; Classe II - T2; Classe III - T3) de acordo com a EN 61643-11
Short-circuit current rating ISCCR
Corrente de curto circuito temporário admissível pelo protetor
LeakagecurrentatUn
Corrente de fuga, esse valor tende a ser maior em plugues com varistores
Ratedloadcurrent IL
Máxima corrente demandada pelo circuito, esse valor é relevante para Protetores com dois pontos de conexão por plugue e que permite conexões em V
Fuse
Valor do Fusível de Back-Up para casos onde a corrente nominal do fusível de entrada excede 60% desse valor
Temporary surge voltage (over-voltage) - TOV
Máxima tensão admissível em situação de sobretensão temporária conforme a norma VDE 0100, parte 442.
Protection level with IN (L/N-PE)
Nível de proteção de acordo com a Norma IEC
Response time
Tempo máximo de atuação

Proteção contra sobre tensão em sistemas de instrumentação e controle

Para os sistemas de telecomunicações, dados, instrumentação e controle aplica-se o mesmo critério das zonas tal como para os protetores de baixa tensão. No entanto, a terminologia difere e segundo a norma devem localizar-se nos seguintes tipos de protetores:
  • Protetor de Tipo D1: entre as zonas LPZ0 e LPZ1;
  • Protetor de Tipo C2: entre as zonas LPZ1 e LPZ2;
  • Protetor de Tipo C1: entre as zonas LPZ2 e LPZ3.
Como podemos observar, a norma é muito semelhante no que diz respeito ao tipo de protetor e à sua localização, mas inclui uma diferença muito importante no que diz respeito ao dimensionamento dos protetores.
No caso da instrumentação, controle, dados e comunicações, o número de cabos é muito superior na distribuição elétrica, onde apenas há 4 ou 5 condutores (3 fases mais o neutro). Por isso, a sobre tensão que se pode introduzir dentro da instalação está muito mais distribuída (com mais condutores) e o poder de descarga necessária para cada uma das proteções é muito inferior.
Segundo a norma podemos resumir o dimensionamento necessário para os protetores de instrumentação e controle da seguinte forma:
Tipo
Nível de proteção
D1
2,5 kA/fio
5 kA/total
C2
2,5 kA/fio
5 kA/total
C1
0,25 kA/fio
0,5 kA/total

Quadro 4. Dimensionamento de descarregadores para I&C segundo a Norma
Um problema muito comum ao trabalho com descarregadores de sobre tensão para instrumentação e controle passa pela definição das zonas não estarem tão claras como nas instalações de baixa tensão, uma vez que ali encontramos claramente definidos o quadro principal de fornecimento, o quadro de distribuição e os equipamentos finais, ao passo que, no caso dos dados, os cabos geralmente chegam a um quadro de controle diretamente.
Por isso os fabricantes simplificam os protetores de forma que com um único equipamento cumpra todos os diferentes requisitos e curvas D1, C2 e C1 para que possa ser utilizado em qualquer local e garantindo uma proteção completa, além das três etapas de proteção.
Nos protetores de instrumentação e controle também é importante notar a necessidade de ligação ao terra, uma vez que esta pode igualmente transmitir correntes de sobre tensão, danificando os equipamentos finais. No entanto esta ligação deve realizar-se de forma direta ao aterramento num único ponto, ao passo que nos restantes necessita de estar isolada através de um descarregador de gás.

 Se não fizermos desta forma estaríamos deixando de atender a equipotencialização e ao ter diferentes aterramentos interconectados entre si, seriam produzidas correntes de baixa frequência que poderiam afetar os dados e sinais, e até mesmo danificar os equipamentos.Por isso, encontramos duas versões dos protetores para a instrumentação e controle, uma com terra direta e outra com terra indireta (ou Floating Ground, FG). A regra é conectar um único ponto ao protetor com terra direta e no resto da localização a versão com FG.
Outros fatores importantes quando se instalam protetores de sobre tensão em circuitos de instrumentação e controlesão os seguintes:
  • É necessário separar cabos de potência dos cabos de dados e comunicações, uma vez que estes podem causar interferências e gerar sobre tensões por acoplamento;
  • É necessário separar os cabos de entrada e de saída do protetor porque se isso não acontecer a sobre tensão da entrada pode acoplar-se sobre o cabo de saída, inutilizando a função do protetor;
  • A ligação direta ao terra da malha deve efetuar-se mediante a utilização de equipamentos indicados para o efeito;
Existem protetores de sobre tensão específicos que podem ser utilizados nos circuitos e em zonas seguras (zonas 0, 1 e 2), uma vez que os componentes destes circuitos também estão suscetíveis à descarga de raios e de outro tipo de sobre tensões.

Gráfico 4. Protetor com terra direta versus Protetor com terra indireta (FG)
É fundamental saber quais tipos de dispositivos devem ser utilizados, suas dimensões, onde devem ser colocados e quais os critérios de instalação que devem seguir para garantir o nível de proteção requerido e desta forma proteger os bens materiais e sobretudo os seres humanos.

Obs: Importante é fazer com a sobre tensão encontre o caminho mais fácil para a descarga e aí entra o trabalho técnico em desenvolver o sistema mais eficaz de proteção. Esse caminho mais facil de descarga o técnico deverá visualizar sempre as condições locais do ambiente a ser submetido a proteção.

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PARTIDA ESTRELA TRIÂNGULO




Como o próprio nome já diz, este sistema realizará uma partida do motor trifásico em um fechamento estrela e após alguns segundos, quando o motor já partiu, o sistema irá migrar para o fechamento triângulo, vale lembrar que o intuito desta e de qualquer uma das partidas indiretas é reduzir a corrente elétrica no instante da partida (arranque) do motor elétrico trifásico.
Atente-se que neste caso é fundamental que o motor a ser utilizado possua em sua caixa de ligação, no mínimo, seis terminais de conexão pois o fechamento das bobinas será realizado com auxílio dos contatores que compõem o sistema da partida estrela triângulo.
Vale lembrar que todo esforço em reduzir a corrente de partida produz uma diminuição do torque no motor, logo, por mais que aparente ser simples, a partida estrela triângulo deve ser aplicada corretamente em casos já previamente estudados para que não ocorra problemas no start-up do projeto.

Porque usar a partida estrela triangulo
Assim como as demais partidas indiretas que conhecemos, a partida estrela-triangulo também tem como principal objetivo reduzir a corrente de partida do motor, para que assim a corrente de partida seja menor, fazendo com que a partida seja mais suave e consequentemente mais viável para a maioria das aplicações.

Características
Como já sabemos, a partida estrela triângulo proporciona a redução da corrente elétrica do motor elétrico trifásico através do tipo de fechamento do motor, ou seja, realiza a partida em dois estágios.
Para isto, o motor deve possuir no mínimo seis terminais em sua caixa de ligação, para que assim seja possível, através do seu fechamento, receber até dois níveis de tensão (normalmente 220V e 380V).

Diagramas
O motor utilizado para este tipo de ligação, deve ter a possibilidade de, no mínimo, dois tipos de fechamento de suas bobinas, o fechamento em estrela ou triângulo. Desta forma, observe nas ilustrações a seguir o esquema elétrico que representa estes dois fechamentos em um motor de seis terminais, logo, três conjuntos de bobinas:
Fechamento Triângulo
O Fechamento triângulo tem por definição permitir com que o motor receba o menor nível de tensão de alimentação para qual foi projetado, por exemplo em um motor com tensão de alimentação 220/380V o fechamento triângulo permitirá a inserção da tensão 220V

Fechamento Estrela
O Fechamento estrela tem por definição permitir com que o motor receba o maior nível de tensão de alimentação para qual foi projetado, por exemplo em um motor com tensão de alimentação 220/380V o fechamento triângulo permitirá a inserção da tensão 380V.

Funcionamento
Não existe mágica, para alcançar o objetivo principal (redução da corrente elétrica) existem somente duas possibilidades, a redução da tensão elétrica ou a redução da resistência elétrica da estrutura física dos enrolamentos do motor (esta última é impossível para o motor do tipo gaiola de esquilo).
Sendo assim, para reduzir a corrente de partida, a partida estrela triângulo faz o seguinte:

Conceito
1º Estágio
Inicialmente o motor recebe a alimentação de 220V da rede de alimentação em seus terminais, neste momento o motor está na configuração “fechamento estrela”, proporcionado através do acionamento dos contatores K1 e K3 conforme a ilustração abaixo:
Como dito anteriormente, a tensão inserida no motor neste instante é de 220V. No entanto, sabemos que este fechamento existe para que seja possível a inserção do nível de tensão de 380V, desta forma, a tensão elétrica é dividida internamente em suas bobinas resultando em uma tensão de 127V (e deveria, teoricamente, ser de 220V). Ocorre então a redução da tensão elétrica no momento da partida do motor reduzindo posteriormente a corrente elétrica de partida (Ip).
Com a diminuição da tensão e respectivamente a redução da corrente de partida teremos inevitavelmente a redução do torque do motor. Podemos afirmar que a corrente de partida será reduzida para 1/3 da corrente nominal, logo, se a corrente de partida do motor for de 100A, com esta opção de partida em estrela triângulo teremos uma corrente de 33A e respectivamente a redução de torque é na mesma proporção, ou seja, diminui para 1/3 do torque nominal.

2º Estágio
O motor não pode permanecer longos períodos funcionando com tensão reduzida e fechado em estrela, por isto, após alguns segundos (estabelecido pelo fabricante do motor) a partida deve assumir o fechamento triângulo permitindo ao motor elétrico que receba tensão elétrica nominal de 220V em cada uma de suas bobinas. Portanto, na partida estrela triângulo, após a partida do motor, teremos o fechamento triângulo sendo executado pelos contatores K1 e K2, observe a ilustração:
Com isto temos a partida de motor elétrico trifásico através da partida indireta estrela triângulo.
Para o seu melhor entendimento, observe passo a passo a seguir:
Vantagens
  1. Redução da corrente de partida para 33% da corrente nominal
  2. Sistema sem limite máximo de manobras
  3. Baixo custo (em relação à chave compensadora)
  4. Torque 1/3 menor que o torque nominal, consequentemente a partida é mais suave.

Conclusão
Você pôde observar que a partida estrela-triângulo é uma das partidas indiretas mais utilizadas. Além do baixo custo, esta ligação possibilita também a partida mais suave do motor e a redução de 1/3 da corrente nominal.

Lembrando também que esta ligação permite que o motor receba o menor nível de tensão de alimentação para qual foi projetado, por exemplo em um motor com tensão de alimentação 220/380V o fechamento triângulo permitirá a inserção da tensão 220V.
Saber como e quando utilizar este tipo de ligação é bastante importante, assim como sempre se atentar para aplicar os conhecimentos da forma mais segura possível, evitando assim, possíveis acidentes elétricos.
Para saber um pouco mais sobre a partida estrela-triângulo assista ao vídeo abaixo, onde você vai encontrar informações mais detalhadas sobre esta ligação.


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CHAVE SOFT STARTER



Com a difusão da tecnologia veio a necessidade de equipamentos confiáveis, efetivos e, de preferência, com baixo custo. Por esta razão, atualmente usam-se os microcontroladores na maioria dos dispositivos elétricos.
Com os microcontroladores é possível conseguir grandes feitos como por exemplo baixo gasto de energia, proteção contra choques elétricos, e proteção dos componentes.
No caso do soft starter são usados chaveamento eletrônicos.
Essas chaves contribuem para a diminuição de corrente de partida, que diminui os choques mecânicos do motor, e consequentemente aumenta a vida útil do mesmo.
Pode-se também utilizar o soft starter em fontes de energia não confiável e/ou fracas.

Funcionamento
soft starter é um dispositivo eletrônico composto por pontes de tiristores (SCR’s) acionadas por um circuito eletrônico, com a finalidade de controlar a tensão de partida do motor, bem como sua desernegização.
Fazendo assim, com que a energização e desenergização do motor sejam suavizadas. O soft starter pode substituir os tradicionais modos de ligação estrela-triangulo, chave compensadora e partida direta.
Com o soft starter é possível também limitar a corrente de partida, evitando assim, picos de corrente. Além de possibilitar a partida e parada suave, e também promover a proteção do sistema.
Para se obter uma partida suave é necessário um torque de partida reduzido no motor. Para atingir esse objetivo é necessário controlar a tensão aplicada no motor, consequentemente a corrente de partida.
Para isto é necessário o uso de uma ponte de tiristores (SCR’s), regulador de tensão, unidades de controle eletrônico e etc, então, faz-se necessário o uso do soft starter, que tem todos esses componentes internamente.
Temos basicamente 3 formas de controle com o soft starter:
Controle de energização: Aplica-se uma tensão inicial, os SCR’s (dois SCR’s ligados em paralelo, um em cada sentido)
 fazem com que a tensão seja defasada com um atraso de 180 graus durante os respectivos ciclos de ½ onda (onde cada um dos SCR’s irá conduzir).
Este atraso é reduzido no decorrer do tempo, fazendo com que a tensão aumente gradativamente até alcançar o valor de alimentação total.
Vn=Tensão nominal
Vp=Tensão de partida
Tr=Tempo de rampa de energização

Proteção do sistema: As principais características do motor são monitoradas de acordo com a configuração do soft starter, essas características são monitoradas através da tensão de partida, caso exista algum problema, alguma alteração indesejada na corrente de cada fase, o soft starter interrompe a tensão, protegendo assim o motor.
Controle de desenergização: Ao contrário do controle de energização, esse controle administra, através do mesmo princípio do controle da energização, o tempo de desenergização. Esse tipo de controle visa sempre trabalhar com a melhor performance possível do equipamento a ser controlado.
Vn=Tensão nominal
Vt=Início da desenergização
Vz=Tensão de parada do motor
Tr=Rampa de desenergização

Principais funções do Soft Starter
Power On – Led aceso quando o soft starter estiver alimentado
Full voltage – Indica que o motor está sendo alimentado com 100% da alimentação
Start time – determina o tempo de partida, o tempo que o motor levará para ir da Vp (tensão de partida) até Vn (tensão nominal).
Initial voltage – determina o valor de tensão inicial do motor, Vp.
Stop time – Determina o tempo de desligamento (tr) do motor. O tempo que levará para a tensão ir de Vn (tensão nominal) até Vz (tensão de repouso, 0V).
NOTA: Algumas funções são disponíveis apenas para algumas versões de soft starter

Onde e quando usar o Soft Starter?
Os soft starters são geralmente usados para partidas de motores de indução CA (corrente alternada) tipo gaiola, podendo assim substituir as partidas mais convencionais como as partidas estrela-triangulo, chave compensadora e direta.
É um equipamento eletrônico capaz de controlar a energização do motor no momento da partida, permitindo assim, que o motor tenha a melhor performance possível. E por esta razão o soft starter é comumente utilizado.
Esquema de um soft starter implementado com 6 tiristores para acionar um motor de indução trifásico (MIT).

Principais aplicações
  • Bombas centrífugas (saneamento, irrigação, petróleo);
  • Ventiladores, exaustores e sopradores;
  • Compressores de ar e refrigeração;
  • Misturadores e aeradores;
  • Britadores e moedores;
  • Fornos rotativos;
  • Serras e plainas (madeira);
Características principais
  • Eficiência melhorada: Trabalha da melhor forma possível, fazendo assim que o motor tenha a melhor performance possível.
  • Energização controlada: A corrente de partida pode ser controlada, alterando assim facilmente a tensão de partida e isto assegura o arranque suave do motor, sem trancos.
  • Desenergização controlada: O tempo de desligamento do motor é controlado.
ATS: Nome do componente
1, 3 e 5: Alimentação da rede
2, 4 e 6: Saída para o motor
PE: Aterramento

Vantagens e desvantagens
Vantagens:
  1. Ajuste da tensão de partida por um tempo pré-definido;
  2. Pulso de tensão na partida para cargas com alto conjugado de partida;
  3. Proteção contra falta de fase, sobrecorrente e subcorrente, etc.
  4. É uma partida eletrônica fazendo com que a corrente de partida do motor tenha uma performance muito melhor que as demais partidas.
Desvantagens:
  1. Redução do torque na partida (é possível programar um pulso de torque para o arranque)
  2. Os SCR’s provocam perda de potência se continuarem ligados ao circuito após a partida

Conclusão
Assim, sabendo que com a evolução da tecnologia foi necessário desenvolver dispositivos contendo microcontroladores, um dos dispositivos criados diante disso foi o soft starter.
soft starter pode ser usado para resolver problemas de picos de corrente na partida dos motores, trancos e até mesmo fazer a proteção do sistema ligado a ele. Por esta razão ele é comumente usados, assim como o inversor de frequência.
Saber como e quando utilizar este tipo de componente é bastante importante, assim como sempre se atentar para aplicar os conhecimentos da forma mais segura possível, evitando assim, possíveis acidentes elétricos.
Para saber um pouco mais sobre o soft starter assista ao vídeo abaixo, onde você vai encontrar informações mais detalhadas sobre este componente.


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