ELETROTÉCNICA INDUSTRIAL _ III _ 2013_2.pdf

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APOSTILA ELETROTÉCNICA INDUSTRIAL PROF. MARIO KIYOSHI KAWAPHARA ENE UFMT

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA

ELÉTRICA

Apostila:

ELETROTÉCNICA III /

ELETROTÉCNICA INDUSTRIAL

Prof. Dr. Mario Kiyoshi Kawaphara

2013 – 2

EEMMEENNTTAA

Métodos de acionamentos de dispositivos industriais. Dispositivos de comando e proteção em sistemas industriais.

Projeto elétrico industrial. Eficiência energética.

OBJETIVOS

A) GERAL:

Planejar, projetar, executar no contexto da eficiência energética, projetos elétricos industriais, tecnicamente viáveis,

economicamente justificáveis e segurança garantida, com a consciência da necessidade de soluções integradas entre as

diversas áreas do conhecimento. Desenvolvendo principalmente o senso crítico do resultado das aplicações destas

técnicas na Sociedade e em seu Meio.

B) ESPECÍFICOS:

. Analisar, definir e elaborar criteriosamente a melhor alternativa para a

energização de cada motor acoplado em máquinas de processamento

existentes nas indústrias;

. Conhecer as principais características de funcionamento dos dispositivos de comando e proteção existentes num

sistema elétrico industrial;

. Capacidade em dimensionar e especificar um sistema elétrico industrial em condições normais e principalmente em

situações de anormalidades (sobre tensões, curtos-circuitos, harmônicos, entre outros );

. Analisar, elaborar, acompanhar as montagens de um sistema elétrico industrial e ter a capacidade em resolver os

possíveis problemas (defeitos) relacionados aos acionamentos dos motores elétricos;

. Desenvolver um projeto elétrico industrial, avaliando-se criteriosamente em 4(quatro) fases fundamentais:

ponderações e informações iniciais; concepção de projeto; cálculos / dimensionamentos e especificações; ponderações

e recomendações finais.

. Ter a consciência da necessidade da formação da equipe interdisciplinar na elaboração de qualquer projeto;

. Ter a capacidade em analisar, definir e projetar sistemas elétricos no contexto da eficiência energética;

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. Assumir a postura da necessidade periódica na atualização profissional, exercendo as atividades do dia-a-dia com

muita ética.

CONTEÚDO PROGRAMÁTICO Conhecimentos necessários

1. Energização de motores de indução (16 horas):

A – Partida direta ( tensão nominal )

B – Partida através de uma chave estrela-triângulo

C– Partida através de uma chave compensadora a

autotransformador

D – Partida através de uma chave triângulo série – estrela

paralelo

E – Partida através de uma chave Soft – Starter

F – Partida através de um conversor de freqüência

G – Partida de um motor em anel

H – Partida através de um material supercondutor

1. Conceito de curto-circuito em sistemas de baixa tensão

2.Características operacionais dos motores elétricos de

indução trifásicos de gaiola e de rotor bobinado.

3.Princípio de funcionamento e manuseio de instrumentos:

bobina móvel, multímetro digital e medidores de

temperatura.

4. Princípio de funcionamento de uma chave soft starter

5. Princípio de funcionamento de um inversor de

frequência.

6. Princípio de funcionamento de um AT.

7.Nas ligações Y e ∆: cálculos de potências, tensões,

correntes e impedâncias.

2. Materiais e equipamentos de comando e proteção

(20horas):

A - Dispositivos de proteções:

.fusíveis,

.relé bimetálico de sobrecarga,

.relé eletrônico de temperatura,

.relé de subtensão,

.relé de seqüência de fase,

.relé eletrônico de sobrecorrente,

.interruptor de corrente de fuga,

.disjuntor,

.pára-raio

.relé inteligente

.... limitador de corrente via dispositivo supercondutor

1. Aquecimento adiabático de elementos sólidos.

2. Dilatação térmica em elementos sólidos

3. Energia armazenada em molas

4. Principais características operacionais: diodos,

transistores, SCRs, diodo zener, portas lógicas, circuitos de

memórias, amplificadores operacionais e temporizações.

5. Circuitos elétricos monofásicos em regime e no

transitório: R, L e C

6. Tipos de aterramentos elétricos

7. Perigo do choque elétrico

8. Descargas atmosféricas

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B – Dispositivos de comando seccionadores:

.chave seccionadora tripolar,

.chave seccionadora fusível

C – Dispositivos de comando Interruptores :

. contatores

. transruptores,

. contator de estado sólido,

. botões de impulso,

. chave comutadora,

. chave fim de curso,

. botão de impulso magnético,

. pressostato,

. relé de nível

. temporizadores

..... controlador lógico programável ( CLP )

1.Energia armazenada em molas

2.Energia cinética em corpos sólidos

3.Principais características operacionais: diodos,

transistores, SCRs, diodo zener, portas lógicas, circuitos de

memórias.

4.Circuito RC série em regime e no transitório

5.Energia eletromagnética envolvida em dispositivos

eletromecânicos

6. Teoria sobre o arco elétrico

7. Ponte de Wheatstone

8 . Microprocessadores

9. Portas lógicas

10. Circuitos de memórias

3. Projeto Elétrico Industrial ( 28 horas):

A - Considerações e ponderações iniciais

B – Concepção de Projeto

C – Cálculos, dimensionamentos e especificações, atendendo os aspectos técnicos, econômicos, de segurança e no contexto da eficiência energética:

. baricentro elétrico

. transformadores,

. curto-circuito.

. dispositivos de comando e proteção:

. seccionadores

. fusíveis,

. contatores,

. relé bimetálico de sobrecarga

. condutores elétricos,

. centro de controle dos motores elétricos CCM

1.Curto-circuito em sistemas de baixa tensão.

2.Principais características operacionais de

transformadores ∆ Y: Potências, Impedâncias, regulação,

rendimento, paralelismo e carregamento.

indução trifásicos de gaiola e rotor bobinado.

4.Aquecimento adiabático em fusíveis e condutores

elétricos.

5.Propriedades dos materiais condutores: térmicas,

elétricas, químicas e mecânicas.

6.Principais características das fontes de luz

7.Tipos de aterramentos elétricos

8. Perigo do choque elétrico

9.Fontes alternativas de energia

10.Parâmetros que interferem na qualidade da energia

elétrica

11.Conceito de temperatura ambiente e influências nos

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. disjuntores

. dimensionamento dos condutores elétricos pelos

critérios:corrente de regime, sobrecarga moderada,

sobrecarga violenta, queda de tensão, harmônicos, seção

mínima estabelecida pela norma e critério econômico.

. Inversor de freqüência.

materiais e equipamentos elétricos

12. Principais tipos de tarifas de energia elétrica

4. Laboratório ( 32 horas )

Painel 01 – dispositivos de proteções

Painel 02 – energização de um motor de indução trifásico

com tensão nominal(chave de partida direta ).

Painel 03 – energização de motores em cadeia

Painel04 – partida direta, chave reversora e chave estrela-

triângulo

Painel 05 – chave reversora manual e automática com um

sistema de frenagem.

Painel 06 – acionamentos de motores elétricos de

indução, através de uma chave compensadora a

autotransformador

Painel 07 – energização de um motor de indução

trifásico com duplo sentido de rotação, através de uma

chave estrela-triângulo

Painel 08 - energização de um motor de indução trifásico

via conversor de freqüência

Painel – 09 –Controlador lógico programável ( CLP )

indução trifásicos de gaiola de 1 ou 4 velocidades e de

rotor bobinado.

2.Princípio de funcionamento e manuseio de instrumentos:

bobina móvel, multímetro digital, medidores de

temperatura e ponte de Kelvin.

3.Princípio de funcionamento de um inversor de freqüência

4.Princípio de funcionamento do AT

5.Nas ligações Y e ∆: cálculos de potências, tensões,

correntes e impedâncias

6.Principais características operacionais: diodos,

transistores, SCRs, Zener, Portas lógicas, circuitos de

memórias, amplificadores operacionais e temporizações.

7.Lei de Lenz/Faraday em sistemas de frenagens

8. Principais características das fontes de luz

9. Circuitos lógicos

10. Microprocessadores

11. Circuitos de memórias

PROGRAMA AULA A AULA

Aula Dia/mês Conteúdo

1 Discussão e aprovação do plano de ensino: Objetivo da disciplina, Programa da

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disciplina, Aulas de laboratório e sistema de avaliação

2 Chave de partida direta

3 Chave estrela-triângulo e compensadora a autotransformador

4 Inversor de freqüência

5 Chave soft starter e energização de motor em anel

6 Energização de um motor de 12 terminais

7 Energização de um motor via dispositivo supercondutor

8 Verificação escrita VE1

9 Dispositivos de proteções – Fusíveis

10 Relé bimetálico de sobrecarga

11 Relés eletrônicos: temperatura, sub tensão, sobrecorrente e sequência de fase

12 Pára raios BT e interruptor de corrente de fuga

13 Disjuntores e interruptores inteligentes

14 Dispositivos de comando: chave seccionadora, contatores, contatores eletrônicos,

transruptores

15 Dispositivos de comando auxiliares: botão de impulso, chave comutadora, chave fim

de curso, botão de impulso magnético, pressostato

16 Relés de tempo, relés de nível, exercícios.

17 Controlador lógico programável ( CLP )

19 Projeto : Considerações e ponderações iniciais

20 Concepção de projeto

21 Cálculo da demanda máxima, dimensionamento e especificação do trafo.

22 Ajuste do tap, dimensionamento parcial do circuito de distribuição principal

23 Centro de controle de motores e cálculo aproximado do nível de curto circuito

trifásico no CCM

24 Dimensionamento e especificação do CCM e da Chave seccionadora sob carga

25 Dimensionamento e especificação de um contator

26 Dimensionamento e especificação de um relé bimetálico de sobrecarga/ fusíveis

27 Verificação escrita VE 3

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28 Análise dos motores de 100 e 200CV e Dimensionamento e especificação de um

disjuntor

29 Dimensionamento e especificação de condutores do circuito terminal

30 Dimensionamento e especificação de um conjunto acionado via inversor de

freqüência

31 Dimensionamento de equipamentos em sistemas com harmônicos: trafos,

condutores elétricos e motores elétricos

Prova final

PROCEDIMENTOS DE ENSINO

Aulas expositivas em sala de aula usando Quadro branco e Data show.

As aulas teóricas serão desenvolvidas na sala 103, Bloco D, Departamento de Engenharia Elétrica da UFMT, nos

seguintes horários:Segunda -feira( 9:30 horas as 11:30 horas e Sexta feira ( 9:30 horas as 11:30 horas }, com uma

carga horária semestral de 64 horas.

ATIVIDADES DESENVOLVIDAS NAS AULAS DE LABORATÓRIO

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MÓDULOS TRABALHADOS

Dentro da especificidade de cada bancada, genericamente os assuntos trabalhados nos painéis

encontram-se assim divididos:

. 1ª AULA DE CADA PAINEL:

- O aluno irá avaliar o objetivo da experiência, dentro do contexto de um sistema elétrico

industrial e e dependendo da especificidade de cada módulo, seguindo as informações gerais a

seguir ;

- Avaliar o princípio de funcionamento do diagrama de força e de comando, através de:

explicações orais, sistematização cartesiana ( I x t ) , ( Componentes x tempo), de acordo com a

lógica apresentada;

- Analisar e testar parte específica do diagrama de força e de comando, através de uma

metodologia previamente especificada.

- Consiste na energização, tanto do diagrama de força e de comando;

- Coleta e análises de resultados apresentados (V, I, P, etc) , para confrontar com a teoria

apresentada.

- Verificar se o funcionamento do sistema encontra-se de acordo com a avaliação teórica realizada

na aula anterior.

- Estudo teórico de algumas situações específicas para cada painel .

2ª AULA DE CADA PAINEL:

- Uma vez entendido o objetivo da experiência e até mesmo o seu princípio de funcionamento, na

2ª aula, são simuladas ou inferidas diferentes tipos de anormalidades ( defeitos ), para que o

aluno possa através de um diagnóstico sistematizado, identificar e localizar através de instrumentos

específicos o ponto defeituoso de qualquer processo de acionamento vinculado a motores

elétricos.

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RECURSOS (humanos e materiais) para as aulas teóricas

. 01 professor

. 01 apostila de “Eletrotécnica Industrial”, 618 páginas

. 01 Data show

. Materiais e equipamentos

. Bibliografias básicas

. Bibliografias complementares

RECURSOS (humanos, materiais e equipamentos) para as aulas de Laboratório

. 01 Professor

. 09 bancadas didáticas de comando e proteção, contendo: contatores de força, contatores

auxiliares, temporizadores, botões de impulso, disjuntores, conjunto fusíveis de encaixe calibrado,

relés bimetálicos de sobrecarga, relés de subtensão, relés de sobretensão, relés de seqüência de

fase, relés eletrônico de temperatura, relés de eletrodos, interruptor de corrente de fuga, motores

elétricos de indução, lâmpadas de sinalizações, chaves comutadoras, chaves reversoras, lâmpadas

incandescentes, inversores de freqüência, soft starter e controlador lógico programável ( CLP )

. 07 multímetros digitais ou analógicos

. 09 motores de indução trifásico

. 01 varivolt trifásico

. cabos para interligações

. 15 lâmpadas incandescentes 40W/220V

. 03 Alicate amperímetro ( Peak Hold) ( 0 a 200 A )

. 03 alicates universal

. 07 chaves de fenda

. 05 amperímetros de 0 – 50 A

. 05 voltímetros de 0 – 300V

. os demais materiais e equipamentos necessários encontram-se instalados nos módulos

didáticos existentes.

OBS:

1. Os materiais e equipamentos listados acima são utilizados em todas as aulas de laboratório. 2. Os multímetros listados acima são individualizados, onde cada aluno utiliza-se o seu

instrumento.

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O Laboratório da disciplina Eletrotécnica Industrial, consta atualmente com 9(nove) painéis

didáticos, representando um sistema elétrico industrial.

Os painéis didáticos existentes são:

PAINEL 01 – DISPOSITIVOS DE PROTEÇÕES

Este painel tem como objetivo verificar à atuação seletiva de alguns dispositivos, tais como: relé de

subtensão, relé de sobre tensão, relé de seqüência de fase, relé de temperatura, relé de nível, relé

bi metálico de sobrecarga, fusíveis e disjuntor termomagnético, através de simulações pré-

definidas. Mostrando ainda, como são interligados estes equipamentos de proteções dentro de um

sistema e principalmente quando da sua montagem, evidenciar a necessidade de uma definição

clara e objetiva do diagrama de força e de comando.

PAINEL 02 – ENERGIZAÇÃO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO COM TENSÃO

NOMINAL(CHAVE DE PARTIDA DIRETA ).

Este módulo tem como objetivo conhecer mais sistematicamente uma chave de partida direta.

Estudando ainda, várias alternativas de acionamentos à distancia, e como complemento avaliar e

testar as principais anormalidades provenientes destas alternativas.

PAINEL 03 – ENERGIZAÇÃO DE MOTORES EM CADEIA

A nível didático é apresentado o painel ”ENERGIZAÇÃO DE 3(TRÊS) MOTORES EM CADEIA,

COM ACIONAMENTO MANUAL E AUTOMÁTICO”, evidenciando que em sistemas reais de

acionamentos em cadeia, não significa obrigatoriamente da necessidade do sistema manual e

automático.

Caracterizando ainda que há existência de um sistema manual e/ou automático serão

caracterizados de acordo com as necessidades do processo e do acionamento alternado dos

motores.

Dentro deste contexto, este painel tem como objetivo evidenciar a importância dos acionamentos

em cadeia de motores elétricos e fazer com que o aluno familiarize com as inter-relações dentro de

um sistema, de um comando manual e automático.

Buscando o entendimento das lógicas apresentadas e posteriormente confrontar o sistema

analisado com o sistema real, evidenciando as dificuldades em testar este sistema, pois os

comandos não estão apresentados de uma maneira totalmente correta, por exemplo

a não identificações dos contatos, bobinas, botões e temporizadores. Apresentando uma

metodologia adequada para testar o sistema para esta situação.

PAINEL 04 – PARTIDA DIRETA, CHAVE REVERSORA E CHAVE ESTRELA-TRIÂNGULO

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Este painel tem como objetivo a familiarização do aluno com um sistema ( CCM ) real utilizado

numa indústria. E ainda simular a energização dos motores nas alternativas apresentadas,

verificando o comportamento do sistema e da carga, principalmente com relação ao

comportamento da corrente, demanda e energia elétrica. Este módulo tem como objetivo conhecer

mais sistematicamente uma chave de partida direta. Estudando ainda, várias alternativas de

acionamentos à distancia, e como complemento avaliar e testar as principais anormalidades

provenientes destas alternativas.

PAINEL 05 – CHAVE REVERSORA MANUAL E AUTOMÁTICA COM UM SISTEMA DE

FRENAGEM.

Este módulo consiste basicamente num motor de indução trifásico com duplo sentido de rotação,

com um controle de frenagem. A nível de comando apresenta a possibilidade de acionamento do

sistema no manual ou no automático. Com objetivos básicos de:

. Analisar o comportamento de uma chave reversora acoplada a um sistema de frenagem;

. Analisar e descobrir as principais anormalidades provenientes desta alternativa.

. Analisar o princípio de frenagem do motor, as suas limitações e as suas vantagens.

. Apresentar um procedimento metodológico para testar o diagrama de força e de comando.

PAINEL 06 – ACIONAMENTOS DE MOTORES ELÉTRICOS DE INDUÇÃO, ATRAVÉS

DE UMA CHAVE COMPENSADORA A AUTOTRANSFORMADOR

Este módulo tem como objetivos:

. A análise da lógica de funcionamento de uma chave compensadora a autotransformador,

utilizando-se

somente 1(um) autotrafo para acionamento de 2(dois) motores;

. Estimular o raciocínio para acionamento de n motores, utilizando-se desta mesma lógica

apresentada;

. Avaliar os pontos críticos para a elaboração de um comando racional e eficiente;

. Estudar os possíveis defeitos no sistema de comando e força;

. Encontrar uma metodologia correta para testar todo o comando;

. Desenvolver uma análise crítica de quando utilizar este tipo de alternativa.

PAINEL 07 – ENERGIZAÇÃO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO COM DUPLO

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SENTIDO DE ROTAÇÃO, ATRAVÉS DE UMA CHAVE ESTRELA-TRIÂNGULO

De acordo com os fundamentos teóricos apresentados nas aulas, este painel tem como objetivos:

. A análise criteriosa do diagrama de força e de comando;

. A avaliação dos pontos críticos Quando da utilização desta alternativa;

. Estudar os possíveis defeitos que poderão acontecer neste sistema;

. Avaliar a importância das proteções no sentido de caracterizar o porquê das suas utilizações;

. A análise crítica de quando utilizar esta alternativa.

PAINEL 08 ENERGIZAÇÃO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO VIA CONVERSOR DE

FREQÜÊNCIA

De acordo com os fundamentos teóricos apresentados na sala de aula este módulo tem como

objetivos:

. avaliar o diagrama de força de ligação de um conversor de freqüência;

. analisar os principais parâmetros de entradas e saídas do conversor;

. parametrizar as principais características de funcionamento do conversor;

. analisar os dados coletados durante os ensaios.

PAINEL – 09 – CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL ( CLP )

Este módulo tem como objetivo verificar a importância e as suas limitações no contexto de sua utilização em

um sistema de acionamento motriz, com objetivos específicos:

- Verificar as programações básicas na linguagem de programação em ladder.

- Verificar as interligações: Computador x Controlador lógico programável ( CLP) x Sistema motriz.

BIBLIOGRAFIA BÁSICA

1 – MAMEDE FILHO, J. Instalações elétricas industriais. EDITORA:Livros Técnicos e Científicos

2 - FRANCHI, CLAITON MORO. ACIONAMENTOS ELÉTRICOS. EDITORA ÉRICA

3 - FRANCHI, CLAITON MORO. INVERSORES DE FREQUENCIA. EDITORA ÉRICA

4-– COTRIM, A.A.M.B. Instalações elétricas. EDITORA: Makron Books

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BIBLIOGRAFIAS COMPLEMENTARES

1 – FITZGERALD, A.E ; KINGSLEY JÚNIOR, C. ; KUSKO, A. Máquinas Elétricas. São Paulo: Mc

Graw-Hill do Brasil.

2 – NISKIER, J. ; MACINTYRE, A.J. Instalações elétricas. Rio de Janeiro : Livros Técnicos e

Científicos

3 - BOSSI, A. SESTO, E. Instalações elétricas. São Paulo : Hemus.

4 – KINDERMANN, G. Choque elétrico. Porto Alegre: Sagra-Luzzatto

5 – LOBOSCO, O.S.; DIAS, J.L.P.C. Seleção e aplicação de motores elétricos- São Paulo Mc Graw

- Hill do Brasil, v.1 e v2.

6- KAWAPHARA, M.K. Utilização racional do sistema elétrico monofásico e trifásico em baixa

tensão. Botucatu: UNESP - 1997 . 195 p. Tese de Doutorado, Faculdade de Ciências

Agronômicas, Universidade, Estadual Paulista , 1997.

7- DIAS, Guilherme Alfredo Dentzien. Harmônicas em sistemas industriais. Porto Alegre:

EDIPUCRS

8 – Informativos Técnicos de fabricantes de materiais e equipamentos.

AVALIAÇÃO:

PERÍODO 2013/2

VE-1 – Avaliação escrita ( Energização de motores ) ....................................... 8 ª aula

VE-2 - Avaliação escrita ( Materiais e equipamentos elétricos ) ....................... . 18ª aula

VE-3 - Avaliação escrita ( Primeira parte do Projeto .......................................... 27ª aula

VE-4 - Avaliação escrita ( Segunda parte do Projeto ) . ...................................... 32ª aula

VE-5 – Avaliações de Laboratório ( realizada ao longo do semestre )

PROVA FINAL ....................... Será aplicado no final do semestre

No final do semestre:

. Compara as faltas com a norma da instituição;

. Calcula-se a média M = ( VE-1 + VE-2 + VE-3 + VE-4 + VE-5 ) / 5

. Compara : M com 7,0

Se M 7,0 ..............................Aprovado

Se M < 6,5 ..............................Prova final ( PF )

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Se 6,5 M < 7,0 .....................Avalia-se o CONCEITO

. Após a nota da prova final ( PF ), calcula-se MF e compara MF com 5,0:

.Se MF 5,0 .......................... Aprovado

Se MF < 4,75 ........................... Reprovado

Se 4,75 MF <5,0 ....................Avalia-se o CONCEITO

. Direito para avaliação do conceito:

. Faltas durante o transcorrer do semestre F 6,0 horas (1 aula corresponde a 2 horas) e

M 3,75 e VE5 5,5 e ENTREGA DE TODOS OS EXERCÍCIOS DA APOSTILA (PAPEL

ALMAÇO E NA APOSTILA – 2013-2) e Comportamento em sala (conversas, entrar e sair da sala,

fazer outras atividades, dormir em sala, atender celular e outras situações que atrapalhe o

andamento da aula).

A avaliação do conceito será feita exclusivamente pelo professor.

Obs:

1. Início da aula teórica: Horário defindo na planilha de matrícula

2. Critério para alteração do cronograma das avaliações:

a. Pedido solicitado pelo professor ou pela turma, com uma antecedência de no mínimo 3(três)

aulas antes da data da verificação. Concenso de todos os alunos presentes no final da aula e

do professor

b. Pedido realizado após a data referente à situação anterior, somente através de um consenso

de todos os alunos matriculados: via lista de assinaturas, com a devida justificativa e a data

proposta

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PROFESSOR: _______________________________EM ____/___/_____

Aprovação:

COLEGIADO DE CURSO: ________________________EM ___/___/______

CONGREGAÇÃO: _______________________________EM ___/___/______

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SUPERCONDUTIVIDADE ............. INTRODUÇÃO

A supercondutividade foi descoberta em 1911 por ONNES na Holanda. Apenas 3 anos após a

descoberta da supercondutividade, ONNES recebeu o Nobel em Física por ter obtido a primeira amostra

de Hélio liquefeito, através de técnicas especiais a poucos Kelvin. Após esta data muitos cientistas

trabalharam no sentido de entender melhor a supercondutividade. O fenômeno observado por ONNES era

que a resistividade de uma amostra de mercúrio caia abruptamente a zero quando a temperatura da amostra

ficasse abaixo de 4,15 K, temperatura esta obtida através do Hélio liquefeito, processo muito complexo e

caro.

Teoricamente num material supercondutor, a transição de uma resistividade finita no estado normal

acima da temperatura de transição Tc para estado supercondutor, ocorre abruptamente, isto é, uma perfeita

condutividade sob corrente contínua, conforme figura a seguir.

Da descoberta da resistência elétrica zero por ONNES em 1911, 22(vinte e dois anos) se passaram

para uma outra importante descoberta de MEISSNER & OCHSELFELD, que o estado supercondutor

possui uma segunda característica, definida como a propriedade do diamagnetismo perfeito. Esta

propriedade do estado supercondutor permite que, além de apresentar resistividade zero, o material

supercondutor é capaz de expulsar o fluxo magnético do seu interior quando submetido a uma densidade de

fluxo magnético inferior ao valor crítico Bc.

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A partir destas descobertas observa-se para caracterizar

um material supercondutor devem ser satisfeitos 3

parâmetros, onde as grandezas de temperatura crítica Tc,

densidade de campo magnético crítico Bc e a densidade

de corrente crítica Jc relacionam-se entre si, através de

uma superfície no espaço como função f (B, J, T), típico

para cada material, conforme desenho ilustrativo ao lado.

Apesar destas descobertas extremamente importantes cientificamente, os primeiros materiais

supercondutores operavam somente em baixas temperaturas para que o fenômeno da supercondutividade

ocorresse, através da refrigeração do Hélio Liquido ( Tc < 4,15 K), o que limitava a sua viabilidade técnica

e principalmente o seu custo. Em 1986 foi descoberto o material supercondutor de alta temperatura o

LaBaCaCuO com uma temperatura crítica acima de 30 K. A partir daí muitos outros materiais de alta

temperatura foram descobertos, com destaque aos que podiam ser refrigerado com nitrogênio líquido,

tornado a suas utilizações mais viáveis.

GÁS NITROGÊNIO

O gás Nitrogênio ocorre como um gás inerte (símbolo químico N2), não-metal, incolor, inodoro e

insípido, constituindo cerca de 4/5 da composição do ar atmosférico, não participando da combustão e nem

da respiração. Condensa a aproximadamente 77 K (-196 °C) e solidifica a aproximadamente 63 K (-

210°C). O Nitrogênio liquefeito possui diversas aplicações como refrigerante de materiais e por isso é

muito utilizado nos laboratórios de pesquisa, nas indústrias e em outras atividades. No laboratório de

criogenia o ar atmosférico é comprimido através de um compressor e injetado na liquefatora de Nitrogênio.

Primeiramente o gás passa por um conjunto de filtros que retira impurezas, como água e óleo e depois

ingressa em um refrigerador, que por princípios termodinâmicos baseados em sucessivas compressões-

expansões bruscas faz com que a temperatura do ar diminua gradualmente.

Na medida em que a temperatura abaixa, vários

outros gases de mais alto ponto de ebulição,

como o gás carbônico e oxigênio, são

primeiramente liquefeitos e retornados para a

atmosfera. Quando a temperatura atinge 77 K (-

196 °C) o Nitrogênio está liquefeito e livre de

impurezas. A partir daí o líquido é armazenado

em tanques para posterior utilização.

EVOLUÇÃO DOS MATERIAIS SUPERCONDUTORES

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Oficialmente a temperatura crítica mais alta alcançada até hoje é de aproximadamente 133 K a

pressão ambiente e cerca de 160 K sob altas pressões. A figura a seguir ilustra a evolução dos materiais

supercondutores em função da sua temperatura crítica.

Através destas descobertas, deram-se início aos estudos dos chamados supercondutores de alta

temperatura crítica (High temperature superconductors – HTS) que iriam, mais tarde, superar os até então

conhecidos supercondutores de baixa temperatura crítica (Low temperature superconductors - LTS).

Antes do final de 1986, os cientistas tinham verificado o começo da supercondutividade a 93 K no

óxido de ítriobário-cobre (YBa2Cu3O7). E com o passar dos anos novos materiais supercondutores de alta

temperatura crítica (HTS) foram descobertos, como por exemplo, os compostos à base de bismuto (Bi-Sr-

Ca-Cu-0), de tálio (Tl-Ba-Ca-Cu-0) e mercúrio (Hg-Ba-Ca-Cu-0), conforme evidenciado na figura anterior.

Os materiais supercondutores são divididos em dois grupos: Tipo I e Tipo II. Esta divisão tem a ver

com as diferentes respostas dos materiais supercondutores quando estes são submetidos a campos

magnéticos. Nos materiais supercondutores do Tipo I quando o valor do campo magnético crítico (Hc) é

atingido, a magnetização vai a zero e o material passa para a fase normal, deixando de ser um

supercondutor, a Figura a seguir exemplifica esse comportamento.

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Nos materiais supercondutores do Tipo II, nota-se a presença de um estado misto, que na Figura

compreende a região que vai de Hc1 até Hc2. O estado misto é caracterizado pela existência de regiões

normais e supercondutoras no interior do material supercondutor. Nesse tipo de material quando Hc1 < Hc

ocorre o Efeito Meissner (é caracterizado pela exclusão do fluxo magnético do interior de um material

supercondutor). Na região de Hc1 até Hc2 o fluxo magnético não está totalmente expulso do material e

penetra, parcialmente, no interior do material. Quando H > Hc2 a magnetização se anula e o material perde

as características de um supercondutor

A tabela ao lado apresenta diverso tipos de

supercondutores de baixa temperatura crítica, sendo a

liga de NbTi (nióbio–Titânio) os mais utilizados, porém

devido a necessidade de resfriamento a hélio líquido, a

utilização destes materiais em aplicações no setor

elétrico não são atrativos economicamente

Com a descoberta dos materiais de alta temperatura, principalmente aqueles com Tc superior a 77

K, tornando possível o seu resfriamento com Nitrogênio Líquido, que possui um menor custo de

refrigeração que o sistema via Hélio Líquido, tortou-se viável a utilização de supercondutores em

sistemas elétricos, conforme tabela a seguir.

Foram produzidos em escala comercial o composto de (

Bi,Sr,Ca,Cu e O) em formato de barras e posteriormente em

forma de fitas, conforme tabela ao lado, material supercondutor

de alta temperatura crítica operando em nitrogênio líquido a 77

K. A aplicação destas fitas supercondutoras em sistemas

elétricos atuando como limitadores de corrente ficaram

inviabilizados, pois para inserir a resistência de alguns Ohms

seriam necessários alguns quilômetros de fitas, devido a sua

baixa resistividade em operações nas condições não

supercondutoras

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As fitas de 2ª geração (composição, Y,Ba,Cu,O) com uma temperatura crítica de 90 K, obtidas pelo

processo de deposição de substrato metálico de alta resistividade, apresenta excelente potencial em

aplicações de limitadores de corrente.

Devidos as evoluções a nível de

pesquisas quanto as técnicas de refrigerações

e descobertas de novos materiais

supercondutores, as aplicações destes novos

conhecimentos no sistema elétrico é

evidente, assim como, a diversificações em

todos os seguimentos de um sistema elétrico

a curto,médio e longo prazo.

TIPOS DE MATERIAIS SUPERCONDUTORES

Tipo resistivo

Este tipo de limitador e composto de um elemento supercondutor inserido em série no sistema a ser

protegido. Em condições normais de operação, o material supercondutor se encontra no estado de

resistência nula e não dissipa energia.

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Na ocasião de uma elevada corrente o valor

da densidade de corrente crítica (Jc) é superado e o

material supercondutor transiciona para o estado

normal, se tornando um resistor ôhmico que passa a

dissipar energia, dessa maneira a corrente é reduzida.

Normalmente os limitadores massivos são compostos

da cerâmica supercondutora Bi-2212 enquanto que os

limitadores com fitas supercondutoras podem ser

compostos de Bi-2223 ou YBCO.

Estes limitadores têm as vantagens de apresentarem uma capacidade de redução de corrente maior e

mais rápida quando comparado ao tipo indutivo (próxima seção) e são ideais para a aplicação nas redes de

distribuição de energia pois não exigem bancos de capacitores para a correção do fator de potência como

ocorre nos indutivos, além de apresentar um tamanho reduzido quando comparado a outros tipos de

limitadores.

Tipo indutivo (limitador de núcleo blindado)

O limitador de corrente supercondutor do tipo indutivo (também conhecido como núcleo blindado)

e, basicamente, um transformador. O enrolamento primário e conectado em série com o sistema a ser

protegido.

O enrolamento secundário é um supercondutor, e na maioria das vezes, possui somente uma espira,

que é um invólucro cilíndrico supercondutor, chamado de blindagem. Assim, diferentemente do limitador

do tipo resistivo, o limitador indutivo só está acoplado magneticamente com o circuito a ser protegido.

O principal conceito deste limitador se baseia nas

propriedades magnéticas dos materiais

supercondutores. Sob condições normais de

operação, o campo magnético, gerado pela bobina

de cobre, e blindado pelo invólucro supercondutor

(efeito Meissner) e não atinge o núcleo de ferro.

Devido a essa blindagem, a impedância do sistema

e baixa.

No caso de uma sobre corrente, a corrente no enrolamento primário aumenta de maneira

considerável, resultando, consequentemente, em um aumento de fluxo magnético no invólucro

supercondutor. Conforme o fluxo de campo magnético aumenta, as linhas de fluxo começam a penetrar no

material supercondutor e que irá também, penetrar no núcleo de ferro do transformador fazendo com que a

impedância do sistema também aumente, diminuindo, assim a amplitude da onda de corrente elétrica. Em

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relação ao tipo resistivo, este apresenta maiores pesos e tamanhos devido ao grande volume de ferro

necessário para a construção do núcleo magnético do limitador.

Tipo híbrido

O limitador supercondutor do tipo híbrido consiste de um transformador com um limitador

supercondutor resistivo conectado em série com o enrolamento secundário do transformador, enquanto que

o enrolamento primário do transformador é conectado em série com a rede a ser protegida.

Em condições normais de operação, o material

permanece no estado supercondutor, fazendo com

que se tenha uma baixa impedância refletida no

primário

Na ocorrência de uma sobre corrente, a corrente

do secundário ultrapassa a corrente crítica do

material supercondutor, levando o material a

transacionar para o estado normal e, por

consequência, gerando uma impedância que

antes não existia no circuito. Essa impedância,

referida para o enrolamento primário do

transformador limita a sobre corrente.

.

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O desenho a seguir apresenta um diagrama unifilar de um sistema de acionamento de um motor de

indução trifásico com limitação de corrente de partida, através de dispositivos supercondutores, refrigerado

a nitrogênio líquido (77K)

Entendido a lógica de funcionamento do sistema, a figura a seguir evidencia o diagrama de força

básico desta alternativa. Estudos apontam para uma promissora alternativa.

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Em sistemas elétricos de potência, curtos-circuitos podem ser causados por falhas ou envelhecimento de

isolamentos, raios ou até mesmo objetos que conectam os condutores ao solo (ou entre as fases). A corrente

proveniente de um curto-circuito pode ser até 100 vezes maior que a corrente nominal do sistema, por esta razão,

todo o sistema de distribuição de energia elétrica possui dispositivos de segurança (por exemplo, disjuntores).

No decorrer dos anos, com

o aumento de consumo e,

consequentemente, da

geração de energia elétrica,

curtos-circuitos em sistemas

elétricos vem ocorrendo

com mais frequencia. A

inserção de novas usinas

geradoras não previstas

previamente na construção

do sistema atual, o aumento

de interconexões do sistema

elétrico e usinas próximas a

centros urbanos, contribuem

para o aumento dos níveis

das correntes de curto-

circuito

Desse modo, temos a superação da capacidade dos equipamentos (transformadores, barramentos e

disjuntores), ou seja,equipamentos que não foram projetados para suportar os novos e elevados níveis de corrente de

curto-circuito. Estudos realizados revelam que determinadas subestações podem vir a apresentar problemas, como a

superação da capacidade de interrupção dos disjuntores, caso uma nova usina geradora venha a ser instalada para

suprir a demanda de energia elétrica.

As principais alternativas para resolver ou contornar este problema consistem na troca de todos os

equipamentos superados, na reconfiguração do sistema ou no emprego de dispositivos que reduzam a amplitude da

corrente para níveis aceitáveis pelos equipamentos quando da ocorrência do curto-circuito. A troca dos equipamentos

superados pode ser inviável, tanto economicamente quanto operacionalmente, devido a necessidade de longas

paradas nas subestações. Modificações na rede, tais como o seccionamento de barramentos e a divisão em circuitos

de menor capacidade, representam apenas soluções provisórias, por reduzirem a flexibilidade e a confiabilidade do

sistema.

O diagrama ao lado evidencia uma

situação típica de um sistema

elétrico constituído de: G1, TR1,

TR2, LT1, D1 e D2. Ao inserir

mais uma fonte de geração

constituída de: G2, TR2,TR4, LT2,

D4, D5. O nível de curto-circuito

irá aumentar substancialmente

ultrapassando a capacidade dos

disjuntores D1 e D2, conforme

unifilar foi inserido 2 conjuntos

supercondutores para equacionar

esta nova realidade.

Limitadores de corrente são dispositivos capazes de atenuar, ou até mesmo, de bloquear picos de sobre

corrente com rapidez suficiente para que os disjuntores possam então atuar com segurança. Deste modo, a aplicação

destes dispositivos apresenta-se como solução de longo prazo mais viável do que a recapacitação de uma subestação,

mantendo e aumentando a estabilidade, a confiabilidade e a qualidade do fornecimento de energia elétrica, além de

prolongar a vida útil dos equipamentos superados.

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Genericamente os CLPs não substituem o sistema de potência, pois as suas respectivas saídas são

limitadas a alguns ampéres, no entanto, o sinal provenientes das saídas poderão acionar contatores de

força, para acionamento de cargas de milhares de CV. A título ilustrativo a seguir encontra-se um sistema

de acionamento convencional de 2 motores de indução trifásicos via AT. O desenho ilustrativo a seguir

apresenta a vista frontal do módulo didático. Observa-se os contatores de força, contatores auxiliares,

botões, proteções, relés temporizadores, entre outros.

Neste sistema os equipamentos de comando e proteções encontram-se interligados através de

condutores elétricos, numa configuração extremamente complexa, conforme pode-se verificar, através

da foto da parte trazeira do painel.

Um sistema com estas características (muitos componentes auxiliares: botões, contatores

auxiliares, temporizadores e condutores elétricos ), pode-se viabilizar uma outra alternativa via CLP e

programações via Software da lógica convencional apresentado a seguir:

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Este sistema de comando pode ser programado via Software, específico para cada equipamento(CLP),

proporcionando:

1. O funcionamento na mesma concepção da lógica convencional;

2. Maior confiabilidade de funcionamento;

3. Eliminação física dos equipamentos auxiliares:

a. botões de impulso,

b. contatores auxiliares,

c. contatos auxiliares dos contatores de força,

d. relés de tempo

e. Condutores de interligações

4. Maior Flexibilidade

Após a sua programação e interligações o sistema passa para a seguinte configuração, conforme

desenho a seguir. O sistema de força continua na concepção original, ou seja, os contatores de força

encontram-se presentes. Ao passo que a lógica do comando encontra-se programado via lógica ladder na

memória do CLP, que envia sinais nas suas respectivas saídas: S1, S2, S3, S4, S5 e S6, que irá acionar os

contores de força: C1, C2, D1, D2, A e K.

Controlador programável (CLP )

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Controlador programável + Diagrama de força

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Para a programação do sistema apresentado via AT, observa-se que a lógica convencional é dentro

de certas restrições a própria lógica ladder. Na realidade a lógica ladder foi a primeira alternativa de

programações dos CLPs, justamente por ser uma lógica que os especialistas já apresentavam certas

familiaridades. Existem hoje muitas linguagens de programações, muitas vezes, dentro de uma macro, por

exemplo, viabilizar todo um programa antecipadamente definido para aplicações específicas, dentro de um

processo de automação. Mas a linguagem ladder é a mais utilizada e a mais importante. Genericamente, a

maioria dos CLPs hoje existentes, dentre outras linguagens específicas, disponibilizam a ladder.

Se observarmos o comando do AT anteriormente apresentado, o sistema é constituído de um

conjunto de configurações: série, paralelo, série / paralelo. Em termos de portas lógicas: E, Ou, Não E, Não

OU, Ou exclusivo, entre outras configurações, conforme desenho a seguir:

Um conjunto de 3 contatos

auxiliares em paralelo

auxiliares em série

Um conjunto de contatos

auxiliares em série e em

paralelo

Um conjunto de contatos em

paralelo e em série

Um conjunto de um contator

auxiliar em paralelo com um

temporizador

auxiliar e uma lâmpada de

sinalização

Um sistema mais complexo na realidade é normalmente um conjunto de pequenos sistemas (série, paralelo

ou série paralelo) interligados adequadamente em “bobinas” de dispositivos auxiliares (contatores,

temporizadores, contadores e dispositvos analógicos). Para que se viabilize uma programação mais específica,

a primeira etapa é ter uma noção global de como os controladores programáveis(CLPs) encontram-se inter-

relacionados com os demais sistemas, assim como, ter o conhecimento de como programar estas

configurações ditas básicas. Os exemplos a seguir, apresentam-se estas situações.

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO

FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

GUIA DE LABORATÓRIO

ELETROTÉCNICA III

Prof. Dr. Mario Kiyoshi Kawaphara

2013/2

Metodologia para utilizações das bancadas convencionais na

disciplina – ELETROTÉCNICA III

Os módulos serão trabalhados individualmente pelos alunos em seus respectivos horários

matriculados, onde o aluno irá avaliar o objetivo da experiência, dentro do contexto de um sistema elétrico

industrial.

Genericamente os módulos dos sistemas convencionais serão trabalhados segundo uma metodologia

pré-definida, conforme a seguir:

1º De acordo com o objetivo de cada módulo, avalia-se a fundamentação teórica e posteriormente busca-se

o entendimento do princípio de funcionamento do diagrama de força e de comando, através do software

CADE_SIMU existente nos computadores do laboratório;

2º Uma vez simulado no computador e entendido a lógica de funcionamento avalia-se as fundamentações

teóricas através de questionamentos orais, sistematização cartesiana ( i x t ), componentes x tempo, de

conformidade com a lógica de cada módulo.

3º Uma vez compreendido a sua lógica de funcionamento efetiva-se o teste do módulo do diagrama de

força e de comando, através de uma metodologia previamente estudada e definida no início do semestre.

4º Nesta etapa será efetivada a energização completa do sistema, dentre as diversas possibilidades (manual

/ automático), avaliando o seu principio de funcionamento de acordo com a lógica existente nos módulos

teóricos.

5º Coleta e análise de resultados (V, I, P, S, etc), para confronto com a teoria.

6º Estudo teórico específico de cada módulo.

7º Uma vez realizados as etapas anteriores da experiência serão simuladas ou inferidas diferentes tipos de

anormalidades (defeitos) para que o aluno possa através de um diagnóstico sistematizado, identificar e

localizar através de instrumentos específicos o ponto defeituoso de qualquer processo de acionamento

vinculado a motores elétricos. Estas simulações encontram-se intercaladas nos painéis, normalmente

através de chaves interruptoras, localizadas em pontos específicos do comando.

ATIVIDADES DESENVOLVIDAS NAS AULAS DE LABORATÓRIO

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MATERIAIS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NAS AULAS DE

LABORATÓRIO

09 bancadas didáticas de comando e proteção, contendo: contatores de força, contatores

auxiliares, temporizadores, botões de impulso, disjuntores, conjunto fusíveis de encaixe

calibrado, relés bimetálicos de sobrecarga, relés de subtensão, relés de sobretensão, relés de

seqüência de fase, relés eletrônico de temperatura, relés de eletrodos, interruptor de corrente

de fuga, motores elétricos de indução, lâmpadas de sinalizações, chaves comutadoras, chaves

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reversoras, lâmpadas incandescentes, inversores de freqüência, soft starter e controlador lógico

programável ( CLP )

PAINEL 09: Controlador lógico programável ( CLP )

CRITÉRIOS PARA UTILIZAÇÕES DO LABORATÓRIO FORA DO

HORÁRIO DE AULA

A sala de laboratório da disciplina Eletrotécnica Industrial (sala103) poderá ser utilizada

desde que não estiver sendo utilizadas para aula formais naquele horário solicitado pelo

aluno. Para a utilização do laboratório o aluno deverá preencher uma ficha de

acompanhamento disponível no almoxarifado central. A partir de então, o laboratorista

automaticamente irá abrir a sala para que o aluno possa ter acesso ao Módulo a ser

estudado.

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SISTEMA DE AVALIAÇÃO - AULAS DE LABORATÓRIO

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Este painel tem como objetivo verificar a atuação seletiva de alguns dispositivos, tais como: relé de

subtensão, relé de sobretensão, relé de sequência de fase, relé de temperatura, relé de nível, relé bimetálico

de sobrecarga, fusíveis e disjuntor termomagnético, disjuntor motorizado, interruptor de corrente de fuga,

através de simulações pré-definidas. Mostrando ainda, como são interligados estes equipamentos de

proteções dentro de um sistema e principalmente quando da sua montagem, evidenciar a necessidade de

uma definição clara e objetiva do diagrama de força e de comando.

Neste módulo de proteções serão trabalhados os seguintes temas;

1. Análise da lógica de funcionamento do diagrama de força, evidenciando de como são interligados os

diversos equipamentos de proteções, dentre eles:

. relé de sub / sobretensão

. relé de sequencia de fase

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. relé de temperatura

. relé nível a eletrodos

. disjuntores termomagnéticos

. interruptor de corrente de fuga; , fusíveis

2. Análise da lógica de funcionamento do diagrama de comando, evidenciando as interligações dos

dispositivos de proteções no sistema de comando.

3. Com referência as sinalizações serão avaliados:

- A sua importância na manutenção;

- A sua importância em se nomear corretamente;

- A importância do botão de teste para as lâmpadas de sinalizações;

4. O aluno irá testar o painel na concepção de uma montagem de uma instalação nova;

5. O sistema será energizado e posteriormente serão simulados os diversos tipos de defeitos para a atuação

das respectivas proteções.

6. Ao atuar as proteções serão explicitados via circuitos eletrônicos internos e/ ou curvas de atuação dos

dispositivos;

7. Com referência aos defeitos serão simulados em diversos locais evidenciando a sua atuação e/ou não

atuação.

8. Análise da sensibilidade e seletividade dos equipamentos de proteções.

9. Simular no Software CADE_SIMU, o sistema de força e de comando.

FOTO PAINEL : DISPOSITIVOS DE PROTEÇÕES

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