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INSTALAÇÕES ELÉTRICAS AULA 1 Prof. Eduardo da Silva 2 CONVERSA INICIAL Instalações elétricas prediais Olá, seja muito bem-vindo(a) a esta aula! Os projetos de instalação elétrica são divididos, principalmente, em razão do nível de tensão de operação. Nesta disciplina estudaremos os principais métodos, normas e equipamentos utilizados em instalações elétricas prediais em baixa tensão. Antes de estudarmos propriamente as técnicas de projeto, é fundamental saber como a energia elétrica chega até nossas residências. Por isso, esta aula fará uma breve viagem – desde as fontes geradoras até sua casa –, mostrando como se fornece energia elétrica. Além disso, veremos os principais componentes que figuram nas instalações prediais, e mergulharemos no mundo da luminotécnica, aprendendo os conceitos fundamentais e estudando como se faz um projeto luminotécnico. Para finalizar, apresentaremos os principais símbolos e métodos para a representação gráfica de projetos elétricos. Gostou? Então vamos lá, mãos à obra e bons estudos! TEMA 1 – DISTRIBUIÇÃO E FORNECIMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA A energia elétrica que chega em nossas casas percorre um longo caminho desde sua fonte geradora. No Brasil, as duas principais fontes de energia elétrica são as hidrelétricas e as termelétricas. A energia gerada nessas usinas é transmitida pelas linhas de transmissão até chegar aos centros consumidores, que a distribuem até o consumidor final. Assim, o sistema elétrico brasileiro é dividido em três partes básicas: geração, transmissão e distribuição. 3 Figura 1 – Esquema básico do sistema elétrico brasileiro Créditos: MSSA/Shutterstock. 1.1 Transmissão e distribuição da energia elétrica A Figura 1 representa, além dos três segmentos básicos, os transformadores, a subestação elevadora e a abaixadora. Estas são peças fundamentais no tratamento e na adequação da energia que será transmitida e distribuída. Se usarmos um gerador da usina hidrelétrica de Itaipu como exemplo, veremos que a potência gerada é em média 737 mil kVA, e a tensão de saída do gerador é 18 kV. Utilizando a lei de Ohm para a potência, podemos calcular a corrente nominal desse sistema por: 𝐼𝐼 = 𝑆𝑆 𝑉𝑉 ∙ √3 [𝐴𝐴] (1) Sendo: • 𝑆𝑆 – Potência aparente, em VA; • 𝑉𝑉 – Tensão nominal de saída do gerador, em V. Logo mais abordaremos os tipos de potência e o motivo de usarmos o termo “aparente” para a potência. Além disso, a raiz de três que aparece no denominador da equação se deve ao sistema trifásico. Aplicando os valores citados, temos: 𝐼𝐼 = 737 × 106 18 × 103 ∙ √3 ≈ 23.639 𝐴𝐴. Note que a corrente é de um valor muito elevado para ser transmitida em condutores comuns, como os que vemos nas ruas. Por isso é necessária a Geração Distribuição Subestação abaixadora Subestação elevadora 4 subestação elevadora que, por meio de transformadores, eleva a tensão para os níveis de transmissão, geralmente na ordem de 500 kV ou mais. Assim a corrente fica bastante reduzida e permite a utilização de cabos com a área de seção transversal, comumente chamada de bitola, menor. Em grandes usinas, como a Itaipu, a potência gerada é tão grande que apenas elevar a tensão não é suficiente para reduzir a corrente a níveis aceitáveis pelos condutores; nesses casos precisamos de mais de um condutor por fase, normalmente quatro. Como algumas linhas têm centenas de quilômetros de extensão, o diâmetro do condutor é muito importante, pois o peso de um condutor mais espesso exige torres de fixação mais próximas, elevando muito os custos das instalações, podendo até mesmo inviabilizar a obra. As linhas de transmissão que chegam aos centros consumidores, como as cidades, precisam ter a tensão adequada aos níveis que os consumidores irão utilizar. As subestações abaixadoras fazem esse trabalho, e as redes de distribuição serão divididas em dois tipos, devido ao nível de tensão. A rede de distribuição primária opera em média tensão, com valores típicos de 34,5 kV ou 13,8 kV para tensão de linha, que é a diferença de potencial entre duas fases. Em casos de polos industriais, a tensão entregue ao cliente é a rede primária, e a adequação é feita internamente. Já a rede secundária de distribuição alimenta os consumidores com potência de até 75 kVA. Essa é a que estamos mais acostumados a ver, pois é a rede que alimenta as residências de pequenas empresas. Figura 2 – Exemplo de níveis de tensão de uma rede primária e secundária de distribuição de energia elétrica 5 Créditos: Thotsaporn Sokla/Shutterstock. Em resumo, o sistema elétrico brasileiro é dividido de acordo com os níveis de tensão de cada segmento e, com base na Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel), podemos relacionar as tensões como: • Baixa tensão – até 1 kV; • Média tensão – entre 1 kV e 69 kV; • Alta tensão – acima de 69 kV. Como a janela de valores de alta tensão é grande, alguns setores preferem dividi-la em três grupos: alta tensão (69 a 230 kV), extra-alta tensão (230 a 800 kV) e ultra-alta tensão (acima de 800 kV). As demais partes que compõem o sistema elétrico de potência serão abordadas em outras disciplinas do curso; aqui nosso interesse é a rede secundária de distribuição, pois é o nível de tensão que atende os projetos de instalações prediais – tema desta disciplina. 1.2 Fornecimento de energia Como vimos, a rede secundária de distribuição é formada por um transformador abaixador, que pode ter como tensão de saída os valores de 127, 220 e 380 V. É muito comum ouvir pessoas dizendo que a tensão de 13,8 kV 220 V Rede secundária Rede primária Transformador abaixador 6 determinado eletrodoméstico é 110 V ou 220 V. Você sabe por que não é 110 V? Alguns anos atrás, o Brasil baseava seus níveis de tensão em países da Europa e tinha um sistema bastante desorganizado. Organizadas as concessionárias para interligar o sistema elétrico nacional, padronizou-se os valores dessa forma. Por definição, “tensão” é a diferença de potencial entre dois pontos de um circuito. Como estamos analisando um sistema de corrente alternada, não podemos usar os termos “positivo” ou “negativo”, pois seus valores variam o tempo todo. Assim, temos duas formas de medir a tensão: a primeira é a tensão de uma fase em relação à terra, que chamamos de tensão fase-terra, ou somente tensão de fase; a segunda é quando medimos a tensão entre duas fases – esta é chamada de tensão fase-fase ou tensão de linha. Figura 3 – Exemplo de medição das tensões de fase e de linha Crédito: Eduardo Silva. Usamos a terra como referência por apresentar um potencial nulo, mas muitas vezes o condutor de neutro é conectado à terra, por isso também representa um nível de zero volt. Aliás, você sabe de onde vem o condutor de neutro? Transformadores trifásicos podem ter o arranjo das suas bobinas em Y ou ∆ – também chamados, respectivamente, de estrela e triângulo –, e a origem do neutro está no ponto comum da ligação em estrela, como mostra a Figura 4. Figura 4 – Esquema de ligação das bobinas de transformadores em triângulo (à esquerda) e em estrela (à direita) 7 Crédito: Eduardo Silva. Por questões econômicas, devido ao número de fios, as redes primárias não utilizam o condutor de neutro; já na rede secundária de distribuição, o sistema é trifásico com neutro. As concessionárias de energia elétrica do Brasil utilizam diferentes níveis de tensão, conforme sua padronização. Algumas regiões utilizam as tensões em 127/220 V, ou seja, 127 V para tensão de fase e 220 V para tensão de linha. Já em outras localidades, o sistema é 220/380 V. Ao contrário do que muitos pensam, o valor de 220 V não é dado pelo dobro de 110 V. Como existe uma defasagem de 120° entre as fases de um sistema trifásico,a tensão de linha é √3 vezes maior que a tensão de fase, portanto, numa região cuja tensão de fase é 127 V, a tensão de linha será: 𝑉𝑉𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙ℎ𝑎𝑎 = 𝑉𝑉𝑓𝑓𝑎𝑎𝑓𝑓𝑓𝑓 ∙ √3 → 𝑉𝑉𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙ℎ𝑎𝑎 = 127 ∙ √3 ≅ 220 𝑉𝑉. (2) De forma análoga, se considerarmos uma localidade onde a tensão de fase seja 220 V, a tensão de linha será: 𝑉𝑉𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙ℎ𝑎𝑎 = 𝑉𝑉𝑓𝑓𝑎𝑎𝑓𝑓𝑓𝑓 ∙ √3 → 𝑉𝑉𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙ℎ𝑎𝑎 = 220 ∙ √3 ≅ 380 𝑉𝑉. (3) Em sistemas elétricos de corrente alternada, alguns equipamentos e máquinas – ou até mesmo as linhas de transmissão que apresentam características indutivas ou capacitivas – consomem dois tipos de energia: a ativa e a reativa. Assim, podemos dizer que existem três diferentes tipos de potência, que podem ser expressos geometricamente na forma de um triângulo retângulo, chamado de diagrama fasorial de potências. 8 Nesse diagrama, 𝑆𝑆 corresponde à potência aparente, que é a potência total consumida pela carga, ao passo que 𝑃𝑃 é a parcela da potência realmente utilizada para realizar trabalho, chamada de potência útil ou ativa; por último temos 𝑄𝑄, chamada de potência reativa. A potência aparente (𝑆𝑆) é dada em VA (volt-ampère); a potência ativa (𝑃𝑃) é dada em W (watt); e a potência reativa é dada em VAR (volt-ampère reativo), que pode ser indutiva ou capacitiva. A potência reativa equivale a injetar potência na rede, da qual deveria apenas consumir. Esse efeito pode trazer muitos malefícios às concessionárias e, por isso, costuma-se definir um valor máximo admissível sob pena de multas e alteração na tributação. A relação entre a quantidade de potência total ou aparente e a potência ativa consumida nos traz o conceito de fator de potência, termo muito conhecido e utilizado no setor industrial. 𝐹𝐹𝑃𝑃 = 𝑃𝑃 𝑆𝑆 (4) Usando a trigonometria, sabemos que 𝑃𝑃 é o cateto adjacente ao ângulo 𝜙𝜙 do triângulo das potências, e 𝑆𝑆 é a hipotenusa. Desse modo, também podemos representar o fator de potência como: 𝐹𝐹𝑃𝑃 = 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝜙𝜙 (5) A energia elétrica pela qual pagamos é medida pelas concessionárias do país em quilowatt-hora (kWh), ou seja, é a potência consumida com relação ao tempo; mas a potência reativa também é medida a fim de verificar se o cliente está de acordo com os limites aceitáveis. Uma instalação predial se liga à rede elétrica com um padrão definido pela concessionária, mas costuma ser o mesmo na maioria do país. Esse padrão é constituído de um poste particular, utilizado para fixar o ramal de distribuição, o conjunto de medição e proteção e o ramal de entrada, conforme a Figura 5. 9 Figura 5 – Detalhes das ligações do ramal de entrada do consumidor Crédito: Elias Aleixo. O conjunto de medição e proteção é composto por um medidor (de propriedade da concessionária) e um disjuntor de proteção geral, que será definido de acordo com a demanda do consumidor. A entrada de energia poderá ser monofásica (uma fase e o neutro), bifásica (duas fases e o neutro) ou trifásica (três fases e o neutro), conforme a Figura 6. 10 Figura 6 – Exemplo dos conjuntos de medição e proteção de um sistema monofásico (a), bifásico (b) e trifásico (c) Crédito: Elias Aleixo. Com o conjunto de medição e proteção geral, começamos o trabalho de instalações elétricas prediais. Para fins didáticos, quando for necessário fazer alguns cálculos, adotaremos o sistema de alimentação em 127/220 V, mas, caso queira trabalhar num projeto de entrada em 220/380 V, saiba que a análise será idêntica. Saiba mais Se quiser saber mais a respeito das exigências e padronização para fornecer energia em baixa tensão, leia o capítulo 11 do livro Instalações elétricas, de Hélio Creder (16ª edição). TEMA 2 – COMPONENTES BÁSICOS DE UMA INSTALAÇÃO ELÉTRICA PREDIAL Uma instalação elétrica pode ser composta de dezenas de equipamentos e acessórios. Vamos estudar aqui alguns dos principais componentes utilizados numa instalação predial. Vale ressaltar que os protagonistas de uma instalação, como os condutores, disjuntores e eletrodutos, terão uma abordagem mais detalhada mais adiante, por isso não serão citados na seleção a seguir. 11 2.1 Quadros ou painéis elétricos Como vimos no Tema 1, logo no ramal de entrada da instalação já é instalado o conjunto de medição e proteção geral. Esse sistema não pode ficar desabrigado, e ao mesmo tempo deve estar visível para que o profissional da concessionária possa aferi-lo. Nesse caso, deverão ser instaladas as caixas para medição, que podem ser metálicas ou de policarbonato, classificadas de acordo com a necessidade e a forma de instalação, de acordo com as normas técnicas de cada concessionária de energia. Figura 5 – Exemplo de instalação de uma ou mais caixas de medição de acordo com o padrão da Companhia Paranaense de Energia (Copel) Crédito: Elias Aleixo. 12 Além deste, as instalações em baixa tensão podem ter outros quadros elétricos distribuídos em diferentes níveis, dependendo das necessidades de divisão dos circuitos, como mostra a Figura 8. Figura 6 – Exemplo de aplicação dos quadros elétricos por níveis da instalação Crédito: Eduardo Silva. O quadro elétrico instalado no nível 1 recebe o ramal de entrada, que sai da rede elétrica de baixa tensão. Esse quadro abriga o medidor de energia da concessionária, por isso é chamado de quadro de medição (QM). O quadro do nível 2 abriga o disjuntor geral de uma ou mais unidades, por isso é chamado de quadro de distribuição geral (QDG). Muitas vezes o QDG e o QM são instalados juntos, como é comum ver em instalações de condomínios comerciais e residenciais, onde há um barramento principal que alimenta várias unidades consumidoras e cada uma tem um medidor individual. Sistemas com geração própria costumam ter apenas o QDG mas, se forem interligados à rede elétrica, precisam de um medidor para informar a concessionária. No nível 3, temos o quadro no interior da edificação, chamado de quadro de distribuição dos circuitos (QDC). A NBR 5410 – que abordaremos em detalhes nos próximos conteúdos – exige a instalação de ao menos um QDC no local das instalações para abrigar os barramentos e os disjuntores dos circuitos, podendo ter mais de um QDC na mesma instalação se o local tiver uma grande área ou vários pavimentos. Por fim, no nível 4 pode haver quadros dedicados à iluminação ou uma carga específica, quadro de luz (QL) ou quadro de força (QF). Figura 7 – Exemplos de QDCs usados para instalações residenciais de pequeno porte 13 Créditos: ShiningBlack; Fedbul/Shutterstock. 2.2 Sistemas de suporte Antes de iniciar um projeto elétrico, é importante conhecer a estrutura física do local das instalações. Geralmente, o estado da construção civil irá guiar as escolhas do sistema de suporte para as instalações elétricas. Para uma obra civil em construção ou finalizada, talvez seja inviável usar, por exemplo, eletrodutos no piso, ou ainda fazer alguma modificação de ambiente. Para a maioria das instalações que utilizam condutores de bitolas menores, as soluções comuns são os eletrodutos (plásticos ou metálicos). Figura 8 – Exemplos de aplicação de eletrodutos sobrepostos (a) e embutidos na parede (b) Fonte: RachenStocker/Shutterstock. (a) (b) (a) (b) 14 Num segmento industrial ou comercial de grande porte, é comum usar muitos condutores, geralmente de bitolas maiores e mais pesados. Para esse tipo de instalação, as eletrocalhas podem ser mais interessantes, pela resistência mecânica e ventilação, facilitando a troca de calor com o ambiente. Figura 9 – Exemplos de aplicação de eletrocalhas Fonte: Arnold O. A. Pinto; RachenStocker/Shutterstock. Emambientes internos, como salas comerciais e escritórios, é muito comum adaptar a estrutura elétrica para o mobiliário e leiaute do local. Nesses casos, é necessário usar canaletas, que são eletrodutos com um acabamento mais elegante e com possibilidade de separação dos circuitos nas divisórias internas. Sua grande vantagem é a facilidade na instalação e o fato de não precisar alterar as paredes de alvenaria. Figura 10 – Exemplo de aplicação de canaletas num ambiente interno (a) e o processo de instalação (b) Fonte: Canaletas…, 2018. Independente da escolha do sistema de suporte, devemos estar sempre atentos às demais condições de uso, que vão além do simples abrigo dos (a) (b) (a) (b) 15 condutores. Os principais critérios que nos auxiliarão na escolha correta para uma determinada aplicação são: • Grau necessário de proteção mecânica; • Proteção contra líquidos; • Transferência de calor dos condutores com o ambiente; • Presença de elementos químicos no ambiente; • Quantidade, tamanho e peso dos condutores; • Condições da distribuição dos circuitos ao longo da instalação; • Segurança dos operadores. 2.3 Caixas de passagem Existe uma grande variedade de caixas em instalações elétricas e diversos tipos de aplicação. Já apresentamos os quadros elétricos, que são instalados num tipo específico de caixa; agora veremos mais alguns exemplos de caixas utilizadas para facilitar o acesso às instalações. Dentre os acessórios mais utilizados numa instalação elétrica estão as caixas para laje. Esse tipo de caixa é fundamental para interligar eletrodutos e produzir um ponto de acesso onde se instalará a iluminação dos ambientes. A caixa pode ser metálica ou plástica, e é instalada durante a obra, recebendo a camada de concreto da laje como cobertura; daí a importância em adotar diferentes materiais de acordo com a proteção mecânica necessária. Figura 11 – Exemplo de aplicação de uma caixa de passagem para laje Crédito: Elias Aleixo. 16 Outro tipo muito utilizado é a caixa de passagem, também chamada de caixa de derivação, ou caixa de inspeção. Essas caixas também são instaladas para interligar os pontos de iluminação, tomadas e interruptores, mas podem ser instaladas em paredes (embutidas ou sobrepostas) ou enterradas. Essas caixas podem ser plásticas, metálicas ou de concreto. Além disso, a NBR 5410 prevê a instalação de caixas intermediárias quando a distância entre os pontos excede os limites determinados. Veremos mais detalhes sobre isso quando dimensionarmos os eletrodutos. Figura 12 – Exemplo de aplicação de uma caixa de passagem para laje Créditos: A_V_D; Grigvovan/Shutterstock. 2.4 Tomadas e interruptores Quando pensamos em instalações prediais, não podemos nos esquecer dos principais elementos que farão a interface com usuários, tomadas e interruptores. No Brasil, desde julho de 2011, um novo padrão de tomadas foi adotado, que tem por objetivo tornar seu uso mais seguro tanto para evitar o contato com a parte energizada da instalação como adicionar o condutor de terra. O padrão segue as recomendações da NBR 14136, que contempla as medidas e os critérios para fabricar plugues e tomadas. As tomadas são classificadas de acordo com a corrente de operação. Uma tomada para uso geral (TUG) é projetada para suportar correntes de até 10 A, já uma tomada de uso específico (TUE) admite valores maiores. Fisicamente, as tomadas também diferem em medidas e formatos, devido às diferentes intensidades de corrente e seção dos condutores, como mostra a Figura 15. Uma tomada no padrão residencial pode ser de 10 ou 20 A; já no (a) (b) 17 padrão industrial as tomadas comportam correntes de 16 a 125 A, e podem ter cores diferentes de acordo com a tensão de operação: azul para tensão nominal de 220 V; vermelho para tensão nominal de 380 V. Figura 13 – Exemplo de tomada de uso residencial para correntes de até 10 A (a) e tomada industrial para corrente de até 16 A e tensão nominal de 220 V (b) Créditos: Gabriel_Ramos; Yellow Cat/Shutterstock. Os interruptores são usados como comando de um ponto de iluminação, podendo ser do tipo simples, paralelo ou intermediário. Um interruptor simples opera como uma chave liga/desliga, que precisa ser acionada sempre no mesmo ponto. Um interruptor paralelo – também chamado de três vias (three-way) – é muito utilizado quando desejamos que o comando da iluminação seja feito de dois pontos distintos no cômodo. Imagine uma casa com dois pavimentos interligados por uma escada, na qual pretendemos comandar a iluminação instalada. Essa é a aplicação típica de um interruptor paralelo, pois desejamos acender a luz numa extremidade da escada e poder apagá-la quando chegarmos à outra extremidade. O interruptor intermediário – ou quatro vias (four-way) – também é utilizado quando pretendemos comandar a iluminação de pontos diferentes, porém ele é instalado entre dois interruptores paralelos, inserindo mais pontos de comando. Podemos usar esse interruptor num corredor longo, como aqueles com quatro pontos de comando ao longo de sua extensão. Assim, em qualquer um dos interruptores, podemos acender ou apagar as luminárias. (a) (b) 18 Figura 14 – Exemplo de interruptores monopolares e seus conectores Crédito: Elias Aleixo. Além destes, ainda são utilizadas fotocélulas ou sensores de presença com fotocélulas, que funcionam de forma autônoma para comandar um ponto de iluminação. Esses dispositivos funcionam como interruptores simples, porém são acionados automaticamente quando um objeto é percebido pelo sensor de presença ou pela ausência de luz (ao anoitecer). Os tipos de interruptor e seus modos de ligação serão retomados futuramente, quando estudarmos algumas técnicas de execução das instalações elétricas. TEMA 3 – NOÇÕES BÁSICAS DE LUMINOTÉCNICA A luminotécnica é composta por técnicas e estratégias para o adequado uso e comportamento de um sistema de iluminação artificial em ambientes internos e externos de uma edificação. Podemos dizer que essa preocupação se originou na história da invenção da lâmpada, incluindo grandes nomes da ciência. Por isso, antes mesmo de pensarmos no projeto elétrico, vamos entender alguns conceitos fundamentais sobre a luz que interferem diretamente na escolha dos equipamentos. Simples Paralelo Intermediário 19 3.1 Luz: cor e temperatura Ondas eletromagnéticas estão em praticamente todos os contextos do nosso cotidiano; basta pensar no seu smartphone, que utiliza esse tipo de radiação para se comunicar com as operadoras e redes de wi-fi. A luz é a faixa de espectro visível dessas ondas, pois são capazes de sensibilizar o olho humano. Nossa retina contém células especiais fotorreceptoras, que funcionam como sensores. A luz que incide em nossos olhos e chega à retina sensibiliza o nervo óptico, convertendo o sinal luminoso em impulsos elétricos. Estes são enviados ao cérebro, que interpreta a imagem. A luz é uma composição de ondas eletromagnéticas com frequências distintas, e cada uma corresponde a uma cor, com seu comprimento de onda ou frequência. A Tabela 1 apresenta as principais cores do espectro visível da luz, com seus respectivos valores. Tabela 1 – Comprimento de onda de frequência das cores básicas do espectro visível Cor Comprimento de onda Frequência Vermelho ~ 625-740 nm ~ 480-405 THz Laranja ~ 590-625 nm ~ 510-480 THz Amarelo ~ 565-590 nm ~ 530-510 THz Verde ~ 500-565 nm ~ 600-530 THz Ciano ~ 485-500 nm ~ 620-600 THz Azul ~ 440-485 nm ~ 680-620 THz Violeta ~ 380-440 nm ~ 790-680THz Fonte: Gebran; Rizzato, 2017. Você já deve ter notado que a luz de algumas lâmpadas tem uma cor mais amarelada ou avermelhada, e outras são mais brancas ou azuladas. Também já deve ter ouvido os termos “quente” e “fria” quando nos referimos à iluminação. Isso acontece porque, além do comprimento de onda e frequência, a cor da fonte luminosa pode receber uma classificação em razão de uma temperatura na escala Kelvin (K). Imaginamos que você tenha visto alguma imagem ou vídeo em que um ferreiro aquece um metal até próximo do seu ponto de fusão. O metal quente fica incandescente, emite luz e, quanto mais quente, mais intensa é a cor, e mais 20 clara ela fica. Quando aquecemos um corpo padronizado, também conhecido como corpo negro radiador, a emissão de energia luminosa é medida em função da temperatura. Dessa forma é possível produzir uma escala, como mostra a Figura 17. Figura 15 – Escala de temperatura das cores em Kelvin (K) Fonte: Gebran; Rizzato, 2017. 3.2 Lâmpadas Além do aspecto estético, as cores de iluminação têm uma finalidade diferente de acordo com o ambiente em que ela será instalada. Existem normas específicas para iluminar ambientes como hospitais, escolas e laboratórios, por isso a escolha correta das lâmpadas e luminárias é fundamental. Mas as lâmpadas vão além da função de iluminar, e atualmente existem muitos tipos de lâmpada com finalidades específicas, como: • Lâmpadas de luz infravermelha: usadas para produzir calor em tratamentos de fisioterapia e granjas; • Lâmpadas de luz ultravioleta: usadas na área médica e no tratamento de água (como bactericida e germicida), luz decorativa ou de efeitos especiais (luz negra), no cultivo de plantas indoor, secagem de resinas, tintas, entre outros. As lâmpadas comuns podem ser divididas em três grupos, em razão do seu funcionamento e aplicações. São elas: incandescentes; descargas e light- emitting diode (LED). 21 3.2.1 Incandescentes A palavra da vez agora é “eficiência”, e na iluminação isso significa a maior luminosidade com o menor gasto de energia. Nesse sentido, a lâmpada incandescente é ineficaz, pois boa parte da energia elétrica consumida é convertida em calor, e não em energia luminosa – que é o objetivo da aplicação. Por isso, desde o surgimento de novas tecnologias – como as lâmpadas fluorescentes e de LED –, as incandescentes perderam o destaque e se tornaram uma opção mais barata apenas no valor de prateleira. De consumo elevado e curta vida útil, as lâmpadas incandescentes tiveram sua venda proibida no Brasil. As restrições se iniciaram com a publicação da Portaria Interministerial n. 1.007/2010 e culminaram, em junho de 2016, na proibição total das lâmpadas de 25, 40, 60, 100 e 150 W. Apesar de ter os principais modelos proibidos, algumas versões ainda podem ser comercializadas1: • Incandescentes com bulbo inferior a 45 milímetros de diâmetro e com potências iguais ou inferiores a 40 W; • Incandescentes específicas para estufas de secagem, de pintura, equipamentos hospitalares e outros; • Incandescentes refletoras/defletoras ou espelhadas, que direcionam os fachos luminosos; • Incandescentes para sinalização de trânsito e semáforos; • Incandescentes halógenas; • Infravermelhas para aquecimento específico, por emissão de radiação infravermelha; • Para uso automotivo. Dentre as incandescentes permitidas, podemos destacar as lâmpadas- vela (ou lâmpadas-chama) e as halógenas (bulbo, dicroica e PAR). As lâmpadas-vela são como as incandescentes comuns, mas com um bulbo mais afinado ou em forma de chama de vela, que se enquadra no primeiro item das exceções mencionadas. Com uma cor mais amarelada, é muito utilizada em lustres para ambientes de conforto e descanso, como salas de estar. 1 Essas exceções fazem parte do “Anexo I – regulamentação específica que define os níveis mínimos de eficiência energética de lâmpadas incandescentes” da portaria citada. 22 Uma lâmpada incandescente comum funciona com um filamento de tungstênio que, ao ser percorrido por uma corrente elétrica, aquece até emitir luz. Esse filamento fica dentro de um bulbo de vidro, do qual se retira todo o oxigênio e se insere um gás inerte (nitrogênio e argônio), pois o oxigênio iria alimentar uma combustão no interior da lâmpada. As lâmpadas halógenas são muito semelhantes às incandescentes comuns, porém o bulbo que isola o filamento costuma ser feito de quartzo, e é muito menor. Nestes, além do gás inerte, adiciona-se uma pequena quantidade de material halógeno (iodo, flúor e bromo) e, como consequência, a vida útil do filamento aumenta. Há três tipos básicos de encapsulamentos das lâmpadas halógenas: 1. Utilizando um segundo bulbo (externo) com a proposta de manter a aparência semelhante às incandescentes comuns; 2. Usando a chamada lâmpada PAR – do inglês parabolic aluminized reflector (em português, “refletor parabólico de alumínio”). O conjunto é composto por uma lâmpada halógena, uma lente e um refletor traseiro, que torna o fluxo luminoso mais direcionado e pontual; 3. Utilizando as dicroicas, que são muito semelhantes às lâmpadas PAR, mas sua grande característica é a capacidade de reduzir o calor irradiado. Seu espelho refletor é feito de uma superfície multifacetada recoberta por um filtro químico capaz de reduzir a radiação infravermelha em mais de 50%. Figura 16 – Lâmpadas incandescentes Créditos: Chones; Alluvion; Vinokurov Alexandr/Shutterstock. COMUM VELA HALÓGENA PAR DICROICA 23 3.2.2 Descarga O princípio de funcionamento desse tipo de lâmpada é a ionização de um vapor metálico (mercúrio ou argônio), que está no interior de um bulbo e em baixa pressão. A parede interna desse bulbo é pintada com cristais de fósforo (phosphor), material fluorescente capaz de emitir luz quando excitado. A estrutura mais antiga de uma lâmpada fluorescente é composta de um circuito de partida (ou starter), filamentos de tungstênio e um reator. O starter é formado por um capacitor de filtro (para evitar interferências de alta frequência) e por uma lâmina bimetálica, que opera como uma chave. Associado a ele estão os filamentos de tungstênio, que servem de caminho para a corrente elétrica que acionará o starter. Esses filamentos também servirão de contato interno ao bulbo de vidro. Seu funcionamento se dá em dois estágios: no primeiro, assim que o interruptor é ligado, a corrente percorre pelos filamentos, pelo starter e pelo reator. Assim que a lâmina bimetálica aquece e se abre, inicia-se o segundo estágio, no qual a bobina interna do reator produz uma sobretensão nas suas extremidades e provoca um arco no interior do bulbo, fazendo com que o vapor metálico sirva de condutor, conforme a Figura 19. Figura 17 – Estágios de acendimento de uma lâmpada fluorescente Fonte: Creder, 2016. Os elétrons que trafegam pelo vapor metálico se chocam com a parede interna do bulbo, excitando os átomos de fósforo que emitem luz visível, conforme a Figura 20. Estágio 1 Estágio 2 24 Figura 18 – Esquema interno de uma lâmpada fluorescente Crédito: Elias Aleixo. Diferentemente de uma lâmpada incandescente, a fonte de luz desse tipo de lâmpada não provém do aquecimento de um filamento. Isso faz com que a energia elétrica seja mais aproveitada na conversão da energia luminosa, tornando essa opção mais eficiente e com menos consumo. Para melhorar ainda mais a eficiência, atualmente o starter e o reator formam um único circuito eletrônico, mas os fundamentos para acender a lâmpada permanecem. Além do formato tubular, as lâmpadas fluorescentes são fabricadas em versões menores e mais compactas, com os dispositivos de acendimento inseridos nasua base. Figura 19 – Principais formatos de lâmpada fluorescente Créditos: Ekkachai/Shutterstock. Em sistemas de iluminação pública, ginásios e estádios, é muito comum usar outros tipos de lâmpada de descarga. As mudanças básicas estão na 25 construção física da lâmpada e no tipo de metal vaporizado, trazendo uma gama de possibilidades de cor e potência. 3.2.3 LED O LED é feito por materiais semicondutores capazes de emitir luz quando percorridos por uma corrente elétrica. O grande destaque dessa tecnologia é sua eficiência, que permite substituir uma lâmpada incandescente de 60 W por uma de LED de apenas 3 W, sem prejuízo no fluxo luminoso. Com relação aos aspectos construtivos, essas lâmpadas diferem das anteriores por operarem com corrente contínua. Desse modo, é necessário usar um conversor CA-CC – também chamado de retificador –, capaz de converter a tensão alternada da rede elétrica numa tensão contínua, geralmente de 5 volts. Outra grande vantagem do LED é o aquecimento. O feixe luminoso é frio e, apesar de os LEDs não terem um sistema de dissipação de calor, alguns fabricantes utilizam uma base de alumínio aletada para auxiliar na troca de calor com o ambiente externo. A vida útil é mais um destaque do LED. Enquanto uma lâmpada incandescente dura de mil a 6 mil horas, uma lâmpada fluorescente dura de 7,5 mil a 12 mil horas, e o LED chega a durar 100 mil horas. Por ser uma tecnologia recente, muitos modelos comercializados seguem as características de formatos e cores das lâmpadas já apresentadas. Devido à sua versatilidade, atualmente o LED é utilizado em praticamente todos os segmentos de iluminação, desde vias públicas a aplicações hospitalares. Figura 20 – Exemplos de formato de lâmpadas de LED 26 Créditos: Ashwin/Shutterstock. TEMA 4 – PROJETO DE ILUMINAÇÃO De forma simplificada, podemos dizer que um projeto luminotécnico é a escolha do sistema de iluminação para atender à necessidade luminosa de um determinado ambiente. Para nos referenciarmos quanto ao tipo de ambiente e valores quantitativos da iluminação, é necessário conhecer as grandezas fundamentais da luminotécnica e as definições apresentadas pelas normas e pelos institutos de padronização nacionais e internacionais. Para facilitar a compreensão das grandezas a seguir, vamos definir um esterradiano. O esferorradiano (ou esterradiano – sr) é a unidade-padrão usada para medir ângulos sólidos. Se considerarmos uma esfera com 1 m de raio, um sr equivale a um ângulo sólido, na forma de um cone, que demarca na superfície dessa esfera uma área de 1 m2, como mostra a Figura 23. Figura 21 – Representação de um sr Crédito: Eduardo Silva. 27 • Fluxo luminoso (𝚽𝚽) – lúmen (lm) Chamamos de fluxo luminoso (Φ) toda a radiação emitida por uma fonte luminosa capaz de estimular o olho humano (luz visível). Esse fluxo parte da fonte luminosa de forma radial para todas as direções, atravessando a superfície da esfera que acabamos de ver. Dessa forma, se colocarmos uma fonte com intensidade de uma candela no centro da esfera, o fluxo luminoso será de 1 lúmen para cada sr; ou seja, para cada 1 m2 de área da superfície da esfera, temos o fluxo de 1 lúmen. A área total da superfície de uma esfera é dada por: Á𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑑𝑑𝑟𝑟 𝑟𝑟𝑐𝑐𝑒𝑒𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = 4𝜋𝜋 ∙ 𝑅𝑅2 = 12,57 ∙ 𝑅𝑅2 (5) Portanto, como o raio da esfera mede 1 m, podemos dizer que o fluxo total que atravessa a esfera é de 12,57 lumens. Fabricantes de lâmpadas costumam informar o fluxo luminoso na embalagem do produto para auxiliar o consumidor na escolha adequada. • Intensidade luminosa (𝑰𝑰) − candela (cd) A palavra “candela” deriva do latim e significa “vela”, porque anteriormente a vela já foi referência para a medida de intensidade luminosa (𝐼𝐼). Uma candela é a intensidade luminosa irradiada por um sr a partir do centro de uma esfera de raio unitário. Podemos definir a candela como o fluxo luminoso de 1 lúmen que ocupa um ângulo sólido de 1 sr. Assim: 𝐼𝐼 = Φ Ω → 1 𝑙𝑙𝑙𝑙 1 𝑐𝑐𝑠𝑠 = 1 𝑐𝑐𝑑𝑑 (6) • Iluminância (𝑬𝑬) − lux (lx) Iluminância ou iluminamento (𝐸𝐸) é uma grandeza que relaciona o fluxo luminoso, incidindo perpendicularmente numa superfície com sua área. 𝐸𝐸 = Φ A → 1 𝑙𝑙𝑙𝑙 1 𝑙𝑙2 = 1 𝑙𝑙𝑙𝑙 (7) A unidade de medida da iluminância é o lux (lx), que varia em função da distância entre fonte luminosa e a superfície iluminada. A Figura 24 mostra uma representação gráfica do que essas grandezas podem significar no uso prático de um sistema de iluminação. 28 Figura 22 – Aspetos visuais de influência das principais grandezas da luminotécnica Créditos: Jemastock/Shutterstock. Agora que já conhecemos alguns fundamentos básicos, podemos adotar uma metodologia de projeto para definir a iluminação. Apesar de existirem outras técnicas, dois métodos são bastante consagrados para criar um projeto de iluminação: o método dos lumens e o método do ponto a ponto. 4.1 Método dos lumens Como o nome sugere, esse método determina o fluxo luminoso necessário para a atividade que será desenvolvida num determinado ambiente. O projeto começa pelo estudo do tipo de atividade e do ambiente no qual pretendemos projetar a iluminação, como uma sala de aula. Conhecendo o ambiente e seu uso (comercial, industrial ou residencial), escolhe-se o tipo de luminária em função de custo, eficiência, facilidade de instalação e manutenção, efeito decorativo, praticidade no uso, entre outros critérios. Definido o tipo de luminária e lâmpadas, dois parâmetros podem influenciar sua utilização. O primeiro é o fator ou coeficiente de utilização (𝜇𝜇), dado pela relação entre o fluxo luminoso emitido pela luminária e o fluxo que incide no plano de trabalho. Esse indicador é geralmente fornecido pelo fabricante da luminária e demonstra que a iluminação depende das características do local, como área, cor do teto e das paredes, e também do acabamento das luminárias. Ω 1,6 𝑙𝑙 0,8 𝑙𝑙 0 𝑙𝑙 Intensidade luminosa (cd) Fluxo luminoso (lm) Iluminância (lx) 29 O fator ou coeficiente de depreciação (𝑑𝑑) é outro parâmetro importante, pois indica uma redução no fluxo luminoso emitido pelas lâmpadas, devido à redução da vida útil, ao acúmulo de poeira, ao escurecimento do bulbo, entre outros fatores que possam ofuscar a fonte luminosa. Assim como os parâmetros de ambientes e superfícies, o coeficiente de depreciação tem valores de referência em tabelas apresentadas na NBR ISO/CIE 8995-1:2013. Definidos os tipos de luminária e lâmpadas e os valores de iluminância, fluxo luminoso, intensidade luminosa e os coeficientes de utilização e depreciação (obtidos nos catálogos dos fabricantes e na NBR), podemos obter o fluxo luminoso necessário, fazendo: ΦT = E ∙ S 𝜇𝜇 ∙ 𝑑𝑑 (8) Sendo: • ΦT – Fluxo luminoso total, em lumens; • 𝐸𝐸 – Iluminância, em luxes; • 𝑆𝑆 – Área do ambiente, em m2; • 𝜇𝜇 – Coeficiente de utilização; • 𝑑𝑑 – Coeficiente de depreciação. Para finalizar, basta definir o número de luminárias necessárias para o ambiente definido. Como na Equação 8 encontramos o fluxo total do ambiente, basta dividi-lo pelo fluxo individual das luminárias: 𝑛𝑛 = ΦT 𝜙𝜙 (9) Sendo: • 𝑛𝑛 – Número de luminárias necessárias; • 𝜙𝜙 – Fluxo luminoso de cada luminária, em lumens. 4.2 Método do ponto a ponto Esse método é adequado quando os pontos luminosos (luminárias ou lâmpadas) forem muito menores, se comparados à área que se pretende iluminar, como é o caso da iluminação pública. Os cálculos necessários para o projeto com esse método baseiam-se na lei de Lambert, a qual diz que a iluminância numa certa superfície é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre a fonte luminosa e a superfície. 30 Diferentemente do método dos lumens, essa técnica determinaa iluminância para um ponto específico da superfície, em função do feixe de luz que atinge a área. O iluminamento total será dado pela soma das iluminâncias calculadas individualmente. Saiba mais Como a NBR ISO/CIE 8995-1:2013 apresenta muitas tabelas com valores de referência, é inviável inserir todas elas aqui. Por isso, se quiser saber mais detalhes sobre esses métodos e ver um exemplo, leia o capítulo 13 do livro Instalações elétricas, de Hélio Creder (16ª edição). TEMA 5 – SIMBOLOGIA UTILIZADA EM PROJETOS Todos os elementos que estudamos nesta aula (e muitos outros) podem ser representados num diagrama elétrico. A representação gráfica de circuitos elétricos é padronizada e regulamentada. Um projeto deve conter todas as informações necessárias para nortear o trabalho da equipe de instalações, assim como cotas, tipos e valores dos materiais e equipamentos elétricos que serão utilizados. No Brasil, desde 1989 a norma utilizada era a NBR 5444 – símbolos gráficos para instalações elétricas prediais. Essa norma foi substituída pela IEC 60417 – símbolos gráficos para uso em equipamentos em 2002. No total, são 89 símbolos descritos na NBR 5444, e as tabelas a seguir apresentam os símbolos principais e mais comuns para aplicação em instalações prediais. Apesar de cancelada, a NBR 5444 contém símbolos ainda muito utilizados em projetos elétricos, mas vale ressaltar que, independente da simbologia adotada, um projeto elétrico deve acompanhar uma legenda que auxilie a equipe de instalações a compreender o diagrama. Quadro 1 – Principais símbolos utilizados em projetos de instalações elétricas prediais Símbolo Significado Observações Eletroduto embutido no teto ou parede Para todas as dimensões em mm, indicar a seção (se esta não for de 15 mm) Eletroduto embutido no piso 31 Tubulação para campainha, som, anunciador ou outro sistema Indicar na legenda o sistema passante Condutor de fase no interior do eletroduto Cada traço representa um condutor. Indicar a seção, n. de condutores, n. do circuito e a seção dos condutores, exceto se forem de 1,5 mm2 Condutor neutro no interior do eletroduto Condutor de retorno no interior do eletroduto Condutor-terra no interior do eletroduto Caixa de passagem no piso Dimensões em mm 0 Caixa de passagem no teto Caixa de passagem na parede Indicar a altura e, se necessário, fazer detalhe (dimensões em mm) Quadro parcial de luz e força aparente Indicar as cargas de luz em watts e de força em W ou kW Quadro parcial de luz e força embutida Quadro geral de luz e força aparente Quadro geral de luz e força embutida Caixa para medidor Símbolo Significado Observações Interruptor de uma seção As letras minúsculas indicam os pontos comandados Interruptor de duas seções Interruptor de três seções Interruptor paralelo ou three-way Interruptor intermediário ou four-way Ponto de luz incandescente na parede (arandela) Deve-se indicar a altura da arandela Ponto de luz incandescente no teto. Indicar o n. de lâmpadas e a potência em watts A letra minúscula indica o ponto de comando, e o 32 Ponto de luz incandescente no teto (embutido) número entre dois traços, o circuito correspondente Ponto de luz fluorescente no teto (indicar o n. de lâmpadas e, na legenda, o tipo de partida e reator) Ponto de luz de emergência na parede com alimentação independente Tomada de luz na parede, baixo (300 mm do piso acabado) A potência deverá ser indicada ao lado em VA (exceto se for de 100 VA), como também o n. do circuito correspondente e a altura da tomada, se for diferente da normalizada; se a tomada for de força, indicar o n. de W ou kW Tomada de luz à meia altura (1.300 mm do piso acabado) Tomada de luz alta (2.000 mm do piso acabado) Tomada de luz no piso Fusível Indicar a tensão e correntes nominais Disjuntor a seco Indicar a tensão, corrente, potência, capacidade nominal de interrupção e polaridade Transformador de potência Indicar a relação de tensões e valores nominais Motor Indicar as características nominais Gerador Fonte: Silva, 2020, com base em Gebran; Rizzato, 2017. Com base na simbologia estudada, é possível fazer dois diferentes tipos de diagramas para representar um projeto elétrico. Como um projeto tem muitos condutores, seria inviável representar cada um deles nos circuitos do projeto, por isso fazemos um “diagrama unifilar”. Nesse diagrama, traçamos uma linha que interliga os pontos de iluminação, tomadas e quadros elétricos, representando o eletroduto a ser utilizado. Outra representação importante é o “diagrama trifilar”, que discrimina cada condutor que compõe as instalações, mas sem detalhes, como a seção deles. A principal utilidade desse diagrama é detalhar como deverá ser feita a ligação de alguns dos componentes do projeto, como disjuntores, dispositivo diferencial residual (DR), dispositivo de proteção contra surtos (DPS), interruptores, tomadas, entre outros. A Figura 25 apresenta um exemplo de diagrama unifilar, representando os circuitos de iluminação e as tomadas em cada cômodo de uma planta residencial. Na mesma figura, na parte inferior, o diagrama trifilar apresenta detalhadamente os condutores e dispositivos de proteção do projeto. 33 Figura 23 – Exemplo de um projeto elétrico com a representação em diagrama unifilar e trifilar Fonte: Creder, 2016. 34 FINALIZANDO Chegamos ao fim desta aula, e já foi possível ver quantas informações importantes existem nos bastidores de uma instalação elétrica. Vimos juntos o que é a rede primária e a secundária de distribuição e como se fornece energia elétrica para consumidores de baixa tensão. Estudamos o triângulo das potências e a origem do famoso fator de potência. Além disso, analisamos os principais componentes utilizados em instalações prediais e vimos os principais fundamentos relacionados à luminotécnica e algumas metodologias para um projeto de iluminação. Por fim, vimos como representar um projeto elétrico com uma simbologia gráfica padronizada. Futuramente iniciaremos de fato um projeto elétrico, começando pela previsão de cargas. Nos basearemos nos critérios da NBR 5410 para definir os circuitos de iluminação e de tomadas. Até o próximo encontro e bons estudos! 35 REFERÊNCIAS ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 5410: instalações elétricas de baixa tensão. Rio de Janeiro: ABNT, 2004. CANALETAS de PVC – WDK. Obobrasil, [S.l.], 2018. Disponível em: <http://obobrasil.com.br/canaleta-de-pvc>. Acesso em: 12 out. 2020. COPEL – Companhia Paranaense de Energia. NTC 901100: fornecimento em tensão secundária de distribuição. Curitiba: Copel, 2020. Disponível em: <https://www.copel.com/hpcopel/normas/ntcarquivos.nsf/4F0C269A3EBCF33B 03257F800070D966/$FILE/NTC%20901100%20Fornecimento%20em%20Ten s%C3%A3o%20Secund%C3%A1ria.pdf>. Acesso em: 12 out. 2020. CREDER, H. Instalações elétricas. Atualização e revisão de Luiz Sebastião Costa. 16. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. GEBRAN, A. P.; RIZZATO, F. A. P. Instalações elétricas prediais. Porto Alegre: Bookman, 2017. Fonte: Creder, 2016.