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Michel Gonçalves Pinheiro
Eletricidade Básica RH/UP/ECTGE Michel Gonçalves Pinheiro Rota: Chave: mgp0 Natal - RN, 10 e 11/05/2012 Este material contém informações classificadas como <Corporativa> pelo <RH/UP/ECTGE>.
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Modelo Atômico e Eletricidade
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Modelo Atômico e Eletricidade
A matéria de feita de átomos, a unidade básica da matéria. A eletricidade é uma das propriedades da matéria – carga elétrica. Fonte: Modelo atômico: Núcleo: prótons – carga elétrica positiva e nêutrons – carga elétrica neutra. Eletrosfera: elétrons – carga elétrica negativa. Massa do elétron é 1840 vezes inferior à massa do próton. Elétrons distribuídos em camadas. Um átomo possui várias órbitas, cada órbita contém uma quantidade de elétrons.
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Modelo Atômico e Eletricidade
Átomos – H, O, C, N, Cu, Fe, Al, He... Moléculas – H2 H20, O2, CH4, Cu, NaCl, H2S04, ... Substâncias – água, oxigênio, cobre metálico, gás metano,...
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Modelo Atômico e Eletricidade
Os átomos podem ganhar ou perder elétrons adquirindo carga elétrica e deixando de ser neutro. Íon = átomo que possui carga elétrica. Cátion = íon com carga elétrica positiva. Ânion = íon com carga elétrica negativa. A unidade de carga elétrica no Sistema Internacional (SI) para as substâncias é o Coulomb (C). Carga elementar do elétron = 1,9 x C. Lei da atração e repulsão das cargas elétricas: Cargas elétricas de mesmo sinal se repelem. Cargas elétricas de sinais opostos se atraem.
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Corpos Eletricamente Neutros
ELEMENTOS NEUTROS OU SEM CARGA, NADA ACONTECE. Fonte: FUNCOGE
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Cargas Elétricas de Mesmo Sinal: Repulsão
- CARGAS IGUAIS: Fonte: FUNCOGE
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Cargas Elétricas de Mesmo Sinal: Repulsão
- CARGAS IGUAIS: Fonte: FUNCOGE
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Cargas Elétricas de Sinais Opostos: Atração
+ - CARGAS DIFERENTES: Fonte: FUNCOGE
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Cargas Elétricas de Sinais Opostos: Atração
CARGAS DIFERENTES: + - Fonte: FUNCOGE
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Magnetismo
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Primeiras Observações do Magnetismo
Óxido de ferro – Grécia Antiga. Encontrado na cidade de magnésia. Atraía materiais ferrosos; Se orientava para o norte. Fonte: Magnetismo - Propriedade de atrair partículas de materiais ferrosos. Fonte:
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Primeiras Observações do Magnetismo
A atração é mais forte nos pólos. Como eles se orientam no sentido norte e sul, chamamos pólo norte e pólo sul. N PÓLO NORTE PÓLO SUL
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Formas Construtivas dos Ímãs
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A propriedade de atração é maior
nas extremidades S N
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Ação mútua entre dois ímãs
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Ação mútua entre dois ímãs
Pólos de mesmo nome se repelem
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N S S N S N S N AÇÃO MÚTUA ENTRE DOIS ÍMÃS
PÓLOS DE MESMA POLARIDADE SE REPELEM N S S N S N S N PÓLOS DE POLARIDADES DIFERENTES SE ATRAEM
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O Campo Magnético Pode ser observado colocando limalhas de ferro sobre um plástico que esteja sobre um ímã.
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S N
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N S
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Saem do pólo norte e entram no pólo sul
Linhas de força Saem do pólo norte e entram no pólo sul
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Uma barra de ferro sem magnetização pode ser considerada como tendo um grande número de pequenos ímãs dispostos de maneira desordenada
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Quando magnetizamos esta barra, os pequenos ímãs se alinham, polarizando o material.
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Quando magnetizamos esta barra, os pequenos ímãs se alinham, polarizando o material
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Campo Magnético e Corrente Elétrica
PILHA 1,5 V PILHA 1,5 V
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Campo Magnético e Corrente Elétrica
PILHA 1,5 V Quando uma corrente elétrica percorre um condutor, ela cria em torno deste um campo magnético.
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Campo Magnético e Corrente Elétrica
Linhas de força PILHA 1,5 V Quando uma corrente elétrica percorre um condutor, ela cria em torno deste um campo magnético.
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Verificação da campo magnético provocado por corrente elétrica
Uma bússola colocada próximo a um condutor percorrido por corrente. PILHA 1,5 V
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Verificação da campo magnético provocado por corrente elétrica
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O condutor atrai a agulha da bússola.
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Como aumentar o campo magnético de uma bobina
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Colocando um núcleo de ferro no interior da bobina
O núcleo de ferro concentra as linhas de força do campo magnético
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Aumentando a corrente elétrica
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Aumentando o número de espiras da bobina
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Aumenta o campo magnético
1.200 Espiras
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Polaridade do Campo Magnético Sentido das linhas de forças
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Polaridade do Campo Magnético
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Polaridade do Campo Magnético Invertendo o sentido da corrente
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O eletroímã só age como ímã se percorrido por uma corrente elétrica
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O eletroímã só age como ímã se percorrido por uma corrente elétrica
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O mesmo campo magnético de um ímã possante podemos conseguir com um pequeno eletroímã
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Energia e Potência
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Grandezas Elétricas – Energia e Potência
Energia (joule, cal, kWh): capacidade de realizar trabalho. Função do tempo de utilização do equipamento. Faturamento de consumo e produção de uma instalação elétrica. Acompanhamento operacional. Potência (kW, cv, hp): trabalho por unidade de tempo Potência nominal – potência requerida pelo equipamento em condições normais de serviço (plena carga). Projeto de uma instalação elétrica.
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Corrente Elétrica
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Tipos de Materiais – Condutividade
Isolantes. a forte atração exercida pelo núcleo atômico sobre os elétrons das camadas mais externas do átomo, não possibilitam a existência dos ELÉTRONS LIVRES. Condutores Os elétrons que se movem nas camadas mais distantes do núcleo atômico, são fracamente atraídos pelo núcleo, podendo escapar de um átomo para outro, constituindo-se nos ELÉTRONS LIVRES, abundantes nos metais. Semi-condutores.
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Elétrons Livres Em um material condutor seus átomos possuem elétrons livres que ficam “pulando” de um átomo para outro.
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Corrente Elétrica Fluxo ordenado de cargas elétricas em um material por unidade de tempo. - + As cargas elétricas se movimentam do maior potencial para o menor potencial.
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Grandezas Físicas Análogas à Corrente Elétrica
Vazão de água de um rio. Fluxo de veículos em uma rodovia. Fonte:
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Corrente Elétrica Unidade: ampère (A) = coulomb por segundo (C/s).
Exemplos: 10 A, 100 A, 20 kA, 50 kA, 4 mA, 20 mA. O medidor de corrente é o amperímetro: analógico ou digital. Medição analógica e digital da corrente elétrica em um dos barramentos da UTE-MLG.
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Corrente Elétrica - Aplicações
Dados de Placa: motores, geradores, transformadores... Projeto de painéis, subestações, proteção contra descargas atmosféricas. Especificação de cabos, barramentos e suas formas de instalação. Dimensionamento de proteção: disjuntores, fusíveis, relés... Ajustes de proteção, coordenação de proteção, curvas de seletividade tempo x corrente. Acompanhamento operacional dos equipamentos.
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Tensão Elétrica
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Fonte: Medição analógica de tensões e correntes na UTE-RA.
Tensão Elétrica Trabalho por carga elétrica. Diferença de potencial elétrico entre 2 pontos de um circuito elétrico. Unidade: volt (V) = joule por coulomb (J/C). Exemplos: - 5V, 24V, 127V, 480V, 690 V – Baixa tensão. - 4,16kV; 13,8 kV; 138 kV; 230 kV – Alta tensão. O medidor de tensão é o voltímetro: analógico ou digital. Fonte: sistema supervisório da UN-RNCE/ATP-MO indicando correntes e tensões medidas em termos de valores eficazes. Fonte: Medição analógica de tensões e correntes na UTE-RA.
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Analogia ao circuito hidráulico Temos uma diferença de nível d’água
Se abrirmos o registro Fonte: FUNCOGE
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Analogia ao circuito hidráulico
Fonte: FUNCOGE
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Analogia ao circuito hidráulico
Fonte: FUNCOGE
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Analogia ao circuito hidráulico
...não há mais desnível.
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Analogia ao circuito hidráulico
Para termos um movimento de água, é necessário um desnível de água (pressão). O mesmo acontece com os elétrons. Para que eles se movimentem, é necessário termos uma pressão elétrica.
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Tensão É a pressão exercida sobre os elétrons livres para que estes se movimentem no interior de um condutor. Em outras palavras, é a energia necessária para movimentar uma carga elétrica em um condutor. Corrente Vazão Tensão Pressão
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Tensão - Aplicações Especificação de equipamentos: motores, geradores, transformadores... Projeto de painéis, subestações, instalações elétricas. Definição de grupo tarifário de unidades consumidoras. Dimensionamento de proteção: disjuntores, relés... Acompanhamento operacional dos equipamentos.
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Circuitos Elétricos
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Componentes de um Circuito Elétrico
Chave a Chave aberta + Fonte de alimentação Vab Carga - b Chave fechada – circuito conduz corrente. Chave aberta – circuito não conduz corrente.
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Corrente Contínua e Corrente Alternada
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Alimentação Elétrica - Corrente Contínua – CC
Valor constante no tempo.
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Equipamentos Elétricos CC
Baterias, carregadores de baterias (CB), retificadores. Conversores de freqüência (CF). Bobinas de abertura, fechamento e motor de carregamento das molas dos disjuntores relés, alarmes e sinalizações de subestações; circuitos de iluminação de emergência crítica; Motores CC, geradores CC. Valores típicos: 125 Vcc, 24V, 12V.
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Alimentação Elétrica - Corrente alternada – CA
Mudança de polaridade no tempo. Freqüência: número de ciclos por unidade de tempo. rotações por segundo – rps – Hz rotações por minuto – rpm
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Equipamentos Elétricos CA
Motores de indução. Transformadores. Geradores. Lâmpadas fluorescentes. Reatores, resistores e capacitores. Valores típicos: 13,8 kV; 4,16 kV; 480 V; 120 V.
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Medição de Grandezas Elétricas
Os valores de tensão e corrente em equipamentos elétricos são especificados em termos de valores eficazes (RMS) – valor médio quadrático. As tensões e correntes no motor são caracterizadas pelo: Módulo (valor eficaz) Ângulo de defasagem em relação à referência Freqüência da alimentação elétrica. A potência nominal do equipamento é calculada a partir dos valores eficazes de tensão e corrente.
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Valor Eficaz de Tensão e Corrente
Tensão (V) x Tempo (s)
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Resistores, Indutores e Capacitores
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Resistores Dissipa energia na forma de calor – Efeito Joule
Resistência: Dificuldade à passagem da corrente elétrica no material. Unidade: ohm (Ω - ohm) Cargas resistivas: resistor, resistência de aterramento, resistência de aquecimento, aquecedor de RASF.
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Lei de Ohm - resistividade (Ω.m) – propriedade do material.
l – comprimento. A – área da seção do condutor. V – tensão nos terminais da resistência. I – corrente que passa na resistência.
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Associação de Resistores
Série – a mesma corrente percorre todas as resistências. R1 R2 Rn Paralelo – todos as resistências estão conectadas aos mesmos terminais da alimentação. Rn R1 R2
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Fenômenos Eletromagnetismo
A passagem de corrente elétrica em um condutor provoca o surgimento de campo magnético nas vizinhanças do condutor. A passagem de corrente elétrica em um condutor induzirá um fluxo magnético (força contra-eletromotriz) de sentido contrário à corrente que o gerou. Indução magnética: a variação no tempo do fluxo magnético que passa pelas espiras do indutor induzirá uma tensão nos terminais deste indutor. Os pólos magnéticos existem na natureza aos pares e eles são inseparáveis. Isto é, não existe monopolo magnético.
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Reatores Armazena energia no campo magnético.
Outros nomes: indutor, bobina. Indutância: relação entre o fluxo magnético e a corrente. Unidade: Henry (H). L – indutância Φ – fluxo magnético em torno do condutor. I – corrente elétrica que flui pelo condutor.
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Fonte: Catálogo Philips
Cargas Indutivas Reatores. Motores de indução trifásicos e monofásicos. Motores síncronos. Lâmpadas fluorescentes. Transformadores. Geradores elétricos. Fonte: Catálogo ABB Fonte: Catálogo Philips Fonte: Catálogo WEG
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Capacitores Dielétrico (Isolante) Placas metálicas
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Capacitor Um capacitor tem a propriedade de armazenar energia no campo elétrico. O tamanho das placas e do dielétrico influencia nesta propriedade. Capacitância: quantidade de cargas elétricas armazenadas por tensão. Unidade - Farad (F). C – capacitância. Q – cargas elétricas armazenada em Coulomb. V – tensão nos terminais do capacitor.
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Cargas Capacitivas Bancos de capacitores para corrigir fator de potência. Dessalgadoras. Fonte: Catálogo WEG e apresentação eng. Janson (AB-RE)
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Potências e Energias Elétrica nos Equipamentos
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Potências Elétricas nos Equipamentos
Potência Ativa (kW) potência elétrica que pode ser convertida em outra forma de potência; potência capaz de realizar trabalho. Potência Reativa (kvar) potência elétrica que circula continuamente entre os diversos campos elétricos e magnéticos de um sistema de corrente alternada; potência que não realiza trabalho. Potência Aparente (kVA) potência total fornecida pela fonte de alimentação à carga; soma vetorial da potência ativa com a potência reativa.
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Triângulo de Potências
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Fazendo uma analogia... “colarinho” = “potência reativa”
“volume total” = “potência aparente” “chopp” = “potência ativa” Foto: Michel Gonçalves Pinheiro.
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Fator de Potência (FP) ou Cos φ
É a relação entre a potência ativa e a potência aparente entregue à carga. Cosseno do ângulo φ entre a potência aparente e a potência ativa. Indutivo (IND) – potência reativa no campo magnético. Capacitivo (CAP) – potência reativa no campo elétrico. FP mínimo = 0,92. FP abaixo de 0,92 – multa.
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O Conceito de Impedância
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Impedância É uma “resistência” de corrente alternada.
Unidade: ohm (Ω). Aplicações: Impedância de um transformador. Reatância do gerador. Reatância do transformador. Reatância percentual do transformador: dado de placa. I V
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Triângulo de Impedância
Reatância Resistência
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Sistemas Monofásicos e Sistemas Trifásicos
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Alimentação em CA – cargas monofásicas
B N A N IA IA M M IA IA VA VA VB Ligação Fase - Fase Ligação Fase - Neutro
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Alimentação em CA – carga trifásica
B C N IA IB M IC VA VB VC V - tensão entre fases. I - corrente por fase.
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Equilíbrio e desequilíbrio entre fases
Forma da tensão/corrente equilibrada Valor eficaz idêntico para as 3 fases: VA = VB = VC Defasagem de 120º entre as fases: θA = 0, θB = -120º , θC = 120º. VA ≠ VB ≠ VC θA = 0, θB ≠ -120º , θC ≠ 120º Desequilíbrio
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Ligação em Y - Estrela A VAB B IB IA VAN VBN N VBC VCN VCA IC C
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Ligação em Delta - Anel IA A A ICA VAB IAB IB B B C VCA VBC IBC C IC
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Noções de Sistemas Elétricos
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Sistema Elétrico de Potência
Geração -> Transmissão -> Distribuição -> Ponto de Entrega Sistemas Elétricos Industriais Ponto de Entrega -> Subestação -> painéis de distribuição -> usos finais Usos finais da energia: iluminação, motores, equipamentos de medição, controle e proteção, ar condicionados, computadores, retificadores, baterias, acionamentos.
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Sistema elétrico industrial típico
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Diagrama unifilar Representação simplificada dos sistemas elétricos nos quais os condutores trifásicos são representados por uma única linha e os equipamentos por símbolos, em função da simetria entre as fases. Descreve a instalação elétrica de maneira prática. Apresenta dados principais dos equipamentos. Faz parte do projeto das instalações elétricas. Deve constar no Prontuário das Instalações Elétricas. A simbologia/legendas devem ser expressas em língua portuguesa.
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Diagrama Unifilar UTE-ST
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ALIMENTAÇÃO VEM DOS DJ- 95 e DJ-105 SUB 220
REDUC - SUB-500 – PN-50000 ALIMENTAÇÃO VEM DOS DJ- 95 e DJ-105 SUB 220 DJ-95 DJ-105 PN-50000
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Exemplo de tela de Sistema Supervisório
Entrada de energia da concessionária (parte do diagrama unifilar das instalações). Grandezas elétricas monitoradas nas instalações Zoom do supervisório. Fotos: Michel Gonçalves Pinheiro. UN-RNCE/ATP-MO
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Tela de Sistema Supervisório – UTE-RA
Foto: Michel Gonçalves Pinheiro.
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Tela de Sistema Supervisório – UTE-RA
Foto: Michel Gonçalves Pinheiro.
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Medição de corrente em campo
Fotos: Michel Gonçalves Pinheiro. UN-REPLAN
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Michel Gonçalves Pinheiro RH/UP/ECTGE Rota: 801-3171. Chave: mgp0
Obrigado pela atenção! Michel Gonçalves Pinheiro RH/UP/ECTGE Rota: Chave: mgp0
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