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COMANDOS ELÉTRICOS INDUSTRIAIS

COMANDOS ELÉTRICOS INDUSTRIAIS

APRESENTAÇÃO

Hoje, com a atual tecnologia disponível para automação a nível industrial, o comando e o controle dos motores elétricos passaram a ser conhecimentos básicos indispensáveis nas indústrias, e como no mercado existe uma lacuna em termos de publicações que pudessem complementar os estudos iniciais daqueles que se interessassem pelo assunto, foi desenvolvida essa apostila com materiais práticos e teóricos a fim de auxiliar os alunos do curso técnico de manutenção industrial com ênfase em elétrica e manutenção, tanto nos estudos quanto na prática do dia a dia.

Essa apostila engloba as teorias e práticas em importantes itens que se fazem presentes dentro de uma indústria, tais como: Dispositivos de proteção, dispositivos de comando, contatores, motores elétricos, circuitos de comando e força; além de todos os tópicos que os acercam.

Sumário

Sumário 4

1 DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO 6

1.1 RELÉS BIMETÁLICOS 6

1.2 RELÉS DE SOBRECORRENTE CONTRA CORRENTES DE CURTO-CIRCUITO. 9

1.3 FUSÍVEIS 10

1.3.1 QUANTO AO TIPO DE FUSÍVEIS: 12

1.3.2 QUANTO A VELOCIDADE DE ATUAÇÃO: 13

1.4 DISJUNTORES 15

1.5 CARACTERÍSTICAS COMPARATIVAS FUSÍVEL-DISJUNTOR. 19

2 DISPOSITIVOS DE COMANDOS 21

2.1 CHAVE DE PARTIDA DIRETA MANUAL (CHAVE FACA) 21

2.1.1 CHAVE SECCIONADORA 23

2.2 CHAVES ROTATIVAS BLINDADAS 24

2.3 CHAVES SIMPLES/CHAVES DE IMPULSO 27

2.4 CHAVES DE IMPULSO 28

2.5 BOTÃO DE COMANDO DE FIM DE CURSO: 31

2.6 ASSOCIAÇÕES DE CHAVES 32

2.7 SINALIZAÇÃO 33

3 CHAVE MAGNÉTICA OU CONTATOR MAGNÉTICO 34

3.1 COMO FUNCIONA A CHAVE MAGNÉTICA: 35

3.1 CONSTRUÇÃO: 38

3.2 CONTATOR DE POTÊNCIA E CONTATOR AUXILIAR 41

3.3 FUNCIONAMENTO DO CONTATOR. 43

3.4 CONTATORES, CATEGORIAS DE EMPREGO - IEC 947 44

3.5 DURABILIDADE OU VIDA ÚTIL. 45

4 RELÉS DE TEMPO (TEMPORIZADOR) 46

4.1 SÍMBOLOS DOS RELÉS 48

4.2 RELÉ DE TEMPO ESTRELA-TRIÂNGULO 48

5 CIRCUITOS DE COMANDOS E FORÇA 50

Comando de motor trifásico com botão de retenção mecânica. 50

CIRCUITO DE FORÇA OU DIAGRAMA DE FORÇA OU DIAGRAMA PRINCIPAL 50

Comando de motor trifásico com auto-retenção, sinalização e proteção por relé térmico. 51

5.1 INTERTRAVAMENTO 51

6 LIGAÇÃO ESTRELA-TRIÂNGULO PARA CARGAS TRIFÁSICAS: 55

6.1 ACIONAMENTO E PROTEÇÃO DE MOTORES 57

6.2 PARTIDAS 57

6.3 PARTIDA EM ESTRELA-TRIÂNGULO 57

DIAGRAMA ELÉTRICO DE COMANDO DE UMA PARTIDA ESTRELA/TRIÂNGULO. 58

7 MOTORES ELÉTRICOS: 60

7.1 MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA 60

7.2 MOTORES DE CORRENTE ALTERNADA 61

7.3 MOTORES UNIVERSAIS 62

7.4 LIGAÇÃO DE MOTORES TRIFÁSICOS 63

63

63

Ligações em estrela ( Υ ) e em triângulo ( Δ ) 63

LIGAÇÃO DE MOTORES DE 6 TERMINAIS 65

LIGAÇÃO DO MOTOR DE 12 TERMINAIS. 66

8 INVERSORES DE FREQÜÊNCIA 67

9 LABORATÓRIO 68

9.1 MOTOR MONOFÁSICO 68

9.2 LIGAÇÃO SUBSEQUENTE AUTOMÁTICA DE MOTORES 71

9.3 INVERSÃO DO SENTIDO DE ROTACÃO 72

9.4 LIGAÇÃO DE UM MOTOR TRIFÁSICO EM ESTRELA/ TRIÂNGULO 73

9.5 COMANDO AUTOMÁTICO PARA DUAS VELOCIDADES (DAHLANDER) 74

9.6 ESCOLHA DO MOTOR 74

9.7 COMANDO AUTOMÁTICO PARA COMPENSADOR COM REVERSÃO 76

9.8 COMANDO AUTOMÁTICO ESTRELA – TRIÂNGULO COM REVERSÃO 78

9.9 COMANDO AUTOMÁTICO PARA DUAS VELOCIDADES COM REVERSÃO ( DAHLANDER ) 80

10 SIMBOLOGIA ELÉTRICA: 81

10.1 SIGLA SIGNIFICADO E NATUREZA 81

1 DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO

A proteção é uma ação automática provocada por dispositivos sensíveis a determinadas condições anormais, no sentido de evitar ou limitar danos a um sistema ou equipamento, a proteção também pode ser entendida como uma manobra automática.

A escolha, aplicação e a coordenação seletiva adequadas ao conjunto de componentes que constituem a proteção de um sistema é um dos aspectos mais importantes da instalação elétrica industrial. A função da proteção é justamente minimizar os danos ao sistema e seus componentes, sempre que ocorrer uma falha no equipamento, no sistema elétrico ou falha humana.

Nessa apostila estudaremos os dois tipos de proteção mais usados nas indústrias. Os dispositivos de proteção contra correntes de curto-circuito, como: disjuntores e fusíveis. E os dispositivos de proteção contra correntes de sobrecarga, como os relés bimetálicos.

1.1 RELÉS BIMETÁLICOS

São construídos para proteção de motores contra sobrecarga, falta de fase e tensão. Seu funcionamento é baseado em dois elementos metálicos, que se dilatam diferentemente provocando modificações no comprimento e forma das lâminas quando aquecidas. O material que constitui as lâminas é em sua maioria é o níquel-ferro.

Figura 1 – exemplo de um relé bimetálico

Esquema de ligação do Relé bimetálico da figura 1:

  1. Ajustar a escala à corrente nominal da carga.

  2. Botão de destravação (azul):

Antes de por o relé em funcionamento, apertar o botão de destravação. O contato auxiliar é ajustado pela fábrica para religamento manual (com bloqueio contra religamento automático). Comutação para religamento automático: apertar o botão de destravação e girá-lo no sentido anti-horário, até o encosto, da posição H (manual) para A (automático).

  1. Botão "Desliga" (vermelho). O contato auxiliar abridor será aberto manualmente, se for apertado este botão.

  1. Indicador Lig./Desl - (verde). Se o relé estiver ajustado para religamento manual, um indicador verde sobressairá da capa frontal se ocorrer o disparo (desligamento) do relé. Para religar o relé, apertar o botão de destravação. Na posição "automático", não há indicação.

  1. Terminal para bobina do contator, A2.

Relés de sobrecarga são usados para proteger INDIRETAMENTE equipamentos elétricos, como motores e transformadores, de um possível superaquecimento. O superaquecimento de um motor pode, por exemplo, ser causado por:

 Sobrecarga mecânica na ponta do eixo;

 Tempo de partida muito alto;

 Rotor bloqueado;

 Falta de uma fase;

 Desvios excessivos de tensão e freqüência da rede.

Em todos estes casos citados acima, o incremento de corrente (sobrecorrente) no motor é monitorado em todas as fases pelo relé de sobrecarga. Os terminais do circuito principal dos relés de sobrecarga são marcados da mesma forma que os terminais de potência dos contatores.

Os terminais dos circuitos auxiliares do relé são marcados da mesma forma que os de contatores, com funções específicas, sendo o número de seqüência deve ser ‘9’ (nove) e, se uma segunda seqüência existir, será identificada com o zero. Na figura 1 temos: 95, 96, 97 e 98.

Na figura seguinte temos um exemplo de Relé Bimetálico.

Figura 2 – Relé Bimetálico SIRIUS da SIEMENS

Existem também os relés para cargas trifásicas, onde existe 3 tiras bimetálicas percorridas direta ou indiretamente pela corrente principal. Depois do relé ser acionado, permanecerá na posição “desligado” até que seja apertado o botão “reset”.

O relé só irá disparar quando a corrente que o percorrer for maior que 120 % da corrente nominal, isso é para evitar que pequenas sobrecargas desliguem o equipamento sem necessidade. Quanto maior a corrente, mais rápida será a atuação do relé.

O tempo de disparo também é influenciado pela temperatura: Trabalhando a frio (temperatura ambiente), o tempo de disparo é 25% maior do que com o equipamento aquecido (estar sendo circulado por corrente), esse aspecto é importante em relação as descargas periódicas, que acorrem com o equipamento fora de uso, diferentemente do que ocorre com o equipamento em pleno funcionamento.

Na figura 3 temos um exemplo do interior de um relé bimetálico.

Figura 3 – Esquema interno de um relé bimetálico.

1.2 RELÉS DE SOBRECORRENTE CONTRA CORRENTES DE CURTO-CIRCUITO.

Esses relés são do tipo eletromagnético, com uma atuação instantânea, e se compõe com os relés de sobrecarga para criar a proteção total dos componentes do circuito contra a ação prejudicial das correntes de curto-circuito e de sobrecarga, respectivamente.

A sua construção é relativamente simples em comparação com a dos relés de sobrecarga (bimetálicos ou eletrônicos), podendo ser esquematizado, como segue:

Figura 4 – Esquema interno de um relé de sobrecorrente.

A bobina eletromagnética do relé é ligada em série com os demais componentes do circuito.

Sua atuação apenas se dá quando por esse circuito passa a corrente de curto circuito (Ik*), permanecendo inativo perante as correntes nominais (In**) e de sobrecarga (Ir***).

Pelo que se nota, a sua função é idêntica à do fusível, com a diferença de que o fusível queima ao atuar, e o relé permite um determinado número de manobras.

Por outro lado, como o relé atua sobre o mecanismo do disjuntor, abrindo-o perante uma corrente Ik, a capacidade de interrupção depende do disjuntor, enquanto que, usando fusível em série com o disjuntor, essa capacidade de interrupção depende do fusível.

*Ik = Corrente de curto circuito.

**In = Corrente nominal.

***Ir = Corrente de sobracarga.

1.3 FUSÍVEIS

São os elementos mais tradicionais para proteção contra curto-circuito de sistemas elétricos. Sua operação é baseada na fusão do “elemento fusível”, contido no seu interior. O “elemento fusível” é um condutor de pequena seção transversal, que sofre, devido a sua alta resistência, um aquecimento maior que o dos outros condutores, à passagem da corrente.

O “elemento fusível” é um fio ou uma lâmina, geralmente, prata, estanho, chumbo ou liga, colocado no interior de um corpo, em geral de porcelana, hermeticamente fechado. Possuem um indicador, que permite verificar se operou ou não; ele é um fio ligado em paralelo com o elemento fusível e que libera uma mola que atua sobre uma plaqueta ou botão, ou mesmo um parafuso, preso na tampa do corpo. Os fusíveis contém em seu interior, envolvendo por completo o elemento, material granulado extintor; para isso utiliza-se, em geral, areia de quartzo de granulometria conveniente. A figura abaixo mostra a composição de um fusível (no caso mais geral).

Figura 5 – interior de um fusível “NH” e montagem de um fusível tipo “D”.

O elemento fusível pode ter diversas formas. Em função da corrente nominal do fusível, ele compõe-se de um ou mais fios ou lâminas em paralelo, com trecho(s) de seção reduzida. Nele existe ainda um ponto de solda, cuja temperatura de fusão é bem menor que a do elemento e que atua por sobrecargas de longa duração.

figura 6 – Fusível tipo “D” e “NH”.

Figura 7 – Interior de um fusível Diazed.

O fusível com o exterior de vidro é muito usado, pois, facilita a inspeção. Durante o desligamento (queima do fusível), ocorre um arco voltaico entre os pontos do circuito que se separam, ocasionado pela ionização do meio. Este arco representa um perigo por poder ocasionar fogo. Para evitar esse risco o elo fusível deve ser envolto por um elemento isolante (vidro, cerâmica etc.), e deve haver também um material extintor (normalmente areia ou cristais de sílica) internamente ao fusível. Quanto maior a corrente que o percorre, menor deve ser o tempo de desligamento do fusível.

1.3.1 QUANTO AO TIPO DE FUSÍVEIS:

NH - Usados em circuito de alta potência e conectados por encaixe, com ferramenta própria (punho) para proteção do operador;

 

Figura 8 – Exemplo de fusível NH.

DIAZED - Usados em circuitos baixa potência e conectados através do porta-fusível que se monta por rosca. O próprio suporte do fusível protege o operador contra choque elétrico.

Figura 9 – Exemplo de fusível Diazed e sua montagem.

1.3.2 QUANTO A VELOCIDADE DE ATUAÇÃO:

RÁPIDOS: Estes tipos são os que têm atuação mais rápida.

Ex. Micro fusíveis para ligação em Circuitos Impressos.

Figura 10 – Exemplo de fusíveis usados em circuitos eletrônicos.

Ex2. Fusível SITOR.

Figura 11 – Exemplo de fusíveis de potência e alta velocidade.

RETARDOS: Fusíveis para circuitos de motores elétricos e de capacitores. Não se rompem durante os picos de corrente de partida.

Se a corrente for muito maior que oito vezes a normal o fusível passa a agir tão rápido quanto um de ação rápida.

1.4 DISJUNTORES

O disjuntor é um dispositivo que, entre outros, é capaz de manobrar o circuito nas condições mais críticas de funcionamento, que são as condições de curto-circuito. Ressalte-se que apenas o disjuntor é capaz de manobrar o circuito nessas condições, sendo que, interromper é ainda atributo dos fusíveis, que porém não permitem uma religação.

A manobra através de um disjuntor é feita manualmente (geralmente por meio de uma alavanca) ou pela ação de seus relés de sobrecarga (como bimetálico) e de curto-circuito (como eletromagnético). Observe nesse ponto que os relés não desligam o circuito: eles apenas induzem ao desligamento, atuando sobre o mecanismo de molas, que aciona os contatos principais.

É válido mencionar que para disjuntor de elevadas correntes nominais, os relés de sobrecorrentes são constituídos por transformadores de corrente e módulo eletrônico que irá realizar a atuação do disjuntor por correntes de sobrecargas, correntes de curto-circuito com disparo temporizado e instantâneo e até disparo por corrente de falha à terra.

Assim, podemos concluir que os disjuntores não protegem o sistema, pois são dispositivos de comando, destinados a abrir o circuito somente. Quem atua como proteção são os relés em seu interior, com ligação direta com o mecanismo disjuntor. Esses relés podem ser do tipo térmicos ou magnéticos. Os térmicos apresentam bimetais destinados as sobrecorrente (sobrecargas), enquanto os eletromagnéticos são mais eficazes à proteção de curto-circuito e as tensões anormais.

Diversos são os tipos de disjuntores de baixa tensão utilizados. Citaremos alguns tipos, com suas respectivas curvas características.

Figura 12 – Interior de um disjuntor QUICK LEG.

.

Figura 13 – Interior e gráfico de um disjuntor industrial 3WN.

Figura 14 – Interior e gráfico de um disjuntor de motores 3VL.

Figura 15 – Interior e gráfico de um disjuntor 5SX

1.5 CARACTERÍSTICAS COMPARATIVAS FUSÍVEL-DISJUNTOR.

Disjuntor e fusível exercem basicamente a mesma função: ambos têm como maior e mais difícil tarefa, interromper a circulação da corrente de curto-circuito, mediante a extinção do arco que se forma. Esse arco se estabelece entre as peças de contato do disjuntor ou entre as extremidades internas do elemento fusível. Em ambos os casos, a elevada temperatura que se faz presente leva a uma situação de risco que podemos assim caracterizar:

• A corrente de curto-circuito (Ik) é a mais elevada das correntes que pode vir a circular no circuito, e como é bem superior à corrente nominal, só pode ser mantida por um tempo muito curto, sob pena de danificar ou mesmo destruir componentes de um circuito. Portanto, o seu tempo de desligamento deve ser extremamente curto.

• Essa corrente tem influência tanto térmica (perda joule) quanto eletrodinâmica, pelas forças de repulsão que se originam quando essa corrente circula entre condutores dispostos em paralelo, sendo por isso mesmo, fator de dimensionamento da seção condutora de cabos.

• O seu valor é calculado em função das condições de impedância do sistema, e é por isso variável nos diversos pontos de um circuito. De qualquer modo, representa em diversos casos até algumas dezenas de quilo-ampéres que precisam ser manobrados, seja pela atuação de um fusível, seja pelo disparo por um relé de curto-circuito que ativa o mecanismo de abertura dos contatos do disjuntor.

• Entretanto, existem algumas vantagens no uso do fusível, e outras usando disjuntor.

Vejamos a tabela comparativa, perante a corrente de curto-circuito Ik.

Tabela 1 – Diferenças entre fusíveis e disjuntores

A confiabilidade de operação do fusível ou disjuntor é assegurada pela conformidade das normas vigentes e referências do fabricante quanto as condições de operação e controle, podemos traçar um paralelo entre disjuntor e fusível, como segue:

Tabela 2 – Diferenças entre fusíveis e disjuntores

2 DISPOSITIVOS DE COMANDOS

CONCEITO:

EQUIPAMENTOS CAPAZES DE EXECUTAR A INTERLIGAÇÃO E DESLIGAMENTO DE PONTOS ENTRE OS QUAIS CIRCULARÁ CORRENTE QUANDO INTERLIGADOS.

A compreensão de um sistema de acionamento e proteção merece muita atenção, pois dela dependem a durabilidade do sistema e o funcionamento correto dos equipamentos a serem acionados.

Os dispositivos de comandos ou chaves, empregados em circuitos elétricos de baixa tensão, são dos tipos mais variados e com características de funcionamento bem distintas. Essa diversidade é conseqüência das funções específicas que cada dispositivo deve executar, dependendo de sua posição no circuito.

Um dos critérios mais utilizados é o que classifica as chaves segundo sua capacidade de ruptura, isto é, da corrente ou potência que as mesmas são capazes de comandar.

2.1 CHAVE DE PARTIDA DIRETA MANUAL (CHAVE FACA)

É o método mais simples, em que não são empregados dispositivos especiais de acionamento. A chave de comando direto existe em grande número de modelos e diversas capacidades de corrente, sendo a chave faca a mais simples.

Para uma maior segurança são utilizadas apenas para comandar equipamentos de pequenas correntes. Ex. Motores sem carga (a vazio), circuitos de sinalização e dispositivos de baixa potência.

Figura 16 – Chave de Partida direta manual tri polar ou chave faca tri polar.

A base é isolante e normalmente feita de mármore, as chaves podem ser simples (vide figura 13) ou com reversão, nesse caso existe mais um banco de bornes na parte inferir. Por representar riscos ao operador seu uso é restrito e deve ser evitado.

Chave: É também denominado contato. Tem a função de conectar e desconectar dois pontos de um circuito elétrico.

A chave tem dois terminais: um deve ser ligado à fonte (ou gerador) e outro ligado à carga (ou receptor). É feita de metal de baixa resistência elétrica para não atrapalhar a passagem de corrente e alta resistência mecânica, de modo a poder ligar e desligar muitos milhares de vezes. A estrutura metálica tem área de secção transversal proporcional à corrente que comandam: quanto maior for a corrente que se deseja comandar, maiores são as superfícies de contato e maior a chave. O valor de corrente a ser comandada também influencia na pressão de contato entre as partes móveis do contato: maiores correntes exigem maiores pressões de contato para garantir que a resistência no ponto de contato seja a menor possível.

A separação dos contatos na condição de desligamento deve ser tanto maior quanto maior for a tensão para a qual o contato foi produzido.

A velocidade de ligação ou desligamento deve ser a mais alta possível, para evitar o desgaste provocado pelo calor proveniente do arco voltaico, provocado no desligamento quando a carga for indutiva.

O contato pode ser do tipo com trava (por exemplo, o tipo alavanca usado nos interruptores de iluminação) e também pode ser do tipo de impulso, com uma posição normal mantida por mola e uma posição contrária mantida apenas enquanto durar o impulso de atuação do contato. Nesse caso se chama fechador ou abridor conforme a posição mantida pela mola.

Fechador: Também chamado ligador, é mantido aberto por ação de uma mola e se fecha enquanto acionado. Como a mola o mantém aberto é ainda denominado normalmente aberto (ou NA ou do inglês NO).

Abridor ou ligador: é mantido fechado por ação de uma mola e se abre enquanto acionado. Como a mola o mantém fechado, é chamado também de normalmente fechado (ou NF, ou do inglês NC).

Figura 17 – Simbologia de chaves

O contato pode ter diversos tipos de acionamento, como por exemplo, por botão, por pedal, por alavanca, por chave (chave de tranca), por rolete por gatilho, ou ainda por ação do campo magnético de uma bobina (eletroímã), formando neste último caso um conjunto denominado contator magnético ou chave magnética.

A seguir estão os símbolos de contatos acionados por botão (os dois à esquerda), e por rolete.

Obs. Considere todos os contatos nessa apostila com atuação da esquerda para a direita quando verticais (como os acima), e de cima para baixo quando horizontais.

2.1.1 CHAVE SECCIONADORA

Figura 18 – Exemplo de Chave seccionadora e esquema interno.

É um dispositivo que tem por função a manobra de abertura ou desligamento dos condutores de uma instalação elétrica. A finalidade principal dessa abertura é a manutenção da instalação desligada.

A chave seccionadora deve suportar, com margem de segurança, a tensão e corrente nominais da instalação, isso é normal em todos os contatos elétricos, mas nesse caso se exigem melhor margem de segurança.

A seccionadora tem, por norma, seu estado -ligada ou desligada- visível externamente com clareza e segurança.

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