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Instalações Elétrica - Industrial - Dispositivos de Comandos Eletromagnéticos, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

Material Técnico de Instalações Elétricas

Tipologia: Notas de estudo

2011

Compartilhado em 08/08/2011

leonardo-ulguim-10
leonardo-ulguim-10 🇧🇷

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Baixe Instalações Elétrica - Industrial - Dispositivos de Comandos Eletromagnéticos e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! 4 Dispositivos de Comando Eletromagnético Este texto tem por finalidade a familiarização com dispositivos e chaves de comando a distância, com possibilidade de efetuar acionamentos seqüenciais pré-determinados ou deslocados em relação ao tempo. 4.1 Generalidades Todo acionamento elétrico além de contar com proteção adequada deve ter ainda dispositivos que permitam a sua ligação e desligamento, sem risco para o operador. Os dispositivos de comando, de acionamento e controle são constituídos por chaves, algumas aptas a interromper ou ligar circuitos com carga (disjuntores), outras perfazendo essas funções somente sem carga (seccionadoras). São fatores determinantes na escolha de disjuntores e seccionadoras suas tensões e correntes nominais, sendo que naqueles é imprescindível à consideração de sua capacidade disruptiva, isto é, o valor máximo da intensidade de corrente que a chave consegue interromper. Em muitas aplicações deve-se executar o comando automaticamente ou à distância. Essas duas funções são executadas pelos "contatores", objeto do presente. Um aspecto de relevante importância no âmbito dos sistemas elétricos, onde estão inseridos os dispositivos de comando, é que coexistem usualmente 3 tipos de circuitos, cada qual com sua função, a saber: - circuito de potência, principal ou de força; - circuito de comando ou controle e proteção; - circuito de sinalização ou supervisão. O circuito de potência é geralmente trifásico e alimenta a carga principal, apresenta usualmente correntes relativamente altas e, portanto condutores com grandes bitolas. Circuito Principal ou Circuito de Força é também o responsável pelo fornecimento da corrente necessária à operação dos equipamentos de comando, proteção, sinalização e supervisão. No caso das montagens no laboratório, os equipamentos serão os motores ou lâmpadas incandescentes para a sinalização. Os motores usados nas montagens do Laboratório de Instalações Elétricas são de potência baixa, pois o objetivo de sua utilização é meramente didático. O circuito de comando e proteção é independente do circuito de potência, não obstante utilize frequentemente a mesma fonte de tensão.O circuito de comando e proteção tem como carga os elementos (usualmente bobinas) que acionam mecanismos que permitem que chaves (contatos), associadas aos dispositivos de comando, mudem de estado (abrir/fechar). Essas chaves podem estar inseridas em circuitos de potência, de sinalização e no próprio circuito de comando e proteção. Os circuitos de comando e proteção incluem chaves (em série) que interrompem esse circuito (cortando a alimentação das bobinas) quando dispositivos de proteção assim determinarem. Os circuitos de sinalização e supervisão fornecem indicações e informações (usualmente luminosas ou sonoras) sobre o estado do circuito principal, como por exemplo, se está operando ou não, se há sobrecarga etc. PAGE 53 PAGE 4. 2 Elementos de comando auxiliar ou manual 4.2.1 Botoeira As chaves auxiliares tipo botoeiras, são chaves de comando que têm por finalidade interromper ou estabelecer momentaneamente por pulso, um circuito de comando para iniciar, interromper ou continuar um processo de automação. Podem ser montadas em caixas externas ou em painéis. As botoeiras podem ter diversos botões agrupados em painel ou caixa e cada botão pode acionar também diversos contatos (de abertura ou de fechamento). Em geral, externamente são construídos com proteção contra ligação acidental através de uma guarnição que impeça uma possível ativação ou desativação não desejada e possuem longo curso para a ligação. As botoeiras luminosas são dotadas de lâmpadas internas que são alimentadas e se iluminam quando os botões são acionados, elas não devem ser usadas na função desligar e nem na de “desligar em emergência”. As botoeiras são marcadas e coloridas conforme a codificação estabelecida por normas para indicar a sua função. Devem ser instaladas bem à mão na altura prevista e disposta fisicamente na posição e espaçamento correto no caso da instalação de várias botoeiras. O parâmetro para escolha de equipamento de manobra para baixa tensão com seus acionamentos, independente do tipo (manual, por volante, manivela, alavanca ou botão de comando) é possibilitar que sejam acionados pelo operador sem maiores reflexões e que o efeito desejado seja conseguido rapidamente. Quando são usados botões de comando para o acionamento à distância, em equipamentos de manobra de baixa tensão, é importante que estes botões sejam identificados por cores nas funções de "liga" e "desliga" e eventuais símbolos complementares, que facilitem e acelerem o comando que se quer realizar. O botão de "desliga" deve, então, estar sob o botão "liga" na posição vertical. Essa disposição também é utilizada e recomendada em diversos outros paises. Existem diferenças, entretanto para a posição horizontal dos botões. As normas recomendam a disposição do botão "desliga" à esquerda do botão "liga". Abaixo podemos ver exemplos práticos de botoeiras: 4.2.2 Botões permanentes São botões cujo acionamento inverte o estado do contato elétrico de forma contínua, de maneira que uma nova inversão requer uma segunda intervenção do usuário e ou operador. Um exemplo prático são as chaves liga/desliga ou interruptores permanentes. Os interruptores PAGE 53 PAGE 4.2.7 Elementos de Entrada Remota de Sinal (Sensores Sem Contato Mecânico) O termo sensor é utilizado para designar sistemas conversores de uma energia não elétrica em energia elétrica. O sensor deverá interagir com o processo a medir sem alterar as condições a determinar e emitir para o exterior um sinal elétrico de saída proporcional (analógico) ou não (digital) ao valor medido. Os sensores sem contato mecânico, geralmente, são subdivididos segundo a tecnologia de detecção empregada: indutivo, capacitivo, ótico, ultrassônico, magnético, etc. Nesse item será fornecida uma noção sobre aqueles sensores mais empregados nos sistemas elétricos: indutivo, ótico e capacitivo. 4.2.3.1 Sensor Ótico Os sensores óticos encontram uma ampla gama de aplicação nos sistemas automatizados. Permitem a detecção de objetos de qualquer material, dimensão ou forma. Seu funcionamento se dá através da emissão de um feixe de luz, dentro da faixa dos infravermelhos, que será recebida ou não pelo receptor. O sinal de saída será dependente do resultado da detecção: algumas vezes digitais "0" ou "1", ou conforme a intensidade do feixe recebido fornece uma tensão de saída (em geral entre 0 e 10V). Nestes sensores, a luz ambiente não deve influenciar no resultado da detecção, para isso, é normal a emissão de feixes de infravermelho modulados com receptores sintonizados para uma determinada freqüência com filtros de polarização. Com o desenvolvimento da fibra ótica e das células fotoelétricas, ampliou a aplicação destes sensores que permitem o seu uso em áreas limitadas ou de difícil acesso ou ainda quando os motivos de segurança justificam sua aplicação com relação aos demais. Outra razão é a possibilidade de detectar com fidelidade objetos de dimensões reduzidas, em torno de até 0,1 mm. Quando existem problemas com a superfície ou o tipo de material do alvo (como, por exemplo, garrafas ou materiais polidos), faz-se o emprego de fotocélulas de reflexão com filtros polarizados. Deve ser dada a atenção para as condições ambientais entre este tipo sensor e o alvo, uma vez que ambientes muito sujos reduzem a distância de detecção. 4.2.3.2 Sensor Indutivo Detectam materiais metálicos (ou com características metálicas) a uma distância de até 60 mm (dependendo do detector), sendo insensíveis a ambientes agressivos (umidade, pó, sujeiras, etc.). PAGE 53 PAGE O princípio de funcionamento é através de um oscilador, formado por bobinas que constituem a face sensível de detecção, onde é criado um campo eletromagnético alternado de alta freqüência. Logo que um objeto com propriedades ferromagnéticas é colocado em frente à face do sensor, as correntes induzidas no objeto pelo campo magnético provocam uma carga adicional que altera a amplitude das oscilações. Como resultado ocorre uma variação na tensão de saída do oscilador. Os mais simples possibilitam a definição de um estado lógico "0" ou "1", conforme o resultado da detecção. Características do sinal elétrico de saída de um sensor indutivo: - sinal de saída (0/1), apenas para modelos digitais; - saídas de contato NA ou NF. Nesse caso existe limite de distância do detector ao alvo entre 0,6 a 60 mm, geralmente. Isso variará do tipo de sensor e características ferromagnéticas do alvo. - tensão de saída analógica linear (0 a 10V) e proporcional à distância de detecção (apenas para sensores indutivos analógicos). Algumas aplicações: 1) Detectores de movimento e de posição: - medição de velocidade de rotação; - reconhecimento de presença de objetos metálicos; - detecção de velocidade nula. 2) Controle de movimento: - fins de curso de cilindros (pneumáticos ou hidráulicos); - referenciação de eixos de um robô; - detecção de abertura ou fechamento de portas. 3) Controle da produção: - operação automática, exemplo chegada de material em máquinas automáticas; - sistemas de alimentação; - confirmação de presença de conteúdo metálico em embalagens. 4) Controle de sistemas mecânicos: - falhas de ferramentas; - substituição de sensores de contato. 5) Contagem e seleção de objetos: - alimentação de máquinas ferramentas; - controle e seleção de objetos. 4.2.3.3 Sensor Capacitivo Empregados para detecção de objetos metálicos ou não metálicos, para pequenas distâncias. São largamente empregados para detecção de fluidos e de objetos isolantes. Pode detectar até uma distância de 50 mm, entre o sensor e o alvo. O princípio de seu funcionamento e forma construtiva é semelhante ao sensor indutivo, diferindo-se pela colocação de um condensador na face de detecção. Assim que um material metálico ou não metálico for colocado diante do sensor, a capacidade de acoplamento é alterada o que provoca oscilações no campo magnético. Esta situação é PAGE 53 PAGE detectada por um comparador que irá gerar um sinal de saída proporcional ao sinal de detecção. Existe, geralmente, junto destes sensores um potenciômetro para ajuste da distância de detecção do objeto. Aplicações típicas: - controle de nível em silos; - controle da altura de líquidos em sistemas de enchimento automático; - controle de vazão. 4.2.8 Relés Os relés elétricos consistem de várias combinações de contatos que são atuados por solenóides. Os relês recebem sinais de botões, temporizadores, chaves fim de curso, pressostato ou outros relé. Desde que o sinal recebido pelo relé seja momentâneo, o relé pela sua ação deve abrir ou fechar contatos. Apenas ao manter a corrente sobre o solenóide do relé ou ter um travamento mecânico que os contatos mantêm-se na posição atuado. O método de travamento mecânico permite ao solenóide ser desenergizado; necessário nos casos onde o relé deve permanecer atuado por muito tempo e elimina o constante zumbido da bobina do solenóide. Um segundo solenóide deve ser provido para destravar o relé do tipo trava mecânica. Existem duas classes de relés elétricos: (1) relés de sinal e (2) relés de potência ou contator. O relé tipo sinal, usado geralmente para processamento de sinal para comando indireto, em geral operam com baixa corrente e os relés de potência para correntes elevadas. Os contatores são empregados em geral para comando do motor elétrico, em casos especiais nos sistemas hidráulicos, ou em alguns casos para válvulas direcionais pilotadas. Os contatos em movimento dos relês são geralmente conhecidos como pólos ou simplesmente “contatos”. Esses pólos ou contatos fazem ou desfazem contatos elétricos, dependendo de seu projeto. Os pólos e seus contatos, em geral, são conectados em diferentes cargas do circuito; entretanto, o número de pólos ou contatos requeridos depende do número de circuitos que devem ser chaveados. Os contatos dos relês são normalmente abertos ou fechados quando o solenóide está desenergizado. Os contatos são classificados de acordo com o número de funções que ele deve desempenhar. Se apenas uma única função é desempenhada, para abrir ou fechar uma linha, ele é chamado de contato de porta-única ou contato simples. Um contato duplo é um contato que está ligado à uma linha comum entre um ramo e está em contato com as outras linhas todas às vezes.Também é conhecido como contato reversor ou inversor. Os relês elétricos são geralmente montados sobre painéis de maneira tal que ele possa ser protegido. Eles são disponíveis de forma a serem "plugados" para simplificar sua recolocação; porém, o tipo parafusado ou terminal soldado são os mais comuns. Hermeticamente fechados os relês são disponíveis para aplicações onde é necessário devido a uma atmosfera explosiva, ser à prova de água ou à prova de poeira. PAGE 53 PAGE Usa-se ainda a sinalização intermitente, quando é necessária uma atenção mais urgente. Sob cada sinalizador é necessária uma etiqueta de identificação. Além das etiquetas de identificação os sinalizadores podem conter ainda nas lentes: símbolos, números, letras ou textos para indicar uma situação dos circuitos ou máquinas. Para a sinalização sonora, as buzinas (ou em inglês buzzer) são as mais empregadas para indicar o início de funcionamento de uma máquina, ou ficar a disposição do operador quando for necessário. O som deve estar entre 1.000 a 10.000 Hz e conter harmônicos que o tornarão diferentes do ruído local. As campainhas são usadas para indicar anomalias em máquinas, por exemplo, se um motor com sobrecarga não puder parar de imediato, o alarme chamará a atenção do operador para as providências necessárias ou pode indicar a sua parada anormal. 4.4 Contatores Os contatoresPor serem elementos distintos dos demais elementos de controle e acionamento, principalmente no que se refere aos níveis de corrente de trabalho, dedicamos um item somente para estes dispositivos tão importantes no acionamento de sistemas de potência, em especial os motores 4.4.1 Generalidades São constituídos por um conjunto de contatos fixos e outro de contatos móveis, que são acoplados mecanicamente e comandados por núcleo de ferro que se encontra no interior de uma bobina. Usualmente os contatores possuem um conjunto de contatos normalmente fechados (NF) que quando a bobina é acionada "abrem"; simultaneamente possuem um conjunto de contatos normalmente abertos (NA) que quando a bobina é acionada "fecham". Um contator utilizado, por exemplo, no comando de um motor, possui pelo menos: - 3 contatos principais NA - 1 contato auxiliar NA - 1 contato auxiliar NF. É possível acoplar outros contactos auxiliares no contator, conforme as necessidades. Este tipo de contator possui os 3 contatos NA de "potência" dimensionados para uma carga com corrente relativamente alta. Enquanto os contatos auxiliares são dimensionados para uma corrente auxiliar de comando bem menor. Os contatores aplicados especialmente em circuitos de controle geralmente se apresentam com 10 contatos de baixa capacidade de corrente, combinando 5 NA e 5 NF e, podendo haver outras variações conforme a aplicação. O comando do contator é realizado pela energização da bobina, quando o núcleo de ferro é atraído, ocasionando o deslocamento dos contatos móveis que nessas condições se justapõem ou se afastam dos fixos. Em outras palavras, os contatos são mantidos abertos ou fechados conforme circule (b) ou não (a) corrente pela bobina. PAGE 53 PAGE (a) Contator Desenergizado (b) Contator Energizado Na figura a seguir podemos ver um exemplo de um contator, apresentado na chamada “vista explodida”. Contator – Vista Explodida A corrente que circula pela bobina é a corrente do circuito de comando, sendo, portanto muito menor de que aquela que circula pelo circuito principal. Consegue-se assim ligar ou desligar correntes de intensidades relativamente grandes através da ligação ou interrupção de corrente de pequena intensidade. Nessas condições é fácil concluir pela economia, que advém do emprego do contator sempre que seja exigido comando a distância. Esquema de Contator. A seguir podemos observar diferentes modelos de contatores, de diversos fabricantes, nacionais e importados. Na figura abaixo podemos ver um esquema do panorama da linha de contatores “Sirius” da Siemens: Onde: Obs.: As referências de páginas da lista acima são do catálogo Siemens de contatores e dispositivos auxiliares. 4.5 Aplicações e Funcionamento do Contator 4.5.1 Com Botão “Liga-Desliga” Em muitas aplicações necessita-se comandar o contator por meio de um par de botões liga-desliga, um de ligar, NA (Normalmente Aberto) em posição de repouso, outro de desligar, NF (Normalmente Fechado) na posição de repouso. O circuito da figura abaixo constitui o comando do contator através do par de botões liga-desliga (L/D) respectivamente. PAGE 53 PAGE Ao se fechar o botão L (liga) é aplicada uma tensão de linha (VRT) na bobina do contator, que a energiza mudando o estado de todos os contatos do contator. Assim, os contatos NA se fecham e os NF se abrem, em particular, os contatos principais se fecham, o que ocorre também com o contato auxiliar, que permite que o circuito continue energizado, independente do estado (em repouso ou não) do botão L (liga). Qualquer elemento série que abra o circuito que alimenta a bobina, a desenergizará e os contatos voltarão ao estado anterior. É o caso de D que corresponde ao botão "desliga". O circuito da figura mostra a atuação na rede de carga ao ligar os terminais RST aos terminais U-V-W. Podemos também observar na figura o caminho percorrido pelas correntes do circuito de potência (setas vermelhas indicam ICA, ICB e ICC) e pela corrente de energização e manutenção da bobina do contator (seta azul, IB). Na figura a seguir, podemos ver o mesmo tipo de circuito, porém de uma forma menos “didática” e mais técnica. A apresentação de circuitos de comando e acionamento deve seguir o modelo desta figura. Este tipo de apresentação ou desenho é conhecido como “forma trifilar”, pois apresenta os condutores do circuito de potência de forma separada, ou seja, os três condutores são desenhados como três grandes linhas. Chave magnética com botão “liga-desliga” Na figura abaixo, temos um exemplo de diagrama na forma unifilar. Este tipo de apresentação é utilizada quando se requer um “enxugamento” do desenho, devido a sua complexidade. 4.5.2 Contator Com Elemento de Controle Muitas vezes é necessário condicionar a ação de acionar um processo (por exemplo, ligar um motor), ao fato de um outro processo já estar em andamento. Consideremos por exemplo, o caso de uma esteira de carga que transporta areia, que deve ser elevada para um silo através de um elevador de caçambas. Nesse processo, a correia transportadora só poderá ser ligada depois que o elevador estiver funcionando, pois caso contrário, a correia “enterrará” a caçamba na areia, impedindo o bom funcionamento do sistema. Isto se obtém, a partir de conveniente arranjo de contatos auxiliares, de forma que se iniba a operação do motor que move a correia, quando o motor que aciona as caçambas não estiver operando. A figura a seguir mostra uma forma de se conseguir esse efeito, onde se observa que o circuito de comando do contator que energiza o motor da caçamba, apresenta um contato NA inserido no circuito de comando do motor da esteira. Assim, só será possível energizar a bobina do contator do motor da esteira, se o circuito de comando do motor de caçamba estiver PAGE 53 PAGE
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