Mecânica I

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Dispositivos Elétricos

Introdução Os dispositivos elétricos são componentes do sistema

eletropneumático automatizado que recebem os comandos do circuito elétrico de controle e acionam as máquinas elétricas. Alguns dispositivos elétricos aqui apresentados possuem função de proteção, sinalização ou de regulagem.

Dispositivos de Comando São elementos de comutação destinados a permitir ou não a passagem da corrente elétrica entre um ou mais pontos de um circuito. Os tipos mais comuns são: Chave sem retenção ou impulso É um dispositivo que só permanece acionado mediante aplicação de uma força externa. Cessada a força, o dispositivo volta à situação anterior. Este tipo de chave pode ter, construtivamente, contatos normalmente abertos (NA) ou normalmente fechados (NF).

Chave com retenção ou trava É um dispositivo que uma vez acionado, seu retorno à situação anterior acontece somente através de um novo acionamento. Construtivamente, pode ter contato normalmente aberto (NA) ou normalmente fechado (NF).

Chave de contatos múltiplos com ou sem retenção Existem chaves com ou sem retenção de contatos múltiplos NA ou NF.

Chave seletora É um dispositivo que possui duas ou mais posições podendo selecionar uma entre várias funções em um determinado processo. Este tipo de chave apresenta um ponto de contato comum (C) em relação aos demais contatos. OBS: para a escolha das chaves devemos levar em consideração as especificações de tensão nominal e corrente máxima suportável pelos contatos.

Relé O relé nada mais é do que uma chave impulso acionada pelo cmpo magnético. Este dispositivo é formado basicamente por uma bobina e pelos seus conjuntos de contatos. Aplicando–se uma tensão elétrica nos terminais da bobina do relé, surge na mesma uma corrente gerando um campo magnético. A força magnética, por sua vez, atrai a parte móvel do relé, distendendo a mola. Esta manobra faz com que o

terminal C, que anteriormente estava em contato com o terminal NF, passe a se fixar com o contato NA.Enquanto a bobina permanecer energizada, os contatos se mantêm nesta posição. Ao ser desenergizado, o solenóide cessa a força eletromagnética de atração, resultando no retorno da parte móvel do relé à posição inicial pelo efeito de contração da mola. Deve ser ressaltado que um relé, construtivamente, pode ser formado por vários conjuntos de contatos. Uma das grandes vantagens dos relés é o isolamento galvânico entre os terminais da bobina e os contatos NA e NF, além do isolamento entre os conjuntos de contatos. A figura abaixo mostra outra vantagem dos relés, que é a possibilidade de acionar cargas com tensão diferentes através de um único relé.

Ao acionar a chave S, automaticamente energiza-se as cargas 1 e 2 com as tensões de 127V e 220V respectivamente.

C NF

NA C

Chave impulso: 3 posições Chave trava: 2 posições

K

NA NA NF NF

C C

S

24V

~

~

carga 1

carga 2

127V 220V

NF NA

NA NF

Chave impulso: 2NA+2NF Chave trava: 2NA+1NF

C

NA

NF

terminais da bobina

isolamento

mola

K

NA NA NF NF

C C

A1

A2

13

14

23

24

33

34

41

42

K

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Uma outra propriedade muito explorada dos relés é o efeito memória, ou seja, a retenção de sinais elétricos de comando.

Ao acionar a chave S1, a bobina do relé K é energizada, fechando os dois contatos K, acendendo, com isso, a lâmpada L. Retirando-se a força de acionamento da chave S1, ela abre, mas a lâmpada continua acesa devido a retenção do sinal (efeito memória). A lâmpada permanece acesa até o acionamento da chave S2. Quando isto acontece a bobina do relé K é desenergizada, abrindo, com isso, os contatos K, desligando a lâmpada.A lâmpada permanece apagada até um novo acionamento da chave S1. Contator Assim como o relé, o contator é uma chave de comutação eletromagnética. Ele é empregado, geralmente, para acionar máquinas e equipamentos elétricos de grande potência, enquanto o relé é usado em cargas de pequena potência. O contator, além de possuir os contatos principais, apresenta também contatos auxiliares NA e NF de pequena capacidade de corrente. Estes contatos são utilizados para realizar o próprio comando do contator (auto-retenção), sinalização e acionamento de outros dispositivos elétricos.

Ao acionar a chave S1, a bobina do contator C é energizada, fechando os contatos principais e o contato C de auto-retenção, ligando o forno elétrico trifásico. Para desligar este forno basta acionar a chave S2.

OBS: para a escolha de relés e contatores, devemos levar em consideração as especificalções do número de contatos, tensão nominal da bobina e corrente máxima nos contatos. Dispositivos de Proteção São elementos intercalados no circuito com o objetivo de interomper a passagem de corrente elétrica sob condições anormais, como curto-circuitos ou sobrecargas. Os dispositivos de proteção mais comuns são: Fusível O princípio de funcionamento do fusível baseia-se na fusão do filamento e conseqüente a bertura do filamento quando por este passa uma corrente elétrica superior ao valor de sua especificação.

Os fusíveis geralmente são dimensionados 20% acima da corrente nominal do circuito. Diante disso, nunca devemos substituí-lo por outro de maior corrente. Os fusíveis são classificados em retardados e rápidos. Os fusíveis de ação retardada são usados em circuitos nos quais a corrente de partida é muitas vezes superior à corrente nominal. É o caso dos motores elétricos e cargas capacitivas. Já os fusíveis de ação rápida são utilizados em cargas resistivas e na proteção de componentes semicondutores, como o diodo e o trisistor em conversores estáticos de potência. Corente nominal

K

S1 K K

S2

L

V1

filamento

tubo de vidro

terminal

FUS 3A

1 2 3

4 5 6

13 23 31

14 24 32

41

42

NA NA NF NF

C

contatos principais contatos auxiliares

1 4

2 5

3 6

forno

elétrico trifásico

~ Vr

~

~

Vs

Vt

C

a) Representação

b) Circuito de potência

C S1 S1

C 13 14

+ -

c) Circuito de comando

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Sobrecarga é uma corrente ligeiramente superior à corente nominal e que a longo prazo (horas) pode danificar seriamente o cabo condutor ou o equipamento.

Curto-circuito é uma corrente excessivamente alta proveniente de algumas avarias no sistema elétrico ao qual está conectado (aproximadamente dez vezes a nominal), e que precisa ser imediatamente interrompido, sob pena de danificar todo o circuito elétrico.

Disjuntor Termomagnético O disjuntor termomagnético possui a função de elemento de proteção e, eventualmente, de chave. Interrompe a passagem de corrente elétrica ao ocorrer uma sobrecarga ou curto-circuito.

A proteção contra sobrecarga baseia-se no princípio da dilatação de duas lâminas de metais distintos, portanto, com coeficientes de dilatação diferentes.

Uma pequena sobrecarga faz o sistema de lâminas deformar-se (efeito térmico) sob o calor, desligando o circuito.

A proteção contra curto-circuito é feita através da ação de um dispositivo magnético, que desliga o circuito quase instantaneamente. Os disjuntores são dimensionados da mesma forma que os fusíveis e construtivamente estes dispositivos podem ser monopolares, bipolares ou tripolares.

As vantagens do disjuntor termomagnético são: • É religável, após cessar o problema que ocasionou o seu

desarme;

• Não se funde e não precisa ser substituído após ter sido ativado;

• Protege a instalação com rapidez e segurança; • Pode, eventualmente, ser utilizado como chave.

Relé de Sobrecarga ou Térmico O princípio de funcionamento do relé de sobrecarga baseia-se na dilatação linear de duas lâminas metálicas com coeficientes de dilatação térmica diferentes, acopladas rigidamente (bimetal). Quando ocorre uma sobregarga ou falta de fase, esta se reflete num aumento de corrente provocando um aquecimento maior e, conseqüentemente, um acréscimo na dilatação bimetal. Essa deformação aciona a abertura do contato auxiliar que interrompe a passagem da corrente para a bobina do contator, desacionando, com isso, a carga. Para ligar novamente a carga deve-se acionar manualmente o botão de rearme do relé térmico. O relé térmico possui as seguintes partes principais: • Um contato auxiliar (NA+ NF) de comando da bobina do

contator; • Um botão de regulagem da corrente de desarme; • Um botão de rearme de ação manual; • Três bimetais.

A figura anterior apresenta uma aplicação do relé térmico na proteção de motores elétricos trifásicos.

Disjuntor Monopolar

Disjuntor Bipolar Disjuntor Tripolar

1 4

2 5

3 6

~ Vr

~

~

Vs

Vt

C

a) Circuito de potência

M

FUS

FUS

FUS

Relé térmico

+

C S1 S1

C 13 14

-

b) Circuito de comando

RT

FUS

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Neste sistema, os fusíveis protegem o circuito de potência contra curto-circuito e o relé térmico protege o motor contra sobrecarga e falte de fase. Quando o relé térmico atua, o contato NF abre, desenergizando o solenóide do contator que, por sua vez, desaciona o motor elétrico.

Dispositivos de regulagem São elementos destinados a regular o valor de variáveis de um processo automatizado, tais como: velocidade, tempo, temperatura, pressão, vazão, etc. Os tipos mais comuns são: Reostato É um componente de resistência variável que serve para regular corrente de alta intensidade em circuitos elétricos. Potenciômetro O potenciômetro apresenta a mesma função que o reostato, porém é fisicamente menor e regula correntes de baixa intensidade nos circuitos elétricos e eletrônicos. Apresenta três terminais acessíveis, podendo ser construído com fio, carvão ou líquido. Transformador O transformador é um componente que permite adaptar o valor de uma tensão alternada, aumentando-a ou diminuindo-a, conforme a conveniência. O transformador básico é formado porduas bobinas isoladas eletricamente, enroladas em torno de um núcleo de ferro silício. A transformação de energia elétrica de uma bobina para outra é realizadapor intermédio do fluxo magnético. A bobina que recebe a energia a ser transformada chama-se primário, e a bobina que fornece a energia à carga, chama-se secundário.

onde: φ:fluxo magnético Vp: tensão primária Vs: tensão secundária Ip: corrente primária Is: corrente secundária Np: n° de espiras primária Ns: n° de espiras secundária A tensão elétrica nas bobinas de um transformador é

diretamente proporcional ao número de espiras das bobinas. Esta relação é expressa através da seguinte fórmula:

Ns

Np

Vs

Vpa ==

Onde a é a relação de tensão ou relação de espiras. Se for maior que 1, o transformador é abaixador e se for menor que 1, o transformador é elevador. Np transformador ideal, a potência elétrica no primário é igual à potência elétrica no secundário, isto é:

Pp=Ps ⇒⇒⇒⇒ Vp.Ip=Vs.Is Portanto, as seguintes relações são válidas

a

1

Np

Ns

Vs

Vp

Is

Ip===

Na prática, essas expressõeso não são exatamente iguais devido às perdas no cobre (resistência ôhmica das bobinas) e as perdas no ferro (correntes parasitas no núcleo). Para a escolha do transformador devemos levar em consideração as especificações de tensão primária, tensão secundáriae potência requerida. Relé de tempo com retardo na ligação O relé de tempo com retardo na ligação comuta seus contatos após um deerminado tempo, regulável em escala própria. O início da temporização acontece quando energizamos os terminais de alimentação do relé de tempo.

Ao ligar a chave S, é iniciada a contagem de tempo conforme foi ajustado. Uma vez atingido o tempo final, os contatos comutarão acendendo a lâmpada. Ao desligar a chave S, a lâmpada apaga. Relé de tempo com retardo no desligamento O relé de tempo com retardo no desligamento mantém seus contatos comutados por um determinado tempo, regulável em escala própria, após a desenergização dos terminais de alimentação.

Ao fechar a chave S, o relé é ativado, comutando os contatos e acendendo a lâmpada. Ao desligar a chave S, a lâmpada permanece acesa durante um tempo preestabelecido.

Vp

Ip

Np Vs Ns

Is

~ carga

núcleo

φ

NF NA

C

S L

+

-

K

chave S

lâmpada L acesa apagada

fechada aberta

tempo

NF NA

C

S L

+

-

K

chave S

lâmpada L acesa apagada

fechada aberta

tempo

t1

t2

t1

t2 t1 t2

a) Simbologia b) Cilindro Simples

c) Cilindro Duplo d) Toroidal

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Contador de impulsos elétricos O contador de impulsos elétricos realiza a contagem progressiva, mediante a ação de impulsos elétricos na bobina contadora. Estes impulsos são provenientes de relés, contadores, chaves, sensores elétricos, etc. A programação é realizada pelo usuário através de chaves do tipo impulso localizadas no painel deste dispositivo. O acionamento dos contatos do contador ocorre quando o número de impulsos elétricos na bobina contadora for igual ao valor programado pelo usuário. O reset significa zerar a contagem dos impulsos elétricos, e pode ser acionado manualmente via uma chave sem retenção ou por um impulso elétrico na bobina do reset do contador.

A figura acima apresenta o comportamento de um contador rpogramado para acionar uma lâmpada após três impulsos elétricos da chave S. Depois de um tempo o reset é acionado, zerando o contador e apagando a lâmpada. Dispositivos de sinalização São componentes elétricos utilizados para indicar o estado em que se encontra um processo automatizado. As informações mais comuns fornecidas pelos dispositivos são: ligado, desligado, falha e emergência. Deve-se ainda sinalizar o estado de cada elemento de trabalho e de cada sensor elétrico do processo com a finalidade de facilitar a localização de defeito numa eventual manutenção. Indicador visual Os indicadores visuais fornecem sinai luminosos indicativos de estado, emergência, falha, etc. São os indicadores mais utilizados, devido à simplicidade, eficiência na indicação e baixo custo. Esse sinais são fornecidos por lâmpadas ou LED’s (diodos emissores de luz), principalmente em ambientes onde o silêncio é necessário. A seguinte tabela apresenta as cores de sinalização recomendadas para cada situação de um processo automatizado e afigura que segue mostra a simbologia elétrica de um indicador visual.

Estado Cor

Ligado Vermelho Desligado Verde falha Amarelo

Indicador acústico O indicador acústico fornece sinais audíveis, indicativos de estado, falha, emergência, etc. São as sirenes e as buzinas elétricas. Este tipo de sinalizador é utilizado em ambientes de difícil visualização dos indicadores luminosos ou quando se deseja atingir um grande número de pessoas em diferentes locais.

Nos ambientes onde não existem restrições ou

dificuldades na utilização dos sinalizadores, pode-se usar em conjunto os indicadores luminosos e acústicos.

Para a escolha dos dispositivos de sinalização, deve-se levar em consideração as especificações da tensão nominal de alimentação. Solenóides

Os solenóides são bobinas eletromagnéticas que, quando energizadas, geram um campo magnético capaz de atrair elementos com características ferrosas, comportando-se como um imã permanente. Numa eletroválvula, hidráulica ou pneumática, a bobina do solenóide é enrolada em torno de um magneto fixo, preso à carcaça da válvula, enquanto que o magneto móvel é fixado diretamente na extremidade do carretel da válvula. Quando uma corrente elétrica percorre a bobina, um campo magnético é gerado e atrai os magnetos, o que empurra o carretel da válvula na direção oposta à do solenóide que foi energizado. Dessa forma, é possível mudar a posição do carretel no interior da válvula, por meio de um pulso elétrico.

Em eletroválvulas pneumáticas de pequeno porte, do

tipo assento, o êmbolo da válvula é o próprio magneto móvel do solenóide.

NF NA

C

S L

+

-

K

chave S

lâmpada L acesa apagada

fechada aberta

tempo

reset desacionadoacionado

L

A

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Quando o campo magnético é gerado, em conseqüência da energização da bobina, o êmbolo da válvula é atraído, abrindo ou fechando diretamente as passagens do ar comprimido no interior da carcaça da válvula. Partida de motores Chave de Partida direta manual

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.

Chave de Partida direta automática (com contator e relé bimetálico) Os motores somente podem partir diretamente desde que sejam satisfeitas as seguintes condições: • a corrente nominal da rede é tão elevada que a corrente de

partida do motor não é relevante; • a corrente de partida do motor é de baixo valor porque sua

potência é pequena; • a partida do motor é feita sem ou com mínima carga, o que

reduz a corrente de partida. Nas concessionárias de fornecimento de energia elétrica permite-se partida direta de motores trifásicos até 5 CV em 220V e de 7,5CV em 380V. Partida através de chave estrela-triângulo automática Sempre que possível, a partida de um motor trifásico de gaiola, deverá ser direita, por meio de contatores.

Nos casos em que a corrente de partida do motor é elevada podem ocorrer as seguintes conseqüências prejudiciais: • elevada queda de tensão no sistema da alimentação da rede.

Em função disto provoca a interferência em equipamentos instalados no sistema.

• o sistema de proteção (cabos, contatores) deverá ser superdimensionada ocasionando um custo elevado.

• a imposição das concessionárias de energia elétrica que limitam a queda da tensão da rede.

Caso a partida direta não seja possível devido aos problemas citados acima, pode-se usar sistema de partida indireta para reduzir a corrente de partida.

É fundamental para a partida com a chave estrela - triângulo que o motor tenha a possibilidade de ligação em dupla tensão, ou seja, em 220 / 380V, em 380/660V ou 440/760V. Os motores deverão ter no mínimo 6 bornes de ligação.

A chave estrela - triângulo em geral só pode ser empregada em partidas da máquina em vazio, isto é, sem carga. Somente depois de ter atingido a rotação nominal, a carga poderá ser aplicada.

Esquema de ligação de um motor trifásico. Consiste na alimentação do motor com redução de

tensão nas bobinas durante a partida. Na partida as bobinas do motor recebem 58% (1/ 3) da tensão que deveriam receber. A chave estrela-triângulo é um dispositivo que liga as três fases do motor em estrela durante a partida até uma rotação próxima da nominal (90%), quando comuta a ligação para triângulo. Isto significa que a tensão por fase na ligação estrela será 3 vezes menor que a tensão de alimentação, conseqüentemente, a corrente de linha na partida será 3 vezes menor, assim como o seu conjugado motor.

Vantagens:

• é muito utilizada, devido ao seu custo reduzido; • não tem limites quanto ao seu número de manobras; • os componentes ocupam pouco espaço; • a corrente de partida fica reduzida para

aproximadamente 1/3 da nominal. Desvantagens:

• a chave só pode ser aplicada em motores com no mínimo seis terminais acessíveis;

• a tensão de linha da rede deve coincidir com a tensão da ligação triângulo do motor;

• reduzindo a corrente de partida em 1/3 reduz-se também o momento de partida em 1/3;

• se o motor não atingir 90% da velocidade nominal no momento da troca de ligação, o pico de corrente na comutação será quase como se fosse uma partida direta.

Diagrama Principal

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Diagrama de Comando

São utilizados três contatores: K1 que alimenta as pontas

1, 2 e 3 do motor com as três fases R, S e T, respectivamente; K2 que alimenta com a mesma seqüência as pontas 6, 4 e 5 e; K3 que interliga as pontas 4, 5 e 6. Desta forma a ligação simultânea de K1 e K3 corresponde a configuração estrela, enquanto que a ligação de K1 e K2 equivale a configuração triângulo. Bibliografia Automação Eletropneumática, Nelson G. Bonacorso e Valdir Noll. 5a Ed. São Paulo: Érica, 2001.

Automação Hidráulica: projetos, dimensionamento e análise de circuitos. Arivelto B. Fialho. São Paulo: Érica, 2002. Tecnologia Eletropneumática Industrial. Apostila M1002-2 BR. Parker Hannifin Corporation. Ago. 2001. Eletrotécnica para Escolas Profissionais. Anzenhofer et al, Ed. Mestre Jou. Instalações Elétricas de Baixa Tensão. Workshop. Proteção contra sobrecorrentes e dimensionamento dos condutores. Schneider/Procobre, Edição Jan. 2003.