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apostila proteção e comando
Tipologia: Notas de estudo
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Autora : Tirson Soares Co-autor ADEMIR J. DOS SANTOS Joinville: Cedup, 2012.
Direitos autorais cedidos à Coopersalles, sendo que a elaboração da apostila é de inteira responsabilidade dos autores e co-autores.
1 MOTORES ELÉTRICOS.. 1.1. Tipos e características de motores................................................................................................................................................................................................................. 1.2. Ligação de motores................................................................................................................... 1.2.1. Motores monofásicos.............................................................................................. 1.2.2. Motores trifásicos................................................................................................... 1.2.3. Motores de doze bornes..........................................................................................
3 3 6 6 7 10 2 Dispositivos de proteção e comando............................................................................... 2.1. Fusivel................................................................................................................................ 2.2. Rele Térmico..................................................................................................................... 2.3. Disjuntor-motor................................................................................................................ 2.4. Contator............................................................................................................................ 2.5. Temporizador eletrônico.................................................................................................. 2.6. Botoeiras, chaves manuais, chaves fim-de-curso e sinalizadores.....................................
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11 13 14 16 22 23 3 Simbologia......................................................................................................................................... 3.1. Fusível.............................................................................................................................. 3.2. Relé térmico.................................................................................................................... 3.3. Disjuntor - motor............................................................................................................. 3.4. Contator.......................................................................................................................... 3.5. Temporizador.................................................................................................................. 3.6. Botoeiras, chaves manuais, chaves fim-de-curso e sinalizadores.............
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27 27 28 28 28
29 4 Chaves de partida......................................................................................................................... 4.1. Chave de partida direta................................................................................................ 4.2. Chave de partida direta com reversão de rotação................................................ chave de partida direta com reversão de rotação motor monofásico....... 4.3. Chave de partida estrela-triângulo......................................................................... 4.4. Chave de partida compensadora.......... ...................................................................... 4.5. Chave de partida eletrônica (Soft-starter)............................................................ 4.6. Partida de motor de duas velocidades (Dahlander)............................................. 4.7. Chave de partida estrela-triângulo com reversão........................................... 4.8. Inversor de freqüência............................................................................................
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33 36 41 42 48 51
59 61 63 5 Dimensionamento de chaves de partida......................................................................... 5.1. Nomenclatura utilizada.............................................................................................. 5.2. Tabela de características de motores...................................................................... 5.3. Tabela de disjuntores e relés de sobrecarga......................................................... 5.4. Curva de fusíveis............................................................................................................ 5.5. Dimensionamento da partida direta..................................................................... .... 5.5.1. Corrente no trecho................................................................................. ................ 5.5.2. Dimensionamento do contator................................................................................ 5.5.3. Dimensionamento do relé térmico.......................................................................... 5.5.4. Dimensionamento de fusíveis de força................................................................... 5.5.5. Exemplo de dimensionamento................................................................................ 5.6. Dimensionamento da chave de partida estrela-triângulo................................. 5.6.1. Corrente nos trechos............................................................................................... 5.6.2. Dimensionamento dos contatores...................................................... .................... 5.6.3. Dimensionamento do relé térmico.......................................................................... 5.6.4. Dimensionamento de fusíveis................................................................................. 5.6.5. Exemplo de dimensionamento................................................................................ 5.7. Dimensionamento da chave d e partida compensadora................................ ....... 5.7.1. Corrente nos trechos............................................................................................... 5.7.2. Dimensionamento dos contatores............................................................ ............. 5.7.3. Dimensionamento do relé térmico......................................................................... 5.7.4. Dimensionamento dos fusíveis de força................................................................. 5.7.5. Dimensionamento do autotransformador.............................................................. 5.7.6. Exemplo de dimensionamento............................................................................... 5.8. Defeitos em chaves de partida....................................................................................
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81 82 86 87 88 88 88 89 89 89 90 91 91 91 92 92 94 94 95 95 95 95 96 97 6 Exercícios...........................................................................................................................................6.1. Exercícios de motores elétricos................................................................................. 6.2. Exercícios de dispositivos de proteção e comando................................................. 6.3. Exercícios de simbologia.............................................................................................. 6.4. Exercícios de chaves de partida.................................................................................. 6.5. Exercícios de dimensionamento de chaves de partida...........................................
99 99 100 102 105 112
onde s é o escorregamento em porcentagem. Podemos evidenciar a rotação síncrona nesta expressão:
A expressão do escorregamento é:
Outra característica destes motores é a alta corrente de partida, ocasionada pela inércia do motor e da carga e que pode alcançar de 6 a 9 vezes a corrente nominal. Vale lembrar que a corrente de partida é dado de placa dos motores. Quando o motor parte a vazio, a corrente de partida é a mesma do que se partisse a plena carga, porém o tempo de partida a vazio é bem menor. Os motores também recebem classificações conforme a característica da sua curva de partida. Observe a Figura 1.3.
Figura 1.3: curvas de conjugado de motores
Os motores classe N são os mais comuns, porém possuem um menor conjugado de partida. Os das classes H e D são utilizados quando há a necessidade de fazer a partida com mais carga ou mesmo a plena carga. A Figura 1.4 mostra como a curva de conjugado é avaliada.
Figura 1.4: Características de conjugado de um motor trifásico tipo N
O escorregamento também fica evidente neste gráfico, observando-se a região entre n e n (^) S. Outra característica importante dos motores elétricos é o tempo de rotor bloqueado, que designa o tempo que o motor suporta sem queimar, estando com o rotor bloqueado. Na prática, implica que o tempo de aceleração do motor não deve ser maior do que o tempo de rotor bloqueado. Os motores assíncronos com rotor bobinado ou motor de anéis possui, ao invés de um rotor em gaiola, bobinas que são alimentadas através de escovas de carvão apoiadas sobre anéis coletores. Devido à possibilidade de se fazer a partida com a inclusão de resistências rotóricas, estes motores são largamente utilizados em sistemas com elevada inércia de partida. Além disso, em partidas a vazio, a corrente não apresenta picos tão elevados. Porém o custo de manutenção é bastante alto, devido aos anéis coletores e escovas.
1.2.. Ligação de motores
1.2...1... Motores monofásicos
Os motores monofásicos normalmente possuem dois enrolamentos principais e um circuito auxiliar de partida, composto por chave centrífuga, enrolamento auxiliar e capacitor. A Figura 1. mostra a representação dos bornes dos motores monofásicos.
Figura 1.5: Bobinas de motor monofásico
Para fazer a ligação em 110 V, os enrolamentos principais são ligados em paralelo, juntamente com o circuito auxiliar. Observe a Figura 1.6.
Figura 1.6: Ligação em paralelo de motor monofásico (110 V)
Em 220 V, os enrolamentos principais são ligados em série e o circuito auxiliar é ligado em paralelo com um dos enrolamentos. A Figura 1.7 traz esta ligação.
Figura 1.7: Ligação em série de um motor monofásico (220 V)
Para fazer a inversão de um motor monofásico, basta inverter os pólos do circuito auxiliar de partida, ou seja, trocar os bornes 5 e 8.
1.2...2... Motores trifásicos
Os motores trifásicos não necessitam de circuito auxiliar de partida e normalmente possuem um enrolamento por fase. A Figura 1.8 mostra a configuração dos bornes de um motor trifásico.
Figura 1.8: Enrolamentos de um motor trifásico
Existem duas formas básicas de ligação de um motor trifásico: estrela e triângulo. A Figura 1.9 traz a ligação estrela e a Figura 1.10 a ligação triângulo.
Figura 1.9: Ligação Estrela
Figura 1.10: Ligação Triângulo
Na a ligação triângulo, a tensão sobre os enrolamentos é a mesma da tensão de rede, enquanto que a corrente se divide. Para a ligação estrela, a tensão de rede é dividida entre os enrolamentos enquanto que a tensão se divide. .Observe a Figura 1.11.
Figura 1.11: Relação de tensão e corrente nas ligações estrela e triângulo
As relações entre as tensões e correntes de linha e sobre enrolamentos são:
Assim, para ambos tipos de ligações, a potência será dada por:
,
1.3.. Motores de doze bornes
Estes motores possuem dois enrolamentos por fase e podem ser ligados em quatro tensões diferentes. Observe a Figura 1.12.
Figura 1.12: Ligação do motor de 12 bornes
A ligação estrela série é usada apenas para fazer a partida série-paralelo, já que 760 V não é uma tensão padrão de rede. Normalmente, a ligação Δ série também tem esta finalidade.
A instalação de máquinas diversas requer uma grande gama de dispositivos que possibilitem o perfeito funcionamento, de preferência o mais automatizado possível, com proteção em caso de falhas. Os quadros de comando proporcionam essa confiabilidade, além de garantir uma maior segurança ao operador da máquina, já que o mesmo não estará em contato direto com a alimentação de força da máquina. O acionamento é remoto, através de chaves que se encontram fora do painel de comando, não havendo necessidade de se abrir o painel para ligar ou desligar uma máquina. Além disso, o equipamento fica protegido contra eventuais problemas causados por fatores diversos, como sobrecarga, curto-circuito ou erro de operação. Os painéis de comando baseiam-se na abertura e fechamento de chaves elétricas chamadas de contatos. Estes contatos são comandados de diversas formas, manualmente, mecanicamente, magneticamente etc. São formados por um contato móvel que faz a ligação entre dois contatos fixos, que formam os bornes do contato. Há três tipos de contatos: normalmente fechado (NF ou NC), normalmente aberto (NA ou NO) e reversor. Possuem duas posições, de repouso ou acionados. A Tabela 2.1 faz um resumo dos contatos e seus estados nas posições normal e atuado.
Posição Contato NA Contato NF Contato reversor Normal ou repouso Atuado Tabela 2.1: Tipos de contatos
1.4.. Fusível
O fusível é um dispositivo de proteção contra as correntes de curto-circuito. Sua atuação é baseada no elemento fusível, que é um condutor geralmente de cobre, prata ou estanho, de pequena
seção que se funde ao ser atravessado por uma corrente de valor maior que a estipulada pela sua curva de atuação. Os fusíveis de uso industrial, para correntes maiores, são feitos de um corpo cerâmico ladeado por placas metálicas, os contatos, que estão ligadas pelo elemento fusível. No interior do corpo cerâmico há areia de quartzo envolvendo o elemento fusível, cuja função é de extinguir o arco elétrico criado pela queima do fusível. Também possuem uma chapa ou pino colorido, que indica quando o fusível atua. Os fusíveis podem ser classificados:
Os elementos que compõem o sistema de Fusível "D" são: Base (com fixação rápida ou por parafusos), Anel de Proteção (ou alternativamente Capa de Proteção), Parafuso de Ajuste, Fusível e Tampa. No sistema "D" a troca de um fusível por outro de maior valor só é possível com a substituição do parafuso de ajuste (exceção: para 2, 4 e 6A, quando o parafuso tem a mesma bitola, embora diferenciado nas cores). Os fusíveis NH são idênticos aos Diazed em funcionamento, porém seu formato é diferente, pois são montados em bases com contatos tipo faca e devem ser removidos com o uso de sacadores especiais. A Figura 2.2 mostra um fusível NH em corte.
Figura 2.2: Fusível NH
Os fusíveis NH são fabricados de 4 até 630 A. Por questões econômicas, sempre que possível, é preferível que se use fusíveis Diazed.
Relé térmico
Também chamado de relé de sobrecarga ou bimetálico, seu funcionamento baseia-se no princípio da dilatação térmica dos metais. A cada fase é ligado um componente chamado bimetálico, que consiste em duas lâminas de metais diferentes soldadas entre si. Quando a corrente percorre o relé térmico, as lâminas, por efeito Joule aquecem e se dilatam. Como os metais são diferentes, a dilatação também é diferente, fazendo com que as lâminas se enverguem. Como a temperatura é função direta
Os disjuntores-motor possuem as mesmas características básicas de um disjuntor termomagnético convencional, juntamente com a característica de retardo dos fusíveis retardados e o ajuste da corrente de desarme por sobrecarga. Normalmente, os disjuntores-motor possuem acionamento por alavanca rotativa e indicação de disparo (TRIP). A Figura 2.5 mostra um disjuntor MPW25 da WEG.
Os disjuntores são dispositivos de seccionamento e proteção contra sobrecarga e curto- circuito. O dispositivo de proteção contra sobrecarga consiste em bimetálicos, cujo funcionamento já foi descrito na seção sobre os relés térmicos. O dispositivo contra curto-circuito consiste em uma bobina que, quando atravessada por uma corrente de grande intensidade, gera um campo magnético que atrai uma peça magnética que desarma o disjuntor. A Figura 2.4 mostra um esquema interno de um disjuntor monofásico.
Contator Por definição, o contator é uma chave de operação eletromagnética, com uma única posição de repouso e é capaz de estabelecer, conduzir e interromper correntes em condições normais no circuito, inclusive sobrecargas no funcionamento. É o principal dispositivo de comando e o mais utilizado. Os principais elementos construtivos são contatos, núcleo, bobina, molas e carcaça. A Figura 2.6 mostra um esquema interno do contator.
Figura 2.6: Esquema de um contator
Os contatos móveis estão apoiados sobre molas fixadas em uma estrutura chamada cabeçote. Esta por sua vez é ligada rigidamente ao núcleo móvel, que se mantém separado do núcleo fixo pela ação de molas de curso. Assim, na posição de repouso os contatos mantêm-se em sua posição normal. Quando a bobina é atravessada por corrente elétrica, pela aplicação da tensão correspondente em seus terminais, um campo magnético é gerado, forçando o núcleo móvel a se juntar ao fixo, vencendo a força das molas, a fim de diminuir o entreferro (espaço vazio entre os núcleos). Assim, os contatos movem-se, passando para o estado atuado (veja a Tabela 1). Se a bobina for desenergizada, o campo magnético é extinto, fazendo com que o núcleo móvel, pela ação das molas, afaste-se do núcleo fixo e os contatos voltem a sua posição normal. Os contatos são divididos em contatos principais ou de força e contatos auxiliares ou de comando. Os contatos principais têm a função de interromper ou estabelecer a corrente de carga, assim suas dimensões acompanham a magnitude da corrente que são capazes de conduzir. Os contatos auxiliares têm a função de implementar a lógica de comando, interrompendo ou estabelecendo a corrente que vai alimentar os dispositivos que fazem a seqüência lógica de operação da carga, muitas vezes, alimentando a própria bobina do contator. Normalmente os contatores possuem apenas um ou nenhum contato auxiliar, mas outros contatos podem ser adicionados através de encaixes específicos na superfície superior ou lateral do contator. São os chamados blocos de contatos, que podem ser contatos individuais abertos ou fechados ou contatos conjugados, um aberto e um fechado.
Há outros acessórios para contatores, como: bloco pneumático temporizado, que faz um comando temporizado regulável; dispositivo de intertravamento, que impede mecanicamente que dois contatores sejam ligados ao mesmo tempo; bloco de retenção mecânica, que impede o contator de se desligar em caso de queda brusca de tensão e outros. Os contatores possuem características específicas para cada aplicação. Assim, um contator que faz a partida de um motor de um torno pode não ser o mesmo que aciona o motor de uma esteira, mesmo que os motores tenham características idênticas. Isto se deve ao fato dos contatores sofrerem um desgaste dos seus contatos a cada acionamento. Logo, o tipo de carga e a freqüência de manobras influi diretamente sobre o desgaste dos contatos. Este desgaste se dá pela ação dos arcos elétricos criados com o fechamento e principalmente abertura dos contatos, provocando eletro-erosão do material da superfície dos contatos. Como a eletro- erosão ocorre de maneira aleatória, a superfície dos contatos torna-se irregular, provocando aumento da resistência elétrica nos contatos e aquecimento. Pode acontecer mesmo dos contatos atingirem temperaturas tão altas que acabm se fundindo e soldando-se, impedindo a abertura do contator. A Figura 2.7 mostra o efeito da eletro-erosão sobre os contatos elétricos.
Uma nova geração de Minicontatores WEG chega ao mercado com dimensional extremamente reduzido e elevada capacidade de manobra: até 16A em regime AC-3. Otimizado através do software de análise eletromagnética e mecânica, baseado em calculo utilizando elementos finitos, o produto oferece melhor performance, aumento da vida elétrica e diminuição do consumo da bobina com significante redução na dissipação de calor no componente.
Os contatores WEG CWM25C, CWM32C, CWM50C e CWM65C foram desenvolvidos especialmente para manobra de capacitores para correção de fator de potência (categoria de emprego AC-6b). Sua utilização possibilita o desempenho necessário para este tipo de aplicação. Baixo custo, Alta confiabilidade, Dimensões reduzidas, Fixação do tipo rápida através de parafusos ou trilhos de 35 mm (DIN), Incorporam resistores de pré-carga, Especificação técnica conforme ICE 947-4 e VDE 0660. Na ligação dos contatores especiais CWM25C, CWM32C, CWM50C e CWM65C o capacitor WEG é pré-carregado através de resistores que reduzem o pico de corrente. Após a pré-carga, os contatos principais se fecham, permitindo a passagem da corrente nominal. Para potências reativas maiores que 12,5 kvar (220V) e 25 kvar (380V/440), recomenda-se subdividir o banco de capacitores em módulos menores e chaveá-los com os contatores CWM25C, CWM32C, CWM50C e CWM65C
Relés Protetores RPW Os Relés RPW WEG são dispositivos eletrônicos que protegem os sistemas trifásicos contra falta de fase ou falta de neutro (selecionável) (RPW FF), inversão da seqüência de fase (RPW SF) ou ambas as funções integradas em um mesmo produto (RPW FSF). Sempre que houver uma anomalia no sistema o relé comutará sua saída para interromper a operação do motor ou processo a ser protegido. Projetado de acordo com normas internacionais, o RPW constitui uma solução compacta e segura, em caixas com 22,5mm de largura para montagem em trilho DIN 35mm. Os Relés temporizadores WEG RTW são dispositivos eletrônicos que permitem, em função de tempos ajustados, comutar um sinal de saída de acordo com a sua função. Muito utilizados em automação de máquinas e processos industriais como partidas de motores, quadros de comando, fornos industriais, injetoras, entre outros. Possui eletrônica digital que proporciona elevada precisão, repetibilidade e imunidade a ruídos. Projetado de acordo com normas internacionais, o RTW constitui uma solução compacta e segura, em caixas com 22,5mm de largura para montagem em trilho DIN 35mm, nas configurações com 1 ou 2 saídas NANF
Temporizador eletrônico
Comandos temporizados são realizados através de dispositivos chamados relés de tempo ou simplesmente temporizadores. O tipo mais utilizado é o relé de tempo eletrônico, baseado em um circuito RC. Outros tipos são os temporizadores pneumáticos e motorizados. Com relação ao acionamento de contatos, os relés podem ser com retardo na energização, com retardo na desenergização ou estrela-triângulo. Este último é específico para partida estrela- triângulo de motores e será estudado mais para frente. Há ainda temporizadores comuns, que mantém seus contatos acionados durante o tempo selecionado, após serem alimentados. Observe o diagrama da Figura 2.8.
Figura 2.8: Diagrama de tempo de um relé comum
Os temporizadores com retardo na energização são os mais comuns e seus contatos são acionados depois de decorrido o tempo selecionado, contado a partir do momento em que o relé é energizado. Observe a Figura 2.9.
Figura 2.9: Diagrama de tempo de um relé com retardo na energização
Os temporizadores com retardo na desenergização têm seus contatos acionados após ser retirada a energia e mantêm-se durante o tempo selecionado. Observe a Figura 2.10.
Figura 2.10: Diagrama de tempo de um relé com retardo na desenergização
Normalmente, os contatos dos temporizadores são do tipo reversor. Alguns possuem dois contatos reversores.
Botoeiras, chaves manuais, chaves fim-de-curso e sinalizadores
Para ligar ou desligar motores, selecionar modos de funcionamento ou realizar qualquer operação manualmente, é necessário que existam dispositivos comandados pelo operador. As botoeiras são dispositivos de comando manual que possuem uma única posição de repouso, ou seja, depois de terem sido acionados voltam à sua posição normal pela força de molas. Ficam afixadas nas portas dos painéis, de forma que o operador tenha acesso rápido. Possuem encaixe universal, normalmente três, para blocos de contatos NA ou NF. Alguns modelos possuem superfície translúcida para o encaixe de soquetes de lâmpadas, integrando a função de sinalizador. Outros tipos possuem uma trava para que permaneçam acionados, sendo necessário girar o botão para que se solte e volte à posição normal. É o caso de botões de emergência do tipo cogumelo. A Figura 2.11 mostra alguns tipos de botoeiras.
Figura 2.11: Botoeiras pulsantes
As Tabelas 2.3 e 2.4 indicam, respectivamente, o significado usual, definido segundo a IEC 73 3 VDE 0199, das cores de botões e sinalizadores.
Cores Significado Aplicações típicas Vermelho (^) • Parar, desligar
Cores Significado Aplicações típicas Vermelho (^) • Condições anormais, perigo ou alarme
Branco (^) • Circuitos sob tensão, funcionamento normal
Azul (^) • Informações especiais, exceto as acima
As chaves fim-de-curso são dispositivos de acionamento mecânico que indicam posicionamento ou posição de curso de peças de máquinas. Possuem um acionador ou rolete que, ao ser empurrado aciona mecanicamente seus contatos. Normalmente possuem dois contatos, um NA e um NF, ou então um contato reversor. A Figura 2.14 mostra alguns tipos de chaves fim-de-curso.
Figura 2.14: Chaves fim-de-curso
Os circuitos elétricos de comandos são representados através de diagramas esquemáticos, em que a posição dos elementos de circuito evidencia seu funcionamento e não sua posição no painel. Logo, deve-se ter um cuidado extra na interpretação dos diagramas, pois elementos que estão lado a lado no diagrama podem estar bem distantes dentro do painel. Para diferenciar os diversos tipos de elementos, cada dispositivo recebe uma designação própria, segundo norma, e os elementos do mesmo dispositivo recebem nomenclatura de bornes diferenciada. Para facilitar, ainda, divide-se o diagrama em diagrama de força, que mostra a ligação de alimentação das diversas máquinas, e diagrama de comando, que mostra os elementos de comando e sinalização. Os contatos, por serem elementos muito freqüentes em diagramas elétricos, recebem nomenclaturas especiais. Os contatos de força de dispositivos trifásicos recebem os números de 1 a 6, sendo que os números ímpares representam a entrada dos contatos e os pares as saídas. As entradas ainda recebem a letra L e as saídas a letra T. E as fases recebem os números 1, 2 e 3. Observe e Figura 3.1.
Figura 3.1: Simbologia geral de bornes de força
Os contatos de comando recebem dois números: o primeiro dígito sempre é o número de seqüência e o segundo é o número de função. O número de seqüência diferencia os contatos de um mesmo dispositivo, em ordem crescente e os bornes de entrada e saída dos contatos devem receber o mesmo número de seqüência. O número de função é sempre o mesmo para o mesmo tipo de contato, sendo que há um número para borne de entrada (sempre ímpar) e um para o borne de saída (sempre par). Os contatos de ação imediata, como de relés, chaves fim-de-curso e contatores recebem os números 1-2 para contatos fechados, 3-4 para contatos abertos e 1-2-4 para contatos reversores. Observe a Figura 3.2.
Figura 3.2: Simbologia geral de contatos de ação imediata Os contatos com retardo por efeito térmico, pneumático ou acionamento eletrônico recebem os números 5-6 para contatos fechados, 7-8 para contatos fechados e 5-6-8 para contatos reversores. Observe a Figura 3.3.
Figura 3.3: Simbologia geral de contatos com retardo
1.5.. Fusível
Os fusíveis são designados pela letra F e seus bornes não recebem nomenclatura. Os símbolos de fusíveis de força e comando são mostrados na Figura 3.4.
Figura 3.4: Simbologia de fusíveis (a) usual e (b) com indicação do lado energizado
1.6.. Relé térmico
Os relés térmicos são designados como Ft (normalmente dispositivos de proteção são designados pela letra F) e os bornes de força e comando seguem o padrão já apresentado. Mas os contatos levam o número 9 como número de seqüência. Observe a Figura 3.5.
Figura 3.5: Simbologia de relés térmicos
A Tabela 3.1 apresenta os símbolos gráficos conforme Norma NBR/IEC/DIN.