Comandos eletricos 2005, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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COMANDOS

ELÉTRICOS

CENTRO DE FORMAÇÃO PROFISSIONAL PEDRO MARTINS GUERRA

Itabira

2005

Presidente da FIEMG Robson Braga de Andrade

Gestor do SENAI

Petrônio Machado Zica

Diretor Regional do SENAI e

Superintendente de Conhecimento e Tecnologia

Alexandre Magno Leão dos Santos

Gerente de Educação e Tecnologia

Edmar Fernando de Alcântara

Unidade Operacional

Centro de Formação Profissional Nansen Araújo

Revisão

Equipe Técnica – Centro de Formação Profissional Pedro Martins Guerra Itabira – MG / 2005

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AApprreesseennttaaççããoo

“Muda a forma de trabalhar, agir, sentir, pensar na chamada sociedade do conhecimento”. Peter Drucker

O ingresso na sociedade da informação exige mudanças profundas em todos os perfis profissionais, especialmente naqueles diretamente envolvidos na produção, coleta, disseminação e uso da informação.

O SENAI , maior rede privada de educação profissional do país,sabe disso , e consciente do seu papel formativo , educa o trabalhador sob a égide do conceito da competência : formar o profissional com responsabilidade no processo produtivo, com iniciativa na resolução de problemas, com conhecimentos técnicos aprofundados, flexibilidade e criatividade, empreendedorismo e consciência da necessidade de educação continuada .”

Vivemos numa sociedade da informação. O conhecimento , na sua área tecnológica, amplia-se e se multiplica a cada dia. Uma constante atualização se faz necessária. Para o SENAI , cuidar do seu acervo bibliográfico, da sua infovia, da conexão de suas escolas à rede mundial de informações – internet- é tão importante quanto zelar pela produção de material didático.

Isto porque, nos embates diários,instrutores e alunos , nas diversas oficinas e laboratórios do SENAI , fazem com que as informações, contidas nos materiais didáticos, tomem sentido e se concretizem em múltiplos conhecimentos.

O SENAI deseja , por meio dos diversos materiais didáticos, aguçar a sua curiosidade, responder às suas demandas de informações e construir links entre os diversos conhecimentos, tão importantes para sua formação continuada!

Gerência de Educação e Tecnologia

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11 ..^ CCOORRRREENNTTEE^ AALLTTEERRNNAADDAA^ MMOONNOOFFÁÁSSIICCAA^ EE

TTRRIIFFÁÁSSIICCAA

1.1 CORRENTE ALTERNADA E TENSÃO MONOFÁSICA

A tensão e a corrente produzidas por fontes geradoras podem ser contínuas ou alternadas. A corrente é contínua quando circula no circuito num único sentido. Entretanto, se a corrente sai ora por um, ora por outro borne, na fonte geradora, circula ora num, ora noutro sentido, no circuito, é corrente alternada. A fonte geradora de corrente alternada chama-se alternador.

Se representássemos num gráfico os valores da corrente no eixo vertical e o tempo horizontal, obteríamos uma curva, como a da figura abaixo, para representação da variação da corrente alternada.

Figura 1.1 – Representação da variação da corrente alternada.

Vemos aí que, no instante inicial, a corrente tem valor nulo, crescendo até um valor máximo, caindo novamente a zero; neste instante, a corrente muda de sentido, porém, seus valores são os mesmos da primeira parte. O mesmo acontece com a tensão.

A essa variação completa, em ambos os sentidos, sofrida pela corrente alternada, dá-se o nome de ciclo. O número de ciclos descritos pela corrente alternada, na unidade de tempo, chama-se freqüência. Sua unidade é o ciclo/segundo ou Hertz. É medida em instrumentos chamados freqüencímetros. As freqüências mais comumente usadas são 50 c/s e 60 c/s.

Durante um ciclo, a corrente e a tensão tomam valores diferentes de instante a instante; esses são ditos valores momentâneos ou instantâneos, dentre os quais cumpre destacar o valor máximo (Imax).

Entretanto, na prática, não é o valor máximo o empregado e sim o valor eficaz. Por exemplo, um motor absorve uma corrente de 5 A que é o valor eficaz. Define- se como valor eficaz de uma corrente alternada ao valor de uma corrente contínua que produzisse a mesma quantidade de calor numa mesma resistência (Lei de Joule).

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2 πfC Onde: XC =^ reatância capacitiva, em Ω f = (^) freqüência da corrente alternada, em ciclos/segundo C = capacitância, em microfarads (μ F)

A capacitância é uma grandeza que caracteriza cada capacitor; sua unidade na prática se usa um submúltiplo, o microfarad (μ F), que vale a milionésima parte de farad.

1F 1F 1 μ F _________ = _____ 1.000.000 106

1.3 CORRENTE ALTERNADA: DEFASAGEM ENTRE CORRENTE E

TENSÃO

A corrente alternada e a tensão variam em ambos os sentidos durante um determinado intervalo de tempo, descrevendo um ciclo.

Representando graficamente esta variação, obtemos uma onda para a corrente e outra para a tensão.

Os alternadores, fontes geradoras de CA, são máquinas rotativas; por analogia a elas, o ciclo é dividido em 360º, representando uma circunferência retificadora. Os valores instantâneos da corrente, ou da tensão, durante um ciclo, podem ser representados pelas projeções do raio de um círculo, em suas diversas posições.

Figura 1.2 – Representação dos valores instantâneos de corrente e tensão durante um ciclo.

Desse modo, podemos representar a tensão e a corrente alternada por segmentos de reta proporcionais aos seus valores instantâneos. Esta representação é denominada geométrica. É muito usada pela facilidade que apresenta.

Os valores máximos da corrente e da tensão durante um ciclo podem ou não coincidir. Mas quando coincidem diz-se que ambas estão em fase.

Se não coincidem, estão defasadas. A diferença em graus, entre os instantes em que ocorrem os valores máximos da corrente e da tensão chama-se ângulo de fase ( ϕ ). Quando a corrente e a tensão estão defasadas, pode ocorrer que a

0º

0º

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corrente esteja adiantada ou atrasada em relação à tensão. Ao coseno do ângulo da fase dá-se o nome de fator de potência. A corrente alternada, passando através de um resistor estará em fase com a tensão, isto é, o ângulo da fase é nulo (ϕ = 0º). A este fato dá-se o nome de efeito resistivo ou ohmico puro.

Se passa por um indutor, devido ao fenômeno de auto-indução da bobina, a corrente estará atrasada em relação à tensão de um ângulo de 90º (ϕ = 90º); temos, então, um efeito indutivo. Num capacitor, a corrente se adianta da tensão de 90º. O efeito é capacitivo.

Figura 1.3 – Determinação do ângulo de fase entre formas de onda de tensão e de corrente. a– Tensão e corrente em fase. b – Corrente atrasada em relação à tensão c – Corrente adiantada em relação à tensão

1.4 CIRCUITO SÉRIE DA CA

Num circuito série constituído por um resistor e um indutor, aplicamos uma tensão E de uma fonte geradora da CA, de freqüência f. Sendo I a corrente alternativa que circula pelo circuito, a queda de tensão no resistor será:

ER = I x R, em fase com a corrente;

e a queda de tensão no indutor será:

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Figura 1. E IR = ____ , em fase com E R

Pelo indutor, temos:

Figura 1. E IL = ____ , atrasada de 90° em relação a E. XL

Pela linha circula uma corrente I, defasada de um ângulo ϕ em relação a E, cujo valor é a soma geométrica entre IR e IL:

I = √ I^2 R + I^2 L

Se ligarmos mais uma derivação e nela colocarmos um capacitor, a corrente que passa por ele, é E IC = ___ , que está adiantada de 90º em relação à tensão. XC

Deste modo, teremos:

Figura 1.8 - E = √ I^2 R + (IL - IC)^2

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E

A impedância será: Z = ___

I

IR

Figura 1.9 – O fator de potência será cós ϕ = ___. I

Na prática, costuma-se ligar capacitores em paralelos aos circuitos (que na maioria das vezes são de comportamento indutivo) com o fim de se ter um fator de potência próximo à unidade (ϕ = 0º).

Isto equivale tornar o circuito com comportamento próximo ao resistivo ou ohmico. Tal medida é interessante, uma vez que o componente, defasado de 90º em relação à tensão, diminui, permitindo o melhor aproveitamento das linhas de transmissão.

Figura 1.

1.6 CORRENTE ALTERNADA E TENSÃO TRIFÁSICA

Quando uma linha é formada por três condutores com as tensões entre um e outro iguais, porém defasadas de 120º, temos uma rede trifásica.

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Figura 1.13 - E = EF e I = IF x √√√√ 3

Os elementos de um receptor trifásico são representados, respectivamente, por:

U - X, V - Y e W – Z

sendo U, V e W as extremidades iniciais, ou por 1-4, 2-5 e 3-6, sendo 1, 2 e 3 os inícios, pois cada elemento tem sua polaridade que deve ser conservada na ligação. A distribuição de energia elétrica é feita em geral em sistemas trifásicos, cujas redes podem ser ligadas em estrela ou triângulo.

Na rede em Y, o neutro é ligado à terra, obtendo-se duas tensões uma entre fase e neutro e outra entre fases √ 3 vezes maior.

Exemplo

Ef = 127V entre qualquer fase e neutro e E = 127 √3 = 220 V entre fases.

Quando a rede é em triângulo, podemos retirar um condutor do centro de cada fase, obtendo-se duas tensões, sendo uma o dobro da outra como por exemplo 110 e 220 V.

Em geral, as cargas monofásicas (lâmpadas e pequenos motores) são ligadas à tensão mais baixa e as trifásicas (força, aquecimento industrial etc.) à mais alta.

As cargas monofásicas, num circuito trifásico, devem ser distribuídas igualmente entre as fases, para que uma não fique sobrecarregada em detrimento das outras.

1.9 POTÊNCIA NOS CIRCUITOS DE CA

A potência consumida por um circuito de corrente contínua é dada em watts, pelo produto da tensão pela corrente.

Em corrente alternada, este produto representa a potência aparente do circuito, isto é, a potência que o circuito aparenta ter uma vez que há uma defasagem entre E e I. É medida em volt-amperes (V A) sendo (V A) = E x I.

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VA = potência aparente, em volt-amperes E = tensão em volts I = corrente em amperes.

A potência que produz trabalho nos circuitos de CA, é chamada potência ativa ou vatada, e é dada, em watts, pelo produto W = E x l x cos ϕ onde:

W = potência ativa, em watts E = tensão, em volts I = corrente em amperes

O fator cos ϕ (coseno do ângulo de base) é chamado fator de potência do circuito, pois é ele que determina qual a percentagem de potência aparente que é empregada para produzir trabalho.

O fator de potência é de suma importância nos circuitos de CA. A NB-3 especifica o valor mínimo do fator de potência em 0,92 medido junto ao medidor de energia.

Mede-se o fator de potência em aparelhos chamados de medidores de cos ϕ. O fator de potência pode ser determinado por:

W cos ϕ = ________ E x I

Obtida da expressão W = E x I x cos ϕ.

O fator de potência deve ser o mais alto possível, isto é, próximo à unidade. Deste modo, com a mesma corrente e a mesma tensão, conseguimos uma maior potência ativa, que, como sabemos, é a que produz trabalho no circuito.

Ao produto VAR = E x I x sen ϕ denominamos de potência reativa; é a porção da potência aparente que hora é fornecida pelo gerador à carga, hora é devolvida pela carga ao gerador.

Nos circuitos trifásicos, a potência ativa total é a soma das potências de cada fase.

WF = EF x IF cos ϕ

W = 3EF x IF x cos ϕ

Como temos, no circuito estrela: E EF = ____ e IF = IL √ 3

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22 ..^ IINNTTRROODDUUÇÇÃÃOO^ AA^ CCOOMMPPOONNEENNTTEESS^ DDEE

CCOOMMAANNDDOOSS

2.1 CONTATOR

é um dispositivo de manobra com atração magnética destinado à interrupção de correntes nominais ou de sobrecargas pré-definidas. As diferenças básicas entre o contator e o seccionador sob carga são:

• o contator permite comando automático, além do comando manual local;
• o contator é adequado para uma elevada freqüência de manobras.

Figura 2.1 – Modelos de contatores

2.1.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

Seu princípio de funcionamento baseia-se na força magnética que tem origem na energização de uma bobina (bobina eletromagnética) e na força mecânica proveniente do conjunto de molas de que se compõe (mola interruptora). Quando a bobina é energizada, a força eletromecânica desta sobrepõe-se à força mecânica das molas, obrigando os contatos móveis a se fecharem sobre os contatos fixos. A velocidade de fechamento tem seu valor dado pela resultante da força magnética proveniente da bobina e da força mecânica das molas de separação que atuam em sentido contrário. São assim as molas, as únicas responsáveis pela velocidade de abertura do contator - função que ocorre quando a bobina magnética não estiver sendo alimentada, ou quando o valor da força magnética for inferior à força das molas.

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Figura 2.

Os contatos principais (contato móvel e contato fixo) permitem a conexão da fonte à carga. Portanto são contatos que definem o estado operacional da carga. Estes contatos são projetados para o comando de circuitos sob condições nominais de serviço. Os contatos 5 e 5’ (NA) e 6 e 6’ (NF) são chamados de “contatos auxiliares”, devido às funções que exercem no circuito de comando da bobina do contator. Com a energização da bobina, os contatos principais são fechados, os contatos auxiliares normalmente abertos (NA) também são fechados e os contatos auxiliares normalmente fechados (NF), são abertos.

Geralmente o comando para ligação, ou seja, para energização da bobina é fornecido na forma de um pulso, isto é, não permanente.

Para manter-se a bobina energizada é necessária a utilização de um contato auxiliar normalmente aberto em paralelo com o botão de comando “liga”.

Observe a seqüência de operações:

1 – Contato 2 – Contato fixo 2a – Terminal de ligação 3 – Mola interruptora

4a – Núcleo do magneto (móvel)

5 – Bobina eletromagnética

6 – Núcleo do magneto (fixo)

5 5’ 6 6’

A

B

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sua função específica no circuito recebe a denominação de contato selo ou contato de retenção. O desligamento do contator é conseguido com o auxílio de um segundo botão do tipo NF, ou seja, normalmente fechado. Outros contatos auxiliares (4-4’, 6-6’ e 7-7’) poderão ser usados para outras funções no circuito de comando da bobina, como por exemplo sinalização, intertravamento, etc.

A configuração dos contatos, o material empregado, a existência ou não de câmara de extinção e a velocidade de abertura, são grandezas e fatores dimensionados e escolhidos de acordo com o tipo de carga a ser comandada. A alimentação da bobina é efetuada por meio de contatos por acionamento mecânico, (botão de comando, fim de curso, etc), cujos elementos de comando estão ligados em série com a bobina.

2.1.2 CLASSIFICAÇÃO

Existem os Contatores para Motores e os Contatores Auxiliares. Eles são idênticos, porém algumas características mecânicas e elétricas os diferem.

Contatores Para Motores

− Dois tipos de contatos com capacidade de carga diferente (principais/auxiliares); − maior robustez de construção; − (^) podem receber relés de proteção; − geralmente têm câmara de extinção; − a potência da bobina do eletroímã varia de acordo com o tipo de contator; − tamanho físico de acordo com a potência a ser comandada; − pode ter a bobina do eletroímã com o secundário.

Contatores Auxiliares

− tamanho físico variável, conforme o número de contatos; − potência da bobina do eletroímã, praticamente constante para qualquer tipo; − (^) corrente nominal de carga máxima de 10A para todos os contatos; − câmara de extinção. Praticamente inexistente; − não tem necessidade de relés de proteção; − são utilizados para aumentar o número de contatos auxiliares dos contatores de motores, para comandar contatores de elevado consumo na bobina, para evitar repique, para sinalização, e conforme a necessidade operacional do circuito.

2.1.3 VANTAGENS

− Comando à distância; − número de manobras elevado (de 10 a 30 milhões); − vida mecânica elevada; − pequeno espaço para montagem; − garantia de comando imediato;

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− tensão de operação de 0,85 a 1,10 da tensão nominal prevista para o contator. 2.1.4 NORMAS

A normalização na identificação dos contatores e demais dispositivos de manobra de baixa tensão é o meio utilizado para tornar mais uniforme a execução de projetos de comandos e facilitar a localização e função destes elementos na instalação.

Contatos Principais

São numerados de acordo com a norma DIN EM 50011.

Os terminais de entrada 1, 3 e 5 voltam-se para a rede (fonte) enquanto os terminais de saída 2, 4 e 6 voltam-se para o motor (carga), sendo os terminais de alimentação da bobina identificados por “A 1 ” e “A 2 ” ou ainda “a” e “b”.

Figura 2.4 - Identificação dos contatos de um contator e um relé de sobrecarga

Contatos Auxiliares

São identificados por números de dois dígitos de acordo com a norma DIN EM 50011, respeitadas as determinações de seqüenciamento, função e disposição mecânica.

Sequenciamento: o primeiro dígito integrante da identificação de um contato auxiliar indica a posição ocupada pelo mesmo a partir da esquerda.

Função: a função do contato é indicada pelo segundo dígito, conforme o convencionado pela norma como segue:

• •^ •

1 3 5

(^2 4 )

A

A

Contator

1 3 5

(^2 4 )

12 14

11 Relé