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CAPÍTULO 5
CONTATORES ELÉTRICOS
1 DEFINIÇÃO
É uma chave de operação não manual, eletromagnética, que tem uma única posição de repouso e é capaz de estabelecer, conduzir e interromper correntes em condições normais do circuito, inclusive sobrecargas no funcionamento.
Atuam com comando local ou à distância. Como são equipamentos de chaveamento, não protegem os circuitos manobrados, devendo ser acoplados a fusíveis ou disjuntores.
Os principais elementos construtivos de um contator são: contatos, núcleo, bobina, molas e carcaça. Uma visão mais detalhada é mostrada na figura 5.1.
Figura 5.1 Partes do contator, onde: 01 - Carcaça inferior; 02 - Núcleo fixo; 03 - Anel de curto circuito; 04 – Bobina; 05 - Mola de curso; 06 - Núcleo móvel; 07 - Cabeçote móvel; 08 - Contatos móveis principais; 09 - Contatos móveis auxiliares; 10 - Molas de contato; 11 - Contatos fixos principais; 12 - Contatos fixos auxiliares; 13 - Parafusos com arruelas; 14 - Carcaça superior; 15 – Capa
2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Quando a bobina não está energizada, o contator está no estado de repouso. As molas mantêm o núcleo móvel afastado do núcleo fixo e os contatos de força permanecem no estado aberto.
Sob tensão nominal, ao circular corrente na bobina, há formação de campo magnético, que atrai o núcleo móvel juntamente com o cabeçote que suporta os contatos móveis, fechando os contatos principais do contator e permitindo a passagem da corrente.
Os contatos principais são aqueles que, em estado fechado, conduzem a corrente do circuito de força. São dimensionados com o objetivo principal de estabelecer e interromper correntes de motores, cargas resistivas, capacitivas e outras.
Os contatos auxiliares são dimensionados para comutação de comando, sinalização, intertravamento elétrico e outras aplicações.
Quando a alimentação da bobina é interrompida, cessa a atração e as molas de curso e de contato afastam o núcleo móvel e o cabeçote, levando novamente os contatos à posição aberto.
O acionamento do contator pode ser em corrente alternada ou contínua.
Para acionamento em corrente alternada, existem os anéis de curto-circuito, que situam-se sobre o núcleo fixo do contator e evitam o ruído devido à passagem da corrente alternada por zero. Um entreferro reduz a remanência após a desenergização e evita o “colamento” do núcleo.
3 IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS E CONTATOS
Segundo a IEC 60947-4, a identificação de terminais de contatores e relés associados deve fornecer informações a respeito da função ou sua localização relativa a outros terminais ou para outras aplicações:
- Bobinas : são identificadas de forma alfanumérica com A1 e A2.
- Terminais do circuito principal (potência) : Devem ser identificados por números unitários e por um sistema alfanumérico:
Figura 5.2 Identificação dos terminais de força: os terminais 1L1, 3L2 e 5L3 voltam-se para a rede (fonte) e os terminais 2T1, 4T2 e 6T3 para a carga.
− Terminais de contatos auxiliares : Os terminais dos circuitos auxiliares devem ser marcados ou identificados nos diagramas, através de figura com dois números, a saber :
- a unidade representa a função do contato;
- a dezena representa a seqüência de numeração.
Figura 5.5 – Representação esquemática do sistema de amortecimento do ricochete
Se a energia cinética restante for significativa, as partes móveis se separam das fixas, comprimindo as molas de contato, que armazenam esta energia e em seguida aceleram novamente as partes móveis na direção das fixas, ocorrendo o chamado “ricochete”.
Este processo de transformação de energia cinética das peças móveis em energia potencial das molas de contato é realizado sucessivamente até que toda a energia cinética seja transformada em deformação mecânica e atrito (calor).
O ricochete é fator decisivo no desgaste dos contatos, atuando de duas formas:
- desgaste por ação mecânica;
- desgaste por queima, em função do número de arcos a serem extinguidos (podendo ocorrer inclusive, colamento de contatos).
Para evitar-se o ricochete, o fabricante emprega:
- maior força de contato (molas);
- redução da velocidade de fechamento;
- otimização do circuito magnético, que também garante uma maior segurança contra colamento de contatos e uma vida elétrica maior.
Do ponto de vista elétrico, o processo de ligação depende do circuito em que o contator está operando.
Em Circuitos CA:
- nas cargas resistivas, a tensão está em fase com a corrente;
- nas cargas indutivas, há a corrente está atrasada em relação à tensão; antes de se estabilizar, passa por um transitório, que pode ser modelado em duas componentes, a alternada e a contínua. Esta componente contínua decresce em função da constante de tempo do circuito, L/R;
- nas cargas capacitivas, a corrente está adiantada da tensão e a estabilização da corrente transitória acontece com uma velocidade que é dependente da constante de tempo, R. C.
Em Circuitos CC:
- Cargas indutivas: a corrente não assume instantaneamente um valor nominal, devido à indutância do circuito. A constante de tempo do circuito é tal que a corrente chega a chega a 95% de seu valor final após um tempo de três vezes a constante de tempo. Em sistemas industriais, esta constante apresenta valores de até 15ms.
- Cargas capacitivas: a corrente é limitada pela resistência do circuito e podem ocorrer picos. O comportamento do circuito é definido pela constante de tempo, R ;C, que é inversamente proporcional à velocidade de decréscimo da corrente.
4.2 ESTADO FECHADO
O contator encontra-se nesta posição quando a bobina está energizada e os contatos principais de todos os pólos do contator estão fechados.
Na posição fechado ocorre o aquecimento dos contatos e da bobina. A geração de calor nos contatos limita a capacidade de condução dos mesmos. Assim, deve-se minimizar o aquecimento dos contatos, o que é possível com a redução de sua resistência de contato.
Figura 5.6 – Representação do contato elétrico
Nota-se, na 5.6, que a área real de contato é sempre menor do que a área aparente (geométrica) devido a: irregularidade de forma, rugosidade e depósito de corpos estranhos sobre o contato (pó, graxa, oxidação, etc.).
O aumento da força de contato permite a um aumento da área real de contato. Portanto, deve-se ter uma relação bem definida entre a força de contato e corrente nominal.
4.3 PROCESSO DE DESLIGAMENTO
No desligamento de contatores, ocorre sempre o fenômeno do arco voltaico. É importante que o arco seja eliminado rapidamente para evitar que as peças de contato sejam danificadas. Durante o afastamento dos contatos, na abertura de um circuito elétrico, o calor gerado provoca a fusão e evaporação do material de contato, fazendo com que a corrente circule através do arco voltaico.
Com o afastamento dos contatos, a maior queda de tensão acabará extinguindo o arco. Para corrente alternada, a extinção do arco é mais simples, pois aproveita-se a passagem da corrente pelo ponto zero. Todo este processo de desligamento tem uma grande influência na vida elétrica do contato.
4.4 ESTADO ABERTO
Este é o estado de repouso do contator. Nesse caso, poderá haver influência mais forte de agentes poluentes externos (pó, oxidação, elementos químicos, etc.), pois não circula corrente pelos contatos, não havendo assim o natural aquecimento e com isso incide a ação da umidade. (Exceto no caso de contatores anteriormente citados, para iluminação pública).
5 CRITÉRIOS DE ESCOLHA MAIS IMPORTANTES
5.1 CATEGORIA DE EMPREGO
A categoria de emprego determina as condições para a ligação e interrupção da corrente mediante aplicação da tensão nominal, para utilização normal do contator. As aplicações mais importantes são:
5.4 QUANTIDADE DE CONTATOS AUXILIARES
A quantidade depende das necessidades do circuito de comando, intertravamentos e sinalizações.
Os fabricantes estão adotando o sistema modular, em que blocos de contatos auxiliares são acopladas no contator, conforme for o número de contatos desejados.
Figura 5.7 – Montagem de blocos de contatos auxiliares em um contator (fabricante WEG)
5.5 ESPECIFICAÇÃO PARA MOTORES COM ROTOR DE GAIOLA
A escolha do contator pode ser feita baseada na corrente nominal do motor, com a correspondente tensão nominal.
6 EXERCÍCIOS PROPOSTOS
- Na posição de repouso do contator, qual é o estado dos contatos de força?
- Explicar, resumidamente, o princípio de funcionamento do contator.
- Fornecer a identificação dos contatos principais de um contator trifásico.
- Um contator tem três contatos auxiliares: o primeiro é NA, o segundo é NF e o terceiro, NA. Fornecer os números de seqüência para identificação destes contatos.
- Explicar o fenômeno do ricochete.
- No que a natureza da carga (indutiva, resistiva, capacitiva) interfere na operação do contator?
- Por que, no estado fechado, a área real do contato é sempre menor que a aparente?
- Que agentes podem prejudicar o desempenho do contator no estado aberto? Explicar
CAPÍTULO 6
RELÉS
1 DEFINIÇÃO
Relé (vem do inglês relay ) é um dispositivo inteligente, capaz de monitorar uma determinada grandeza para que, atingido um determinado valor ou limite, emita uma ordem de comando. A atuação do relé pode determinar a abertura ou o fechamento de um contato, o desligamento ou a energização de um determinado circuito ou equipamento.
Os relés são construídos de acordo com a sua finalidade e aplicação. Antigamente, eram eletromecânicos. Com o desenvolvimento tecnológico, o monitoramento eletrônico de determinadas grandezas pode ser feito com maior eficiência, reduzindo custos e tamanho.
2 RELÉS DE SOBRECARGA
2.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Relés de sobrecarga são dispositivos baseados na dilatação de uma peça que contém dois metais justapostos, com coeficientes de dilatação diferentes (bimetálicos). Sua operação consiste na curvatura que o bimetálico apresenta quando submetidos a uma variação de temperatura, em função das diferentes dilatações de seus metais.
Relés de sobrecarga são usados para proteger 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, o incremento de corrente (sobrecorrente) no motor é monitorado em todas as fases pelo relé de sobrecarga.
A figura 6.1 mostra o esquema de um relé térmico de sobrecarga, com suas partes principais.
O relé térmico de sobrecarga pode ser dividido em duas partes:
CIRCUITO PRINCIPAL OU DE POTÊNCIA
É composto por uma carcaça de material isolante, três bimetais de aquecimento, alavanca de desarme, terminais de entrada (1L1, 3L2 e 5L3) e terminais de saída (2T1, 4T2 e 6T3).
2.2 DISPOSITIVO MECÂNICO SENSÍVEL CONTRA FALTA DE FASE
O relé da figura 6.3 possui um conjunto de duas hastes móveis (1 e 2), ligadas a uma alavanca móvel (3). Esta alavanca é a responsável pela transmissão do movimento dos bimetais ao circuito auxiliar. Sempre que a alavanca 3 chegar na posição “S”, haverá o desarme do relé.
No caso de sobrecarga tripolar (figura 6.3.b), o deslocamento dos bimetais é uniforme, empurrando as hastes 1 e 2 , que levam a alavanca 3 em deslocamento paralelo ao dos bimetais. Com isto, ocorre o desarme.
Já com sobrecarga bipolar (figura 6.3.c), a haste 2 é mantida na posição inicial através do bimetal sem corrente e por meio de uma relação de braço de alavanca, o movimento dos bimetais sob corrente é transmitido à alavanca 3. Esta relação amplia o movimento, desarmando o relé com um menor deslocamento dos bimetais.
Desta forma, para uma mesma corrente, o tempo de desarme do relé é menor para sobrecarga bipolar, comparando com a sobrecarga tripolar.
Figura 6.3 Atuação do relé de sobrecorrente
2.3 CURVA CARACTERÍSTICA DE DESARME DE RELÉS TÉRMICOS
A relação tempo x corrente de desarme de relés térmicos de sobrecarga é conhecida como curva característica e é mostrada na figura 6.
Figura 6.4 Curva característica t x In de desarme de um relé térmico (fabricante WEG)
Os valores de desligamento apontados nas curvas são válidos para sobrecargas a partir da temperatura ambiente, ou seja, sem aquecimento prévio (estado frio). Para relés operando em temperatura normal de trabalho e sob corrente nominal, ou seja, pré-aquecidos (estado quente) deve-se considerar os tempos de atuação em torno de 25 a 30% dos valores das curvas. Isto se deve ao fato de que, quando pré- aquecidos pela passagem da corrente nominal, os bimetálicos já sofreram um deslocamento de aproximadamente 70% do deslocamento necessário ao desarme.
Exemplo: Nas curvas de desligamento, para uma sobrecarga de 2xIn tem-se, a frio, um tempo de 60s para que ocorra o desligamento. Caso os bimetálicos já estivessem aquecidos, ter-se-ia:
Tq = 0,3 x Tf ; Tq = 0,3 x 60 = 18s,
Onde: Tq = tempo de desligamento “a quente” e Tf = tempo de desligamento “a frio”.
Os relés são montados com bimetais de compensação, a fim de evitar a influência da variação da temperatura ambiente sobre as suas características de desarme. Seu princípio de operação pode ser explicado como segue: com uma temperatura ambiente de 32ºC, as lâminas bimetálicas principais se dilatarão (curvarão) e terão deslocado uma parte do percurso, que para um determinado valor de corrente, resultaria em um tempo de disparo menor. Para que isto seja evitado, existe uma lâmina bimetálica de
Os terminais dos circuitos auxiliares devem ser marcados da mesma forma que os de contatores, com funções específicas, conforme exemplos a seguir.
O número de seqüência deve ser o 9 e, se uma segunda seqüência existir, será identificada com o zero.
Figura 6.6 Identificação dos contatos auxiliares do relé de sobrecarga (fabricante WEG)
A tecla multi-função permite controlar o rearme e o teste:
Figura 6.7 Tecla multifunção do relé de sobrecarga (fabricante WEG)
3 RELÉS TEMPORIZADORES
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.
Permitem o ajuste do tempo em faixas de temporização, que variam entre 0,1 segundo a 30 minutos. Exemplos: 0,1-1 segundo; 1-30segundos.
Figura 6.8 Relé temporizador (fabricante WEG)
O relé de tempo começa a realizar o seu papel no instante de sua energização, que pode ser, conforme especificação: 24VAC; 24VCC; 110-130VAC; 220-240VAC.
Alguns modos de operação:
de enchimento.
(a) (b)
Figura 6.11 Relé de nível; (a) posicionamento dos eletrodos; (b) ajuste de sensibilidade
5 OUTROS TIPOS DE RELÉS
Outros relés podem ser construídos, para variados tipos de grandezas ou funções que se deseja controlar ou monitorar. Pode-se citar, como exemplos:
− relé de seqüência de fase: indica se a seqüência de fases determinada está correta ou invertida. − relé de falta de fase: atua se a tensão de uma das fases resultou menor que a das outras duas, dado um limite mínimo pré-ajustado; − relés de sobre ou subtensão: conectando-se as 3 fases a serem monitoradas, atua se a amplitude delas exceder ou resultar inferior a um valor pré-ajustado.
6 EXERCÍCIOS PROPOSTOS
- Explicar o que é um relé e dar exemplo de grandezas que ele pode monitorar.
- Explicar o princípio de funcionamento do elemento bimetálico.
- O tempo de atuação do relé de sobrecorrente é o mesmo, estando ele a frio ou a quente? Explicar.
- Se a sobrecorrente for a mesma, o tempo de atuação de uma falta trifásica é o mesmo que se estiver faltando uma fase? Explicar.
- Explicar de que maneira se ajusta um relé de sobrecorrente, para um determinado motor.
- Explicar o funcionamento do relé de tempo com retardo na energização.
- Explicar o princípio de funcionamento do relé de nível e citar suas aplicações.
CAPÍTULO 7
SELETIVIDADE ENTRE DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO EM BAIXA TENSÃO
1 DEFINIÇÃO
Um sistema é seletivo se, submetido a uma corrente anormal, faz atuar os dispositivos de proteção de maneira a desenergizar somente a parte afetada do circuito (mais próximo da falta).
Os dispositivos de proteção podem ser encontrados em um determinado sistema, formando as seguintes combinações:
− Fusível em série com fusível
− Fusível em série com disjuntor − Disjuntor em série com fusível − Disjuntores em série entre si
2 FUSÍVEIS LIGADOS EM SÉRIE COM FUSÍVEIS
Fusíveis ligados em série terão seletividade garantida quando suas curvas características não se cruzarem. Entretanto, esta condição não é suficiente quando a corrente de curto-circuito for elevada. A seletividade, neste caso, é garantida quando o valor da energia durante o tempo de fusão e extinção do arco (fusível 2) for menor que a energia de fusão do fusível imediatamente superior, ao considerado (fusível 1).
Figura 7.1 Curvas de fusíveis com seletividade
Figura 7.3 Curvas de disjunto em sério com fusível
5 EXERCÍCIOS PROPOSTOS
- O que se entende por seletividade?
- Quando em um circuito é ligado um fusível e depois vem um disjuntor, como se pode garantir a seletividade?
- Quando em um circuito se liga um disjuntor e depois vêm fusíveis, que características devem ter estes fusíveis para que haja seletividade?
CAPÍTULO 8
DISPOSITIVOS DE COMANDO E SINALIZAÇÃO
1 ASPECTOS CONSTRUTIVOS
Elementos de comando são utilizados para ligar e desligar circuitos elétricos, assim como sua sinalização. Possuem contatos NA e NF, cujo estado se inverte ao acionamento manual e retornam a posição de repouso através da mola.
Os dispositivos têm sido normalmente construídos em blocos, que possibilitam a troca de peças e o encaixe de maneira rápida.
Figura 8.1 Botoeira construída em blocos
Os botões são utilizados para acionamento. Podem ter chaves ou travas para impedir acionamento acidental.
Os sinaleiros contêm apenas uma luz que acende, para indicar a finalidade do acionamento.
(a) (b) (c) (d)
Figura 8.2: (a) botão faceado; (b) botão com chave; (c) botão iluminado; (d) sinaleiro
