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Capítulo 1

Teoria básica

 

1.1 – Introdução

Comandos elétricos são dispositivos elétricos ou eletrônicos montados em um painel ou quadro de comando, interligados eletricamente e funcionando de acordo com uma lógica para controlar equipamentos elétricos, tais como motores elétricos, resistências elétricas, lâmpadas elétricas, etc.

A lógica de funcionamento de um comando elétrico é definida pelo projetista para controlar os acionamentos dos equipamentos elétricos de potência como os motores elétricos ou resistências, bem como de atuadores elétricos como bobinas solenoides para acionamentos de válvulas pneumáticas e pistões pneumáticos e outros tipos de equipamentos elétricos.

Um projeto de comando elétrico contempla a lógica de controle dos equipamentos elétricos assim como dispositivos que garantam a proteção contra danos nos próprios equipamentos assim como danos físicos às pessoas que operam as máquinas e instalações que utilizam os equipamentos elétricos.

Os projetos de instalações e comandos elétricos devem atender algumas normas criadas por comissões de profissionais habilitados e homologadas pelos órgãos governamentais para garantir a segurança de pessoas, patrimônios e equipamentos. Cada país possui seu próprio conjunto de normas técnicas e de segurança.

 

1.2 – Grandezas elétricas

As grandezas elétricas e suas unidades de medida de acordo com o SI (sistema internacional de medidas) utilizadas no nosso estudo são:

Tensão (diferença de potencial elétrico). Indicação nos circuitos: V. Unidade de medida: V (Volt – por Alessandro Volta).

Corrente (movimento de elétrons num condutor – corrente real). Indicação nos circuitos: I (i). Unidade de medida: A (Ampére – por André Marie Ampére). Sempre analisaremos a corrente elétrica pelo movimento das lacunas (ausência do elétron em movimento que é a corrente convencional).

Potência (capacidade de realizar trabalho em um determinado período de tempo). Indicação nos circuitos: P. Unidade de medida: W (Watt – por James Watt).

Frequência (movimento cíclico repetitivo dentro de um determinado período de tempo). Indicação nos circuitos: f. Unidade de medida: Hz (Hertz – por Henrique Rudolf Hertz)

Resistência Elétrica: Capacidade de um corpo se opor à passagem de corrente elétrica – Indicação nos circuitos: R ou Ὠ – Unidade de medida: Ohm por George Simon Ohm.

 

1.3– Corrente contínua

Corrente contínua (CC em português ou DC em inglês) é o tipo de corrente elétrica que circula pelos circuitos elétricos submetidos a uma diferença de potencial elétrico ou tensão elétrica cuja intensidade não varia ou varia pouco no tempo. O valor de tensão que realiza trabalho em corrente contínua é o valor médio (Vm) e o valor máximo é o valor de pico (Vp), todos os valores são medidos dentro de um período de tempo determinado embora a variação não seja significativa no tempo.

Os valores de tensão média para comando elétrico mais comuns no Brasil são: 12 Vcc e 24 Vcc.

  

Figura 1.1 – Tensão contínua pura ou filtrada onde Vm = Vp = V.

 

Figura 1.2 – Tensão contínua retificada em meia onda onde Vm = Vp / π.

 

Figura 1.3 – Tensão contínua retificada em onda completa onde Vm = 2 Vp / π.

 

1.4 – Corrente Alternada

Corrente alternada (CA em português ou AC em inglês) é o tipo de corrente elétrica que circula pelos circuitos elétricos submetidos a uma diferença de potencial elétrico ou tensão elétrica cuja intensidade varia periodicamente no tempo. O valor de tensão que realiza trabalho em corrente alternada é o valor eficaz (Vef) e o valor máximo é o valor de pico (Vp), todos os valores são medidos dentro de um período de tempo determinado.

Os valores de tensão eficaz mais comuns no Brasil são: 110 V, 220 V, 380 V e 440 V.

Figura 1.4 – Tensão Alternada senoidal onde Vp = Vef x √ 2.

                                                                        

            

Figura 1.5 – Alguns tipos de tensões alternadas. Figura 1.6 – Tensão alternada senoidal trifásica.

 

1.5 – Frequência

Movimento cíclico repetitivo dentro de um determinado período de tempo. Unidade de medida: Hz (Hertz – por Henrique Rudolf Hertz).

No nosso estudo trabalharemos com o movimento cíclico da tensão fornecida pelas concessionárias de energia elétrica no Brasil, que são na forma senoidal e em 60 Hz.

A relação entre o período de tempo ou ciclo de uma forma de onda com determinada frequência de oscilação é dada pela equação abaixo.

f = 1/T

Onde:

f = frequência em Hertz (Hz).

T = tempo de um ciclo em segundos (s).

 

1.6 – Potência elétrica

Capacidade de realizar trabalho em um determinado período de tempo. Unidade de medida: W (Watt – por James Watt).

Nos equipamentos elétricos há uma indicação de potência, esta indicação é da potência nominal (Pn) ou potência de trabalho do equipamento.

As relações entre a unidade Watt (W) e as unidades mais antigas de potência, o horse-power (hp) e o cavalo-vapor (cv) são dadas pelas equações abaixo.

1 W = 735,5 cv.

1 W = 745,7 hp

 

Potência nos circuitos de corrente contínua:

A determinação da potência em circuitos de corrente contínua é dada pela expressão da potência abaixo.

P = V . I

Onde:

P = potência em Watts (W).

V = tensão em Volts (V).

I = corrente em Amperes (A).

 

Potência em corrente alternada:

Em circuitos de corrente alternada têm-se três tipos de potência: A potência aparente S, a unidade é VA – Volt-Ampere. A potência ativa P, a unidade é W – Watts. A potência reativa Q, a unidade é VAR – Volt-Ampere-Reativo.

A três potências são representadas em um triângulo chamado de triângulo das potências.

Figura 1.7 – Triângulo das potências onde S = potência aparente (VA), P = potência ativa (W), Q = potência reativa (VAR) e φ (pronuncia-se fi) = ângulo de defasagem entre a potência aparente e a potência ativa.

 

Para determinar as potências, podemos utilizar as equações abaixo:

S = V . I

S² = P² + Q²

P = S . cosφ

Q = S . senφ

Onde:

S = potência aparente em Volt-Ampere (VA).

P = potência ativa em Watts (W).

Q = potência reativa em Volt-Ampere-Reativo (VAR).

V = tensão em Volts (V).

I = corrente em Amperes (A).

cosφ = coseno de fi ou fator de potência, representação FP.

Senφ = seno de fi.

 

Potência ativa:

É a parcela de potência que é transferida da fonte de energia (rede) para realizar trabalho através da carga.

No caso de motores, os movimentos.

No caso de resistências, o calor.

 

Potência reativa:

É a parcela de potência que não realiza trabalho, é absorvida da fonte de energia (rede) e devolvida para a mesma toda vez que a forma de onda da corrente alternada muda de polaridade.

Nos motores a potência reativa é indutiva devido às bobinas de enrolamento e a magnetização do ferro do motor.

Nos bancos de capacitores a potência reativa é capacitiva devido à energização dos capacitores que fazem parte do banco.

A potência reativa dos capacitores anula a potência reativa dos motores aos olhos da rede de energia, entretanto deve haver equilíbrio para que nem uma nem outra fique significativa aos olhos da rede de energia elétrica.

 

Potência aparente:

É a parcela de potência que se utiliza para o cálculo de energia total cobrada pelas concessionárias de energia.

 

Fator de potência FP:

Deve ser indicado pelo fabricante do equipamento.

No caso de motores o FP indicado na placa do fabricante é para a carga nominal, um motor trabalhando em vazio seu fator de potência fica abaixo do indicado na placa, portanto a potência reativa do motor que é fixa se torna bastante significativa em relação a potência ativa que a rede está entregando ao motor.

 

Rendimento:

Os equipamentos elétricos transformam energia elétrica em outras formas de energia, exemplos:

Lâmpada: transforma energia elétrica em luz.

Motor: transforma energia elétrica em movimento.

Resistência: transforma energia elétrica em calor.

Entretanto existem perdas indesejáveis de energia dentro dos equipamentos, dentre essas perdas podemos citar duas delas que são por efeito joule e por atrito mecânico que deve ser vencido.

O rendimento é indicado pela letra grega ƞ (pronuncia-se éta) representa o fator de perda e relaciona a potência realmente utilizada com a potência fornecida.

ƞ = P utilizada / P fornecida.

Onde:

ƞ = rendimento do equipamento ou sistema, é adimensional ou percentual.

P utilizada = potência que é transformada em trabalho (W).

P fornecida = potência que é fornecida pela fonte de energia (W).

 

A potência fornecida para equipamentos e sistemas é sempre maior do que a potência utilizada efetivamente, portanto ƞ < 1, entretanto para exercícios teóricos é possível considerar ƞ = 1.

 

1.7 – Sistemas de corrente alternada trifásicos

Sistemas trifásicos são sistemas que possuem três fases de mesmo valor eficaz (Vef) defasados de 120° entre si, conforme é mostrado na figura 1.8.

Os sistemas trifásicos possuem três condutores de fase (A, B, C ou R, S, T), um condutor neutro (N) e um condutor terra (T).

A tensão entre o neutro (N) e uma fase (R ou S ou T) é igual à tensão do sistema monofásico. Trabalhar em um sistema monofásico significa trabalhar com o neutro e uma fase do sistema trifásico.

A tensão entre duas fases do sistema trifásico é maior que a tensão entre fase e neutro conforme a equação abaixo:

VRS = VRT = VST = VRN . 3 = VSN . 3 = VTN . 3

Onde:

VRS = VRT = VST = tensão fase-fase.

VRN = VSN = VTN = tensão fase-neutro.

Figura 1.8 – Representação fasorial do sistema trifásico.

 

A potência aparente total em um sistema trifásico é dada pela somatória das potências aparentes de cada fase:

S = VRN . IR + VSN . IS + VTN . IT

S = 3 . Vf . If

Onde:

S = potência aparente total em VA (VA).

VRN = VSN = VTN = tensão fase-neutro de cada fase em Volts (V).

IR = IS = IT = corrente de cada fase em Amperes (A).

Vf = tensão de fase-neutro em Volts (V).

If = corrente de fase em Amperes (A).

 

Podemos escrever a equação na forma de valores de linha, sabendo-se que a corrente de linha é igual a corrente de fase, teremos:

S = 3 . VL . IL

Onde:

S = potência aparente total em VA (VA).

VL = tensão de linha em Volts (V).

IL = If = corrente de linha em Amperes (A).

 

As potências Ativa e Reativa são escritas da seguinte forma:

P = 3 . VL . IL . Cosφ = 3 . Vf . If . Cosφ

Q = 3 . VL . IL . Senφ = 3 . Vf . If . Senφ

Onde:

P = potência ativa em Watts (W).

Q = potência reativa em VAR (VAR).

VL = tensão de linha em Volts (V).

IL = If = corrente de linha em Amperes (A).

cosφ = coseno de fi ou fator de potência, representação FP.

Senφ = seno de fi.

 

Nos sistemas trifásicos existem duas formas de se fazer as conexões das cargas como mostrado na figura abaixo:

Figura 1.9 – Esquemas de ligação de cargas em sistemas trifásicos.

 

 

Capítulo 2

Motores Elétricos

 

2.1 – Introdução

Existe uma variedade muito grande de motores elétricos, alguns exemplos:

Motores de corrente contínua (CC).

Motores de passo.

Servos motores.

Motores de corrente alternada.

Dos motores de corrente alternada o mais comumente utilizado é o motor assíncrono ou motor de indução, sendo assim esse tipo de motor será o único abordado neste estudo.

        

Figura 2.1 – Motor de indução trifásico. Figura 2.2 – Motor de indução monofásico.

 

2.2 – Placa de Identificação

Todos os motores possuem uma placa de identificação que contem as características nominais da máquina. Os motores são fabricados em conformidade com as normas da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). Vamos interpretar a placa de identificação de um motor a partir da figura abaixo:

Figura 2.3 – Exemplo de placa de identificação do motor.

 

Frequência:

É a frequência de alimentação do motor em Hertz (Hz). A frequência da rede no Brasil é 60 Hz, más nos outros países da América do sul é 50 Hz.

CAT – Categoria:

É a classificação do motor segundo a NBR 7094 da ABNT, conforme suas características de conjugado em relação à velocidade e à corrente de partida. As categorias são:

N: Conjugado de partida normal, corrente de partida normal e baixo escorregamento. É utilizado para acionamento de cargas normais com baixo conjugado de partida como bombas, máquinas operatrizes, etc.

NY: Possui as mesmas características anteriores, más tem a previsão de uma partida estrela-triângulo, que reduz a tensão aplicada aos enrolamentos do motor durante a partida.

H: Conjugado de partida alto, corrente de partida normal e baixo escorregamento. Utilizado para cargas que possuem um mair conjugado de partida como transportadores carregados, moinhos, etc.

HY: Possui as mesmas características anteriores, más tem a previsão de uma partida estrela-triângulo, que reduz a tensão aplicada aos enrolamentos do motor durante a partida.

D: Conjugado de partida alto, corrente de partida normal e alto escorregamento. Utilizado em prensas e máquinas semelhantes em que a carga apresenta picos periódicos e em elevadores onde a carga necessita de alto conjugado de partida.

Figura 2.4 – Curvas de conjugado x rotação.

 

Potência:

É o valor nominal da potência ativa do motor em cv, hp e kW.

Velocidade – Rotação:

É a velocidade ou rotação síncrona do motor em rotações por minuto (rpm).

F.S – Fator de serviço:

É o fator de sobrecarga que o motor suporta em regime contínuo, uma reserva de potência caso seja necessário em função de instabilidades da carga. As instalações e comandos devem estar preparadas para essa sobrecarga contínua.

ISOL – Classe de isolamento:

Limite máximo de temperatura que o enrolamento do motor pode trabalhar em regime contínuo sem que haja redução de sua vida útil. As classes são A 105 °C, E 120 °C, B 130 °C, F 150 °C, H 180 °C,

IP/IN – Corrente de partida sobre corrente nominal:

Nos dá a corrente de partida ou corrente de rotor bloqueado, esse valor é quantas vezes a corrente de partida é maior que a corrente nominal.

IP – Grau de proteção:

Indica o quanto o motor está protegido contra as agressividades do ambiente. A norma brasileira ABNT NBR 6146 os vários graus de proteção conforma abaixo:

Figura 2.5 – Nomenclatura do grau de proteção.

 

Significados das letras:

W: Máquinas a prova do tempo, Aplicação naval.

R: Ventilação forçada através de dutos.

S: A máquina deve resistir ao ensaio de penetração de água em condições estáticas.

M: Idêntica a S só que em funcionamento.

Figura 2.6 – Algarismos de definição do grau de proteção.

 

Tensões nominais:

São as tensões nominais em Volts (V) para cada tipo de ligação do motor.

Correntes nominais:

São as correntes nominais em Amperes (A) para cada tensão de alimentação do motor.

REG.S. - Regime:

Grau de regularidade da carga segunda a norma brasileira ABNT NBR 7094.

 

    S1 - Regime Contínuo

Figura 2.7 – Regime de serviço para motores de indução.

 

2.3 – Motores de Indução Monofásicos

Os motores CA monofásicos são largamente utilizados em aplicações domésticas (Ventiladores, compressores, bombas d'água, etc.).

De forma geral não é recomendada a utilização de motores monofásicos maiores que 3 cv, pois há risco de desbalanceamento de fases do sistema trifásico. Algumas desvantagens do motor monofásico em relação ao trifásico são:

Preço maior que um motor trifásico de mesma potência.

Necessita de maiores cuidados de manutenção.

Tamanho aumentado para mesma potência.

Rendimento e fator de potência, menores.

Inversão de velocidade complexa.

        

Figura 2.8 – Motor monofásico de 2 terminais. Figura 2.9 – Motor monofásico de 4 terminais.

Figura 2.10 – Motor monofásico de 6 terminais.

 

2.4 – Motores Assíncronos Trifásicos

Os motores assíncronos trifásicos são os mais largamente utilizados em conjunto com comandos elétricos e eletrônicos, pois são baratos, robustos, seu sentido de rotação pode ser invertido facilmente e sua velocidade pode ser variada facilmente. Não causam desequilíbrio no sistema e atingem potências muito elevadas. Os motores assíncronos são mais conhecidos como motores de indução e há dois tipos de motores, o mais comum é o rotor tipo gaiola de esquilo ou somente motor de gaiola, o segundo é o tipo rotor bobinado.

Não vamos nos atentar para o motor de rotor bobinado, o motor de gaiola Dahlander nem os motores de gaiola com mais enrolamentos, pois esses tipos de motores foram criados para possibilitar a variação de velocidade em regime, com o advento e a modernização dos Inversores de frequência eles caíram em desuso, portanto vamos nos atentar no motor de gaiola com um enrolamento apenas.

 

2.5 – Número de Rotações por Minuto

O número de rotações por minuto de motores assíncronos monofásicos e trifásicos dependem de três parâmetros:

1 – Frequência da rede.

2 – Número de polos magnéticos do motor.

3 – Escorregamento.

A frequência da rede é 60 Hz, com pequena variação (o permitido por norma é de +- 3 Hz).

O número de polos é determinado pelo tipo de enrolamento e o fechamento das bobinas internas.

O escorregamento está relacionado com o campo magnético girante dentro do motor.

Podemos então determinar a rotação do motor utilizando a equação abaixo:

n = 120 . f / p

Onde:

n = Número de rotações em rpm.

F = frequência da rede em Hz.

P = número de polos do motor.

 

Observamos que n não é a velocidade do rotor e sim a do campo magnético girante, para determinar a velocidade do rotor é preciso conhecer o escorregamento, veja a equação abaixo:

s (%) = ((ns – nr) / ns) . 100 %

Onde:

s = escorregamento

ns = velocidade do campo girante

nr = velocidade do rotor

 

Como o escorregamento normalmente está entre 2 % a 4 %, percebe-se que a velocidade do rotor é próxima da velocidade do campo girante. Para o motor de indução é impossível girar na velocidade do campo girante, tal comportamento só é possível no motor síncrono. O número de polos é sempre múltiplo de dois, devido ao fato da inseparabilidade dos polos magnéticos, e como a frequência da rede é fixa em 60 Hz, dispomos dos seguintes valores de rotação para os campos girantes?

2 polos – 3600 rpm.

4 polos – 1800 rpm.

6 polos – 1200 rpm.

8 polos – 900 rpm.

10 polos – 720 rpm.

 

Sentido de rotação:

A inversão do sentido de rotação dos motores trifásicos pode ser facilmente obtida, para tanto basta inverter a sequência das fases de alimentação, conforme é mostrado na figura abaixo:

Figura 2.11 – Inversão do sentido de rotação do motor trifásico.

 

Para inverter a rotação do motor trifásico é necessário lançar mão de algumas técnicas de comando e acionamento que veremos neste curso, caso contrário poderemos danificar o motor.

 

2.6 – Esquemas de Partidas

Um dos momentos críticos é a partida de motores elétricos. Os motores solicitam muito mais corrente no momento da partida do que em regime contínuo, isto é chamado de pico de corrente de partida.

O valor da corrente de partida ou de rotor bloqueado é dado de placa IP/IN, um valor comum de IP/IN é 8, isso significa que a corrente de partida para um motor de IP/IN = 8 é de 8 vezes a corrente nominal e dependendo da carga esse valor de corrente pode permanecer por um tempo longo o suficiente para disparar dispositivos de proteção dos circuitos de comando.

Outro fato que deve ser considerado é a quantidade de partidas que se pode dar num motor dentro do período de uma hora, essa quantidade depende da carga, pois o tipo de carga influencia diretamente o tempo de aceleração do motor entre rotor bloqueado e a rotação nominal.

Figura 2.12 – Comportamento da corrente e torque em função da rotação.

 

Partida Direta:

O esquema de partida direta é a forma mais simples de partir um motor elétrico. As três fases são ligadas diretamente no motor e a corrente e o torque seguem as curvas mostradas na figura 2.12.

 

Partida Estrela-Triângulo:

As concessionárias de energia elétrica não permitem partidas diretas para motores de potência acima de 5 cv ou 3,7 kW, para entradas de energia fornecidas em baixa tensão até 75 kW ou 100 cv.

Os fabricantes dos motores fornecem os motores com acesso aos terminais dos enrolamentos para que se possa fazer suas ligações na configuração estrela ou na configuração triângulo, e, se fizermos as comutações das configurações das ligações dos motores por meio de comandos automáticos, podemos melhorar a condição de partida do motor aos olhos da rede elétrica.

 

A figura 2.13 abaixo, mostra os esquemas de ligações dos motores.

Note que as bobinas na condição normal de trabalho (em regime) tem sempre nos seus terminais uma tensão de 220 V e sempre estão ligadas em triângulo, que é a ligação para o funcionamento em regime.

Note que sempre que as bobinas estão ligadas em estrela, é aplicado aos seus terminais uma tensão de 110 V, que reduz o torque do motor e a corrente de partida, como veremos na figura 2.14 as curvas para a partida estrela-triângulo.

Partida estrela-triângulo significa que por meio do comando elétrico de partida, fazemos a ligação das bobinas em estrela e depois de um determinado temos que também veremos, a ligação das bobinas é modificada para triângulo, tudo isso automaticamente.

Fazendo isso, diminuímos a corrente de partida e não sacrificamos a rede elétrica.

Figura 2.13 – Esquemas de ligação em estrela e em triângulo para motores de 12 pontas.

 

Figura 2.14 – Gráfico comparativo de torque e corrente entre as partidas estrela e triângulo.

 

A corrente de partida em estrela é 1/3 da corrente de partida em triângulo.

No momento da comutação os valores de corrente e de torque retomam os valores que deveriam estar se a partida fosse em triângulo, exatamente na rotação da comutação.

O tempo de retardo para a comutação é o tempo cronometrado entre a partida e o momento em que a corrente atinge seu valor nominal, se a carga não permite acelerar o motor a ponto de atingir a corrente nominal então o momento de comutar é quando a corrente fica estabilizada ou para de cair, para isso devemos acompanhar com um amperímetro o movimento da corrente durante a partida.

Partida com Soft Starter:

Soft Saters são equipamentos eletrônicos desenvolvidos para partir motores de gaiola. São equipamentos que controlam a tensão eficaz de cada fase que é aplicada ao motor. O controle das tensões é realizado por meio de dispositivos eletrônicos chamados Triacs que deixam passar a onda senoidal a partir de um momento desejado, alterando assim o valor eficaz da tensão aplicada.

Figura 2.15 – Diagrama de blocos de um Soft Starter.

Figura 2.16 – Comparativo de corrente entre: Partida direta, Estrela-Triângulo e Soft Starter.

 

A Soft Starter pode entregar o motor para a rede após a partida, podendo a mesma soft starter ser utilizada para a partida de vários motores. É necessário observar a proteções para o motor e a rede.

 

Inversor de Frequência:

Os inversores de frequência foram desenvolvidos não apenas para partir os motores de gaiola, más essencialmente para controlar a velocidade e o torque do motor. Os inversores são aplicados também em sistemas de controle onde a velocidade de atuadores variam o fluxo de elementos que vão controlar processos, como, por exemplo, vazão, temperatura, pressão, etc.

Os inversores entregam ao motor as 3 fases da rede com frequências e tensões variáveis, de acordo com a necessidade do processo ou com a nossa vontade mesmo.

Os inversores modernos, variam a frequência e calculam a tensão de forma a manter a corrente no motor constante e igual a corrente nominal do motor, inclusive com velocidade zero, é claro que corrente nomina com velocidade zero exige um motor com ventilação forçada, pois os ventiladores dos motores são fixos no seu próprio eixo e portanto, os motores são auto-ventilados e, se estiverem parados com corrente nominal precisam de ventilação forçada, caso contrário queimarão.

Figura 2.17 – Diagrama de blocos de um Inversor de Frequência.

 

Figura 2.18 – Comparativo entre: Partida direta, Estrela-Triângulo, Soft Starter e Inversor de frequência.

 

 

Capítulo 3

Comandos

3.1 – Introdução

Para se projetar, desenhar e montar de uma lógica de comando elétrico é necessário conhecer os componentes ou dispositivos elétricos disponíveis no mercado.

Os comandos elétricos são divididos em parte de COMANDO e parte de POTÊNCIA.

A divisão entre comando e potência vai se tornar cada vez mais clara a medida que vai-se familiarizando com a disciplina.

Os comandos elétricos devem ser montados de forma a atender a necessidade do processo, más principalmente deve-se considerar em primeiro lugar a segurança dos operadores e em segundo lugar a segurança dos equipamentos tanto de comando quanto de potência. Para isso é importante utilizar dispositivos homologados nos órgãos certificadores dos países que utilizam tais dispositivos, no Brasil o órgão responsável por isso é o INMETRO.

 

3.2 – 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.

 

Botão e Comutadora:

Figura 3.1 – Simbologias e fotos de botão e comutadora.

 

Relé e contator auxiliar:

Os relés e os contatores auxiliares fazem a mesma função num comando elétrico, as diferenças são o tamanho físico e a capacidade de condução de corrente dos contatos, os relés são menores e seus contatos possuem uma capacidade de condução de corrente menor que os contatores auxiliares.

Os dois dispositivos possuem uma bobina e um ou mais contatos.

Quando a corrente passa pela bobina do relé ou do contator auxiliar, a bobina é então energizada e magnetiza seu núcleo de ferro que atrai a parte metálica onde estão as partes móveis dos contatos que podem ser normalmente abertos ou normalmente fechados, com isso suas posições se invertem e ficam invertidos até que a corrente na bobina seja interrompida e o dispositivo é então desenergizado.

Relé energizado, tira seus contatos da posição de repouso e fecha que é normalmente aberto e abre quem é normalmente fechado.

Figura 3.2 – Fotos do contator auxiliar e do relé.

 

Figura 3.3 – Relé: Representação física e simbologia.

 

Note que no relé existe um ponto comum de ligação entre o contato normalmente aberto (NA) e o contato normalmente fechado (NF), e os relés podem ter vários grupos de contatos (C, NA e NF), também chamados de contatos reversíveis.

Figura 3.4 – Contator Auxiliar: Representação física e simbologia.

 

Note que no contator auxiliar não existe um ponto comum de ligação entre os contatos , os contatos NA e NF são independentes.

 

No desenho do comando elétrico, ou no diagrama de comando elétrico, ou simplesmente desenho, ou simplesmente diagrama, a bobina dos relés e seus contatos e a bobina dos contatores auxiliares e seus contatos não precisam estar desenhados juntos. A bobina pode estar desenhada em uma folha e seus contatos em outras folhas do desenho, más é necessário indicar na folha onde está desenhada a bobina, onde estão desenhados seus contatos, veremos ao longo do curso.

 

Contator de Potência:

O contator de potência tem o funcionamento idêntico ao contator auxiliar sendo que o contator de potência possui 3 ou 4 contatos de potência, ou seja, contatos que suportam correntes elevadas que são chamados de contatos principais, e, possui também alguns contatos auxiliares para serem utilizados dentro do comando.

 

Sinaleiro e Led:

São dispositivos luminosos que sinalizam os eventos do processo e podem ser construídos com lâmpadas ou com LEDs.

Figura 3.5 – Sinaleiro: Foto e Símbolo.

 

3.2 – Dispositivos de Proteção

Os dispositivos de proteção foram projetados para proteger pessoas contra choque elétrico, proteger os equipamentos de potência contra queimas e evitar danos às instalações elétricas a altas correntes de curto circuito, caso haja algum curto circuito.

 

Fusível:

O fusível possui um condutor de seção transversal calibrada para se fundir ou se romper quando a corrente que circula por ele é maior que a corrente especificada. Além disso o condutor é envolto por uma sílica (areia) de granulação calibrada para extinguir o arco elétrico que se estabelece no momento da fusão do condutor, evitando assim que correntes maiores que as desejadas continuem circulando através do arco elétrico que podem provocar até mesmo a explosão do dispositivo.

Figura 3.6 – Fusível: foto e Símbolo.

 

Figura 3.7 – Fusível: Curvas de Fusão.

 

Relé Térmico:

O relé térmico protege os motores contra queima por sobre carga, caso ocorra uma sobre carga, ela vai solicitar da rede uma corrente superior à corrente ajustada no relé térmico e ele vai atuar, invertendo assim seus contatos que devem ser utilizados no comando para desligar o motor e sinalizar o defeito.

Figura 3.8 – Relé Térmico: foto e Símbolo.

 

Disjuntor Termomagnético:

O disjuntor contempla a função do fusível e a função do relé térmico, ele é chamado de disjuntor termomagnético.

A função térmica atua quando uma corrente de sobrecarga, maior que a corrente do disjuntor, circula por ele por um determinado período de tempo, essa corrente circula através do par bimetálico que existe dentro dele, o par bimetálico então aquece, se deforma e empurra um gatilho que faz com que o mecanismo do disjuntor o desarme.

A função magnética atua quando uma corrente de curto circuito acontece. Um curto circuito solicita uma corrente bastante elevada e que aparece num tempo muito curto (uma corrente alta e rápida), isso magnetiza um núcleo de ferro que existe dentro do disjuntor, já que a corrente circula em forma de espiral (bobina) em torno desse núcleo, então esse núcleo atrai um gatilho que faz com que o mecanismo do disjuntor o desarme.

Figura 3.9Disjuntor: Construção, foto e Símbolo – Correntes térmica e magnética fixas.

Figura 3.10Disjuntor Motor: Foto – o símbolo é o mesmoCorrente térmica ajustável e magnética fixa.

 

Em uma instalação ou comando elétrico, o disjuntor como o da figura 3.8 deve ser especificado para proteger os cabos ou barramentos acima dele ou a jusante dele, portanto deve-se levar em consideração a máxima capacidade de condução de corrente do cabo segundo a forma da instalação tabelada na norma brasileira ABNT – NBR 5410.

Já o disjuntor motor deve ser especificado de maneira que a corrente térmica de ajuste (range de corrente) do disjuntor motor contemple a corrente nominal do motor considerando seu fator de serviço, ou seja, In x FS.

Nos dois casos acima é necessário considerar o valor máximo da corrente de curto circuito no ponto de instalação do disjuntor, essa corrente não deve ser superior à máxima capacidade de interrupção do disjuntor em kA (dado fornecido pelo fabricante do disjuntor).

Importante: A ação do disjuntor por corrente de curto circuito não se deve apenas ao valor da corrente, e sim a uma combinação do valor de corrente e a velocidade com que ela circula pelo disjuntor.

Figura 3.11Curvas de disparo de disjuntores.

 

DR – Dispositivo DR (Diferencial Residual):

O dispositivo DR protege as pessoas e os animais contra os efeitos do choque elétrico por contato direto ou indireto causado por fuga de corrente, Ao detectar uma fuga de corrente na instalação, o Dispositivo DR desliga o circuito (Desarma) imediatamente.

Figura 3.12Dispositivo DR: Foto e Símbolo.

 

3.3 – Dispositivos de regulação

Elementos destinados a regular o valor de variáveis de um processo, tais como: velocidade, tempo, temperatura, pressão, vazão, etc. A seguir vejamos os mais comuns.

 

Reostato e Potenciômetro:

São componentes de resistência variável que serve para regular correntes em sistemas elétricos, exemplo: intensidade luminosa. Reostato para intensidade maior e potenciômetro para intensidade menor.

Figura 3.13Reostato e Potenciômetro: Foto e Símbolo.

 

Transformador:

É um componente que permite adaptar o valor de uma tensão alternada, rebaixando ou elevando o seu valor. O transformador te dois enrolamentos, o primário e o secundário. A tensão que obtemos no secundário pode ser de valor igual (isolador), maior (elevador) ou menor (rebaixador) do que a tensão aplicada no primário.

Figura 3.14Transformador (Trafo): Foto, Construção e Símbolo.

 

Na figura 3.12 temos que:

ɸ = Fluxo magnético.

VP = Tensão no primário.

VS = Tensão no secundário.

IP = Corrente no primário.

IS = Corrente no secundário.

NP = Enrolamento primário.

NS = Enrolamento secundário.

 

O transformador funciona assim:

VP produz a corrente IP.

IP produz o fluxo ɸ.

ɸ produz a tensão VS.

Vs aplicada à carga, produz IS.

 

A relação de transformação do transformador (A) é: A = VS / VP. Assim fica fácil saber qual a tensão termos no secundário do transformador, para tanto basta multiplicarmos VP por A, então: VS = VP . A.

 

Relé de Tempo ou Temporizador com Retardo na Ligação – TON:

Quando o temporizador TON é energizado ele conta o tempo programado e depois desse tempo, seus contatos comutam.

Na figura 3.13 temos um exemplo de funcionamento e seu diagrama de tempos.

No momento em que o botão S é acionado a bobina do temporizador T é energizada.

O temporizador TON T conta o tempo programado e comuta seus contatos.

No momento em que seus contatos são comutados, a corrente circula pela lâmpada L e então ela acende.

A qualquer momento que o botão S é solto ou aberto o temporizador T volta ao seu estado de repouso, a lâmpada L apaga e o tempo é zerado.

Figura 3.15Relé de Tempo ou Temporizador com Retardo na Ligação – TON.

 

Relé de Tempo ou Temporizador com Retardo no Desligamento – TOF:

Quando o temporizador TOF é energizado ele comuta seus contatos, quando então ele é desenergizado ele conta o tempo programado e depois desse tempo, seus contatos voltam ao estado de repouso.

Na figura 3.14 temos um exemplo de funcionamento e seu diagrama de tempos.

No momento em que o botão S é acionado a bobina do temporizador T é energizada.

O temporizador TOF T comuta seus contatos.

No momento em que seus contatos são comutados, a corrente circula pela lâmpada L e então ela acende.

A qualquer momento que o botão S é solto ou aberto o temporizador T é desenergizado, ele conta o tempo programado e então seu contato volta ao seu estado de repouso, a lâmpada L apaga e o tempo é zerado.

Figura 3.16Relé de Tempo ou Temporizador com Retardo no Desligamento – TOF

 

Contador de Impulsos – Contador:

O contador realiza a contagem dos pulsos que são dados na sua entrada de pulsos. Quando a contagem dos pulsos for igual ao número de pulsos programados o contador comuta seus contatos.

Alguns contadores são resetados ou zerados por um pulso em uma entrada de reset, ou simplesmente desenergizando sua bobina. Outros são resetados apenas quando são desenergizados.

Figura 3.17Contador de Impulsos – Contador

 

 

Capítulo 4

 

Diagramas Elétricos de Comando e Potência

4.1 – Partida Direta com Fusível e Relé Térmico.

Figura 4.1 – Partida Direta com Fusível e Relé Térmico – Circuito de Potência.

 

Figura 4.2Partida Direta com Fusível e Relé Térmico – Circuito de Comando com selo.

 

CH1.1: Chave seccionadora para desligar o comando (pode ser a chave geral do painel).

DJ2: Disjuntor de comando – protege a instalação caso haja curto circuito ou sobrecarga no transformador TR1.

TR1: Transformador de comando, rebaixa a tensão da rede que é de 380 Volts nesse caso, para 220 Volts de saída.

DJ3: Disjuntor de comando – protege a instalação e o transformador TR1 caso haja curto circuito ou sobrecarga no circuito de comando.

FT1: Fonte de alimentação que transforma a tensão de 220 Vca para 24 Vcc, atendendo as normas regulamentadoras do ministério do trabalho NR10 e NR12.

Funcionamento do circuito de comando:

  1. Em repouso o contator K1 está desenergizado, portanto todos os seus contatos NA (normalmente aberto) estão abertos e seus contatos NF (normalmente fechado, estão fechados). Se observarmos o circuito de potência da figura 4.1, notaremos que o motor está desligado, pois os contatos de K1 estão abertos

  2. No momento em que o botão B2 (Liga) é acionado, a corrente passa pelo contato do relé térmico RT1 que está fechado, passa pelo botão B1 (Desliga) que está fechado, passa pelo botão B2 (Liga que agora foi fechado), energiza a bobina do contator K1 que comuta seus contatos (Fecha os que estão abertos e abre os que estão fechados).

  3. O contato K1 do circuito de comando em paralelo com o botão B2 é fechado, portanto a corrente passa agora pelo contato do contator K1 também e o botão B2 pode ser solto voltando para a sua posição de repouso NA que o contator K1 continuará energizado por si só, a esse fenômeno chamamos de selo, pois o contator K1 fica selado.

  4. Os contatos do contator K1 do circuito de potência também são comutados e se fecham, sendo assim o motor é ligado e permanece ligado até que o contator K1 seja desenergizado.

  5. No momento em que o botão B1 (Desliga) é acionado ou o contato do relé térmico RT1 seja acionado por sobrecarga no motor, a corrente que circula pelo contator K1 é interrompida desenergizando-o.

  6. Quando o contator K1 é desenergizado, todos os seus contatos retornam à posição de repouso, abrindo o selo e desligando o motor e, permanecendo assim até que o botão B2 (Liga) seja acionado novamente

4.2 – Partida Direta com Disjuntor motor.

Figura 4.3Partida Direta com Disjuntor motor – Circuito de Potência.

 

Figura 4.4Partida Direta com Disjuntor motor – Circuito de Comando com selo.

 

A única diferença é que o contato do RT é NF e o do DJ é NA, o funcionamento é idêntico.

O RT é acionado com a corrente de sobrecarga e precisa ser Resetado através de um botão de Reset na frente dele.

O Disjuntor motor é acionado manualmente através da sua alavanca, e é desarmado ou desacionado pela corrente de curto circuito ou de sobrecarga e, somente é acionado ou rearmado novamente através da sua alavanca.

A tabela que existe abaixo da bobina do contator K1 indica o endereço dos seus contatos Na e NF. As folhas onde estão desenhados os diagramas elétricos ou simplesmente desenho do comando, são demarcadas com linhas e colunas e a indicação por exemplo: “3 x 1.A” está nos informando que existem 3 contatos NA do contator K1 na folha 1, na coluna A..

 

4.3 – Partida Estrela Triângulo com Fusível e Relé Térmico.

 

Figura 4.5Partida Estrela Triângulo Com Fusível e Relé Térmico – Circuito de Potência e Trafo de comando.

 

Figura 4.6Partida Estrela Triângulo Com Fusível e Relé Térmico – Circuito de Comando.

 

Figura 4.7Partida Estrela Triângulo Com Fusível e Relé Térmico – Circuito de Comando – Sinalização.

 

4.4 – Partida Estrela Triângulo com Disjuntor Motor.

 

Figura 4.8Partida Estrela Triângulo Com Disjuntor MotorCircuito de Potência e Trafo de comando.

 

Figura 4.9Partida Estrela Triângulo Com Disjuntor MotorCircuito de Comando.

Figura 4.10Partida Estrela Triângulo Com Disjuntor MotorCircuito de Comando – Sinalização. (IDENTICA FIGURA 4.7)

Exercício 1: Desenhar uma partida direta para um motor de 5 cv / 1750 rpm / 220 V.

Exercício 2: Desenhar um circuito que ligue e desligue 5 lâmpadas. Utilize um contator.

 

Capítulo 5

 

SOFT STARTER E INVERSOR DE FREQUÊNCIA

5.1 – Soft Starter:

Figura 5.1 – Diagrama de ligações da Soft Starter 1.

 

Uma soft starter pode partir vários motores, sendo um de cada vez, Basta utilizarmos um contator para cada motor. Cada vez que a soft starter finaliza uma partida ela nos avisa através de uma de suas saídas digitais, então podemos utilizar essa saída para projetar um comando elétrico que permita retirar o motor dos terminais da soft starter e entregá-lo à rede elétrica, liberando assim a soft starter para partir o próximo motor e assim sucessivamente.

Figura 5.2 – Diagrama de ligações da Soft Starter 2.

 

Durante a rampa de aceleração na partida com uma soft starter o motor perde suas características de torque, portanto para partidas de motores que acionam cargas com torque resistente constante, ou cargas que exigem torque de partida elevado, não é recomendado que se utilize soft starter na partida.

As soft starters são recomendadas para partidas que não requeiram torque nominal durante a aceleração do motor assim como bombas e ventiladores.

Para partidas mais severas recomendamos a utilização de inversores de frequência.

Algumas soft starters possuem controle digital que permite a programação digital da partida como:

Potência do motor.

Proteção de corrente térmica.

Atuação de termistor.

Corrente máxima de saída.

1, 2 e até 3 rampas durante a partida.

1, 2 e até 3 rampas de parada.

Pico de descolamento do rotor (Pico de tensão e corrente na fase inicial de partida)

Funções dos contatos de entrada e saída digitais.

As soft starters analógicas têm 3 potenciômetros para ajuste de rampa de partida e parada e corrente de proteção.

Figura 5.2 – Fotografia panorâmica de um diagrama de ligações da Soft Starter.

 

5.2 – Inversor de frequência:

Figura 5.3 – Diagrama de ligações do inversor de frequência.

 

Figura 5.4– Foto de um inversor de frequência.

 

Os inversores de frequência são utilizados para variar a velocidade dos motores de gaiola.

Como a velocidade do rotor de um motor de gaiola está diretamente relacionada com a frequência da rede, os inversores de frequência ou conversores de frequência, variam a frequência entregue ao motor, variando assim a sua velocidade.

Eles conseguem garantir torque nominal do motor em toda a faixa de velocidade, até a velocidade nominal, 50 Hz para motores de 50 Hz e 60 Hz para motores de 60 Hz.

Quando a frequência entregue a um motor de gaiola está abaixo da sua frequência nominal, o motor pode trabalhar em regime de torque constante, a curva de torque pode ser programada no inversor de frequência.

Quando a frequência entregue a um motor de gaiola está acima da sua frequência nominal, o motor entra em regime de potência constante já que potência é igual a torque vezes rotação (P = T . N), sendo assim, a partir de sua rotação nominal o torque do motor cai proporcionalmente ao acréscimo de velocidade, más sua potência permanece constante.

 

Capítulo 6

 

CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL – CLP OU PLC EM INGLÊS.

 

6.1 – Introdução.

Controlador lógico programável (CLP), também conhecido como PLC (Programable Logic Controler), é um equipamento eletrônico que possui um microprocessador que desempenha funções de controle através de softwares desenvolvidos pelo usuário. É amplamente utilizado na indústria para o controle de diversos tipos e níveis de complexidade. Geralmente as famílias de Controladores Lógicos Programáveis são definidas pela capacidade de processamento de um determinado número de pontos de Entradas e Saídas (E/S), em inglês Inputs and Outputs (I/Os).

O CLP nasceu praticamente dentro da indústria automobilística, especificamente na Hydramatic Division da General Motors, em 1968, sob o comando do engenheiro Richard Morley, fundador da Modicon (hoje uma marca da Schneider Electric) e seguindo uma especificação que refletia as necessidades de muitas indústrias manufatureiras.

 

6.2 – Hardware.

    

Figura 6.1PLC Schneider – modelo – TM218. Figura 6.2PLC Schneider – modelo – TM241.

 

As famílias de PLCs são definidas pela sua capacidade de processamento, capacidade de aceitar módulos de expansão de entradas e saídas, velocidade de processamento e conectividade com redes industriais e rede Ethernet.

Os dois modelos das figuras 6.1 e 6.2 possuem 23 entradas digitais, 16 saídas digitais, 1 porta Ethernet, e 1 porta RS485 para comunicação MODBUS.

Podem ser expandidos com 7 módulos de expansão tanto digitais quanto analógicos podendo chegar até 200 pontos de I/O ou E/S.

Nas entradas digitais, podemos ligar botões, sensores de fim de curso, sensores digitais, etc.

Nas saídas digitais podemos ligar partidas de motores, contatores de iluminação, inversores de frequência ()liga/desliga), etc.

Nas entradas analógicas, podemos ligar conversores de temperatura, conversores de pressão, transdutores de posição, potenciômetros, etc.

Nas saídas analógicas podemos ligar, inversores de frequência (velocidade), válvulas proporcionais, dimers de iluminação, etc.

O PLC faz a leitura de todas as entradas, efetua o processamento do software desenvolvido pelo projetista e então escreve seus resultados nas saídas, realizando assim o controle dos processos e máquinas de acordo com os softwares internos, suas equações e seus resultados.

 

6.3 – Software.

Os circuitos elétricos de comando, podem ter seus diagramas elétricos escritos em forma de software dentro do PLC e dessa forma controlar os atuadores dos processos e máquina, assim como, as velocidades através dos inversores de frequência, as pressões através de válvulas e outras grandezas.

O software dos PLCs são regulamentados pelo conjunto de normas europeias IEC, mais especificamente a IEC1131-3 (International Electrotechnical Commission), que estabelece que entre outros requisitos os softwares devem possibilitar o desenvolvimento da aplicação em 5 linguagens diferentes a escolha do projetista, que são:

  1. Diagrama Ladder ou Ladder Diagram - LD. É a linguagem largamente conhecida e dominada por profissionais oriundos da elétrica industrial tradicional. O nome ladder (escada em inglês), provem do fato que a disposição dos contatos e bobinas é realizada, de maneira geral, na vertical, que lembra o formato de uma escada.

  2. Blocos de Função ou Function Block Diagram - FBD. É a linguagem utilizada por profissionais oriundos da eletrônica industrial.

  3. Funções sequenciais ou Sequential Function Chart - SFC. Uma liguagem que estabelece uma sequência de acontecimentos, também utilizada por eletrônicos.

  4. Lista de instruções ou Instruction List - IL. Uma linguagem largamente utilizada por programadores em assembler, uma linguagem mais próxima da máquina (microprocessador).

  5. Linguagem estruturada ou Structured Text - ST. Uma linguagem mais próxima da linguagem humana utilizada por programadores mais modernos.

Os softwares de comando elétrico e controle de processo, podem ser escritos em qualquer uma das 5 linguagens acima, a escolha depende da formação do profissional e sua origem técnica.

Nesse nosso estudo trataremos superficialmente da linguagem LADDER.

Figura 6.3– Diagrama LADDER com entradas e saídas.

 

Figura 6.4– Diagrama LADDER com 1 temporizador.

 

Figura 6.5– Diagrama LADDER com 1 contador.

 

6.4 – IHM – Interface Homem Máquina.

IHM é um display onde podemos escrever valores para que o PLC leia e utilize no seu processamento, por exemplo: valores de tempo, temperatura, pressão, etc.

A IHM também nos mostra valores provenientes do campo ou dos resultados de cálculos dos processamentos do PLC.

A IHM pode nos mostrar também as falhas e os alarmes do processo ou da máquina, por exemplo se um disjuntor desarmou e qual disjuntor, se um inversor de frequência desarmou e qual inversor, se queimou uma resistência e qual resistência, etc.

Figura 6.6Algumas IHMs.

 

É importante saber que os valores que uma IHM mostra ou escreve no PLC, somente podem existir se existir também no software de controle do PLC.

Uma IHM pode ter várias telas, ao sabor do projetista, e essas telas ficam menos ou mais bonitas e funcionais em função das habilidades artísticas do projetista, más os valores de grandezas físicas associadas a essa IHM devem existir dentro do software do PLC.

As IHMs são geralmente conectadas aos PLCs através de cabos de comunicação, entretanto nos dias atuais uma IHM pode se conectar a um PLC até mesmo via Internet.

 

6.5SCADA (supervisory control and data acquisition) – Supervisório

Os supervisórios são sistemas desenvolvidos em softwares com telas gráficas e amigáveis para supervisionar e interagir com processos e controles a distância.

Os supervisórios são instalados em Pcs, Tablets e até smart fones, e, podem se comunicar com um PLC até mesmo via Internet.

Podemos nos dias atuais ter vários PLCs em várias plantas diferentes em locais diferentes, todos conectado a um sistema supervisório em qualquer lugar do planeta.

Figura 6.7Sistema supervisório simples.

 

Figura 6.8 Sistema supervisório de grande porte (Operador Nacional do Sistema Elétrico – Brasil).

 

Figura 6.9 Topologia WEB dos Sistemas supervisórios.