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3.3 PROTEÇÃO E ACIONAMENTOS ELEMENTARES DE MÁQUINAS
ELÉTRICAS
As instalações elétricas de baixa tensão são projetadas e executadas para disponibilizar energia elétrica suficiente para atender a demanda de carga requisitada em uma determinada aplicação. Isto implicada na capacidade de conduzir e seccionar a condução de corrente elétrica por um circuito durante seu funcionamento normal. Entretanto, as instalações estão sujeitas a defeitos, e são colocadadas em condições anormais de funcionamento, como por exemplo quando provocam elevações na intensidade de corrente elétrica que circula pelos condutores em relação ao valor de corrente nominal de projeto. A NBR 5410 chama este regime de funcionamento anormal de sobrecorrentes, e exige a utilização de dispositivos de proteção elétrica para proteção dos condutores das instalções elétricas. As falhas por sobrecorrentes podem ser dividivas basicamente entre sobrecargas e cuto-circuitos, e as instalações elétricas devem ser projetadas de maneira o circuito seja apto a conduzir por determinado tempo e seccionar automaticamente correntes sob essas condições anormais de funcionamento.
Dispositivos Elétricos de Proteção
A proteção das instalações elétricas em sistemas de automação é um dos pontos de maior investimento nos projetos de automação e acionamento, engloba desde auditorias na rede elétrica de unidades fabris até o desenvolvimento e a utilização de equipamentos de proteção contra surtos de tensão, picos de corrente e sobreaquecimento dos dispositivos protegidos.
A seguir, a descrição dos principais dispositivos utilizados para proteção contra sobrecorrentes em instalações elétricas de baixa tensão.
Fusíveis Os fusíveis são dispositivos destinados a proteção, apresentando destaque na proteção contra a ação de correntes de curto-circuito, podendo porém, também atuar em circuitos sob condições de sobrecarga, caso não existam nesse circuito, dispositivos de proteção contra tais correntes, como os relés de sobrecarga [ SIEMENS, 2003].
Sua atuação deve-se a fusão de um elemento pelo efeito Joule, provocado quando existe uma corrente superior ao seu valor especificado, por um determinado período de tempo. Tal fusão provoca a abertura do circuito, interrompendo correntes anormais de operação.
Estes dispositivos são largamente utilizados, possuem diversos tipos construtivos e formas de aplicação ou categorias de emprego.
Figura 3.34. Fusíveis unipolar e tripolar
Exemplo de construção de um fusível.
Figura – Esquemático de fusível NH, baseado de SIEMENS, 2003
De acordo com a norma NBR IEC 60.269-1 os fusíveis podem ser classificados conforme sua faixa de interrupção e categorias de utilização, definidas através de duas letras: a primeira letra indica a faixa
Figura - Fusíveis tipo Cilindrico, Diazed e NH (Fabricante Siemens)
Em catálogos de fabricantes, encontram-se tipicamente as seguintes curvas características:
Figura - Exemplo de curva tempo-corrente para fusíveis retardados
Relé de proteção contra sobrecarga A sobrecarga é uma situação que leva a um sobreaquecimento por perda joule, que os materiais utilizados somente suportam até um determinado valor e por tempo limitado. Em motores elétricos, as sobrecargas são originadas por uma das seguintes causas:
- Rotor bloqueado;
- Elevada freqüência de manobra;
- Partida difícil ( prolongada );
- Sobrecarga em regime de operação;
- Falta de fase;
- Desvio de tensão e de freqüência. A função do relé de sobrecarga é a de atuar antes que esses limites de deterioração sejam atingidos, garantindo uma vida útil apropriada aos componentes do circuito [SIEMENS, 2003]. O sistema de detecção pode ser térmico, com base em elementos bimetálicos, ou eletrônico. O princípio de funcionamento do elemento bimetálico é baseado em sua composição dois ou mais metais trefilados com coeficientes de dilatação diferentes, quando a alta corrente elétrica aquece os condutores, os metais sofrem uma deformação. Essa deformação encurva o bimetal, dispara os contatos fixo e móvel do dispositivo e interrompe a condução elétrica, conforme a figura a seguir.
Figura – Esquemático de um relé de sobrecarga, baseado de SIEMENS, 2003
Figura – Esquemático de um disjuntor, baseado de Siemens, 2003
Um disjuntor é basicamente constituído por um relé, com um elemento de disparo (disparador) e um elemento de corte (interruptor), é dotado também de meios de extinção do arco elétrico (câmaras de extinção do arco elétrico). O disjuntor mais comum é o termomagnético, que possui um elemento eletromagnético para a proteção contra curtos–circuitos e um elemento térmico, constituído por uma lâmina bimetálica, para a proteção contra sobrecargas.
Para sobrecarga, o princípio de funcionamento é idêntico ao apresentado para os relés de sobrecarga. Para o caso de curtos-circuitos, utiliza-se como elemento de disparo o campo magnético. O disparador magnético utiliza uma bobina como mecanismo responsável pela detecção e pela abertura do disjuntor. O aumento brusco da corrente causa um efeito eletromagnético no disjuntor, pois em torno do disparador magnético há um condutor elétrico envolto em um eletroímã com uma parte móvel. No instante em que a corrente flui, cria-se um campo magnético que faz o eletroímã atrair a parte móvel, que abre os contatos (fixo e móvel) do disjuntor, interrompendo a condução corrente de falha.
Esta rápida abertura dos contatos provoca uma faísca que continua, por um tempo, a transmitir a corrente elétrica pelo ar. Para que o curto-circuito seja completamente interrompido, esse arco elétrico também precisa ser extinto. Nos disjuntores há, portanto, um componente chamado câmara de extinção de arco, cuja função é dissipar esse arco voltaico.
Notas de Aula – SEL0406 | Prof. Dennis Brandão | SEL
A capacidade de ruptura dos disjuntores, trata consegue desarmar ao ocorrer um curto especificações técnicas é o kilo-Ampére apresentada a seguir.
Figura 3.31. Simbologia para disjuntor t
Figura 3.32. Curva característica de disjuntores
SEL0406 | Prof. Dennis Brandão | SEL-EESC-USP Página
A capacidade de ruptura dos disjuntores, trata-se da máxima corrente que o dispos consegue desarmar ao ocorrer um curto-circuito, e a unidade de medida mais utilizada nas mpére [kA]. A simbologia para o elemento disjuntor tripolar é
Figura 3.31. Simbologia para disjuntor tripolar
Figura 3.32. Curva característica de disjuntores
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se da máxima corrente que o dispositivo circuito, e a unidade de medida mais utilizada nas A simbologia para o elemento disjuntor tripolar é
3.4 TIPOS DE ACIONAMENTO ELEMENTARES DE MÁQUINAS ELÉTRICAS
Assim como a transformação de energia pneumática em trabalho mecânico é essencial em sistemas automatizados, diversas vezes existe a necessidade de uma dinâmica de reação mais rápida, além da aplicação de potência e/ou torque mais elevados. Faz-se muito usual, portanto, a aplicação de máquinas elétricas, compostas basicamente por motores DC, AC síncronos, AC assíncronos, de passo e motores brushless. Nesta seção serão mencionadas algumas técnicas simples e elementares de acionamento AC.
Acionamento de motores elétricos AC por lógica a relé Da mesma forma como se acionam atuadores pneumáticos por circuitos lógicos à relé, é possível a construção de circuitos para o acionamento de outras classes de atuadores, tais como atuadores elétricos rotativos, ou motores elétricos.
A simbologia utilizada para motores elétricos trifásicos de indução é apresentada a seguir. O motor pode possuir seis terminais com terra de proteção para ligações estrela e triângulo (fixa e variável), ou doze terminais e terra de proteção para ligações em estrela e triângulo em série ou paralelo.
Figura 3.30. (a) Simbologia para motor elétrico de indução trifásico com três terminais e terra de proteção para ligação fixa em estrela ou triângulo e (b) simbologia para motor elétrico de indução trifásico com seis terminais e terra de proteção
Segundo o relatório do Ministério de Minas e Energia sobre balanço energético nacional de 2008, 46,7% do total de energia elétrica produzida no Brasil é consumida pelo setor industrial [EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA, 2008]. Em uma indústria de processo por exemplo, o consumo de energia elétrica representa o segundo maior custo, sendo inferior apenas da matéria-prima. Aproximadamente 64% do valor de eletricidade alimentam motores elétricos [SHAIKH, 2006]. Na operação de motores elétricos, um dos instantes mais críticos é em sua partida, onde os motores solicitam uma corrente maior do que em regime de serviço contínuo, devido a mudança do estado de inércia do motor. Este fato gera um pico de corrente ou corrente de inrush , que pode chegar de seis a oito vezes a corrente nominal do motor [FRANCHI, 2008]. Esta elevada corrente absorvida pelo motor percorre toda a rede de alimentação que deverá ser dimensionada para suportá-la.
Critérios para dimensionamento de partida de motores
Existem diversos métodos de partida para os motores elétricos, segue abaixo os principais critérios para se considerar na escolha do mais apropriado para cada aplicação:
- Características da máquina a ser acionada (CARGA): deve-se atentar para o momento de inércia e torque resistente da carga, que implica no valor de corrente e tempo de partida;
- Circunstancias da disponibilidade de potência de alimentação: deve limitar as perturbações da rede elétrica, principalmente na partida dos motores, por exemplo: quedas de tensão, sobrecarga do sistema de alimentação (geradores, transformadores, rede UPS, etc);
- Confiabilidade do serviço: verificar a necessidade de controle de velocidade, posição ou torque, inversão de rotação, entre outros;
- Distância da fonte de alimentação, devido a queda de tensão em regime normal de operação.
Dimensionamentos dos circuitos dos motores elétricos Além do método de partida, deve ser analisado também as proteções do circuito do motor. Segundo a NBR5410, os seguintes requisitos devem ser analisados para dimensionamento dos circuitos dos motores:
- Capacidade de condução de corrente
- Queda de tensão em regime permanente e na partida do motor Basicamente são necessários os seguintes componentes para o circuito de potência de um acionamento de motor assíncrono:
- Seccionamento;
Ao acionarmos o motor desta maneira, solicitamos da fonte de alimentação uma corrente de 6 a 8 vezes a corrente nominal do motor. Isto pode causar queda de tensão na alimentação que seja para a rede ou para outros consumidores da mesma instalação [SIEMENS, 2003]. Por outro lado o motor elétrico acionado desta maneira, aplica um alto torque no eixo do motor e na carga que está acionando, fazendo com que a partida seja bastante robusta. De acordo com a carga a ser acionado esse pico de corrente pode se estender por mais ou menos tempo durante a partida, assim, quanto maior o valor do conjugado resistente da carga, maior será o tempo de partida, mantendo-se a corrente elétrica que flui no motor elevada. A Figura 3 mostra esta relação entre corrente e conjugado do motor, em relação ao conjugado resistente da carga a ser acionada.
FIGURA 3 – DESENVOLVIMENTO DA PARTIDA DIRETA (BASEADO DE SIEMENS, 2003)
A norma NBR-5410 estabelece como limite para partida direta a potência de 5cv em quando a alimentação é fornecida por concessionária de energia que não defina limites. Existem diversos típicos de partidas diretas de motores elétricos, os mais utilizados estão ilustrados através de seus circuitos de potência na Figura 4, de comando na Figura 5 e a Tabela 1 mostra os equipamentos utilizados.
FIGURA 4 – TÍPICOS DE PARTIDA DIRETA CONVENCIONAL (BASEADO EM CONFIGURATION TOOL – SIEMENS, 2010)
FIGURA 5 – EXEMPLOS DE COMANDOS PARA TÍPICOS DE PARTIDA DIRETA
TABELA 1 – COMPONENTES UTILIZADOS EM PARTIDAS DIRETA E REVERSORA
Referência Descrição Tipo de Componente Norma Técnica
K1 Contator de potência Manobra NBR EC 60947- 4
Q1 Disjuntor Motor Proteção (Curto-circuito) Proteção (Sobrecarga)
NBR IEC 60947- 2
Q1 Disjuntor Motor (magnético)
Proteção (Curto-circuito) NBR IEC 60947- 2
que os contatores devem ser intertravados mecanicamente e/ou eletricamente para evitar que sejam acionados no mesmo instante, provocando um curto-circuito. Estão ilustrados nas Figura 6 e Figura 7 os circuitos de potência e comando mais utilizados na partida reversora, e a Tabela 1 mostra os equipamentos que a compõem.
FIGURA 6 - TÍPICOS DE PARTIDA REVERSORA CONVENCIONAL (BASEADO EM CONFIGURATION TOOL – SIEMENS, 2010)
FIGURA 7 – EXEMPLOS DE COMANDOS PARA TÍPICOS DE PARTIDA REVERSORA
Partida estrela-triângulo
A partida estrela-triângulo consiste em aplicar uma tensão reduzida aos enrolamentos do motor durante sua aceleração (através da ligação em estrela, aplica-se 58% da tensão nominal da rede), e após período de partida, quando estiver próximo a sua rotação nominal, se aplicar a tensão de rede (ligando os enrolamentos do motor em triângulo). A comutação da ligação de estrela para triângulo é realizada através de contatores, comando por um relé de tempo associado ao comando desses contatores [SIEMENS, 2003]. Aplicando ao motor uma tensão menor que a nominal durante a partida, é possível limitar a corrente que varia proporcionalmente com a tensão aplicada. Assim, este tipo de partida proporciona uma redução do valor do pico de corrente de partida, porém também oferecendo redução do torque nominal do motor no momento da partida. A Figura 8 mostra as relações:
FIGURA 8 - DESENVOLVIMENTO DA PARTIDA ESTRELA-TRIÂNGULO (BASEADO DE SIEMENS, 2003)
A Figura 9 mostra os típicos de partida estrela-triângulo mais utilizados, a Figura 10 exibe o circuito de comando e a Tabela 1 os equipamentos que a compõem.
- grande quantidade de equipamentos na configuração dificultam a instalação e manutenção;
- ocupa mais espaço nos painéis elétricos, quando comparadas as partidas diretas e soft starters;
- necessidade de utilizar seis cabos para ligação nos motores.
