FUMEP – Fundação Municipal de Ensino de Piracicaba
EEP – Escola de Engenharia de Piracicaba
COTIP – Colégio Técnico Industrial de Piracicaba
CURSO DE COMANDOS ELÉTRICOS
Prof. Marcelo Eurípedes da Silva
Piracicaba, 18 de Fevereiro de 2006
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Apostila de acionamento de motores, Notas de estudo de Circuitos Elétricos
Apostila de comandos e acionamentos elétricos -eletrônicos de motores
Tipologia: Notas de estudo
2023
1 / 39
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FUMEP – Fundação Municipal de Ensino de Piracicaba
EEP – Escola de Engenharia de Piracicaba
COTIP – Colégio Técnico Industrial de Piracicaba
CURSO DE COMANDOS ELÉTRICOS
Prof. Marcelo Eurípedes da Silva Piracicaba, 18 de Fevereiro de 2006
1) Introdução
Conceitualmente o estudo da eletricidade é divido em três grandes áreas: a geração, a distribuição e o uso. Dentre elas a disciplina de comandos elétricos está direcionada ao uso desta energia, assim pressupõe-se aqui que a energia já foi gerada, transportada a altas tensões e posteriormente reduzida aos valores de consumo, com o uso de transformadores apropriados. Por definição os comandos elétricos tem por finalidade a manobra de motores elétricos que são os elementos finais de potência em um circuito automatizado. Entende-se por manobra o estabelecimento e condução, ou a interrupção de corrente elétrica em condições normais e de sobre-carga. Os principais tipos de motores são:
- Motor de Indução
- Motor de corrente contínua
- Motores síncronos
- Servomotores
- Motores de Passo
Os Servomotores e Motores de Passo necessitam de um “driver” próprio para o seu acionamento, tais conceitos fogem do escopo deste curso. Dentre os motores restantes, os que ainda têm a maior aplicação no âmbito industrial são os motores de indução trifásicos, pois em comparação com os motores de corrente contínua, de mesma potência, eles tem menor tamanho, menor peso e exigem menos manutenção. A figura 1.1 mostra um motor de indução trifásico típico.
Figura 1.1 – Motor de Indução Trifásico
O motor de indução tem características próprias de funcionamento, que são interessantes ao entendimento dos comandos elétricos e serão vistos em capítulos posteriores.
I. Coordenação do tipo 1 : Sem risco para as pessoas e instalações, ou seja, desligamento seguro da corrente de curto-circuito. Porém podem haver danos ao contator e ao relé de sobrecarga. II. Coordenação do tipo 2 : Sem risco para as pessoas e instalações. Não pode haver danos ao relé de sobrecarga ou em outras partes, com exceção de leve fusão dos contatos do contator e estes permitam uma fácil separação sem deformações significativas.
O relé de sobrecarga , os contatores e outros elementos em maiores detalhes nos capítulos posteriores, bem como a sua aplicação prática em circuitos reais. Em comandos elétricos trabalhar-se-á bastante com um elemento simples que é o contato. A partir do mesmo é que se forma toda lógica de um circuito e também é ele quem dá ou não a condução de corrente. Basicamente existem dois tipos de contatos, listados a seguir:
i. Contato Normalmente Aberto (NA) : não há passagem de corrente elétrica na posição de repouso, como pode ser observado na figura 1.3(a). Desta forma a carga não estará acionada. ii. Contato Normalmente Fechado (NF) : há passagem de corrente elétrica na posição de repouso, como pode ser observado na figura 1.3(b). Desta forma a carga estará acionada.
Figura 1.3 – Representação dos contatos NA e NF
Os citados contatos podem ser associados para atingir uma determinada finalidade, como por exemplo, fazer com que uma carga seja acionada somente quando dois deles estiverem ligados. As principais associações entre contatos são descritas a seguir.
1.1) Associação de contatos normalmente abertos
Basicamente existem dois tipos, a associação em série (figura 1.4a) e a associação em paralelo (1.4b). Quando se fala em associação de contatos é comum montar uma tabela contendo todas as combinações possíveis entre os contatos, esta é denominada de “ Tabela Verdade ”. As tabelas 1.1 e 1.2 referem-se as associações em série e paralelo. Nota-se que na combinação em série a carga estará acionada somente quando os dois contatos estiverem acionados e por isso é denominada de “ função E ”. Já na combinação em paralelo qualquer um dos contatos ligados aciona a carga e por isso é denominada de “ função OU ”.
Figura 1.4 – Associação de contatos NA
Tabela 1.1 – Associação em série de contatos NA CONTATO E1 CONTATO E2 CARGA repouso repouso desligada repouso acionado desligada acionado repouso desligada acionado acionado ligada
Tabela 1.2 – Associação em paralelo de contatos NA CONTATO E1 CONTATO E2 CARGA repouso repouso desligada repouso acionado ligada acionado repouso ligada acionado acionado ligada
Nos próximo capítulo serão mostrados alguns dos elementos fundamentais em um painel elétrico, todos contendo contatos NA e NF. Posteriormente descrever-se-á como estes elementos podem ser associados para formar uma manobra de cargas.
2) Principais elementos em comandos elétricos
Neste capítulo o objetivo é o de conhecer as ferramentas necessárias à montagem de um painel elétrico. Assim como para trocar uma simples roda de carrro, quando o pneu fura, necessita-se conhecer as ferramentas próprias, em comandos elétricos, para entender o funcionamento de um circuito e posteriormente para desenhar o mesmo, necessita-se conhecer os elementos apropriados. A diferença está no fato de que em grandes painéis existem altas correntes elétricas que podem levar o operador ou montador a riscos de vida. Um comentário importante neste ponto é que por via de regra os circuitos de manobra são divididos em “ comando ” e “ potência ”, possibilitando em primeiro lugar a segurança do operador e em segundo a automação do circuito. Embora não pareça clara esta divisão no presente momento, ela tornar-se-á comum a medida que o aluno familiariza-se com a disciplina.
2.1) Botoeira ou Botão de comando
Quando se fala em ligar um motor, o primeiro elemento que vem a mente é o de uma chave para ligá-lo. Só que no caso de comandos elétricos a “chave” que liga os motores é diferente de uma chave usual, destas que se tem em casa para ligar a luz por exemplo. A diferença principal está no fato de que ao movimentar a “chave residencial” ela vai para uma posição e permanece nela, mesmo quando se retira a pressão do dedo. Na “chave industrial” ou botoeira há o retorno para a posição de repouso através de uma mola, como pode ser observado na figura 2.1a. O entendimento deste conceito é fundamental para compreender o porque da existência de um selo no circuito de comando.
Figura 2.1 – (a) Esquema de uma botoeira – (b) Exemplos de botoeiras comerciais A botoeira faz parte da classe de componentes denominada “ elementos de sinais ”. Estes são dispositivos pilotos e nunca são aplicados no acionamento direto de motores.
Figura 2.2 – Diagrama esquemático de um relé
Em um painel de comando, as botoeiras, sinaleiras e controladores diversos ficam no circuito de comando. Do conceito de relés pode-se derivar o conceito de contatores, visto no próximo item.
2.3) Contatores
Para fins didáticos pode-se considerar os contatores como relés espandindos pois o principio de funcionamento é similar. Conceituando de forma mais técnica, o contator é um elemento eletro-mecânico de comando a distância , com uma única posição de repouso e sem travamento. Como pode ser observado na figura 2.3, o contator consiste basicamente de um núcleo magnético excitado por uma bobina. Uma parte do núcleo magnético é móvel, e é atraído por forças de ação magnética quando a bobina é percorrida por corrente e cria um fluxo magnético. Quando não circula corrente pela bobina de excitação essa parte do núcleo é repelida por ação de molas. Contatos elétricos são distribuídos solidariamente a esta parte móvel do núcleo, constituindo um conjunto de contatos móveis. Solidário a carcaça do contator existe um conjunto de contatos fixos. Cada jogo de contatos fixos e móveis podem ser do tipo Normalmente aberto (NA), ou normalmente fechados (NF).
Figura 2.3 – Diagrama esquemático de um contator com 2 terminais NA e um NF
Os contatores podem ser classificados como principais (CW, CWM) ou auxiliares (CAW). De forma simples pode-se afirmar que os contatores auxiliares tem corrente máxima de 10A e possuem de 4a 8 contatos, podendo chegar a 12 contatos. Os contatores principais tem corrente máxima de até 600A. De uma maneira geral possuem 3 contatos principais do tipo NA, para manobra de cargas trifásicas a 3 fios. Um fator importante a ser observando no uso dos contatores são as faíscas produzidas pelo impacto, durante a comutação dos contatos. Isso promove o desgaste natural dos mesmos, além de consistir em riscos a saúde humana. A intensidade das faíscas pode se agravar em ambientes úmidos e também com a quantidade de corrente circulando no painel. Dessa forma foram aplicadas diferentes formas de proteção, resultando em uma classificação destes elementos. Basicamente existem 4 categorias de emprego de contatores principais:
a. AC1 : é aplicada em cargas ôhmicas ou pouco indutivas, como aquecedores e fornos a resistência. b. AC2 : é para acionamento de motores de indução com rotor bobinado. c. AC3 : é aplicação de motores com rotor de gaiola em cargas normais como bombas, ventiladores e compressores. d. AC4: é para manobras pesadas, como acionar o motor de indução em plena carga, reversão em plena marcha e operação intermitente.
A figura 2.4 mostra o aspecto de um contator comum. Este elemento será mais detalhado em capítulos posteriores.
Para a proteção contra a sobrecarga existe um elemento térmico (bi-metálico). Para a proteção contra curto-circuito existe um elemento magnético. O disjuntor precisa ser caracterizado, além dos valores nominais de tensão, corrente e freqüência, ainda pela sua capacidade de interrupção, e pelas demais indicações de temperatura e altitude segundo a respectiva norma, e agrupamento de disjuntores, segundo informações do fabricante, e outros, que podem influir no seu dimensionamento. A figura 2.5 mostra o aspecto físico dos disjuntores comerciais.
Figura 2.5 – Aspecto dos disjuntores de três e quatro pólos
2.6) Relé Térmico ou de Sobrecarga
Antigamente a proteção contra corrente de sobrecarga era feita por um elemento separado denominado de relé térmico. Este elemento é composto por uma junta bimetálica que se dilatava na presença de uma corrente acima da nominal por um período de tempo longo. Atualmente os disjuntores englobam esta função e sendo assim os relés de sobrecarga caíram em desuso.
2.7) Simbologia gráfica
Até o presente momento mostrou-se a presença de diversos elementos constituintes de um painel elétrico. Em um comando, para saber como estes elementos são ligados entre si é necessário consultar um desenho chamado de esquema elétrico. No desenho elétrico cada um dos elementos é representado através de um símbolo. A simbologia é padronizada através das normas NBR, DIN e IEC. Na tabela 2.1 apresenta-se alguns símbolos referentes aos elementos estudados nos parágrafos anteriores.
Tabela 2.1 – Simbologia em comandos elétricos
SÍMBOLO DESCRIÇÃO SÍMBOLO DESCRIÇÃO Botoeira NA Botoeira NF
Botoeira NA com retorno por mola
Botoeira NF com retorno por mola
Contatos tripolares NA, ex: contator de potência
Fusível
Acionamento eletromagnético, ex: bobina do contator
Contato normalmente aberto (NA) Relé térmico Contato normalmente fechado (NF) Disjuntor com elementos térmicos e magnéticos, proteção contra correntes de curto e sobrecarga
Acionamento temporizado na ligação
Disjuntor com elemento magnético, proteção contra corrente de curto-circuito
Lâmpada / Sinalização
Transformador trifásico Motor Trifásico
4) Laboratório: Partida direta de Motores com sinalização
Objetivo : Neste laboratório o objetivo é o de consolidar os conceitos introduzindo os elementos de sinalização no comando.
Figura 4.1 – Circuitos de comando e potência para uma partida direta de motores com sinalização
Componentes : 1 Disjuntor tripolar (Q1), 1 disjuntor bipolar (Q2), 1 relé térmico (F2), 1 contator (K1), 1 botoeira NF (S0), 1 botoeira NA (S1), 1 Motor trifásico (M1), 1 lâmpada verde (H1), 1 lâmpada amarela (H2), 1 lâmpada vermelha (H3).
5) Laboratório: Partida de Motores com reversão
Objetivo : Acionar, de forma automática, um motor com reversão do sentido de rotação, mostrando algumas similaridades com a partida direta. Introduzir o conceito de “ intertravamento ”.
Figura 5.1 – Circuitos de comando e potência para uma partida com reversão
Componentes : 1 Disjuntor tripolar (Q1), 1 disjuntor bipolar (Q2), 1 relé térmico (F2), 2 contatores (K1 eK2), 1 botoeira NF (S0), 2 botoeiras NA (S1 e S2), 1 Motor trifásico (M1).
Exercício: Desenhar e montar o circuito da sinalização da seguinte maneira: lâmpada verde indica motor girando no sentido horário, lâmpada amarela no sentido anti-horário e lâmpada vermelha atuação do relé de sobrecarga.
E) Circuito paralelo ao intertravamento
No caso de um intertravamento entre contatos, o contato auxiliar de selo, não deve criar um circuito paralelo ao intertravamento, caso este onde o efeito de segurança seria perdido.
F) Intertravamento com dois contatos
Dois contatos de intertravamento, ligados em série, elevam a segurança do sistema. Estes devem ser usados quando acionando altas cargas com altas correntes.
G) Ligamento condicionado
Um contato NA do contator K2, antes do contator K1, significa que K pode ser operado apenas quando K2 estiver fechado. Assim condiciona-se o funcionamento do contator K1 ao contator K2.
F) Proteção do sistema
Os relés de proteção contra sobrecarga e as botoeiras de desligamento devem estar sempre em série.
G) Intertravamento com botoeiras
O intertravamento, também pode ser feito através de botoeiras. Neste caso, para facilidade de representação, recomenda-se que uma das botoeiras venha indicada com seus contatos invertidos. Não se recomenda este tipo de ação em motores com cargas pesadas.
H) Esquema Multifiliar
Nesta representação todos os componentes são representados. Os aparelhos são mostrados de acordo com sua seqüência de instalação, obedecendo a construção física dos mesmos. Não são indicados nos circuitos de circulação de corrente. A posição dos contatos é feita com o sistema desligado (sem tensão). A disposição dos aparelhos pode ser qualquer uma, com a vantagem de que eles são facilmente reconhecidos, sendo reunidos por trações de contorno, se necessário.