Comandos Elétricos

1 - INTRODUÇÃO

Dentro das aplicações da eletricidade de potência, o setor industrial é sem sombra de dúvidas a mais importantes, sobretudo porque representa a maior parcela da transformação da energia elétrica em outros tipos de energia.

Como tal, a industria é o palco das atividades exercidas pela maioria dos profissionais da área elétrica, seja na forma de projetos elétricos, instalação de acessórios e equipamentos, ou mesmo da automação industrial.

Dentro desta área de conhecimento situa-se a área de comandos elétricos que representa técnicas e métodos que são empregados para controlar/manipular acionamentos de máquinas e equipamentos.

O comando elétrico é composto de circuito de força, onde são registrados e ligadas as cargas, o circuito de comando que contempla as lógicas de acionamento de dispositivos de manobra e proteção das cargas como por exemplo, os motores elétricos.

2 - PRINCÍPIOS BÁSICOS

2.1 - Como funciona o motor trifásico de indução CA??

São os mais utilizados porque na maioria dos casos a distribuição de energia elétrica é feita em corrente alternada. Seu princípio de funcionamento é Baseado no campo magnético girante, que surge quando um sistema de correntes alternadas trifásico é aplicada em pólos defasados fisicamente de 120 º. Dessa forma, com a defasagem de 120º entre as correntes surge o campo magnético em cada conjunto de bobinas do motor, estes campos magnéticos gerados formam o que chamamos de Campo Magnético Girante.

Motor de indução: funciona normalmente com velocidade constante, que varia ligeiramente com a carga mecânica aplicada ao eixo. Devido a sua grande simplicidade, robustez e baixo custo, é o motor mais utilizado de todos, sendo Adequado para quase todos os tipos de máquinas acionadas encontradas na prática. Atualmente é Possível controlarmos uma velocidade dos motores de indução com o auxílio de inversores de freqüência.

A aplicação de tensão alternada nos enrolamentos do estator Irá Produzir um campo magnético variante no tempo que Devido a distribuição uniforme do enrolamento do estator Irá Gerar um Campo Magnético Girante. Sua velocidade  proporcional à freqüência da rede trifásica. O fluxo magnético girante no estator atravessará o entreferro e por ser variante no tempo induzirá tensão alternada no enrolamento trifásico do rotor. Como os enrolamentos do rotor estão curto circuitados essa tensão induzida fará com que circule uma corrente pelo enrolamento do rotor o que por conseqüência ira Produzir um fluxo magnético do rotor que Tentará se alinhar com o campo magnético girante do estator.

3 - FECHAMENTO MOTOR ELÉTRICO TRIFÁSICODE 6 PONTAS

3.1.1 - Fechamento em Triângulo

Na maioria dos casos os motores possuem 6 pontas de cabos em sua caixa de ligação (conforme visto no vídeo acima). O fechamento em triângulo proporciona o fechamento na menor tensão suportada, por exemplo: um motor que suporte 380V e 220V o fechamento em triângulo será para a tensão de 220V.

Será possível entender na ilustração abaixo como realizar o fechamento em triângulo do motor elétrico trifásico, observe que os terminais 1-6, 2-4  e 3-5 são interligados entre sí e estas pontas são interligadas com a rede de alimentação trifásica.

3.1.2 - Fechamento de Motor em Estrela

Bom, como vimos, a maioria dos motores apresentam pontas 6 e para podermos ligá-lo ao maior nível de tensão disponível devemos fecha-lo em estrela.Este fechamento é basicamente o mais simples de ser desenvolvido, observe que o fechamento se dá com a a realização do curto circuito dos terminais 4-5-6 e realiza-se a alimentação trifásica utilizando os terminais 1, 2 e 3. Veja a seguir uma ilustração deste fechamento.

3.2 - FECHAMENTO MOTOR ELÉTRICO TRIFÁSICODE 12 PONTAS

Dentre os tipos de motores elétricos disponíveis no mercado um que se destaca é o motor de 12 pontas. Este tipo de motor disponibiliza doze terminais de interligação que faz com que possamos alimentá-lo com até quatro níveis diferentes de tensão, por exemplo:

220V 380V 440V 760V

Estes doze terminais de interligação referem-se a seis conjuntos de bobinas que constituem o motor elétrico.

Para cada nível de tensão requerido teremos uma forma de realizar o fechamento de suas bobinas. São basicamente quatro tipos de fechamento, são eles:

Duplo Triângulo (220V) Duplo Estrela (380V) Triângulo (440V) Estrela (760V)

3.2.1 - Fechamento Duplo Triângulo

Este tipo de fechamento fará com que seja possível a conexão motor na menor tensão suportada por ele, em nosso exemplo 220V.

Partindo do pressuposto que independente da tensão de alimentação, o motor de 12 pontas sempre receberá em seus enrolamentos o mesmo nível de tensão e que em nosso exemplo, cada bobina permanecerá com 220V, temos abaixo o esquema elétrico de um fechamento para a tensão de 220V que por sinal é a menor tensão que este motor suporta:

Obs.:Tendo em vista que este fechamento assemelha-se com um circuito paralelo, o fechamento duplo triângulo ao ser conectado a rede de alimentação de 220V recebe em cada uma de suas bobinas os mesmos 220V da rede elétrica.

3.2.2 - Fechamento Duplo Estrela

Neste fechamento temos a disposição das bobinas do motor a fim de alimentá-lo com uma tensão de 380V.

Por se tratar do mesmo motor, temos que levar em consideração que cada bobina do motor elétrico trifásico receberá um nível de tensão de 220V, desta maneira vamos realizar o fechamento considerando as características de Tensão de Fase e Tensão de Linha aplicado aos seu enrolamentos, observe:

Obs:Com a Tensão de Linha de380V representadas em R, S e T temos, respectivamente, as Tensões de Fase de 220V em cada uma das bobinas, sendo que:

Este tipo de fechamento “comporta-se” como um circuito em série, logo, existe a divisão de tensão entre os conjuntos de bobinas associados.

3.2.3 - Fechamento Triângulo

Quando a necessidade é interligar o motor a uma tensão de 440V, então realizamos o fechamento triângulo.

Levando em consideração as características apresentadas anteriormente, permitiremos através deste fechamento que cada um dos enrolamentos receba o mesmo nível de tensão dos fechamentos duplo estrela e duplo triângulo, ou seja, 220V. Veja:

Obs.:No fechamento em triângulo o motor será configurado a fim de receber a tensão de 440V, observe que, teoricamente a tensão de fase seria de 440V mas o fato de associarmos os enrolamentos em série permite que esta tensão seja dividida entre os dois enrolamentos fazendo com que cada um receba 220V

3.2.4 - Fechamento Estrela

Quando há necessidade de interligar o motor de 12 pontas em um nível elevado de tensão fazemos o uso do fechamento estrela para o motor de 12 pontas.

Levando em consideração as características apresentadas anteriormente, permitiremos através deste fechamento que cada um dos enrolamentos receba o mesmo nível de tensão dos fechamentos duplo estrela e duplo triângulo, ou seja, 220V.

Observe que os conjuntos de bobinas são associados em série a fim de garantir a distribuição da tensão de fase de forma proporcional a cada uma.

Sendo a tensão de Linha (Alimentação ) de 760V podemos deduzir que a tensão de fase será de 440V:

Esses 440V divide-se entre os dois conjuntos de enrolamentos e cada um receberá respectivamente 220V como podemos observar na ilustração acima

4 - ACIONAMENTO E CONTROLE

4.1 - Chaves auxiliares tipo botoeira

As chaves auxiliares, ou botões de comando, são chaves de comando manual que interrompem um Estabelecem ou circuito de comando por meio de pulsos. Podem ser montadas em painéis ou em sobreposição para caixas.

4.2 Sinalizadores luminosos ou sonoros

Sinalização é a forma visual ou sonora de se chamar a atenção do operador Para uma situação Determinada em um circuito, máquina ou conjunto de máquinas.Ela é realizada por meio de buzinas e campainhas ou por Sinalizadores luminosos com cores determinadas por normas.

A utilização de sinalizadores luminosos baseiam-se em aplicações específicas, estas aplicações são baseadas em cores que representam cada situação. Observem abaixo na tabela a seguir, as cores que determinam um Utilização dos Sinalizadores luminosos e suas respectivas aplicações:

4.3 Contatores

Contatores São dispositivos de manobra mecânica eletromagneticamente, acionados, Construídos Para uma elevada freqüência de operação.

De acordo com uma potência (carga), um contator é o dispositivo de comando do Automóvel de e pode ser usado individualmente, acoplado um reles de sobrecarga, NA PROTEÇÃO DE Sobrecorrente. Há Certos tipos de contatores COM CAPACIDADE ESTABELECER de e interromper correntes de curto-circuito.

4.3.1 Tipos de contatores

Basicamente, existem dois tipos de contatores:

• Contatores para motores (de potência);• Contatores auxiliares.

Esses dois tipos de contatores são semelhantes. O que os diferencia são algumas características mecânicas e elétricas.

Assim, os contatores para motores caracterizam-se por Apresentar:

Dois tipos de contatos com capacidade de carga diferentes Chamados principais e auxiliares; Maior robustez de construção; Possibilidade de receberem relés de proteção; Câmara de extinção de arco Voltaico; Variação de potência da bobina do eletroímã DE ACORDO COM O tipo do contator, Tamanho físico de acordo com uma potência um ser comandada; Possibilidade de ter uma bobina do secundário com eletroímã.

Veja a seguir a representação dos contatores de potência:

Os contatores auxiliares são usados para:

• Aumentar o número de contatos auxiliares dos contatores de motores,• Comandar contatores de elevado consumo na bobina,• Evitar repique, • Para sinalização.

Esses contatores Apresentar caracterizam-se por:

• Tamanho físico variável conforme o número de contatos;• Potência do eletroímã praticamente constante;• Corrente nominal de carga máxima de 10 A para todos os contatos;• Ausência de necessidade de relê de proteção e de câmara de extinção.

A seguir a representação do contator auxiliar:

4.4 Reles térmicos

Esse tipo de relê, atua como dispositivo de proteção, controle ou comando do circuito elétrico, atua por efeito térmico provocado pela corrente elétrica. O elemento básico dos reles térmicos é o Bimetálicos.

O bimetal é um conjunto formado por duas lâminas de metais diferentes Ferro (normalmente e níquel), sobrepostas e soldadas.

Esses dois Metais de coeficientes de dilatação diferentes, formam um par metálico. Por causa da diferença de coeficiente de dilatação, se o par metálico submetido a uma temperatura elevada, um dos metais irá se dilatar mais que o outro, por estarem unidos fortemente, o metal de menor coeficiente de dilatação provoca o encurvamento do conjunto para o seu lado, afastando o conjunto de um determinado ponto. Causando assim o desarme do mesmo.

 5 - SISTEMAS DE PARTIDAS DE MOTORES

5.1.1 Partida direta de motores trifásicos

Este sistema de partida é a mais simples e fácil de ser construida, no entanto apresenta algumas características encontradas que considerá-la uma partida inviável, principalmente quando se trata de motores acima de 7,5cv.

Neste tipo de partida uma tensão fornecida ao motor elétrico é exatamente uma tensão nominal do motor e então temos as seguintes características:

Desvantagens

* A corrente de partida pode chegar em até 8 vezes a nominal* Necessita de cabos e componentes mais robustos

* Alto partida Consumo de Energia na

Vantagens

* Oferece torque nominal na partida

Vamos ver um exemplo de partida direta construida não CADE Simu:

5.1.2 - Partida direta de motor trifásico com reversão

Dentre as várias aplicações industriais que podemos observar uma Utilização de Motores Elétricos Trifásico, normalmente se faz necessário a inversão de rotação (sentido de giro) do motor elétrico. Esta é uma missão relativamente fácil quando usamos contatores para controlá-lo. É Necessário somente que seja invertida uma das fases para que o seu campo magnético reverta seu sentido de giro.

Observe i diagrama a seguir:

Veja abaixo como é fácil fazer isto.

5.2 - Partida Indireta de Motores Trifásicos

O que é?

As partidas indiretas de motores trifásicos são basicamente, os métodos utilizados para realizamos a redução da "corrente de partida" que Interferem diretamente no dimensionamento de dispositivos elétricos responsáveis pela partida do motor.

Porquê se aplica?

Um dos grandes malefícios da partida direta é o alto valor da corrente elétrica no ato da partida (ignição) do motor elétrico que gera, entre outras coisas, uma necessidade de componentes e cabos robustos na instalação, gerando assim um alto custo de implantação. Então para que se possa reduzir este custo é necessário diminuir o nível desta corrente.

Como é feito?

Existem várias formas de realizar uma partida indireta, vejamos abaixo as principais:

• Estrela Triângulo;• Partida Compensadora (Auto-Trafo);• Aceleração Rotórica (Motor com rotor bobinado);• Soft Starter.

5.2.1 - Partida Estrela Triângulo

Como o próprio nome ja diz, este sistema de partida realizará uma partida do motor trifásico a fim de, inicialmente realizar o fechamento deste motor em estrela e após alguns segundos comuta manualmente ou automaticamente para o fechamento em triângulo.

Neste tipo de Partida é necessário disponibilizamos um motor que possua, no mínimo, 6 terminais de conexão (pontas) em sua caixa de ligação.

Exemplo:

Consideremos um motor elétrico trifásico Cuja características nominais de tensão é:

Tensão de alimentação 220/380V (220V e 380V para Triângulo Estrela respectivamente)

Inicialmente o motor realiza sua partida com tensão de 220V e em fechamento estrela, sendo assim a tensão de fase (em cada enrolamento do motor) é de 127V, como a tensão neste instante é menor, obviamente a corrente de partida também será menor.

Após alguns segundos o circuito de comando faz com que a partida seja revertida para triângulo disponibilizando assim a tensão de fase (em cada um dos enrolamentos) de 220V (tensão nominal).

Este processo se dá somente na partida do motor e auxilia na diminuição da corrente de partida.

Com este sistema é possível reduzir a corrente de partida a 1/3 (um terço) da corrente nominal, no entanto, o torque que depende diretamente desta corrente também sofrerá redução para 1/3 (um terço), ou seja, 33% do torque inicial a partir de 33% da corrente de partida, assim não é possível utilizar esta sistema em situações onde a carga aplicada ao motor seja maior que 33% do suportado pelo motor no instante da partida.

Então porquê não podemos deixar o motor funcionando em 220V com fechamento estrela?

O fato é que ao Diminuir a tensão de fase do motor o seu torque (força na ponta do eixo do motor) também diminui proporcionalmente e o motor não funcionará corretamente podendo vir a reduzir sua vida útil e até causar a queima deste.

Assistão o vídeo abaixo para entender melhor:

5.2.2 - Partida por chave compensadora ou Partida por Auto-Trafo

Esta partida tem por objetivo suprir as aplicações que a Estrela-Triângulo não podem ser utilizadas, ou seja, onde a carga aplicada ao motor seja superior a 33% da carga suportada pelo motor.

Com o mesmo objetivo de reduzir a corrente de partida, na partida por autotrafo é realizada a inserção de um autotransformador para auxiliar a partida do motor realizando assim a redução da tensão de alimentação do motor.

Este autotrafo possui dois "Taps" de saída de tensão (taps é o nome dado a saída de tensão do atotransformador), ele realizará o rebaixamento da tensão de partida do motor trifásico a fim de reduzir respectivamente a corrente de partida.

Este rebaixamento pode ser dado em dois níveis de tensão, são eles:  Tap de 65% da tensão. Tap de 80% da tensão.

5.2.2.1 - Torque

Como sabemos a redução da tensão implica em reduzir também o torque do motor, então tendo dois níveis de tensão teremos respectivamente doi níves de torque, são eles:

Quando utilizado o Tap de 65%, teremos um torque de 42%. Dado através do cálculo: 65²/100. Quando utilizado o Tap de 80%, teremos um torque de 64%. Dado através do cálculo: 80²/100.

5.2.2.2 - Corrente

Observem que mesmo no Tap de 65% que disponibiliza um baixo torque, temos um torque ainda maior que o da partida estrela-triângulo, no entanto a corrente também será maior cerca de 42% da corrente nominal.

O mesmo ocorre para a partida com o Tap em 80% da tensão, sendo que a corrente de partida nesta configuração chega a cerca de 64% da nominal bem como seu torque.

6 - DIMENSIONAMENTO DE PARTIDA

6.1 - Dimensionamento de Partida Direta

Neste tipo de partida o motor parte com valores de conjugado (torque) e corrente de partida plenos, uma vez que suas bobinas recebem tensão nominal.

Neste caso o motor pode estar fechado em estrela ou triângulo como podemos ver abaixo:

   

Esta partida é considerada aplicável somente em casos em que o motor a ser utilizado não possua mais do que 7,5cv de potência.

Algumas perguntas ficam em nossa mente quando decidimos dimensiorar uma chave de partida:

Qual contator usar?

Qual fusível aplicar para protejer o circuito? Qual o valor de corrente do relé térmico?

Aqui nós responderemos todas estas perguntas.

Para ficar mais lógico estaremos simulando o dimensionamento de um motor de 30cv  e 4 polos que será ligado a uma rede de 380V/60Hz. A corrrente nominal deste motor é de 44A e possui um Ip/In de 8,0. Este trabalha em serviço normal de manobra com rotor gaiola de esquilo e desligamento em regime e possui um tempo de partida igual a 5 segundos.

Antes de qualquer coisa vamos relembrar como é o circuito de potência da partida direta:

Roteiro de Cálculo

Vamos começar com o dimensionamento do contator K1:

Neste caso o contator K1 deverá possuir uma corrente Ie (corrente nominal do contator) maior que a corrente nominal do motor, ou seja:

K1 =>  Ie > In x 1,15

Logo, teremos em nosso exemplo: 

K1 =>  Ie > 44 x 1,15Ie > 50,6A

Com base base nos dados encontrados e tomando como base o tipo de aplicação do motor temos no catálogo da WEG o contator CWM65 que suporta 65A, o fato do cálculo ter mostrado que a corrente é de 50,6A faz com que não utilizemos o contator CWM50 pois sua corrente nominal é maior que a corrente calculada.

 Agora faremos o dimensionamento do Relé Térmico:

O Relé Térmico deverá possuir corrente nominal igual a corrente nominal do motor. Com isso podemos deduzir a fórmula:

FT1 = In

Temos então em nosso caso, o seguinte:

FT1 = 44A

De acordo com o mesmo catálogo de dispositivos da WEG temos o relé térmico RW67-2D3-U057 com ajuste de corrente entre 40 e 57 sendo o mais recomendado ao nosso sistema, observem que o modelo 1D3 não se aplica pois não suporta montagem no contator escolhido.

Vamos agora dimensionar os fusíveis F1, F2 e F3, nesta etapa teremos 3 condições que deverão ser observadas e todas as situações deverão ser atendidas pelo sistemas, vamos as três situações:

1º situação:

A corrente nominal do fusíve de primeiramente suportar a corrente do motor no instante da partida, ou seja,Ip/In, logo:

Ip = Ip/In x In

Ou seja, no nosso exemplo teremos a seguinte situação:

Ip = 8,0 x 44Ip = 352A

Então, através da tabela de fusíveis e sabendo-se que o tempo de partida do motor é de 5 segundos,definimos o fusível a ser aplicado no motor, como podemos observar o fusível escolhido por este passo é o de100A.

2º situação:

A corrente do fusível deverá suportar 20% a mais que a corrente nominal do motor, logo:

IF > 1,2 x InIF > 1,2 x 44IF > 53A

Então, o fato do fusível abordado no primeiro caso ser maior que 53A significa que atende a necessidade, em caso contrário (IF > IP) teríamos que encontrar na tabela outro fusível que atenda a necessidade.

3º situação:

Os fusíveis terão que suportar também a corrente que circulará no relé térmico e no contator, sendo assim:

IF < IF max K1100A < 125A (fig abaixo)

IF < IF FT1100A < 100A

Portanto, podemos concluir que os fusíveis NH de 100A suportam todas as exigencias e expecificações requeridas.

Resumindo teremos em nosso acionamento:

    - 1 contator CWM65    - 1 Relé térmico RW67-2D3-U057    - 3 fusíveis NH de 100A (retardado)

6.2 - Dimensionamento de partida estrela triângulo

A partida estrela triângulo é um tipo de partida indireta que tem como objetivo a redução da corrente de partida a fim de reduzir custos como por exemplo o consumo excessivo potência elétrica da rede de alimentação no início de funcionamento deste motor.

Para saber um pouco mais sobre a partida estrela triângulo acesse “Este Link“.

Após entender o funcionamento da partida estrela triângulo, vamos aprender agora como dimensionar este tipo de partida.

Diferente da partida direta, a partida estrela triângulo será dimensionada tomando como referência as características individuais de cada componente do circuito separadamente, uma vez que a corrente que circula em cada componente do circuito é diferente uma da outra.

                                                                                                                                                                  Dimensionamento dos Contatores K1 e K2

O primeiro passo é realizar o dimensionamento dos contatores K1 e K2 que serão idênticos, pois a corrente por eles conduzida será de mesma itensidade, lembrando que estes dois trabalharão juntos no segundo estágio do sistema de partida, quando o sistema assumir o fechamento triângulo.

Para começarmos o dimensionamento destes contatores iremos determinar a corrente do fechamento em triângulo (corrente que circula na bobina do motor no fechamento em triângulo).

Determinando a corrente de do fechamento em triângulo:

IL = In     I▲ = IL x 0.58

onde: 0.58  = inverso da raiz quadrada de 3 (o mesmo que dividir IL por raiz de 3)          IL ….= Corrente de Linha          In ….= Corrente Nominal          I▲….= Corrente do fechamento em triângulo (corrente em K1 e K2)

Então:

A corrente suportada pelos contatores K1 e K2 deverá ser superior ou igual a corrente do fechamento triângulo.

K1 = K2 = Ie ≥ (0,58 x In) x 1,15

onde: Ie ……….. = Corrente suportada pelos contatores K1 e K2          (0,58 x In) = Corrente quando a partida assumir o fechamento triângulo          1,15 ……. = Representa um fator de proteção de 15%

Dimensionamento do Relé de Sobrecarga (Relé Térmico)

Observe que a corrente que circula no Relé térmico Não será a corrente nominal do circuito, analizando o diagrama é possível notar que esta corrente é a corrente de fase do circuito quando fechado em triângulo, portanto ao dimensionar este dispositivo devemos considerar esta corrente parcial, senão teremos um relé térmico super dimensionado e sem função alguma no circuito.

Sabendo disto podemos deduzir que a corrente deste dispositivo será determinada da seguinte maneira:

IF7 = 0,58 x In

Dimensionamento do Contator K3

O contator K3, como sabemos, somente será utilizado pelo sistema no momento da partida domotor, ou seja, no momento em que o circuito assumir o fechamento estrela, sendo assim, a corrente que circulará neste trecho do circuito será de 33% a corrente nominal (vide este post).

Este valor representa um terço da corrente nominal do motor no momento da partida, esta é uma das principais características desta partida

Então o cálculo desta corrente fica assim:

K3 = Ie ≥ (0,33 x In) x 1,15

onde: Ie ……….. = Corrente suportada pelo contator K3          (0,33 x In) = Corrente quando a partida assumir o fechamento estrela          1,15 ……. = Representa um fator de proteção de 15%

Dimensionamento dos Fusíveis de Proteção

Os fusíveis no sistema de partida dos motores têm a função de proteger o circuito como um todo, isto inclui os cabos, contatores e é claro, o relé térmico.

Neste caso, o dimensionamento passa por um análise de três condições, sendo que é necessário que se atenda o pior caso.

Veja as três situações abaixo:

1ª Situação - IF ≥ 1,2 x In (Correte do fusível deve ser maior ou igual a 20% a corrente nominal)

2ª Situação – IF ≤ IFmax de K1 e K2 (Correte do fusível deve ser menor ou igual a corrente máxima suportada pelos contatos dos contatores K1 e K2 em situação de curto circuito)

3ª Situação – IF ≤ IFmax de F7 (Correte do fusível deve ser menor ou igual a corrente máxima suportada pelo Relé térmico em situação de curto circuito)

Nota: Não é necessário verificar esta condição para o contator K3