Relés eletromagnéticos de máxima corrente Proteção de motores

Comando de potência
Proteção contra sobrecargas
♦ Circuito de comando
O contato de disparo de cada relé deve ser inserido em série no
circuito da bobina do contator que alimenta a carga. Pode ser
um contato com retenção, ou sem retenção :
– contato com retenção
Quando o relé dispara, os contatos são retidos mecanicamente.
O relé deve ser rearmado manualmente, ou através de um
dispositivo de rearme elétrico à distância. O contato com
retenção é obrigatório no caso do esquema de comando a 2 fios
para evitar a vibração do contator.
– contato sem retenção
Depois do funcionamento do relé e da abertura do contator, o
contato de disparo retoma a sua posição inicial. Deve-se portanto
obrigatoriamente utilizar com um esquema a 3 fios.
Em ambos os casos, é imperativo eliminar o defeito antes de
rearmar o relé, ou antes de acionar novamente o botão de
funcionamento .
Os relés eletromagnéticos de máxima corrente destinam-se a
proteger contra sobrecargas as instalações sujeitas a picos de
corrente frequentes (partida dos motores de rotor bobinado em
máquinas de levantamento de cargas, por exemplo). Devem
ser utilizados quando as partidas são muito frequentes, as
variações bruscas do conjugado resistente, ou os riscos de
bloqueio tornem desaconselhável o emprego dos relés térmicos
a bimetálicos.
Princípio de funcionamento
Um relé é constituído principalmente por :
– um circuito magnético composto por uma parte fixa, uma
armadura móvel e uma bobina,
– um mecanismo de disparo acionado pela armadura móvel
que atua sobre os contatos auxiliares NA + NF.
A bobina, ligada em série com uma das fases da carga, é
percorrida pela corrente a controlar. Se o valor desta corrente
for superior ao valor de regulagem, o campo magnético
produzido pela bobina provoca a atração da armadura móvel
e a mudança de estado dos contatos. O contato normalmente
fechado (NF) é inserido no circuito da bobina do contator
principal, provocando a abertura deste.
Proteção de motores com partida
prolongada
Associação com um contator
♦ Circuito de potência
13
14
95
96
– KM1
54
55
A1
56
14
– KM2
Curto-circuito do relé de proteção durante a partida
20
– KM1
A1
– KM1
A2
V
14
Associação de três relés eletromagnéticos com um contator
13
13
– KM1
A2
6
4
2
2 contatos sem retenção
W
U
A2
M
3
53
11
3
5
1
3
5
6
13
14
14
– KM1
A2
– S1
– S2
A1
A1
– KM1
4
2
22
– KM1
– S2
1 contatos com retenção
– KM2
12
21
– F2
– S1
13
– F2
2
13
1
92
92
91
92
2
3 4
– F2
– F4
14
93
94
1
1
5 6
1 2
2
92
91
– Q1
– KM1
91
92
– F3
– F4
W
V
U
91
91
14
6
1
2
4
2
1
1
2
2
– F3
2
– Q1
– KM1
– F2
– F3
– F4
– Q2
1
2
6
– F2
4
1
92
92
13
– F2
1/L1
91
91
5/L3
3/L2
A1
1/L1
Inserção de um relé em cada uma das fases que alimentam a
carga a proteger.
5/L3
A regulagem é feita reduzindo ou aumentando o ângulo de
abertura da armadura móvel, o que modifica o entreferro. Uma
vez que o dispositivo de regulagem está graduado em ampére,
basta selecionar o valor da corrente de disparo.
3/L2
A proteção contra sobrecargas de motores com partida prolongada deve ser feita de preferência por relés com bimetálicos
classe 20 ou 30 (ver pág. 17). Mas se esta solução não puder
ser aplicada (por exemplo tempo de partida superior aos limites
definidos pela norma para as classes de disparo), a proteção
pode ser feita :
– por um relé para sondas com termistores (ver pág. 19),
– por um relé térmico classe 10 alimentado pelos secundários
de transformadores de corrente com baixo índice de saturação,
– curto-circuitando, atravéz de um contator, um relé térmico
classe 10 durante a partida. Após a partida, um contato auxiliar
temporizado comanda a abertura do contator de curto-circuito,
reinserindo os bimetálicos do relé no circuito do motor. Obs: se
houver falta de fase durante a partida, esta só será detectada
pelo relé após a saída do contator de curto-circuito.
Dispositivo de regulagem
A2
1
Relés eletromagnéticos
de máxima corrente
Comando de potência
Proteção contra sobrecargas
Princípio de funcionamento
Relés temporizadores térmicos
97
95
96
95
97
– F2
98
O relé é composto essencialmente por :
– um bimetálico em volta do qual está um enrolamento de
aquecimento ligado em série com uma ou mais resistências,
– uma caixa moldada que contém um contato NF e um contato
NA com retenção,
– um botão de rearme,
– um mostrador frontal para regulagem do tempo de disparo.
O conjunto enrolamento de aquecimento-resistência é ligado
entre os dois condutores de alimentação do circuito de comando
do equipamento. No circuito do enrolamento de aquecimento
do relé, são inseridos um contato NA (3-4), que controla a
ligação a partir do início da partida ou do fenômeno a controlar,
e um contato NF (1-2) que controla o desligamento. No momento
da partida, ou no início do fenômeno, o contato (3-4) fecha, o
contato (1-2) é acionado e o enrolamento de aquecimento do
relé é colocado sob tensão. No decorrer da partida, ou do
fenômeno, o bimetálico deforma-se progressivamente pelo
efeito joule. Existem dois casos :
– a duração é inferior ao tempo marcado no relé. No final da
partida, ou do fenômeno, o contato (1-2) abre. O enrolamento
de aquecimento deixa de estar sob tensão,o bimetálico esfria
e o relé está pronto para controlar um novo ciclo,
– a duração da partida, ou do fenômeno, é superior ao tempo
marcado. A deformação do bimetálico é grande e provoca o
disparo do relé. O contato com retenção (95-96) abre e comanda
a abertura de todos os contatores dependentes. Depois de ter
resolvido o incidente, o operador deve rearmar o relé antes de
colocar novamente a instalação em funcionamento.
Um relé temporizador térmico tem duas funções :
– verificar, a partir do momento em que é colocado sob tensão,
através de um contato auxiliar, se o tempo de uma operação
não é superior ao tempo previsto,
– temporizar a ação de um relé, medindo a corrente ou a
tensão.
É utilizado, normalmente :
– para proteger a resistência, ou o auto-transformador de
partida de um motor, contra partidas frequentes, prolongadas
ou incompletas. Permite realizar partidas conformes às normas
IEC 947-4-1, NF/EN 60947-4-1, DIN VDE 0660 T102
(estritamente idêntica à EN 60947-4-1),
– para aumentar uma parada de segurança até o momento em
que a persistência ou a repetição de um fenômeno o torna
perigoso (exemplo : parada de uma bomba, baixa pressão de
óleo em uma máquina, etc.).
96
2
1
Alimentação
6T3
3
– H1
–R
Partida rotórica
Resistência
adicional
EXTERNA
(para U > 220 V)
Estação de ar comprimido ou de bombeamento
21
Circuito de comando
da partida
Resistência
adicional
EXTERNA
(para U > 220 V)
(10 a 21 s)
ou
(18 a 24 s)
– F2
4
6T3
3
4
–R
Circuito de comando
da partida
●
1
2
(10 a 21 s)
ou
(18 a 24 s)
– F2
– H1
Circuito do
pressostato
ou do relé de
proteção
Circuito
estabelecido
durante o tempo
de partida
2
Alimentação
●
1
●
4
●
3
98
– F2
1
Comando de potência
Proteção contra sobrecargas
1
Módulo de proteção contra bloqueios e sobreconjugados
Relé eletrônico de sobrecarga com opção de
proteções complementares
As máquinas do tipo britadeiras, trituradores, etc., devem ser
protegidas contra trancos muito fortes, travamentos,
supercarregamento, levando a um conjugado excessivo e um
aquecimento inútil dos motores. O módulo controla o
sobreconjugado com sobreintensidades 1,5 a 3 vezes a corrente
de regulagem do relé. Em caso de defeito, um led vermelho
avisa o operador, que pode intervir imediatamente,
descarregando ou parando o motor. Este módulo controla
igualmente o aquecimento por sondas PTC e provoca o
disparo do relé em caso de defeito.
A função básica deste relé é proteger os motores contra sobrecargas, desequilíbrios e falta de fases. Mediante acoplamento
de módulos extraíveis, pode igualmente assegurar as seguintes
funções :
– controle da temperatura por sondas PTC,
– partida estrela-triângulo,
– proteção contra bloqueios e sobreconjugado.
Este relé tem na sua face frontal um comutador para seleção de
uma das classes de disparo 10, 20 ou 30.
Aplicações
Estes relés destinam-se a ser aplicados especialmente em
máquinas sujeitas a regimes cíclicos intensivos com carga
flutuante e em máquinas com partida prolongada.
Sobrecargas
O relé calcula o aquecimento médio do motor em função da
corrente absorvida. Quando o aquecimento atinge (1,05 Ir)2 t,
é acionado um alarme para que o operador possa corrigir a
carga do motor antes que se produza um disparo. O disparo
intervém a um nível de aquecimento de (1,11 Ir)2 t. Só é possível
fazer o rearme após decorrer o tempo suficiente para que a
temperatura retorne a um nível aceitável.
Desequilíbrio e falta de fases
Se o desequilíbrio for inferior a 30%, o relé calcula o aquecimento
médio suplementar correspondente. Acima dos 30%, ou em
caso de falta de fase, o disparo é feito após 4 segundos, no
máximo.
Módulo de controle da temperatura por sondas PTC
Tem uma função idêntica à dos relés com sondas PTC.
Módulo de partida estrela-triângulo
Controla a comutação para triângulo quando a corrente em
ligação estrela for igual a 1,5 In estrela (limiar de basculamento
segundo a norma IEC947-4). Se este nível não for atingido, a
passagem para triângulo é forçada, após um tempo
determinado, que pode ser regulado no módulo. Este
funcionamento anormal é indicado por um led vermelho.
Relé eletrônico LT7 Telemecanique
22
Comando de potência
Proteção contra sobrecargas
Relé eletrônico de sobrecarga com proteções
complementares integradas
O relé acompanha o estado térmico do motor depois de um
disparo e não autoriza uma nova partida a não ser em
condições corretas de temperatura.
Este relé microprocessado intervém nos seguintes casos:
– sobrecargas térmicas,
– excesso de temperatura (por sondas PTC),
– desequilíbrio e falta de fase,
– inversão de fase,
– defeito de isolação à terra,
– sobreconjugados - bloqueio,
– funcionamento em vazio.
Há visualização clara do estado térmico do motor e dos defeitos
através de sinalizadores situados na face frontal, ou de um
módulo de visualização à distância.
A gama das correntes controladas varia de 0,8 a 1600 A. Podem
ser medidas correntes mais elevadas utilizando transformadores
de corrente adicionais.
Três relés de saída independentes permitem utilizar as
informações de alarme ou de defeito.
Um sistema de auto-controle supervisiona permanentemente o
bom funcionamento do relé. Assim que é detectada uma falha
qualquer, a parada do motor é comandada imediatamente.
Excesso de temperatura
Esta função é idêntica à dos relés a sondas PTC.
Desequilíbrio ou falta de fases
Se o desequilíbrio for inferior a 30%, ele é levado em conta pela
função sobrecarga térmica do relé pelo aquecimento suplementar
que ele causa ao motor. Se for superior a 30%, a parada do
motor é comandada após 0,7 segundo em fase de partida, ou
após 3,2 segundos se o motor estiver em regime.
Inversão de fases
Este dispositivo detecta uma inversão eventual de fases a
montante dos detectores de corrente e comanda a parada do
motor após 0,3 de segundo, no máximo.
Defeito de isolação
Esta função destina-se geralmente a prevenir os riscos
resultantes de um defeito de isolação entre os enrolamentos do
motor ou o condutor de alimentação e a massa, ou a terra. O
objetivo principal desta função é a prevenção contra o risco de
incêndio, uma vez que este tipo de defeito se traduz
frequentemente pela presença de um arco elétrico entre o
condutor e a massa, ou a terra.
A proteção contra defeitos de isolação aplica-se às instalações nos esquemas TT e TN.
Sobrecargas térmicas
O relé calcula o aquecimento dos enrolamentos e o
aquecimento médio do motor a partir da corrente absorvida,
medida por detectores situados em cada uma das fases de
alimentação. Este cálculo é feito levando em conta as inércias
térmicas. O controle dos aquecimentos é assegurado de um
modo rigoroso por uma modelização numérica de duas imagens
térmicas :
– a primeira leva em consideração o excesso de aquecimento
correspondente à classe de isolação do motor, provocado por
sobrecargas lentas e prolongadas ou por pequenos
desequilíbrios de fases. Um pré-alarme permite corrigir as
condições de carga do motor antes que o nível de disparo seja
atingido,
– a segunda imagem térmica leva em consideração a
ultrapassagem do nível crítico de aquecimento dos
enrolamentos do estator e do rotor, em caso de partidas muito
longas ou muito frequentes ou ainda de bloqueio do rotor.
Sobreconjugado - bloqueio
A proteção inclui uma seleção de três níveis de disparo
instantâneo : 1,5 - 2 - 3 Ir.
Funcionamento em vazio
O funcionamento em vazio de uma máquina preparada para
funcionar normalmente em carga (uma bomba imersa não
escorvada, por exemplo) pode ser detectado por um nível de
sub-carga com tempo de disparo retardado. O nível pode ser
regulado para 0,3 - 0,5 - 0,7 ou 0,9 Ir, com uma temporização
de 10 segundos.
Aplicações
Com as suas numerosas funções e uma sinalização precisa,
que permite ao operador intervir logo que se produz um defeito,
o emprego deste tipo de relé é aconselhado quando a
continuidade de operação é um critério determinante de escolha.
É igualmente adequado para a proteção de motores de grande
potência, ou de motores especiais (por exemplo, motores de
média tensão).
Relé eletrônico LT8 Telemecanique
23
1
Comando de potência
Proteção contra sobrecargas
♦ Supervisionar a resistência da isolação.
Relés de controle e medição
1
Um defeito de isolamento pode ser prejudicial para o
funcionamento, para os componentes e para as pessoas.
As partidas de motor incluem sempre uma proteção contra
curto-circuitos e sobrecargas. Mas, para determinadas
aplicações, podem ser necessárias proteções complementares
(controle da tensão, da resistência de isolação, etc. ), sem que,
no entanto, se justifique a instalação de um relé de funções
múltiplas.Os relés de controle e medição específicos
proporcionam uma solução flexível que permite satisfazer
exatamente a necessidade de:
♦ Supervisionar a evolução de uma variável.
A execução de determinadas operações pode ser condicionada
pela evolução de uma tensão ou de uma corrente. Existem relés
para supervisão de níveis de regulação.
♦ Supervisionar níveis de líquidos
Este tipo de relé pode ser utilizado, por exemplo, para evitar a
parada de uma bomba.
♦ Supervisionar a tensão de alimentação.
Para que cada um dos componentes do equipamento de um
sietema de automação funcione corretamente, sua tensão de
alimentação deve manter-se dentro de certos limites. Estes
limites podem diferir de aparelho para aparelho. Em caso de
variação da tensão e, especialmente, em caso de subtensão
mesmo que passageira um relé de mínima tensão aciona um
alarme, ou interrompe a alimentação da instalação.
♦ Supervisionar a alimentação das 3 fases.
Uma falta de fase pode ocorrer no circuito de uma carga, mas
também pode se verificar numa parte ou na totalidade da
instalação. Certos circuitos serão perturbados, outros não. Por
isso, é conveniente que este tipo de interrupção seja detectado
o mais rapidamente possível.
♦ Supervisionar a sequência de fases.
Uma inversão de fases pode ter consequências mecânicas
graves para a máquina. Este tipo de incidente pode produzirse, por exemplo, após uma intervenção de manutenção ou de
reparo.
Relés de controle e medição Telemecanique
24
Comando de potência
Comutação tudo ou nada
Comutação tudo ou nada
O contator eletromagnético
O contator eletromagnético é um aparelho mecânico comandado
por um eletroímã, que funciona em "tudo ou nada".
Quando a bobina do eletroímã é alimentada, o contator fecha,
estabelecendo, por intermédio de pólos, o circuito entre a rede
de alimentação e a carga. A parte móvel do eletroímã, que
aciona as partes móveis dos pólos e dos contatos auxiliares ou,
em certos casos, o dispositivo de comando destes últimos,
desloca-se :
– por rotação, rodando sobre um eixo,
– por translação, deslizando paralelamente às partes fixas,
– por um movimento conjugado dos dois.
Quando é desenergizada a bobina, o circuito magnético fica
desmagnetizado e o contator abre por efeito :
– das molas de pressão dos pólos e da mola de chamada da
armadura móvel,
– da gravidade, em determinados aparelhos (o conjunto móvel
tende naturalmente a retomar a sua posição original).
O contator apresenta grandes vantagens e permite :
– interromper correntes monofásicas ou polifásicas de valor
elevado por atuação de um comando auxiliar percorrido por
uma pequena corrente,
– assegurar tanto um funcionamento intermitente como um
serviço contínuo,
– efetuar comandos manuais ou automaticos à distância
através de condutores de pequena secção, possibilitanto uma
redução importante do comprimento dos cabos de potência,
– multiplicar os postos de comando e colocá-los próximo do
operador.
Por outro lado, o contator :
– é robusto e fiel, uma vez que não contém nenhum mecanismo
delicado,
– adapta-se fácil e rapidamente à tensão de alimentação do
circuito de comando (troca de bobina),
– em caso de interrupção momentânea da corrente, garante a
segurança das pessoas contra os partidas intempestivas (por
meio de um comando por botões de impulso),
– facilita a distribuição dos postos de parada de emergência e
dos aparelhos dependentes, impedindo a colocação em
funcionamento da máquina se não tiverem sido tomadas todas
as precauções,
– protege a carga contra as quedas de tensão importantes
(abertura instantânea abaixo de uma tensão mínima),
– presta-se à concepção de equipamentos de automação
simples ou complexa.
A função comutação "tudo ou nada" tem por finalidade
estabelecer e interromper a alimentação dos receptores.
Na maior parte das vezes é o contator eletromagnético que
assegura esta função.
Recorre-se frequentemente ao comando à distância para
facilitar a operação, bem como o trabalho do operador, que
muitas vezes se encontra afastado dos dispositivos de
comando de potência, o que implica geralmente uma
informação sobre a ação em curso, quer por visualização,
através de sinalizadores luminosos, ou através de um
segundo aparelho. Estes circuitos elétricos
complementares, designados por "circuitos de comando e
de sinalização" , são realizados com contatos auxiliares
incorporados aos contatores, contatores auxiliares, relés
de comando, ou através de blocos adicionais acoplados
nos contatores e contatores auxiliares.
A comutação "tudo ou nada" pode também ser realizada
por relés e contatores estáticos. Pode igualmente ser
integrada em aparelhos de funções múltiplas, tais como os
disjuntores-motor ou os contatores-disjuntores descritos
no subcapítulo "Aparelhos de funções múltiplas".
25
1
Comando de potência
Comutação tudo ou nada
Contator LC1–D
Parafuso de fixação da câmara de extinção do arco / base
1
Parafuso com estribo
Câmara de extinção de arco
Capô de proteção
Contato fixo de potência
Contato móvel de potência e mola
Proteção com guia-fios
Suporte dos contatos móveis
Contato móvel auxiliar
Mola do contato auxiliar
Chaveta do circuito móvel
Armadura móvel
Mola de chamada
Bobina
Circuito magnético fixo
Amortecedor
Chaveta fixa
Batente traseiro
Base
Mola do dispositivo de encaixe
Dispositivo de encaixe
26
Comando de potência
Comutação tudo ou nada
♦ Emprego em corrente contínua
Constituição de um contator eletromagnético
Um circuito magnético laminado pode ser utilizado em corrente
contínua sem qualquer inconveniente. Neste caso, a bobina
utilizada é diferente da bobina normalmente prevista para uma
tensão alternada com o mesmo valor. Deve ser inserida uma
resistência de redução de consumo no circuito de comando da
bobina quando o contator fecha (ver pág. 29).
ELETROÍMÃ
O eletroímã é o elemento que movimenta o contator. É constituído
essencialmente por um circuito magnético e uma bobina. A sua
forma varia em função do tipo de contator e pode eventualmente
ser diferente a natureza da corrente de alimentação, alternada
ou contínua.
Um pequeno entreferro existente no circuito magnético na
posição "fechado" evita qualquer risco de remanência (1). É
obtido retirando metal, e inserindo um material amagnético (2).
O curso de aproximação é a distância que separa a parte fixa da
parte móvel do circuito, quando o contator está desligado. O
curso de esmagamento é a distância que separa estas duas
partes quando os pólos entram em contato.
As molas que exercem pressão sobre os pólos comprimem-se
durante e até ao fim do curso de esmagamento.
Circuito magnético para corrente contínua
No circuito magnético de um eletroímã alimentado com corrente
contínua, não se formam correntes de Foucault. Em certos
casos, é preferível, em vez de utilizar um circuito magnético
laminado do tipo corrente alternada com as adaptações
indispensáveis, utilizar um eletroímã de aço maciço específico
para corrente contínua.
BOBINA
A bobina produz o fluxo magnético necessário à atração da
armadura móvel do eletroímã.
Conforme o modelo do contator, é montada em uma, ou,
excepcionalmente, duas seções do circuito magnético.
Está concebida para resistir aos choques mecânicos provocados
pelo fechamento e pela abertura dos circuitos magnéticos, bem
como aos choques eletromagnéticos resultantes da passagem
da corrente nas espiras.
Para diminuir os choques mecânicos, a bobina ou o circuito
magnético, e por vezes ambos, são montados sobre
amortecedores.
As bobinas utilizadas hoje em dia são particularmente
resistentes às sobretensões, aos choques e às atmosferas
agressivas. São feitas de fio de cobre revestido com esmalte de
grau 2 e com uma classe de temperatura de 155°C, ou mesmo
180°C. Algumas são impregnadas no vácuo ou moldadas sobre
pressão.
Circuito magnético para corrente alternada
♦ Características
– lâminas de aço silícico unidas por rebites ou soldadas,
– circuito laminado para reduzir as correntes de Foucault que
se produzem em qualquer massa metálica sujeita a um fluxo
alternado (estas correntes de Foucault reduzem o fluxo útil de
uma dada corrente magnetizante e aquecem
desnecessariamente o circuito magnético),
– um ou dois aneis de defasagem ou espiras de Frager, que
criam numa parte do circuito um fluxo deslocado em relação ao
fluxo alternado principal. Este artifício permite evitar a anulação
periódica do fluxo total, logo da força de atração (o que
provocaria vibrações ruidosas).
(1) Remanência : designa-se por remanente um contator que se
mantém fechado quando já não há tensão nos terminais de sua
bobina.
(2) Amagnético : que não conserva o magnetismo ; o cobre e o latão
são metais amagnéticos.
Contatores Telemecanique
27
1
Comando de potência
Comutação tudo ou nada
CONTATOS AUXILIARES
Os pólos têm por função estabelecer ou interromper a corrente
no circuito de potência. Estão dimensionados para a passagem
da corrente nominal do contator em serviço permanente sem
aquecimento anormal. Têm uma parte fixa e uma parte móvel.
Esta última está munida de molas que exercem pressão sobre
os contatos. Os contatos são feitos de uma liga à base de prata
cujas resistências à oxidação, ao arco e mecânica são
notáveis (1).
Os contatos são de interrupção dupla ou interrupção simples.
Os contatos de interrupção dupla são adequados para todas as
aplicações em corrente alternada (serviço intensivo, AC-3, AC-4,
etc.). Permitem obter aparelhos compactos.
Os contatos de interrupção simples têm normalmente um
dispositivo de sopro magnético do arco. Recomenda-se o seu
emprego na interrupção de corrente contínua e nas aplicações
sujeitas a um serviço severo.
Os pólos de interrupção utilizados como solução para certos
problemas de automatismo, funcionam de modo inverso ao
dos pólos de fechamento. Os seus contatos estão fechados
quando o eletroímã de comando não está alimentado, e estão
abertos quando é colocado em serviço.
Os contatos auxiliares asseguram as auto-retenções, os
intertravamentos dos contatores e ainda a sinalização. Existem
em três versões básicas :
– contatos instantâneos normalmente abertos NA, abertos
quando o contator está desligado e fechados quando o contator
está energizado,
– contatos instantâneos normalmente fechados NF, fechados
quando o contator está desligado e abertos quando o contator
está energizado,
– contatos instantâneos NA/NF. Quando o contator está
desligado, o contato NA está aberto e o contato NF está
fechado. Quando o contator fecha, o estado dos contatos
inverte-se. Os dois contatos têm um ponto comum.
Os contatos temporizados, NA ou NF, fecham ou abrem, após
um intervalo de tempo depois do fechamento ou da abertura do
contator que os aciona. Este intervalo de tempo pode ser
regulado.
5
3
A1
1
(1) ver "corte das correntes, arco elétrico" , pág. 31
Pólos de corte simples e duplo
55
67
56
68
6
•3
•4
4
2
•1
•2
•1
•3
•1
•2
•2
•3
A2
– KM1
•4
1
OS PÓLOS
Simbolização dos pólos e dos contatos auxiliares
28
Comando de potência
Comutação tudo ou nada
Circuito magnético para corrente alternada
Comportamento de um circuito magnético em
correntes alternada e contínua
♦ Alimentação em corrente alternada
Em corrente alternada, o valor da corrente na bobina é determinado pela sua impedância (3). Na chamada, devido à
existência de um grande entreferro, a relutância do circuito
magnético é elevada e a impedância da bobina é baixa (4).
A corrente de chamada la é importante, sendo limitada quase
unicamente pela resistência da bobina.
Na posição "trabalho", o circuito magnético fechado tem uma
relutância fraca que determina um forte aumento da impedância
da bobina. Esta impedância elevada limita a corrente a um
valor If nitidamente inferior a la (6 a 10 vezes menor).
Resumindo, a corrente na bobina foi reduzida, sem qualquer
outro artifício, pelo aumento da impedância devido à diminuição
do entreferro. Como já vimos no parágrafo anterior, esta corrente
é suficiente para manter o circuito magnético fechado.
Relação entre esforço de atração e corrente de comando
Quando o contator está desligado, em posição de chamada, as
linhas de força do campo magnético apresentam um percurso
importante no ar e a relutância (1) total do circuito magnético
MMa é muito elevada. É portanto necessária uma corrente de
chamada la elevada, para criar um esforço de atração superior
ao da mola de chamada e possibilitar o fechamento.
nIa (elevada) (2)
Ra (muito elevada)
φa =
Quando o contator está na posição "trabalho", o circuito
magnético fechado tem uma relutância Rf muito baixa. O
esforço de atração precisa ser agora mais elevado, uma vez que
é necessário equilibrar o esforço das molas de pressão dos
pólos. Mas o fluxo correspondente φf pode ser obtido, dada a
baixa relutância, com uma corrente muito inferior à corrente de
chamada:
nIf (baixa)
φf =
Rf (muito baixa)
♦ Alimentação em corrente contínua
O valor da corrente é determinado apenas pela resistência da
bobina. Na chamada, as características da bobina são tais, que
a sua resistência determina uma corrente la suficiente para
fechar o contator.
Quando o eletroímã está fechado, com o valor da resistência
inalterado, a corrente mantém-se igual à corrente de chamada
la, embora, como acabamos de ver, baste uma corrente muito
inferior para manter o circuito magnético na posição "fechado".
Salvo concepção especial do eletroímã, a potência que resulta
da passagem permanente da corrente de chamada la não pode
ser absorvida durante muito tempo pela bobina sem que a sua
temperatura se eleve demasiadamente. É necessário reduzir o
consumo na manutenção.
Esta redução de consumo obtém-se ligando em série com a
bobina uma resistência adicional de valor adequado.
Esta resistência é ativada por um contato auxiliar normalmente
fechado que abre depois do contator ter fechado.
Resumindo, para manter o circuito magnético fechado, basta
uma corrente If nitidamente inferior à corrente de chamada la
que é necessária para o fechamento.
(1) Relutância é a resistência que o circuito magnético opõe à passagem do fluxo. Pode ser comparada à resistência que um circuito elétrico
opõe à passagem da corrente (lei de Ohm).
Num circuito magnético homogêneo, em ferro doce, de comprimento l,
de secção constante S e permeabilidade µ, a relutância será :
l
R= µS
Reduz-se, na maior parte dos casos, à dos entreferros, pois a permeabilidade dos metais magnéticos é muito maior do que a do ar (100 a 1 000,
segundo o grau de saturação).
– KM1
(3) Para uma corrente alternada de pulsação ω (ω = 2πf = 377 a 60 Hz)
e um circuito de resistência R, Indutância L e capacitância C, a
impedância é de :
Z = R2 + X2 em que X = Lω –
– R’
U
A1
66
sendo I a corrente que percorre a bobina.
A força de atração é proporcional ao quadrado do fluxo.
2
nl
65
φ=
1
(2) O fluxo é proporcional aos ampére-espira, mas inversamente
proporcional à relutância :
A2
R
– KM1
1
Cω
Na chamada, a corrente absorvida é igual a : la = U/R
Quando o contator está fechado, passa a ser : If = U/(R+R’)
U : tensão da rede de alimentação
R : resistência da bobina
R’ : resistência adicional
A bobina é diferente da utilizada normalmente para a mesma tensão alternada
(4) A impedância da bobina é, em primeira aproximação, inversamente
proporcional à relutância do circuito magnético :
2
L= n
Redução de consumo
sendo n o número de espiras da bobina.
29
1
Comando de potência
Comutação tudo ou nada
1
Circuito magnético para corrente contínua
♦ Alimentação em corrente alternada
Sempre que o eletroímã tenha sido concebido especialmente
para ser utilizado em corrente contínua, o sistema de redução
de consumo deixa de ser necessário. Neste caso, o circuito
magnético e a bobina são dimensionados (volumes de aço e
de cobre mais elevados) de forma a aumentar a superfície de
resfriamento e favorecer a dissipação de calor.
Para calibres iguais, o contator equipado com este tipo de circuito é maior do que um contator de circuito magnético alternado
alimentado em corrente contínua com redução de consumo e
tem maior tempo de vida mecânico.
A corrente de chamada la é igual à corrente de manutenção If.
Princípio de funcionamento :
– quando o contator fecha, a corrente no retificador, ou seja no
enrolamento de chamada (A), é interrompida pelo contato (1)
integrado na bobina,
– o enrolamento de manutenção (M), que já era alimentado em
corrente alternada (semi-alternância), mantém-se sob tensão.
O contato (2) é utilizado caso exista um comando por pulso,
servindo de contato de auto-alimentação,
– quando o circuito magnético do eletroímã (Y) está fechado,
pode ser assimilado a um transformador cujo primário é constituído pelo enrolamento de manutenção (M) e o secundário pelo
enrolamento de chamada (A) ,que está ligado aos terminais
dos quatro diodos da ponte.
Quando se produzem alternâncias positivas,os diodos da ponte
retificadora curto-circuitam o secundário e provocam a circulação
de uma corrente no enrolamento de chamada (A) e por isso uma
indução com um determinado sentido.
Quando se produzem alternâncias negativas, os diodos impedem
a circulação de uma corrente inversa no secundário e a energia
acumulada neste é liberada sob a forma de uma corrente com
o mesmo sentido que a anterior.
Assim, o fluxo magnético no eletroímã (Y) tem sempre o mesmo
sentido e é sempre positivo.
Este sistema elétrico produz os mesmos efeitos que os aneis de
defasagem montados nos contatores de menor calibre.
Circuito magnético de baixo consumo
Ver pág. 34.
Circuito magnético com bobina de dois enrolamentos
Esta técnica, cuja patente foi registada pela Telemecanique, é
especialmente adequada para contatores de grande calibre
cujo eletroímã deve :
– ser pequeno, para limitar a massa e o volume dos
equipamentos,
– fornecer um esforço motor elevado, assegurando desempenhos elevados a nível dos contatos,
– ser insensível às quedas de tensão eventualmente
provocadas pelo circuito de alimentação e às chamadas de
corrente resultantes da partida dos motores,
– ter um consumo de energia mínimo,
– garantir uma elevada confiabilidade eletromecânica.
Só um eletroímã :
– especialmente concebido para corrente contínua,
– com uma bobina na qual as funções de chamada e de
manutenção estejam separadas,
– que possa ser alimentado quer em corrente alternada, quer
em corrente contínua, conforme o tipo da bobina,
pode satisfazer a estas exigências.
♦ Alimentação em corrente contínua
– quando o contator fecha, o contato (1) integrado na bobina
abre e o enrolamento de manutenção (M) fica ligado em série
com o enrolamento de chamada (A).
03
(2)
(Y)
(M)
A1
(1)
(A)
+
–
A2
Corrente alternada
(Y)
A1
(M)
(1)
(A)
A2
Correntecontínua
Bobinas tipo corrente contínua
Alimentação das bobinas de dois enrolamentos
30
Comando de potência
Comutação tudo ou nada
Se quiser forçar uma corrente contínua a reduzir e depois a
anular-se, é necessário introduzir no circuito um arco cuja
tensão seja superior à da fonte de alimentação. De acordo com
a fórmula de Ayrton, deve-se portanto aumentar o comprimento
do arco submetendo-o a um campo magnético de "sopro", ou
ainda melhor, fracioná-lo de forma a multiplicar o número de
quedas de tensão nos eletrodos : Uarco = n (15 V + B ’), sendo
n' o comprimento unitário de cada arco elementar. Obtém-se
assim uma tensão elevada escalonada, com arcos de
comprimentos razoáveis, susceptíveis de serem contidos
facilmente nas câmaras de extinção de dimensões limitadas.
Em corrente alternada, uma tensão de arco elevada não tem
qualquer utilidade porque a corrente anula-se por si. Antes pelo
contrário, é preferível uma tensão de arco baixa para minimizar
a energia do arco Warco durante o tempo de arco ta.
Warco = Uarco x I x ta e dissipada por efeito Joule no plasma.
Uma vez que a extinção do arco se dá no momento em que a
corrente se anula, basta, em 60 Hz, aguardar, no máximo,
alguns milésimos de segundo, após o aparecimento do arco,
para vê-lo extinguir-se naturalmente. O problema é impedir que
ele volte a estabelecer após a passagem por zero da corrente.
As peças metálicas ferromagnéticas existentes na câmara de
extinção têm por objetivo, enviar o arco na direção correta
(sopro magnético) permitindo o rápido resfriamento da zona
onde ocorreu o arco elétrico. Absorvendo as calorias liberadas
por efeito Joule no arco, aceleram-se fenômenos de
desionização e reduzem-se assim os riscos de restabelecimento
do arco.
Interrupção de correntes : arco elétrico
A abertura de um contator tem geralmente por finalidade interromper a corrente elétrica que percorre a carga (motor, etc). Este
último é muitas vezes indutivo e, com exceção da abertura no
momento exato da passagem por zero de uma corrente alternada,
a interrupção da corrente não é instantânea.
Se a intensidade for maior do que 1 ampére, estabelece-se um arco
elétrico entre os contatos no momento da separação. O arco é uma
das formas de descarga elétrica no gás ou no vácuo. É um plasma,
constituído por elétrons livres e por ions arrancados dos eletrodos
por efeito térmico, que circula no meio gasoso por ação do campo
elétrico que é gerado entre os contatos. Neste sentido, pode ser
assimilado a um condutor móvel de forma variável, que pode
portanto ser posto em movimento por aplicação de um campo
magnético em todo o seu comprimento, ou pela presença de peças
ferromagnéticas na sua proximidade.
A temperatura atinge o seu máximo na região central e excede
muitas vezes vários milhares de graus C, ou mesmo várias dezenas
de milhar de graus C, valores muito superiores aos que podem
suportar os metais e os isolantes utilizados na fabricação dos
contatos e das câmaras de extinção de arco .
A duração do arco tem portanto que ser: nem elevada para evitar
a destruição das paredes ou dos materiais metálicos da câmara,
nem muito baixa, para limitar as sobretensões resultantes de
variações muito rápidas da corrente no circuito da carga.
A resistência de um arco depende do número de elétrons livres
existentes no plasma. Será mais fraca quanto maior for este
número, isto é, quanto maior a ionização, ou quanto maior for a
temperatura do arco. O reestabelecimento da rigidez dielétrica do
espaço entre contatos ou desionização passa portanto por um
forte resfriamento dos gases sobreaquecidos. Num dado instante,
o produto do valor da resistência do arco pela corrente que o
atravessa é chamado de tensão do arco.
Os estudos feitos pela Mme. Ayrton mostram que esta tensão tem
a forma : U arco = A + (B x I) para correntes superiores a algumas
dezenas de ampéres."A" representa a soma sensivelmente constante, da ordem de uma quinzena de Volts, das quedas de tensão
elevadas que se produzem na proximidade dos eletrodos : DUa no
anodo e DUc no catodo.
B x I é uma queda de tensão aproximadamente proporcional ao
comprimento do arco.
Abertura no vácuo
Antes utilizado exclusivamente em alta tensão, a abertura no vácuo
é atualmente utilizada também em baixa tensão.
O comportamento dielétrico no vácuo 25 kV/mm em vez de 3 kV/
mm no ar, permite distâncias entre contatos muito pequenas, com
excelentes comportamentos às sobretensões. É por este motivo que
os aparelhos de abertura no vácuo necessitam de uma energia de
comando pequena.
A abertura no vácuo é caracterizada principalmente por uma
recuperação extremamente rápida da rigidez dielétrica pós-arco do
meio entre contatos. Por outro lado, dado o encerramento do arco
num invólucro estanque, os aparelhos de abertura no vácuo
garantem uma grande segurança de utilização.
Peças ferromagnéticas
Arco
+
–
–+
–+
Arcos elementares de comp.
–+
–+
–+
+
–
Comprimento l do arco
(–)
Queda de tensão
no ânodo
Volt
Volts
Queda de tensão
no catodo
α
i
(+)
i
Volts
Volt
Tensão de
arco
total Ua
Tensão de
arco
total Ua
l (mm)
l (mm)
0
0
Forma de um arco estabilizado
l’'
Fracionamento do arco por peças ferromagnéticas
31
'
1
Comando de potência
Comutação tudo ou nada
Esta queda de tensão pode ser ocasionada pelo pico de
corrente ao partir o motor, no momento em que os contatos
móveis do contator tocam nos contatos fixos.
Ela origina uma perda de energia no circuito magnético,que
deixa de ter força para continuar o seu curso até o fechamento
completo.
A pressão sobre os pólos passa a ser nula e estes soldam-se.
Quando o motor atinge a sua velocidade nominal, a tensão
aumenta e, a cerca de 85% de Un, o circuito magnético fecha
completamente.
Neste caso, é a instalação que está em causa. É preciso
verificar os comprimentos e as secções dos cabos e,
eventualmente, a potência do transformador de alimentação.
Após o desligamento de um circuito de vários motores, quando
a tensão se restabelecer, os picos de corrente dos vários
motores se somam (quando os comutadores ficam na posição
"ligado") e podem igualmente causar uma queda de tensão.
Neste caso, é necessário prever um dispositivo para espaçar
as partidas, segundo uma ordem prioritária.
Quando um contator se deteriora facilmente, deve-se verificar
se o seu calibre corresponde à potência do motor. Se esta
escolha estiver correta, particularmente se o valor da corrente
de bloqueio do motor for inferior ao poder de fechamento do
contator, o incidente pode geralmente ser imputado a
perturbações no circuito de comando, que originam o mau
funcionamento do eletroímã. Enumeramos a seguir as
perturbações mais frequentes e a solução que aconselhamos
para cada uma delas.
Queda de tensão no circuito de comando
Quando o contator é alimentado a baixa tensão (24 a 110 V) e
existem numerosos contatos de comando ligados em série,
pode produzir-se uma queda de tensão no circuito de comando
no momento de chamada do contator. Esta queda de tensão
adiciona-se à que é provocada pelo pico de partida do motor
e a situação é idêntica à anteriormente descrita.
Neste caso, é necessário utilizar no circuito uma interface,
substituindo o contator em causa por um contator auxiliar, com
uma corrente de chamada menor, que comandará a bobina do
contator principal, ela própria alimentada à tensão da rede.
Esquema original
Esquemas aconselhados
2
– KA1
Uc : tensão de comando
– KA1
– KM1
A2
– KM1
Us
Us : tensão da rede de alimentação
Queda de tensão no circuito de comando
32
A1
Uc
A1
2
A1
Uc
1
A2
1
A2
1
Queda de tensão na rede
Incidentes que podem provocar
a deterioração dos contatores
Comando de potência
Comutação tudo ou nada
Vibração dos contatos de comando
Consequências dos incidentes
É possível que, no circuito de comando, certos contatos entrem
em vibração (termostato, pressostato, etc.). Estas vibrações, ao
repercutirem-se no eletroímã do contator de potência, provocam
fechamentos incompletos e soldagem dos pólos.
A solução consiste em equipar o aparelho com uma temporização da ordem de dois a três segundos. Utilizar um contato
normalmente aberto temporizado no fechamento.
Se, em consequência das perturbações que acabamos de
descrever, os pólos do contator ficarem soldados, não
acontecerá nada de anormal enquanto não for dada a ordem
de parada do motor. De fato, a soldagem de um ou vários pólos
não impede o fechamento completo do contator.
Em contrapartida, na abertura o contator fica "preso" em um ou
mais polos soldados . Os que não estão soldados se abrem em
alguns décimos de milímetro.
Forma-se um pequeno arco. Como a chama de um maçarico,ele
queima lentamente os pólos não soldados e o aparelho pega
fogo.
Ao analisar o contator, constata-se muitas vezes que há um ou
dois pólos intactos: são os que estavam soldados.
Notar que a corrente não é superior à corrente nominal do motor
e que as proteções só atuarão quando o aparelho estiver
destruído e ocorrido um curto-circuito
Micro-interrupções na rede, interrupção acidental ou
voluntária, de curta duração
Quando o contator volta a fechar após uma breve falta de tensão
na rede (de algumas dezenas de microsegundos), a força
contra-eletromotriz do motor deixa de estar em fase com a da
rede. O pico de corrente pode então atingir o dobro do seu valor
normal. Há risco de soldagem dos pólos devido ao poder de
fechamento do contator ser ultrapassado. Para evitar este
incidente, é necessário retardar de dois a três segundos o
fechamento do aparelho, utilizando um contato normalmente
aberto temporizado, para que a força contra-eletromotriz se
torne quase nula.
Para proteger os contatores contra os microcortes na rede,
também se pode temporizar a abertura do contator principal,
utilizando um dispositivo de retardamento (retificador-condensador).
Conclusão
As perturbações que podem ocasionar a soldagem dos pólos
de um contator são muito difíceis de notar devido à sua curta
duração e aparecimentos passageiros.
Além disso, estes incidentes não se produzem sistematicamente quando o contator fecha, mas aparecem, geralmente,
quando várias perturbações se produzem simultaneamente,
ou se produz uma perturbação numa rede cuja tensão estava
próxima do valor mínimo admissível. O contator não é o
responsável, mas é indispensável verificar o circuito de
comando para eliminar a causa do defeito.
Esquemas aconselhados
Contatores de pequeno calibre
Vibração dos contatos de comando
33
– KM1
A1
A1
– KA1
– KM1
A2
– KA1
– KM1
A2
– KA1
A2
– KM1
– KA1
2
– KA1
A1
2
A2
2
1
A1
1
A1
1
A2
Esquema original
Contatores de grande calibre
1
Comando de potência
Comutação tudo ou nada
Quando a bobina é colocada sob tensão, a força de atração
exercida pelos ímãs sobre o conjunto móvel diminui em função
do quadrado do entreferro (designada por inclinação negativa),
enquanto que, com um eletroímã clássico, a força de chamada
exercida pela mola aumenta à medida que o conjunto móvel
se desloca. Para calibres idênticos, o esforço motor que o
eletroímã de um contator de baixo consumo tem de fornecer é
portanto inferior ao de um contator standard, resultando menor
consumo de potência pela bobina.
Contator de baixo consumo
1
Um contator de baixo consumo pode ser comandado sem
interfaces, pelas saídas estáticas dos PLC's. Para isso está
equipado com um eletroímã para corrente contínua, adaptado
aos níveis de tensão e corrente deste tipo de saída (geralmente
24 VCC/100 mA).
Este tipo de contator pode também ser utilizado quando é
necessário limitar a dissipação térmica, por exemplo: equipamentos compostos por um grande número de aparelhos ou
equipamentos que integrem componentes eletrônicos, ou nos
equipamentos alimentados por baterias.
O circuito magnético de um contator, ou de um contator auxiliar
de baixo consumo, difere sob vários aspectos de um circuito
magnético clássico :
– aplicação de uma geometria especial, minimizando as fugas
magnéticas e assegurando o movimento do conjunto móvel,
praticamente sem atrito,
– utilização de ferro de elevada pureza e ímãs permanentes
com forte campo coercitivo.
Os ímãs estão dispostos de tal modo que a força de chamada
que exercem sobre o conjunto móvel atinge o seu máximo
quando o contator está aberto, o que garante uma ótima
suportabilidade aos choques na posição "repouso", da mesma
ordem de grandeza que o obtido na posição "trabalho".
entreferro
íman permanente
bobina
conjunto móvel
posição "repouso"
posição "trabalho"
Eletroíman de um contator série D de baixo consumo
Contator série D de baixo consumo Telemecanique
34
Comando de potência
Comutação tudo ou nada
-acoplador.
Os relés e os contatores estáticos não fazem o isolamento entre
a rede de alimentação e o receptor. Esta função pode ser
eventualmente assegurada por um contator eletromagnético
ligado a montante e que pode ser comum a várias saídas.
Relés e contatores estáticos
Os relés e os contatores estáticos são aparelhos de comutação
de potência com semi-condutores. Destinam-se ao comando
de receptores resistivos ou indutivos alimentados com corrente
alternada.
Tal como os contatores eletromagnéticos, os relés e os
contatores estáticos podem estabelecer e interromper correntes
elevadas, por ação de uma corrente de comando de pouca
intensidade, assegurar um serviço intermitente ou contínuo,
ser comandados à distância, a partir de qualquer aparelho que
emita um sinal de tensão tudo ou nada (interfaces de diálogo
homem/máquina, saídas de PLC s etc). Os circuitos de comando
e de potência são separados galvanicamente por um optoacoplador ou um relé "reed".
Em relação aos contatores eletromagnéticos, apresentam
vantagens importantes :
– elevada frequência de comutação,
– ausência de peças mecânicas móveis,
– funcionamento totalmente silencioso,
– limitação máxima dos ruídos rádio-elétricos susceptíveis de
perturbar os componentes de sistemas de automação eletrônicos
(bloqueio dos semi-condutores de potência no momento da
passagem por zero da corrente),
– tecnologia monobloco que torna os aparelhos insensíveis aos
choques indiretos, às vibrações, aos ambientes poeirentos,
– larga gama de tensão do circuito de comando,
– consumo muito baixo, permitindo o comando por saídas
estáticas de PLCs.
Os relés e os contatores estáticos são protegidos contra as
variações bruscas de tensão (dV/dt elevada) e contra as
sobretensões por circuitos RC e limitadores integrados.
Podem ser comandados por tensão contínua ou alternada. Em
tensão contínua, a entrada é protegida contra as inversões de
polaridade. Em comando por tensão alternada, um circuito
retificador com filtro restabelece uma tensão contínua no opto-
Relés estáticos
São aparelhos unipolares adequados para o comando de
cargas resistivas para regulagem de fornos, aplicação que necessita geralmente de uma cadência de comutação elevada.
Existem em duas versões :
– relés síncronos : a comutação para a posição "fechado" faz-se no primeiro zero da alternância consecutivo ao sinal de
comando e a passagem ao estado "aberto" no momento zero da
corrente,
– relés assíncronos : a comutação para a posição "fechado" é
consecutiva ao sinal de comando e a passagem ao estado
"aberto" faz-se no momento zero da corrente.
Em caso de utilização de relés estáticos para alimentar
receptores polifásicos, é aconselhável ligar os circuitos de
comando em série, de forma a garantir a comutação simultânea
de todos os relés.
Contatores estáticos
Estes aparelhos tripolares são especialmente indicados para
o comando de motores trifásicos funcionando com cadências
elevadas.
Estão equipados com dois contatos auxiliares estáticos : um
contato de auto-alimentação e um contato de dependência
compatível com as entradas dos PLCs. O mesmo sinal de
comando fecha os componentes de potência e os contatos
auxiliares.
Uma versão com dois sentidos de operação permite inverter o
sentido de rotação do motor por permutação das fases 1 e 2 (a
fase 3 não é comutada). O comando simultâneo dos dois
sentidos de funcionamento é impedido por um intertravamento
interno do inversor.
Relés estáticos Telemecanique
Contatores estáticos Telemecanique
35
1