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Acionamentos Elétricos ACESSE AQUI O SEU LIVRO NA VERSÃO DIGITAL! Me.Taiser Tadeu Teixeira Barros https://apigame.unicesumar.edu.br/qrcode/3409 FICHA CATALOGRÁFICA C397 CENTRO UNIVERSITÁRIO DE MARINGÁ. Núcleo de Educação a Distância. BARROS, Taiser Tadeu Teixeira. Acionamentos Elétricos. Taiser Tadeu Teixeira Barros. Maringá - PR.: Unicesumar, 2021. 232 p. “Graduação - EaD”. 1. Acionamentos 2. Elétricos 3. Energia. EaD. I. Título. CDD - 22 ed. 621.38 CIP - NBR 12899 - AACR/2 ISBN 978-65-5615-167-0 Impresso por: Bibliotecário: João Vivaldo de Souza CRB- 9-1679 Fotos: Shutterstock Pró Reitoria de Ensino EAD Unicesumar Diretoria de Design Educacional Equipe Produção de Materiais NEAD - Núcleo de Educação a Distância Av. Guedner, 1610, Bloco 4 Jd. Aclimação - Cep 87050-900 | Maringá - Paraná www.unicesumar.edu.br | 0800 600 6360 Diretoria Executiva Chrystiano Mincoff, James Prestes, Tiago Stachon Diretoria de Design Educacional Débora Leite Diretoria de Graduação e Pós-graduação Kátia Coelho Diretoria de Permanência Leonardo Spaine Head de Produção de Conteúdos Celso Luiz Braga de Souza Filho Gerência de Produção de Conteúdo Diogo Ribeiro Garcia Gerência de Projetos Especiais Daniel Fuverki Hey Supervisão do Núcleo de Produção de Materiais Nádila Toledo Supervisão Operacional de Ensino Luiz Arthur Sanglard NEAD - NÚCLEO DE EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Reitor Wilson de Matos Silva Vice-Reitor Wilson de Matos Silva Filho Pró-Reitor de Administração Wilson de Matos Silva Filho Pró-Reitor Executivo de EAD William Victor Kendrick de Matos Silva Pró-Reitor de Ensino de EAD Janes Fidélis Tomelin Presidente da Mantenedora Cláudio Ferdinandi DIREÇÃO UNICESUMAR EXPEDIENTE BOAS-VINDAS Reitor Wilson de Matos Silva Neste mundo globalizado e dinâmico, nós trabalhamos com princípios éticos e profissionalismo, não somente para oferecer educação de qualidade, mas também, acima de tudo, gerar a conversão integral das pessoas ao conhecimento. Baseamo-nos em quatro pilares: intelectual, profissional, emocional e espiritual. Assim, iniciamos a Unicesumar em 1990, com dois cursos de graduação e 180 alunos. Hoje, temos mais de 100 mil estudantes espalhados em todo o Brasil, nos quatro campi presenciais (Maringá, Londrina, Curitiba e Ponta Grossa) e em mais de 500 polos de educação a distância espalhados por todos os estados do Brasil e, também, no exterior, com dezenas de cursos de graduação e pós-graduação. Por ano, produzimos e revisamos 500 livros e distribuímos mais de 500 mil exemplares. Somos reconhecidos pelo MEC como uma instituição de excelência, com IGC 4 por sete anos consecutivos e estamos entre os 10 maiores grupos educacionais do Brasil. A rapidez do mundo moderno exige dos educadores soluções inteligentes para as necessidades de todos. Para continuar relevante, a instituição de educação precisa ter, pelo menos, três virtudes: inovação, coragem e compromisso com a qualidade.Por isso, desenvolvemos para os cursos híbridos, metodologias ativas, as quais visam reunir o melhor do ensino presencial e a distância. Tudo isso para honrarmos a nossa missão, que é promover a educação de qualidade nas diferentes áreas do conhecimento, formando profissionais cidadãos que contribuam para o desenvolvimento de uma sociedade justa e solidária. Me.Taiser Tadeu Teixeira Barros Olá, estimados(as) alunos(as)! Meu nome é Taiser e ingressei na Engenharia pois sem- pre fui muito curioso e gostava muito de robôs! Comecei a trabalhar com robótica quando fiz meu mestrado e, atualmente, te- nho uma empresa de robótica educacional. Sigo meus estudos fazendo meu doutora- do! Comecei a dar aulas em um cursinho de Inglês, enquanto atuava como engenheiro na indústria e, alguns anos depois, surgiu a oportunidade de dar aulas em uma escola técnica. Já atuei como professor universitá- rio e acredito que devo seguir na docência, pois gosto muito. Ainda estou em contato com a indústria, área em que, eventualmen- te, presto consultoria na área da automação. Saindo do mundo profissional, gosto de jogar xadrez, principalmente com meu fi- lho. Pratico artes marciais, tendo passado pelo Karatê, Tae Kwon Do, Capoeira, Muai Thay e Jiu Jitsu. Curto rock, desde clássi- cos como Beatles ao heavy metal do Iron Maiden! Sou gaúcho e não posso deixar de falar que sou um excelente assador de churrasco! Além das atividades que citei anteriormente, não posso deixar de citar a que mais gosto, que é ficar com minha família, minha esposa Fabiane e meus fi- lhos Alice e Matheus! Espero que aproveitem o material que pro- duzimos para vocês sobre Acionamentos Elétricos. Utilizei exemplos práticos que serão muito úteis para vocês! Um forte abraço e bons estudos! Deixo disponível também o link do meu curriculum lattes para que possam conhecer melhor minha formação e experiência: http://lattes.cnpq. br/4244800535900925 Aqui você pode conhecer um pouco mais sobre mim, além das informações do meu currículo. MEU CURRÍCULO MINHA HISTÓRIA http://lattes.cnpq.br/4244800535900925 REALIDADE AUMENTADA: sempre que encontrar esse ícone, esteja conectado à internet e inicie o aplicativo Unicesumar Experience. Aproxime seu dispositivo móvel da página indicada e veja os recursos em Realidade Aumentada. Explore as ferramentas do App para saber das possibilidades de interação de cada objeto. PODCAST: professores especialistas e convidados, ampliando as discussões sobre os temas. PÍLULA DE APRENDIZAGEM: uma dose extra de conhecimento é sempre bem-vinda. Posicionando seu leitor de QRCode sobre o código, você terá acesso aos vídeos que complementam o assunto discutido. PENSANDO JUNTOS: ao longo do livro, você será convidado(a) a refletir, questionar e transformar. Aproveite este momento! EXPLORANDO IDEIAS: com este elemento, você terá a oportunidade de explorar termos e palavras-chave do assunto discutido, de forma mais objetiva. EU INDICO: enquanto estuda, você pode acessar conteúdos online que ampliaram a discussão sobre os assuntos de maneira interativa usando a tecnologia a seu favor. Quando identificar o ícone de QR-CODE, utilize o aplicativo Unicesumar Experience para ter acesso aos conteúdos online. O download do aplicativo está disponível nas plataformas: Google Play App Store IMERSÃO RECURSOS DE APRENDIZAGEM CAMINHOS DE 9 57 31 87 7 Energia: gerando, convertendo e distribuindo ACIONAMENTOS ELÉTRICOS Projetos Elétricos Residenciais e Industriais Noções de Instalações Elétricas Residenciais e Industriais Máquinas Elétricas: Motores de Indução Monofásicos e Trifásicos, Dimensionamento de Motores, Fator de Potência 1 3 2 4 PROVOCAÇÕES INICIAIS APRENDIZAGEM CAMINHOS DE 157 111 203 137 179 Chaves de partida por contator (direta, estrela-triângulo, compensadora) Dispositivos de Proteção e Comando Introdução à Lógica de Comandos com CLP Acionamentos Elétricos: lógica básica de Comandos Soft Starters e Inversores de Frequência 7 5 9 6 8 INICIAIS PROVOCAÇÕES Os acionamentos elétricos englobam uma ampla gama de aplicações, desde residenciais, prediais e industriais. Em nossa residência, possuímos chaves eletromecânicas simples (os interruptores), que nos permitem acionar/desacionar nossos pontos de iluminação. Os interruptores, assim como aqueles que possuímos em nossas residências, são utilizados também no ambiente industrial, porém com uma capacidade superior de condução de corrente, sendo denominados botoeiras ou botões industriais, mas a lógica de funcionamento deles é a mesma. Ainda, uma comparação sobre os equipamentos que possuímos em nossa residência em relação ao que existe na indústria pode ser realizada com o motor elétrico – o princípio de funcionamento do motor elétrico do nosso liquidificador é o mesmo de um motor que aciona uma esteira industrial. Claro que em proporções físicas diferentes e com redes elétricas de alimentação diferentes, mas ambos com a mesmafunção final: gerar torque que pode ser utilizado como movimento mecânico. Seja para acionar o motor de nosso liquidificador, seja o motor industrial, precisamos de um dispositivo. Nesse contexto, encontramos os acionamentos elétricos, que é uma área em que discutimos sobre dis- positivos elétricos/eletrônicos e como são acionados. Assim, em nossas unidades de estudos, estaremos compreendendo desde o funcionamento de um motor até a estrutura de um acionamento para ligar este mesmo motor. Ainda, ampliando nosso conhecimento, teremos uma noção de como desenvolver lógicas de acionamentos, tanto elétricos como aqueles reali- zados utilizando controladores lógicos programáveis. ACIONAMENTOS ELÉTRICOS 1 OPORTUNIDADES DE APRENDIZAGEM Energia: gerando, convertendo e distribuindo Me.Taiser Tadeu Teixeira Barros Nesta unidade, discutiremos o conceito de energia – mais especificamente a energia elétrica –, verificando como ela é gerada e distribuída. Além disso, abordaremos a conversão eletromecânica de energia, associada aos dispo- sitivos elétricos bastante utilizados na indústria, como o motor e o gerador elétrico. Esses conceitos permitem uma série de conclusões sobre como a energia elétrica se encaixa em nosso dia a dia e como ela é de fundamental importância para nosso modo de vida. 10 UNICESUMAR Quando você ouve a palavra energia, o que vem à sua mente? Energia é vida, ela nos rodeia e permite que tudo funcione. Inclusive nós, seres humanos, precisamos de energia para nossas funções vitais. Quais as formas de energia você conhece? Onde utilizamos a energia? Especi- ficamente em relação à energia elétrica, quais são os dispositivos que utilizamos, os quais são alimentados com energia elétrica? Quando acionamos o interruptor instalado na parede de um cômodo de nossa residência, iluminando-o, talvez não paramos para pensar, mas estamos protagonizando o papel de um operador de um processo, no qual um circui- to da instalação elétrica de nossa residência será energizado e, posteriormente, permitirá a transformação da energia da forma elétrica para a forma luminosa. Todo esse processo vai ocorrer em frações de segundo. Ainda, quando giramos a chave na ignição de nossos automóveis, também iniciamos um processo no qual a energia proveniente da com- bustão que ocorre no motor seja transformada em energia mecânica (mais especificamente torque), capaz de movimentar o veículo. E, assim como esses dois processos citados anteriormente, poderíamos trazer diversos ou- tros, relacionados à transformação dos tipos de energia e das diferentes formas que utilizamos a energia em nosso cotidiano. O homem aprendeu a dominar a energia com o passar dos anos e com a evolução das ci- vilizações. Um exemplo extremamente simples para compreender como a energia pode ser uti- lizada a favor do ser humano é um dispositivo que, durante muitos anos, foi utilizado para medir o tempo. Este dispositivo é a ampulheta. Observe a figura 1: Descrição da Imagem: objeto de madeira com 2 discos separados por 3 peças cilíndricas, e, no interior destas, há duas câmaras de vidro unidas por uma seção bem reduzida, por onde escoa areia de uma câmara para a outra. Figura 1 – Ampulheta Qual a relação da ampulheta com energia? Quan- do a ampulheta é colocada em ação, a areia fica armazenada na parte superior, sendo que, neste momento, a energia associada com o volume de areia apresenta-se na forma de energia potencial (mesma forma de energia que o volume de água em uma barragem apresenta). Quando a areia começa a escoar dentro da ampulheta, a energia apresenta-se na forma de energia cinética (que é a energia associada ao mo- vimento). O período necessário para que o volu- me de areia troque de compartimento pode ser associado com determinado intervalo de tempo. 11 UNIDADE 1 Vou indicar um vídeo, no qual você pode se basear para fazer seu experimento. Para acessar, use seu leitor de QR Code. Ao montar a ampulheta e refle- tir sobre o seu funcionamento, pense também sobre a relação com outro dispositivo comum que utilizamos em nosso coti- diano: a bateria elétrica. Nosso smartphone não funciona sem bateria, a qual precisa ser car- regada quase que diariamente. Da mesma forma, se nosso au- tomóvel estiver com a bateria descarregada, não vamos con- seguir efetuar a partida. A bateria é um dispositivo que, similarmente à ampulheta, é capaz de armazenar energia; porém, a bateria armazena energia elétrica. Uma sugestão de analogia da ampulheta com a bateria é pensar nos grãos de areia como sendo os elétrons. Na bateria, basicamente há a presença de dois terminais: o terminal positivo (Anodo) e o terminal negativo (Catodo), separados entre si por uma estrutura composta por diferentes camadas de materiais (como exemplo Al e Cu) e diferente composição química, que permite a troca de cargas entre placas. Essa troca de cargas, mais especificamente dos elétrons, configura-se na corrente elétrica disponibilizada pela bateria. Quando as cargas estão totalmente “separadas”, a bateria está carregada, disponibilizando deter- minada diferença de potencial (d.d.p) entre seus terminais, ou, de outra forma, temos tensão elétrica disponível entre os terminais da bateria. Para entender melhor esse processo, sugiro uma atividade prática. Vamos desenvolver uma ampulheta simples, utilizando, por exemplo, duas garrafas pet e areia? Faça este pequeno experimento e utilize a energia para produzir um dispositivo que foi utilizado pela humanidade durante vários anos para medir o tempo. https://www.youtube.com/watch?v=Th7jZLrX3mA 12 UNICESUMAR D IÁ R IO D E B O R D O Achou um vídeo legal? Vou te ajudar e indicar um também. Para acessar, use seu leitor de QR Code. Busque na internet por um vídeo ou texto que explique o funcionamento da bateria elétrica e tente descrever em seu Diário de Bordo como ela funciona, comparando-a com a ampulheta. Pode também esboçar um esquema de funcionamento da bateria e comparar com a ampulheta. https://youtu.be/qkVpHwjQNk4 13 UNIDADE 1 A energia elétrica é estudada pelo homem já há alguns sécu- los, sendo um dos primórdios dos estudos da eletricidade atri- buído ao filósofo grego Tales de Mileto. A eletricidade está associada diretamente com os efeitos produzidos pela troca de cargas elétricas nos diferentes materiais. Podemos produzir energia elétrica (neste caso, es- tática) quando penteamos nosso cabelo, assim como representado na Figura 2: se aproximarmos o pente de pequenos pedaços de papel, eles serão atraídos devido à interação de cargas elétricas. Ainda, quantos de nós já sentimos o efeito de uma des- carga eletrostática ao tocar em uma maçaneta metálica, ou até mesmo em outra pessoa? Esse também um efeito associado com a eletricidade estática. Os componentes eletrônicos mais sensíveis devem ser ma- nuseados com a utilização de pulseiras antiestáticas, evitando que, ao entrarmos em contato com eles, nossa estática seja des- carregada nesses componentes, causando danos permanentes. Alguns experimentos com eletricidade ficaram famosos na história, como a lendária experiência de empinar uma pipa durante uma tempesta- de, conduzido por Benjamin Franklin, no século XVIII. Há controvérsias sobre esse fato – da forma como é relatado, po- Experimento de eletricidade estática simples com pente de cabelo. Descrição da Imagem: pessoa penteando o cabelo e, posteriormente, aproximando o pente de pequenos pedaços de papel, os quais são atraídos pelo pente. Descrição da Imagem: homem encosta na maçaneta de uma porta de onde saem pe- quenos raios. Figura 2 – Efeito de eletrostática quando penteamos o cabelo 14 UNICESUMAR deria ter sido fatal! Talvez não tenha sido realizado exatamente da forma como o conhecemos. Outro experimento bastan- te famoso é a gaiola de Faraday, que foi conduzido por Michael Faraday, no século XIX. Faraday comprovou que o campo elétri- co no interior deuma estrutura metálica fechada é nulo. O próprio Faraday efetuou os testes do seu experimento permanecendo no interior da gaiola, enquanto a estrutura recebia descargas elétricas. O princípio da gaiola de Faraday, ou da blindagem eletrostática, é muito utilizada na proteção de interferências elétricas. In- clusive, um dos métodos de projetos de sistemas contra descargas atmosféricas é conhecido como método de Faraday (assim como existe também o método Franklin). Sabia que você pode testar o princípio da gaiola de Faraday utilizando dois celulares e papel alumínio, ou algum invólucro metálico totalmente fechado? No caso do papel alumínio, basta enrolar completamente o celular, sem deixar nenhuma abertura. O celular deve permanecer ligado, porém ao utilizar outro aparelho para ligar para o que está enrolado no papel, não haverá recepção da chamada, uma vez que não haverá como o sinal chegar ao celular enrolado, que estará em um ponto de campo nulo. Outros cientistas seguiram os estudos em eletricidade, como o caso de Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), o qual observou os efeitos de atração e repulsão de cargas elétricas. Um dos seus estudos mais aprofundados sobre o movimento destas cargas, especificamente dos elétrons, permitiu a um de seus contemporâneos, André Marie Ampére (1775-1836), postular o conceito de corrente elétrica. Ao verificar que era necessária uma “pressão” para causar a corrente elé- trica, o Conde Alessandro Volta (1745-1794) postulou o conceito da diferença de potencial (d.d.p) ou tensão elétrica como conhecemos! Descrição da Imagem: A imagem mostra duas meninas no interior de uma gaiola metálica retangular que recebe descargas elétricas. Foi chamada de Jaula de Faraday e demonstrada no Fiesta Hall na Feira de San Mateo, Califórnia, Estados Unidos, em 2011. Figura 3: Gaiola de Faraday 15 UNIDADE 1 Já parou para pensar em como a energia elétrica é gerada e de que forma ela está disponível na tomada elétrica que temos em nossa residência? REALIDADE AUMENTADA As grandezas elétricas Corrente e Tensão, com as unidades de medida respectivas de Ampére e Volts, estão diretamente associadas com a energia elétrica, da mesma forma que a potência elétrica que é medida em Watts. Figura 4 – Experimento sobre indução magnética Descrição da Imagem: três círculos que representam 3 medi- dores de tensão elétrica, dispostos na vertical, cada um com a representação de uma bobina elétrica ao lado direito, mostrando um ímã retangular entrando na primeira bobina superior e saindo na última bobina inferior. A geração de energia elétrica pode ser explicada com um experimento (representado na Figura 3), em que uma bobina com um número de es- piras N é introduzida em uma região na qual há variação de fluxo magnético; desta forma haverá a produção de uma tensão induzida nos terminais desta bobina. A Lei de Faraday para a indução Eletromag- nética descreve matematicamente este efeito, con- forme equação 1: e N d dt � � f [1] onde: e = tensão induzida na bobina [Volt], d dtf / = variação do fluxo magnético f [Weber]. Esta equação indica que, quanto maior o número de espiras da bobina, maior a tensão induzida, da mesma forma que um aumento no fluxo mag- nético aumenta a tensão. Esta tensão induzida é conhecida também como F.E.M – Força Eletro Motriz. Ainda, a análise da Figura 4 mostra que, 16 UNICESUMAR dal, a qual pode ter seus níveis ajustados por transformadores e, posteriormente, distribuída através de linhas de transmissão, as quais, conectadas, constituem o sistema elétrico que permite o for- necimento de energia elétrica da maneira como conhecemos, che- gando até nossas residências, assim como representado na Figura 5: Figura 5 – Sistema de geração hidrelétrica e distribuição de energia Descrição da Imagem: blocos cinzas representando a estrutura de uma barragem por onde passam tubos representando água. Ainda há blocos representando árvores e estrutu- ras formato de letras T representando torres, nas quais há fios conectados, transportando energia elétrica. Quer ver alguns exemplos sobre transformadores utilizados na distribuição de energia no perímetro urbano/rural? Neste vídeo, falo um pouco sobre isso e mostro como eles funcionam. Acesse e confira! dependendo do sentido de va- riação do fluxo, neste caso re- presentado pela aproximação ou afastamento do ímã, há a ge- ração de uma tensão positiva ou negativa. Esse efeito é descrito pela Lei de Lenz, a qual estabe- lece que o efeito induzido na bobina sempre se manifesta de forma a se opor à causa que lhe produz. A energia elétrica de nos- sa residência é gerada por um equipamento conhecido como gerador ou alternador, o qual é constituído basicamen- te por duas partes principais: o estator (em que ficam os enrolamentos ou bobinas) e um rotor (formado por polos magnéticos alternados). Este tipo de gerador é semelhante aos que equipam as unidades geradoras nas usinas hidrelé- tricas, sendo acoplados às tur- binas e nos geradores eólicos. A tensão elétrica gerada nas usinas hidrelétricas constitui-se em uma tensão alternada senoi- https://vimeo.com/475341927/faa6baac85 17 UNIDADE 1 Para um aprofundamento na teoria da Lei de Faraday e da Lei de Lenz, indico a leitura do capítulo 12 do livro Introdução à Análise de Circuitos, Boy- lestad (2019). Este livro é uma referência clássica sobre a Teoria de Circuitos. Um conceito extremamente importante associado à geração de energia é o de conversão eletromecâ- nica. No caso do gerador elétrico e do motor elétrico, este conceito pode ser explicado associado aos efeitos que produzem os movimentos em cada equipamento. Por exemplo: no gerador da hidrelétrica, quem produz o movimento é o deslocamento do volume de água que colide com as pás da turbina acoplada ao gerador, ou seja, temos um movimento mecânico (de entrada), que aciona o gerador, o qual, consequentemente, produz energia elétrica (que é a saída do sistema). A mesma analogia pode ser utilizada para o motor elétrico, porém, com as fontes de energia elétrica e de movimento mecânico em pontos diferentes. Em outras palavras, no motor elétrico, a energia elétrica é a entrada do sistema e a saída é a rotação do eixo do motor, movimento mecânico que fornece torque. Neste ciclo de aprendizagem, estamos construin- do nossos conhecimentos sobre a energia elétri- ca. E não poderia deixar de compartilhar minha admiração por cientistas da área. Neste podcast, que preparei para vocês, vou falar de dois grandes nomes da eletricidade: Thomas Alva Edison e Ni- kola Tesla, os quais, no final do século XIX, foram os protagonistas da chamada Guerra das Correntes. A aplicação da Lei de Faraday permitiu o de- senvolvimento de dispositivos eletromagnéticos fundamentais utilizados em nosso dia a dia. Três exemplos clássicos desses tipos de dispositivos são: (1) o gerador elétrico, mencionado anteriormente, o qual fornece a tensão elétrica alternada que uti- lizamos para alimentar nossos utensílios elétricos, lâmpadas, chuveiros, dentre outros; (2) o transfor- mador elétrico, capaz de elevar ou rebaixar o valor da tensão elétrica fornecida; e (3) o motor elétrico. https://apigame.unicesumar.edu.br/qrcode/3435 18 UNICESUMAR A Figura 6 traz a representação de um transformador, composto por um núcleo com material ferro magnético e dois enrolamentos (bobinas) comumente designados primário e secundário. O primário refere-se ao enrolamento que recebe uma tensão de alimentação, e o secundário, o enrolamento conectado à carga. Por exemplo: em equipamentos mais antigos, que não utilizavam fontes chaveadas, dependendo da tensão da rede elétrica e do equipamento, costumava-se utilizar um transformador rebaixado para conectar equipamentos 127 Volts (comumente referenciado como 110 Volts) na rede 220 Volts. Figura 6 – Transformador elétrico Vamos considerar agora o exemplo no qual deseja-se transformar de 127 V para 220 V.Neste caso, seria necessário alimentar o transformador da Figura 6 com os 127 V no lado esquerdo (menor números de espiras) – o primário do transformador – e a carga 220 V no lado direito (maior número de espiras) do transformador, sendo, neste exemplo, o secundário. Podemos utilizar a Lei de Faraday, descrita pela equação [1], para explicar o comportamento do transformador. Considerando para o primário do transformador: e N d dt1 1 � � f [2] E para o secundário do transformador: e N d dt2 2 � � f [3] O fluxo magnético deve ser o mesmo nas duas bobinas do transformador; sendo assim, podemos isolar a variação do fluxo em cada uma das equações [2] e [3], obtendo as equações [4] e [5]: � � d dt e N f 1 1 [4] � � d dt e N f 2 2 [5] U t U t Descrição da Imagem: retângulo com uma seção vazada em seu interior, sendo que, em cada lado, há um conjunto de fios enrolados. 4 voltas de fio do lado esquerdo e 8 voltas de fio do lado direito. 19 UNIDADE 1 E, agora, igualando as equações [4] e [5], obtemos: e N e N 1 1 2 2 = [6] E, rearranjando a equação [6] em função da tensão de saída (tensão do secundário), obtemos: e N N e2 2 1 1= [7] A equação [7] indica que a tensão de saída – ou, neste caso, a tensão do secundário do transforma- dor – é uma função da relação do número de espiras do secundário em relação ao primário, ou seja, a relação de transformação em um transformador é uma função da relação entre o número de espiras. Assim, conforme exemplo desenvolvido, se o número de espiras do secundário for o dobro em relação ao número de espiras do primário, temos que: N N 2 1 2= [8] E, consequentemente, a tensão de saída será o dobro do valor da tensão de entrada. Claro que todo esse raciocínio desenvolvido considera o transformador como sendo ideal, isto é, sem perdas significativas, sendo que, nos casos práticos, em vez de encontrarmos valores exatos, como 127 Volts de entrada, estaremos trabalhando com variações na alimentação. Da mesma forma, a tensão de saída não será exatamente o dobro da tensão de entrada, seja porque a relação de espiras não é exatamente o dobro, seja porque haverá perdas no transformador. Apesar de os transformadores serem máquinas elétricas de elevada eficiência, chegando a valores próximos a 99%, sempre existem perdas associadas. Tais perdas ocorrem devido ao efeito Joule, histerese, correntes parasitas, dentre outros. O conceito de eficiência citado nesse caso serve para diversas áreas de estudo e relaciona a entrada com a saída de um sistema. Exemplificando para um transformador, dizer que ele possui uma eficiência de 99% significa que, após a transformação da potência de entrada para a potência de saída, o valor de saída será 0,99 vezes o valor de entrada. Então, se a potência de entrada deste transformador for de 1500 Watts, sabemos que, na saída vamos obter uma potência de 1485 Watts. A equação [9] representa o cálculo da eficiência h� � dada em termos da entrada e saída do sistema: h = Saída Entrada [9] 20 UNICESUMAR O transformador é um componente vital do sistema de distribuição de energia elétrica, estando pre- sente, por exemplo, nas subestações, as quais recebem tensões elevadas, como o setor de tensão alter- nada de Furnas, o qual trabalha com tensão de transmissão de 765 kV das linhas de transmissão e as adequam para serem distribuídas nas zonas urbanas (ITAIPU BINACIONAL, [2020]). Ao trabalhar, como exemplo, com tensões de 13,8 kV – sendo que esta tensão ainda é elevada para consumo predial/ residencial – é rebaixada novamente para 380 Volts (trifásico) que, então, é conduzida geralmente a quatro fios (três fases e um condutor neutro) para as unidades consumidoras. Um fator importante que deve ser considerado é a relação existente entre a potência e a energia. A energia é a potência dissipada com relação ao tempo. Mais especificamente, para calcularmos a gran- deza energia, temos que: W P t= . [10] Descrição da Imagem: elemento metálico retangular com três torres cilíndricas na parte superior, conectadas com cabos elétricos. O livro Instalações Elétricas, de autoria de Hélio Creder, é uma boa referência para aprofundar os conceitos teóricos básicos de eletricidade e traz uma visão ampla sobre a aplicação de componentes, como o transformador elétrico e dispositivos usuais utilizados em instalações elétricas prediais, residenciais e industriais. 21 UNIDADE 1 Os artigos de Moreira Júnior et al. (2019) e Gal- biatti-Silveira (2018) trazem análises sobre sus- tentabilidade e diversificação da matriz ener- gética, sendo trabalhos atuais relacionados ao tema da geração e consumo sustentável de energia elétrica. O artigo científico é um ma- terial diferenciado de leitura, que oportuniza o contato com a escrita científica e com informações atualizadas das mais diversas áreas de estudo.Moreira Junior et al. (2019). Galbiatti-Silveira (2018). Para acessar, use seu leitor de QR Code. Onde a energia (W ) será calculada em função da potência elétrica ( P ) dissipada/consumida e de seu tempo ( t ) de utilização. Essa equação pode ser aplicada, por exemplo, para calcular o nosso consumo de energia elétrica residencial, observando que a unidade usual utilizada no consumo de energia elétrica é o quilowatt-hora. Um exemplo clássico para exercitarmos estes conceitos é estimar qual o custo em termos de energia elétrica de um bom banho. Para respondermos a esta pergunta, vamos estabelecer alguns parâmetros: Tempo de banho estimado: 15 minutos, ou ¼ de hora Potência do chuveiro elétrico: 5000 Watts, ou 5 kWatts Valor do kWh: R$ 0,665 Assim, temos que W = 5000 * 0,25 = 1250 Wh ou 1,25 kWh e o custo do banho seria de 1,25 * 0,665 = R$0,83. Porém devemos lembrar que este valor será multiplicado por no mínimo 30, dentro de um mês, que é o período de medição da concessionária. E obtemos assim 30 * 0,83 = R$ 24,94. Isto para uma pessoa! Agora, se pensarmos em um caso com uma família com quatro integrantes, nosso valor calculado passa para R$ 99,75. E, se duas pessoas, pelo menos, tomarem um banho mais demorado (digamos 20 minutos), teremos uma boa porcentagem do consumo mensal da tarifa de energia elétrica relaciona- da ao uso do chuveiro elétrico! Enfim, deve-se considerar que uma carga como o chuveiro elétrico é extremamente representativa no consumo mensal de uma residência. Para saber o valor da tarifa consulte em Para acessar, use seu leitor de QR Code. http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1518-70122019000200475&lng=en&nrm=iso http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1692-25302018000100123&lng=en&nrm=iso https://www.aneel.gov.br/tarifa-branca 22 UNICESUMAR Assim como o conceito de ener- gia elétrica, o conceito de potên- cia elétrica é fundamental para a área da eletricidade. A potência elétrica está diretamente rela- cionada às grandezas da tensão elétrica e da corrente elétrica, sendo a relação entre elas esta- belecidas pela equação [11]: P V I= . [11] Ou seja, a potência elétrica ( P) dada em Watts é obtida pela multiplicação da tensão elétrica (V ) pela corrente elétrica ( I ). Ainda, utilizando a primeira Lei de Ohm, apresentada na equa- ção [11], podemos deduzir ou- tras duas formulações para a potência elétrica, como segue: V R I= . [12] e substituindo [11] em [10], obtemos: P R I I= . . E, consequentemente, temos que: P R I= . 2 [13] Ainda, se isolarmos a corrente elétrica na equação [11] e subs- tituirmos em [10] temos que: P V V R = . A W V E, consequentemente, temos que: P V R = 2 [14] Assim, podemos calcular a potência elétrica em função das três gran- dezas elétricas: tensão, corrente e resistência, utilizando as equações [11], [13] e [14], observando que estas formulações são utilizadas para o caso da corrente contínua; o caso de corrente alternada será estudadonas próximas unidades. Para relacionar tais conceitos, vamos realizar um cálculo tomando como base o circuito representado na Figura 7. Figura 7 – Circuito elétrico. Descrição da imagem: linhas conectadas em formato retangular, com um trecho destas linhas desconectado, representando uma chave, duas placas paralelas, uma maior e outra menor, representando uma fonte de tensão e linhas em zigue-zague, representando um resistor. Há também três círculos com letras no interior, sendo a letra W representando um Wattímetro, a letra A repre- sentando um amperímetro e a letra V representando um Voltímetro. Digamos que o valor da fonte de tensão contínua representada seja de 12V, e que o valor da resistência elétrica seja de 10Ω. Com esses dados, solicita-se calcular a potência dissipada pelo resistor e qual o consumo de energia deste circuito durante 10 horas de operação. Inicialmente, para calcularmos a potência dissipada pelo resistor, podemos utilizar a equação [14], uma vez que, diretamente no circui- to, conhecemos a queda de tensão sobre o resistor, que é, neste caso, igual ao valor da fonte, pois associa-se em paralelo com ela. Como conhecemos também o valor da resistência, podemos calcular: P V R Watts= = = 2 212 10 14 4, 23 UNIDADE 1 E, consequentemente, a ener- gia consumida em 10 horas de operação do circuito seria de W = 14,4/1000 * 10 = 0,144 kWh. Ainda, é possível obter outros dados do circuito, por exem- plo, a corrente que circula por ele. Para isso, podemos utilizar a equação [11], isolando a cor- rente elétrica: I P V A= = =14 4 12 1 2, , Assim, utilizando os três instru- mentos representados na Figura 7, sendo estes o Voltímetro (V), o Amperímetro (A) e o Wattímetro (W), poderíamos obter a medição respectivamente da queda de ten- são elétrica sobre o resistor, bem como a corrente que passa por ele e a sua potência dissipada. Você, como futuro(a) enge- nheiro(a), poderá atuar tanto em uma concessionária de energia como ser responsável por pro- jetos de geração e distribuição, ou ainda projetando máquinas elétricas como o transformador. É possível também atuar na ma- nutenção destes sistemas. Uma vez compreendida a forma como o gerador elétrico e o transfor- mador funcionam, o funciona- mento do motor elétrico é mui- to similar. O funcionamento do motor elétrico será estudado com maior detalhamento na próxima unidade. 24 M A P A M EN TA L As fórmulas apresentadas nesta unidade são simples, porém extremamente usuais e nos auxiliam em diversas subáreas da eletricidade. Recomendo a você, caro(a) aluno(a), compreender estas formulações e como aplicá-las, pois serão úteis no seu dia a dia. I corrente Lei de Ohm R r es ist ên ci a P po tê nc ia UVE tensão Descrição da Imagem: círculo contendo formulações referentes à potência, tensão, corrente e resistência elétrica. 25 M A P A M EN TA L Existem diversas ferramentas que podem ser utilizadas para criar mapas mentais e diagramas similares. Uma delas é a ferramenta gratuita https://www.goconqr.com/. Também recomendo a ferramenta https://app.diagrams.net/. Vamos verificar agora quais são os principais itens que discutimos nesta unida- de e de que forma se relacionam. Como sugestão a você, estimado(a) aluno(a), propomos a criação de um mapa mental/diagrama que identifique os principais conceitos, tópicos, formulações e demais itens discutidos na unidade. Apresento, a seguir, uma proposta no formato de um diagrama, no qual reuni os itens que considero principais ao longo da unidade. Você pode utilizar este exemplo como base para criar sua proposta! Energia Elétrica Grandezas elétricas Resistência [Ohm] Corrente [Ampére] Potência [Watts] Energia [kWh] Tensão [Volts] Máquinas Elétricas Gerador Motor Transformador Conversão Eletromecânica Leis/Equações/Formulações apresentadas Lei de Lenz Lei de Ohm E�ciência Lei de Faraday para a indução Eletromagnética Entrada: Energia Mecânica Saída: Energia Elétrica Entrada: Energia Elétrica Saída: Energia Mecânica Entrada: Energia Elétrica Saída: Energia Elétrica https://www.goconqr.com/ https://app.diagrams.net/ A G O R A É C O M V O C Ê 26 1. Descreva com suas palavras a Lei de Faraday para a indução eletromagnética. 2. Calcular a eficiência de um transformador elevador que recebe uma energia de entrada de 1500 Wh e fornece para a carga 1425 Wh. 3. A tensão elétrica de alimentação em uma residência é de 220 V. Sabendo que um determinado equipamento que opera com tensão elétrica de 55 V foi alimentado com a utilização de um trans- formador elétrico que possui 600 espiras no enrolamento primário, pergunta-se: qual o número estimado de espiras do enrolamento secundário deste transformador para que o equipamento funcione corretamente? 4. O quadro a seguir representa as principais cargas instaladas em uma residência onde vive um casal. Os tempos de utilização diários são tempos estimados. Quadro 1 - potência x tempo de utilização Item Potência (Watts) Tempo de utilização diário Ar-condicionado 7000 btu 900 4 horas Chuveiro elétrico 3800 54 minutos Forno micro-ondas 1500 30 minutos Geladeira 190 20 horas Iluminação da residência 1300 2 horas Fonte: o autor. Qual será o valor pago pela energia elétrica para o consumo calculado em 30 dias com o valor do kWh fixado em R$ 0,68? Como sugestão para solucionar esta questão, você pode utilizar uma planilha eletrônica (Excel, Google sheets) de sua preferência para montar o cálculo. 5. A Lei de Lenz explica o efeito da f.c.e.m (força contra eletro motriz). Faça uma pesquisa sobre este termo associado com os indutores e verifique qual seus efeitos. 6. Transformadores monofásicos usados em ambientes rurais utilizam o sistema chamado MRT – Monofilar com Retorno por Terra. Descreva brevemente este sistema, utilizando até três pará- grafos de texto (máximo de 10 linhas). Observação: recomenda-se a leitura do artigo de Ribeiro et al. (2020) para um aprofundamento no assunto. C O N FI R A S U A S R ES P O ST A S 27 1. Um conjunto de bobinas, quando imerso em um campo magnético variável, apresentará tensão elétrica em seus terminais, sendo esta tensão produzida pelo efeito de indução. 2. O aluno deve relacionar o conceito de eficiência, que relaciona a entrada com a saída do sistema e, então, efetuar o cálculo que, neste caso, será de 1450 Wh / 1500 Wh = 0.95 ou 95% de eficiência do transformador. 3. Pode-se solucionar esta questão com a utilização da equação [6], efetuando-se o isolamento do número de espiras do enrolamento secundário: N N e e2 1 2 1 = . E, substituindo os valores propostos, obtém-se: N2 600 55 220 150= =. Ou seja, o transformador possui 150 espiras no enrolamento secundário. 4. O aluno poderá desenvolver a planilha conforme modelo proposto: Quadro 2 - Cálculo de consumo de eletricidade Item Potência (Watts) Tempo de utilização diário tempo (horas) Consumo (kWh) Ar-condicionado 7000 btu 900 4 horas 4 3.6 Chuveiro elétrico 3800 54 minutos 0.9 3.42 Forno micro-ondas 1500 30 minutos 0.5 0.75 Geladeira 190 20 horas 20 3.8 Iluminação da residência 1300 2 horas 2 2.6 total diário 14.17 total mensal 425.1 valor pago R$ 289.07 Fonte: o autor Calculando o consumo diário com o uso da equação [10] e, posteriormente, multiplicando o valor obtido por 30 para calcular o consumo mensal. E, para calcular o valor a ser pago, basta multiplicar o consumo mensal pelo valor do kWh especificado. C O N FI R A S U A S R ES P O ST A S 28 5. A força contra eletro motriz surge quando um elemento indutivo é alimentado eletricamente. No caso do indutor, este vai se opor ao efeito de corrente que surge no circuito em que está in- serido. Quando a chave do circuito (1) for fechada, o indutor é alimentado e gera uma oposição à passagem de corrente elétrica, sendo este um efeito transitório. Já quando a chave é aberta (2), o indutor se opõe ao efeito de reduçãode corrente, gerando uma tensão residual em seus terminais, que se soma com a tensão da fonte e fica disponibilizada nos terminais da chave. Figura 1 - Circuito com indutor em corrente contínua + - + - Corrente (A) (1) (2) + - +- Descrição da Imagem: cdois retângulos com linhas espiraladas representando um indutor, duas barras paralelas uma maior e uma menor com símbolos de positivo e negativo representando uma fonte de tensão, e os números 1 e 2 nas laterais representando dois circuitos, em que, no primeiro, há uma barra reta, representando uma chave fechada, e, no segundo, a barra está deslocada, representando uma chave aberta / Fonte: o autor. C O N FI R A S U A S R ES P O ST A S 29 Este pulso possui tensões significativas, uma vez que a tensão originada nos terminais do indutor é propor- cional à taxa de variação da corrente ou, matematicamente falando, proporcional à derivada da corrente no indutor: v L di dt = Onde v é a tensão nos terminais do indutor, L a indutância e di dt/ é a derivada da corrente. Então, em um circuito onde o indutor possui 50 mH de indutância, e onde circula uma corrente de 200 mA, ao abrir a chave do circuito, temos um tempo extremamente pequeno de abertura da chave. Se este tempo for, por exemplo, de 1 micro segundo, vamos ter uma tensão gerada de: v L di dt V� � � � � �� � �50 10 200 10 1 10 100003 3 6. Este efeito ocorre similarmente nas bobinas de contatores e relés, sendo que a fcem basicamente gera um pulso que se propaga no sistema elétrico onde o componente está instalado. Esses tipos de pulsos podem danificar componentes eletrônicos mais sensíveis, prejudicando, por exemplo, o funcionamento de con- troladores. Para evitar este tipo de pulso, podem-se utilizar filtros, como um diodo “roda livre” em circuitos de corrente contínua e snubbers em circuitos de corrente alternada. 6. No sistema MRT é realizada a distribuição de energia elétrica utilizando um único condutor fase. Neste caso, o papel do condutor neutro é realizado por uma haste aterrada. Dentre as vantagens da utilização deste sistema, destaca-se a redução de custos, já que o sistema monofásico é mais simples de ser instalado e exige menor número de componentes em relação ao trifásico. Deve-se lembrar, porém, que este sistema – por utilizar a terra como meio de retorno – exige que o sistema de aterramento seja criteriosamente avaliado, uma vez que depende de sua efetividade para a proteção dos usuários destes sistemas. R EF ER ÊN C IA S 30 ANEEL. Agência Nacional de Energia Elétrica. Tarifa Branca. 16 jan. 2020. Disponível em: https://www.aneel. gov.br/tarifa-branca. Acesso em: 13 out. 2020. CREDER, H. Instalações Elétricas. 16. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. BOYLESTAD, R. L. Introdução à Análise de Circuitos. 13. ed. [S. l.]: Pearson, 2019. GALBIATTI-SILVEIRA, P. Energia e mudanças climáticas: impactos socioambientais das hidrelétricas e diversifi- cação da matriz energética brasileira. Opinión Jurídica, Medellín , v. 17, n. 33, p. 123-147, jan./jun., 2018. Disponível em: http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1692-25302018000100123&lng=en&nrm=iso. Acesso em: 13 out. 2020. MOREIRA JUNIOR, O. et al. Sustentabilidade em edifício residencial no município de Dourados, MS. Intera- ções (Campo Grande), Campo Grande, v. 20, n. 2, p. 475-486, jun., 2019. Disponível em: http://www.scielo.br/ scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1518-70122019000200475&lng=en&nrm=iso. Acesso em: 13 out. 2020. RIBEIRO, F. S.; PAZZINI, L. H. A.; KURAHASSI, L. F. et al. O método dos elementos finitos na análise do ater- ramento do sistema monofilar com retorno por terra. In: ENCONTRO DE ENERGIA NO MEIO RURAL, 3., 2000, Campinas. Anais [...]. Campinas: Unicamp, 2003. Disponível em: http://www.proceedings.scielo.br/scielo. php?script=sci_arttext&pid=MSC0000000022000000200027&lng=en&nrm=abn. Acesso em: 13 out. 2020. ITAIPU BINACIONAL. Integração ao sistema brasileiro. [2020]. Disponível em: https://www.itaipu.gov.br/ energia/integracao-ao-sistema-brasileiro. Acesso em: 8 out. 2020 2 OPORTUNIDADES DE APRENDIZAGEM Noções de Instalações Elétricas Residenciais e Industriais Me.Taiser Tadeu Teixeira Barros Nesta unidade, discutiremos acerca dos conceitos relativos às instalações elétricas, tanto as instalações Residenciais (Prediais) como as Industriais. Veremos como funcionam as redes elétricas urbanas e quais os valores de tensão padronizados de distribuição. Vamos verificar também como são dimensionados os condutores elétricos (fios e cabos) utilizados nas redes. 32 UNICESUMAR Você sabe a função de cada um dos pinos disponíveis na tomada elétrica residencial? Com certeza já deve ter escutado termos como “fase”, “neutro” e “terra” em algum momento, mas saberia explicar o que estes termos significam em uma instalação elétrica? Quando utilizamos a energia elétrica em nossa residência, seja para iluminação, seja para alimentar um eletrodoméstico, estamos conectados em um sistema muito grande: o sistema de distribuição de energia elétrica (sistema elétrico), do qual somos clientes, ou – falando em termos técnicos – consumidores. Em uma visão macro, podemos imaginar o sistema elétrico como um núcleo, por meio do qual saem ramificações, em cujas pontas estão nossas residências, prédios e indústrias, que consomem a energia elétrica gerada. E para cada uma dessas possíveis ramificações, há uma análise para ser realizada quando se trata da ins- talação elétrica. Por exemplo: uma residência alimentada com tensão monofásica vai estar conectada ao sistema por dois condutores, sendo que, entre eles, haverá uma determinada diferença de potencial (tensão elétrica). Essa diferença de potencial é que vai alimentar eletricamente a iluminação, eletrodomésticos e demais cargas da residência. Tanto na visão macro, com relação ao sistema de distribuição, como na visão da unidade consumidora, existem teorias e particularidades que nós, como engenheiros, precisamos conhecer. A alimentação de uma rede elétrica residencial, predial e/ou industrial deve ser feita seguindo determinados padrões técnicos. Estes padrões são estabelecidos em documentos normativos for- necidos pelas concessionárias de energia seguindo normas da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) e regulamentações da ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica). Assim, para que possamos, por exemplo, conectar uma residência (unidade consumidora) à rede pública de energia elétrica, precisamos seguir um padrão de entrada. A Figura 1 mostra um exemplo do padrão de entrada solicitado pela CPFL Energia – uma empresa distribuidora de energia elétrica que atende os estados de São Paulo, Rio Grande do Sul, Paraná e Minas Gerais. Na figura, é possível observar o desenho técnico representando o modelo de poste utilizado e uma foto de uma instalação real. Descrição da Imagem: diferentes blocos representando uma usina de geração de energia, conectados em estruturas com cabos represen- tando torres de transmissão, que estão conectados em uma estrutura maior, representando uma residência. 33 UNIDADE 2 Figura 1 – Padrão de entrada. Fonte: adaptada do Documento GED-13 (2020). E a entrada de energia da sua residência, estimado(a) aluno(a)? Qual é o padrão? Quantos fios chegam até o poste? O medidor de energia é analógico ou digital? Faça este exercício: tente visualizar o ponto de entrega de energia de sua residência e identificar quais são suas características principais. A Figura 2 apresenta uma foto da entrada de energia de minha residência, mostrando o poste e o medidor. Observe que sou atendido em baixa tensão, com 3 condutores, sendo 2 condutores fase e 1 condutor neutro. O medidor de energia é um modelo antigo e analógico. No detalhe (1) da figura, destacado em vermelho, pode-se verificar três fios que chegam trançados ao poste, sendo fixados no isolador superior. Estes três fios são dois condutores fase e um condutor neutro. No detalhe(2) da figura, destacado em amarelo, é possível observar o medidor de energia utilizado. Ele traz algumas informações gravadas no próprio painel, como a capacidade de corrente máxima suportada (120 A), mostra que o modelo é para medição de duas fases (220 V) e que a conexão é realizada com 3 fios. Ao observar o ponto de conexão de sua residência com a rede de energia elétrica, você começa a conhecer como uma unidade consumidora se conecta em uma rede elétrica maior. Neste momento, já é possível verificar um conceito fundamental associado à tensão elétrica: a tensão elétrica é a mesma para elementos associados em paralelo. E nossas residências, em uma visão macro, são cargas associadas em paralelo com a rede elétrica, pois todas as residências que estão conectadas na rede possuem a mesma tensão. Tanto é que a tensão elétrica Descrição da Imagem: estrutura de concreto alongada no sentido vertical com um instrumento de medição aproximadamente na metade da estrutura. 7,50 2,33 0,40 0,20 7,50 0,26 0,17 34 UNICESUMAR D IÁ R IO D E B O R D O Descrição da Imagem: estrutura vertical com fios conectados na parte superior com uma porção da figura mostrando um equipamento com diversos números gravados que repre- sentam informações de um medidor de energia. disponível na tomada elétrica da sua casa é a mesma tensão elétri- ca fornecida na tomada elétrica da sua vizinhança! Vamos ver como é isso na prática? Fotografe o medidor de energia e o poste da sua residência, e analise quantos condutores são conectados. Quais as informações contidas no corpo do medidor? Você sabe qual a concessionária de energia que atende à sua re- sidência? Você já observou com atenção a sua fatura de energia elétrica? Existem informações re- lacionadas entre a tarifa e o tipo de conexão com a rede elétrica? Faça um relato sobre estas observações. Figura 2 – Entrada de Energia / Fonte: o autor. 35 UNIDADE 2 Qual a relação entre estes valores de tensão? Porque fa- lamos 220V, se o valor máximo da tensão é aproximada- mente 311 Volts? A energia elétrica fornecida aos consumidores pelas concessio- nárias é gerada e transmitida na forma alternada. Associada à corrente/tensão alternada, é fundamental conhecermos a forma de onda senoidal, sendo que a corrente, tensão e potência elétrica possuem esse formato. E, consequentemente, po- demos conhecer o comporta- mento das grandezas elétricas fazendo uma analogia com a descrição matemática da se- noide. A Figura 3 apresenta os principais elementos da tensão elétrica senoidal. Podemos observar que há uma variação do valor de tensão de um valor mínimo �� �Vp até um valor máximo Vp� � , onde Vp� � representa a tensão de pico da onda senoidal. Outro valor representado é o valor de pico a pico Vpp� � , que corres- ponde ao valor total entre os valores mínimo e máximo. A equação [1] representa a onda senoidal matematicamente: v t V sen tp( ) ( )w w= [1] indicando que o valor de tensão instantânea v é dado em função da frequência angular e do tem- po. No caso de redes monofásicas 220 Volts, a tensão de pico da se- noide atinge aproximadamente 311,13 Volts, porém quando fa- lamos no valor da tensão sempre utilizamos 220V! Descrição da Imagem: linhas que representam uma onda senoidal, com pontos máximos e mínimos representados pelas letras Vp que indicam os maiores e menores valores. - 0 0 90 180 270 360 Vp Vp 0,707Vp V V VP PP RMS A relação entre os valores de tensão citados passa pelo conceito de tensão eficaz ou tensão RMS (Root Mean Square – valor médio qua- drático), que é a tensão alternada capaz de produzir o mesmo efeito que uma tensão contínua equivalente em um elemento resistivo. Matematicamente, a relação entre a tensão de pico e a tensão RMS é dada por: v V VRMS p p= =2 0 707, [2] Sobre a característica senoidal da tensão elétrica, ela se caracteriza como uma onda periódica. A relação entre frequência e período é dada pela equação [3]: f T = 1 [3] Figura 3 – Tensão elétrica senoidal / Fonte: o autor. 36 UNICESUMAR No Brasil, trabalhamos com uma frequência de 60Hz nas redes elétricas; consequentemente, te- mos 60 variações (ocorrência de semiciclo positivo e negativo da senoide) completas por segundo. Ou, em termos do período, uma variação completa a cada 16,67 ms. Os sistemas elétricos são dis- tribuídos em sua grande maioria na configuração com 4 conduto- res, sendo 3 condutores fase e um condutor neutro. Recomenda-se, também, que exista a presença do condutor de proteção, comu- mente conhecido como condu- tor terra. A Figura 4 mostra um poste com 4 condutores com uma ramificação de entrada. Vamos nomear cada um dos condutores conectados ao poste como R, S e T (representando os 3 condutores fase e N para o condutor neutro). Para uma rede elétrica trifásica 380V, as medidas de tensão apresentadas estão conforme a Figura 5. Conforme a figura, podemos observar que a medida de ten- são entre qualquer uma das fa- ses é de 380 V (RMS); já quando O equacionamento matemático que explica a relação dada na equação 2 passa por cálculo integral e foge ao escopo desta unidade. Indico a leitura da seção sobre valor eficaz do livro Instalações Elétricas, de Hélio Creder (2016), para um maior aprofundamento sobre o conceito. Descrição da Imagem: estrutura vertical onde estão conectados 4 cabos elétricos. Descrição da Imagem: estrutura vertical onde estão conectados 4 cabos elétricos. Figura 4 - Poste com 4 condutores Figura 5 - Medidas de tensão em uma rede elétrica trifásica / Fonte: o autor R S T N 380 V 380 V 380 V 220 V medimos uma fase em relação ao neutro, vamos obter 220 V. Para instalações residenciais e prediais, em que as cargas instaladas são na maioria monofásicas, serão utilizados circuitos monofásicos, com um condutor fase e um condutor neutro. Em instalações industriais, vão existir cargas monofásicas e trifásicas, como motores. E, neste caso, serão utilizados circuitos monofásicos e trifásicos. 37 UNIDADE 2 Descrição da Imagem: homem carregando ferramentas e executando atividades de ma- nutenção e instalação elétrica. Figura 5 - Atividades de manutenção e instalação elétrica A tensão de fornecimento e quantidade de condutores conecta- dos ao consumidor é determinada por parâmetros da concessio- nária de energia. Os parâmetros da CPFL no Rio Grande do Sul (conforme documento GED 13) para fornecimento de energia são os seguintes (na sua região haverá variações conforme regras da concessionária local): a) Sistema Monofásico - Dois Fios (Fase e Neutro): aplicado à instalação com carga instalada até 12 kW para tensão de fornecimento 127/220 V e até 15 kW para tensão de forne- cimento 220/380 V. b) Bifásico - Três Fios (Duas Fases e Neutro): aplicado à insta- lação com carga instalada acima de 12 kW até 25 kW para tensão de fornecimento 127/220 V e acima de 15 kW até 25 kW, para tensão de fornecimento 220/380 V. c) Trifásico - Quatro Fios (Três Fases e Neutro): aplicado à instalação com carga instalada acima de 25 até 75 kW para tensão de fornecimento 127/220 V, e acima de 25 até 75 kW para tensão de fornecimento 220/380 V. Caro(a) aluno(a), convido você a ver um vídeo em que mostro a medição de tensão entre fases e entre fase e neutro em uma instalação residencial atendida por 3 condutores. Uma vez que conhecemos a estrutura de uma rede de alimentação e suas tensões de fornecimento, podemos dire- cionar nossa atenção para as cargas que serão instaladas/ conectadas na rede elétrica. Vamos focar nossa atenção no projeto de instalações elétricas. A Norma Brasileira NBR 5410 (ABNT, 2004) é um documento referente às instalações elétricas de baixa tensão, sendo fundamental segui-la para projetar correta- mente uma instalação elétrica. Esta norma serve tanto para guiar projetos no contexto predial/resi- dencial como industrial. Para introduzir a forma como projetamos uma instala-ção, adotaremos inicialmente as recomendações da norma com relação à previsão de carga: pontos de iluminação e toma- das. Com relação à iluminação, deve-se destacar que existem https://vimeo.com/475345031/9eab5024f3 38 UNICESUMAR projetos específicos, geralmente utilizando o chamado método dos lúmens, para garantir índices de iluminância necessários a cada tipo de atividade. Por exemplo, é diferente a forma como precisamos iluminar uma cozinha e um sala de leitura. Para este tipo específico de projeto, deve-se seguir também as orientações da norma NBR/ISO 8995: iluminação em ambientes de trabalho (ABNT, 2013). Conforme item 9.5.2.1.1 da norma NBR 5410, deve-se prever pelo menos um ponto de luz fixo no teto, comandado por interruptor. Com relação à carga de iluminação, a norma, no seu item 9.5.2.1.2, traz que: “ a) em cômodos ou dependências com área igual ou inferior a 6 m2 deve ser prevista uma carga mí- nima de 100 VA; b) em cômodo ou dependências com área superior a 6 m2, deve ser prevista uma carga mínima de 100 VA para os primeiros 6 m2, acrescida de 60 VA para cada aumento de 4 m2 inteiros (ABNT, 2004, p. 183). Exemplificando: para uma sala-cozinha com área de 16 m2, teríamos uma divisão de área de 6 m2 + 4 m2 + 4 m2 + 2 m2. Assim, a potência necessária, conforme solicitado em norma, seria de: 100 VA + 60 VA + 60 VA, observando que a última fração de área foi de 2 m2 não atingindo os 4 m2 inteiros. Observe que a previsão de cargas utiliza a unidade VA (Volt-Ampére), que referencia a potência aparente dos equipamentos (ao contrário da potência ativa dada em Watts). Com relação ao número de pontos de tomadas, conforme item 9.5.2.2.1 da norma NBR 5410, temos que deve ser determinado em função da destinação do local e dos equipamentos elétricos utilizados, observando-se os seguintes critérios: “ a) em banheiros, deve ser previsto pelo menos um ponto de tomada, próximo ao lavatório; b) em cozinhas, copas, copas-cozinhas, áreas de serviço, cozinha-área de serviço, lavanderias e locais análogos, deve ser previsto no mínimo um ponto de tomada para cada 3,5 m, ou fração, de perímetro, sendo que acima da bancada da pia devem ser previstas no mínimo duas tomadas de corrente, no mesmo ponto ou em pontos distintos; c) em varandas, deve ser previsto pelo menos um ponto de tomada; d) em salas e dormitórios devem ser previstos pelo menos um ponto de tomada para cada 5 m, ou fração, de perímetro, devendo esses pontos ser espaçados tão uniformemente quanto possível; e) em cada um dos demais cômodos e dependências de habitação devem ser previstos pelo menos: um ponto de tomada, se a área do cômodo ou dependência for igual ou inferior a 2,25 m2. Um ponto de tomada, se a área do cômodo ou dependência for superior a 2,25 m2 e igual ou inferior a 6 m2. Um ponto de tomada para cada 5 m, ou fração, de perímetro, se a área do cômodo ou dependência for superior a 6 m2, devendo esses pontos ser espaçados tão uniformemente quanto possível (ABNT, 2004, p. 183). Com relação à potência dos pontos de tomadas, esta é função dos equipamentos que estes pontos pode- rão alimentar. O item 9.5.2.2.2 da norma estabelece os seguintes valores mínimos (ABNT, 2004, p. 184): 39 UNIDADE 2 “ a) em banheiros, cozinhas, copas, copas-cozinhas, áreas de serviço, lavanderias e locais análogos, no mínimo 600 VA por ponto de tomada, até três pontos, e 100 VA por ponto para os excedentes, considerando-se cada um desses ambientes separadamente. Quando o total de tomadas no conjunto desses ambientes for superior a seis pontos, admite-se que o critério de atribuição de potências seja de no mínimo 600 VA por ponto de tomada, até dois pontos, e 100 VA por ponto para os excedentes, sempre considerando cada um dos ambientes separadamente; b) nos demais cômodos ou dependências, no mínimo 100 VA por ponto de tomada. Vamos verificar um exemplo de dimensionamento de pontos de tomada. Considerando que tenhamos em uma residência, uma cozinha com dimensões de 2,55 m x 2,88 m e um quarto com dimensões de 2,55 m x 4 m. Qual o número mínimo de tomadas necessário para cada um destes ambientes? Para a cozinha temos conforme item 9.5.2.2.1 (b) da NBR 5410 que deve ser previsto no mínimo um ponto de tomada para cada 3,5 m, ou fração, de perímetro. Assim, o perímetro é de 2,55 m + 2,88 m + 2,55 m + 2,88 m = 10,86 m. Então teremos 10,86 m/3,5 m = 3,1 e, consequentemente, dimensio- naremos 4 tomadas para a cozinha. Em relação ao quarto, conforme item 9.5.2.2.1 (e) da NBR 5410, deve ser previsto, no mínimo, um ponto de tomada para cada 5 m, ou fração, de perímetro, já que o quarto possui uma área de 10,2 m2. O perímetro do quarto é de 2,55 m + 4 m + 2,55 m + 4 m = 13,1 m e, consequentemente, o número de tomadas necessário será de 13,1 m / 5 m = 2,62 tomadas e, assim, adotaremos 3 tomadas. Como um segundo exemplo, podemos dimensionar a potência dos pontos de tomada calculados, conforme o item 9.5.2.2.2 da norma NBR 5410, sendo que, para a cozinha, como temos 4 tomadas, teríamos 3 com potência de 600 VA e uma com 100 VA. E, para o quarto, as 3 tomadas teriam uma potência de 100 VA cada. Ainda sobre a potência das tomadas, é fundamental conhe- cer sua classificação, conforme sua utilização. A norma cita to- madas residenciais e industriais, sendo que, especificamente para as tomadas residenciais (pre- diais), podemos classificá-las em (a) Tomadas de Uso Geral (TUGs) e (b) Tomadas de Uso Específico (TUEs). As TUGs suportam cor- rente de até 10 Ampères e as TUEs correntes acima de 10 A. Fisicamente é possível di- ferenciá-las pelo diâmetro dos seus furos (4 mm para TUGs e 4,8 mm para TUEs). Descrição da Imagem: medição de tensão elétrica em uma tomada utilizando multiteste, com a indicação de tensão de 235 V. 40 UNICESUMAR Para você futuro(a) engenheiro(a) que pretende atuar na área das instalações elétricas, ou até mesmo para aprofundar seus conhecimentos na área, indico uma leitura pelo menos parcial da norma NBR 5410. A leitura de uma norma técnica possui algumas características particulares. Trazendo minha experiência na área da Engenharia, por diversas vezes precisei realizar a leitura de normas, para projetar, dar uma consultoria e até mesmo para atuar como perito. Na primeira vez que fazemos a leitura da norma, obtemos uma visão geral, processo pelo qual conhecemos todos (ou grande parte) dos itens que a norma abrange. Posteriormente, já é possível realizar leituras parciais buscando especificidades, já que, teoricamente, temos uma ideia de tudo que é apresentado no documento. Acesse o site da ABNT e confira: https://www.abntcatalogo.com.br/ As tomadas comuns que temos em casa são TUGs, nas quais conectamos equipamentos e eletrodomésticos de pequena potência, como o televisor, um modem ou carregamos nossos portáteis. Já as TUEs são utilizadas com equipamentos de maior potência, assim como uma máquina de secar roupas e o forno micro-ondas. É importante observar que pontos de alimentação elétrica utilizados para aquecimento de água (chuveiro, torneira elétrica) não devem utilizar tomadas. Estes equipamentos devem ser conectados diretamente ao circuito respectivo, assim como indica o item 9.5.2.3 da norma NBR 5410. Uma vez definidos os pontos de iluminação e tomadas, devemos dimensionar a seção dos condutores que estarão conectados nestes circuitos. A norma NBR 5410 traz seis critérios técnicos para a realização do dimensionamento dos condutores, sendo eles: • A proteção contra choques elétricos por seccionamento (5.1.2.2.4). • A proteção contra sobrecargas (5.3.4 e 6.3.4.2). • A proteção contra curtos-circuitos e solicitações térmicas (5.3.5 e 6.3.4.3). • A capacidade de condução de corrente dos condutores (6.2.5). • As seções mínimas dos condutores (6.2.6.1.1). • Os limites de queda de tensão (6.2.7). Para facilitar a compreensão do dimensionamento dos condutores, vamos focar no critério de capacidade de condução de corrente. Observando que, conforme a norma,a capacidade de condução de corrente dos condutores de um circuito deve ser igual ou superior à corrente de projeto do circuito. Com o intuito de exemplificar os conceitos estudados até este momento, vamos criar um projeto exemplo prevendo 3 circuitos: a) de iluminação com 280 VA de potência; b) de TUGs com 300 VA de potência; c) de TUE que vai alimentar uma torneira elétrica com 3300 Watts de potência. 41 UNIDADE 2 Ainda, a tensão de alimentação dos circuitos é de 220 V. Vamos determinar a corrente de projeto de cada circuito. Utilizando a equação [4], que expressa a potência de um circuito monofásico: P V I� � �. .cos � [4] Onde cos �� � representa o fator de potência do circuito, que por definição é o cosseno do ângu- lo entre a tensão e a corrente. Para circuitos pu- ramente resistivos (como o da torneira elétrica) temos cos �� � �1 . O fator de potência será discutido mais de- talhadamente na Unidade 4. Para simplificar nossa análise, vamos considerar que efeitos indutivos são mínimos nos circuitos de ilu- minação utilizados, bem como todas as cargas previstas para as TUGs. E, consequentemente, vamos considerar cos �� � �1. Para calcular a corrente dos circuitos, isolamos a corrente na equação [4], obtendo [5]: I P V = [5] E calculando a corrente para nosso circuito de iluminação, obtemos: I P V VA V A= = =280 220 1 27 , Para o circuito das TUGs: I P V VA V A= = =300 220 1 36 , E para o circuito da torneira elétrica: I P V W V A� � �3300 220 15 A Tabela 1 traz um resumo dos cálculos: Circuito Iluminação TUGs TUE (Torneira Elétrica) Tensão 220 V Potência 280 VA 300 VA 3000 W Corrente de Projeto 1,27 A 1,36 A 15 A Tabela 1 – Cálculos de corrente do projeto / Fonte: o autor. A corrente de projeto (designada como IB na norma) que calculamos para cada circuito pre- cisa agora ser corrigida utilizando os fatores de correção, conforme Tabelas 2 e 3, que tra- zem, respectivamente, os fatores de correção de temperatura (FCT) e fator de correção por agrupamento (FCA). A correção de temperatura ajusta os cálcu- los considerando temperaturas diferentes de 30°C, enquanto a correção por agrupamento ajusta os cálculos considerando o número de condutores carregados, ocupando o mesmo meio de condução. Temperatura °C Isolação PVC EPR ou 10LPE Ambiente 10 1,22 1,15 15 1,17 1,12 20 1,12 1,08 25 1,06 1,04 35 0,94 0,96 40 0,87 0,91 Tabela 2 - Fatores de correção de temperatura Fonte: adaptada da Tabela 40 da NBR 5410 (ABNT, 2004). 42 UNICESUMAR A Tabela 2 trouxe os fatores de correção de temperatura, e a Tabela 3 traz os fatores de correção devido ao agrupamento dos condutores. Ref. Forma de agru- pamento dos condutores Número de circuitos ou de cabos multipolares Tabela dos mé- todos de referência 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a 11 12 a 15 16 a 19 ≥ 20 1 Em feixe: ao ar livre ou sobre superfície; embutidos; em conduto fechado 1,00 0,80 0,70 0,65 0,60 0,57 0,54 0,52 0,50 0,45 0,41 0,38 36 a 39 (métodos A a F) 2 Camada única sobre parede, piso, ou em ban- deja não perfura- da ou prateleira 1,00 0,85 0,79 0,75 0,73 0,72 0,72 0,71 0,70 0,70 36 e 37 (método C) 3 Camada única no teto 0,95 0,81 0,72 0,68 0,66 0,64 0,63 0,62 0,61 0,61 4 Camada única em bandeja perfurada 1,00 0,88 0,82 0,77 0,75 0,73 0,73 0,72 0,72 0,72 38 e 39 (métodos E e F)5 Camada única sobre leito, su- porte etc. 1,00 0,87 0,82 0,80 0,80 0,79 0,79 0,78 0,78 0,78 Tabela 3 - Fatores de correção aplicáveis a condutores agrupados Fonte: adaptada da Tabela 42 da NBR 5410 (ABNT, 2004). A corrente de projeto corrigida é calculada utilizando a equação [6]: �IB IB' FCT.FCA [6] Vamos supor, então, que os três circuitos do nosso exemplo estarão instalados em uma condição com temperatura ambiente de 40ºC e que serão todos circuitos monofásicos, com dois condutores carre- gados (fase e neutro) em instalação com eletrodutos (conduto fechado). Ainda, estes três circuitos estarão agrupados em um mesmo eletroduto e todos os condutores utilizados possuem isolação em PVC. Conforme Tabela 2, teremos um FCT de 0,87 e, conforme Tabela 3, um FCA de 0,7. Assim, nossa corrente de projeto corrigida será: a) Para o circuito de iluminação: I A AB ' , , . , ,= = 1 27 0 87 0 7 2 08 b) Para o circuito das TUGs: I A AB ' , , . , ,= = 1 36 0 87 0 7 2 23 c) Para o circuito da torneira elétrica: I A AB ' , . , ,= = 15 0 87 0 7 24 63 43 UNIDADE 2 Com estes valores de corrente, podemos verificar, na Tabela 5, qual a seção dos condutores que suporta a corrente do circuito. Método de instalação número Esquema ilustrativo Descrição Método de referência 3 Condutores isolados ou cabos unipolares em eletroduto aparente de seção circular sobre parede ou espaçado desta menos de 0,3 vez o diâmetro do eletroduto B1 Tabela 4 - Método de Referência B1 / Fonte: adaptada da Tabela 33 da NBR 5410 (ABNT, 2004). Com relação aos métodos de instalação referenciados na Tabela 5, vamos supor que nossos circuitos foram instalados conforme o método de referência B1, explicado na Tabela 4. Seções nominais mm2 Métodos de referência indicados na Tabela 33 A1 A2 B1 B2 C D Número de condutores carregados 2 3 2 3 2 3 2 3 2 3 2 3 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) Cobre 0,5 7 7 7 7 9 8 9 8 10 9 12 10 0,75 9 9 9 9 11 10 11 10 13 11 15 12 1 11 10 11 10 14 12 13 12 15 14 18 15 1,5 14,5 13,5 14 13 17,5 15,5 16,5 15 19,5 17,5 22 18 2,5 19,5 18 18,5 17,5 24 21 23 20 27 24 29 24 4 26 24 25 23 32 28 30 27 36 32 38 31 6 34 31 32 29 41 36 38 34 46 41 47 39 Tabela 5 - Capacidades de condução de corrente / Fonte: adaptada da Tabela 36 da NBR 5410 (ABNT, 2004). O número de condutores carregados referenciado na Tabela 5 está descrito na Tabela 6, sendo que, no caso dos nossos circuitos, vamos prever que eles pertencem ao caso monofásico a três condutores (condutor fase, condutor neutro e condutor de proteção ou terra). E, consequentemente, teremos dois condutores carregados. Esquema de condutores vivos do circuito Número de condutores carregados a ser adotado Monofásico a dois condutores 2 Monofásico a três condutores 2 Duas fases sem neutro 2 Duas fases com neutro 3 Trifásico sem neutro 3 Trifásico com neutro 3 ou 4 Tabela 6 - Número de condutores carregados a ser considerado, em função do tipo de circuito. Fonte: adaptada da Tabela 46 da NBR 5410 (ABNT, 2004). Descrição da Imagem: explicação sobre um dos métodos de referência de condutores. 44 UNICESUMAR Conforme a Tabela 6, verificamos que, para os circuitos de iluminação e TUGs, para os quais calcula- mos correntes de projeto corrigidas de 2,08 A e 2,23 A, podemos adotar um condutor com 0,5 mm2 de seção, que para o método B1 com 2 condutores carregados suporta uma corrente de 9 A. Para o circuito da torneira elétrica com uma corrente corrigida de 24,63 A, podemos adotar um condutor com 4,0 mm2 de seção, que para o método B1 com 2 condutores carregados suporta uma corrente de 32 A. Com as seções dos condutores definidas, devemos agora verificar se estas seções atendem às seções mínimas para condutores previstos na norma conforme valores especificados na Tabela 7. Tipo de linha Utilização do circuito Seção mínima do condutor mm2 - material Instalações fixas em geral Condutores e cabos isolados Circuitos de iluminação 1,5 Cu 16 Al Circuitos de força2) 2,5 Cu 16 Al Circuitos de sinalização e circui- tos de controle 0,5 Cu 3) Condutores nus Circuitos de força 10 Cu 16 Al Circuitos de sinalização e circui- tos de controle 4 Cu Linhas flexíveis com cabos isolados Para um equipamento específico Como especificado na norma do equipamento Para qualquer outra aplicação 0,75 Cu4) Circuitos a extrabaixa tensão para aplicações especiais 0,75 Cu 1) Seções mínimas ditadas por razões mecânicas. 2) Os circuitos de tomadas de corrente são considerados circuitos de força. 3) Em circuitos de sinalização e controle destinados a equipamentoseletrônicos é admitida uma seção mínima de 0,1 mm2. 4) Em cabos multipolares flexíveis contendo sete ou mais veias é admitida uma seção mínima de 0,1 mm2. Tabela 7 - Seção mínima de condutores1) / Fonte: adaptada da Tabela 47 da NBR 5410. Verificamos, conforme Tabela 7, que a seção mínima para circuitos de iluminação é de 1,5 mm2 e para circuitos de força com condutores isolados, que é o caso do nosso circuito das TUGs, a seção mínima estabelecida é de 2,5 mm2. Sendo assim, teremos que adotar estas seções para nosso circuito de iluminação e nosso circuito das TUGs. Já para o circuito da torneira elétrica, a seção calculada já atende ao item. Estas seções calculadas são para os condutores fase do circuito e, dessa forma, é necessário estabe- lecer as seções dos condutores neutro e de proteção. 45 UNIDADE 2 A seção do condutor neutro pode ser estabelecida com base na Tabela 8. Seção dos conduto- res de fase mm2 Seção reduzida do condutor neutro mm2 S ≤ 25 S 35 25 50 25 70 35 95 50 120 70 150 70 185 95 240 120 300 150 400 185 Tabela 8 - Seção reduzida do condutor neutro Fonte: adaptada da Tabela 48 da NBR 5410 (ABNT, 2004). Conforme podemos verificar na Tabela 7, para todas as seções inferiores a 25 mm2 do condutor fase, teremos a mesma seção para o condutor neutro. Como todas as seções dos circuitos que calculamos são inferiores a 25 mm2, vamos adotar a mesma seção dos condutores fase de cada circuito para o condutor neutro. Ainda, temos que verificar a seção do condutor de proteção, conforme apresentado na Tabela 9. Seção dos conduto- res de fase mm2 Seção reduzida do condutor de prote- ção correspondente mm2 S ≤ 16 S 16 < S ≤ 35 16 S > 35 S/2 Tabela 9 - Seção mínima do condutor de proteção Fonte: adaptada da Tabela 58 da NBR 5410 (ABNT, 2004). Conforme podemos verificar na Tabela 9, para todas as seções inferiores a 16 mm2 do condutor fase, teremos a mesma seção para o condutor de proteção. Então, como todas as seções dos cir- cuitos que calculamos são inferiores a 25 mm2, vamos adotar a mesma seção dos condutores fase de cada circuito para o condutor de proteção. Podemos, agora, acrescentar na Tabela 1 as informações da corrente de projeto corrigida e seção calculada para os condutores fase, neutro e de proteção dos circuitos. Descrição da Imagem: planta baixa predial com ferramentas e componentes elétricos dispostos sobre a planta. Figura 6 - Planta baixa predial com ferramentas e componentes elétricos 46 UNICESUMAR Estas modificações estão apresentadas na Tabela 10: CIRCUITO Iluminação TUGs TUE (Torneira Elétrica) Tensão 220V Potência 280 VA 300 VA 3300 W Corrente de Projeto 1,27 A 1,36 A 15 A Corrente de Projeto Corrigida 2,08 A 2,23 A 24,63 A Seção do condutor fase 2,5 mm2 2,5 mm2 4 mm2 Seção do condutor neutro 2,5 mm 2 2,5 mm2 4 mm2 Seção do condutor de proteção 2,5 mm 2 2,5 mm2 4 mm2 Tabela 10 - Valores calculados para o projeto exemplo Fonte: o autor O projeto exemplo que utilizamos até aqui focou em um projeto residencial/predial. Vamos veri- ficar agora um segundo exemplo, que trata do dimensionamento de um circuito para alimentar um motor elétrico trifásico. Suponha que este motor é utilizado para movimentar uma esteira que faz parte de um processo de automação. Seguiremos o mesmo procedimento de cálculo utilizado nos circuitos residenciais, sendo que, inicialmente, verificamos a potência do equipamento. Vamos supor que utilizaremos um motor de 4 polos com 4 CV de potência. Assim, para calcularmos a corrente por fase para este motor, podemos utilizar a definição de potência para um motor trifásico, conforme equação [7]: P V Ielétrica � � �3. . .cos � [7] Ainda, temos que considerar a relação entre a potência elétrica absorvida da rede pelo motor em relação à potência útil (mecânica) fornecida por ele. Esta relação expressa o rendimento do motor. Temos, conforme a equação [8], que: h = P P útil elétrica [8] Podemos definir a relação expressa em [8] na forma da equação [9]: h% * ( ) * * *cos � � � 736 3 P CV V I � [9] A potência de nosso motor do exemplo 4 CV é sua potência útil. Considerando que ele possui um rendimento de 85%, sua potência elétrica, que será absorvida da rede, é: P P Welétrica útil= = =h 4 736 0 85 3463 5* . . 47 UNIDADE 2 E, isolando a corrente na equação [7], obtemos: I A= =3463 5 3 380 0 8 6 58. * * , , Este cálculo foi demonstrado para conhecimento, uma vez que estas informações sobre motores elé- tricos são disponíveis em catálogos de fabricantes, assim como apresentado na Figura 6. Potência Carcaça Conjugado Nominal (kgfm) Corrente com Rotor Bloqueado Ip/In Conjugado de Partida Cp/Cn Conjugado Máximo Cmáx/Cn Momen- to de Inércia J (kgm2) Tempo Máximo com rotor blo- queado (s) KW HP Quente Frio 3 4 L100L 1,67 9,1 4 4 0,00964 15 33 Para obter os valores da corrente nominal (In) em outras tensões, utilizar os seguintes fatores de multiplicação: - In em 440 V para In em 380 V multiplicar por 1,158 - In em 440 V para In em 220 V multiplicar por 2 Continuação da tabela Massa (Kg) Nível médio de pressão sonora dB(A) Fator de serviço RPM % de Carga Tensão (V) Corrente Nominal In (A) Rendimento Fator de Potência 50 75 100 50 75 100 39 54 1,25 1745 87,4 88,5 89,5 0,57 0,69 0,77 440 5,71 Figura 6 - Catálogo de motores elétricos / Fonte: adaptada de Weg (2020). Na Figura 6, podemos observar que está em destaque a linha correspondente ao motor com 4 HP de potência, sendo que 1 HP (Horse Power) é outra unidade usual de potência e equivale a 746 Watts. Ainda, valor de corrente indicado no catálogo refere-se a uma tensão de alimentação de 440 V, sendo que, para obter a corrente equivalente para 380 V, multiplicamos o valor por 1,158. Então, temos que a corrente para o motor de 4 HP é de 6,61 A (5,71 A * 1,158). Comparando o valor que calculamos (6,58 A) com o valor apresentado no catálogo (6,61 A), ob- temos uma pequena diferença atribuível aos arredondamentos utilizados. Sabendo a corrente elétrica que será consumida por fase no motor, podemos aplicar os fatores de correção. Vamos supor que nosso circuito de alimentação do motor está junto com outros três circuitos em uma bandeja não perfurada. A Tabela 11 demonstra que o método de referência utilizado é o C (ban- deja não perfurada); assim, conforme Tabela 3, teremos um FCA = 0,75. Descrição da Imagem: tabela com informações referentes a motores elétricos trifásicos. 48 UNICESUMAR Método de instalação número Esquema ilustrativo Descrição Método de referência 12 Cabos unipolares ou cabo multipolar em bandeja não-perfurada, perfilado ou prateleira C Tabela 11 – Método de Referência C / Fonte: adaptado da Tabela 33 da NBR 5410 (ABNT, 2004). Descrição da Imagem: explicação sobre um dos métodos de referência de condutores. A primeira etapa no projeto de uma instalação é o dimensionamento de suas cargas. Basica- mente, dimensionamos a quantidade de pontos de iluminação em função da área dos diferentes ambientes e a quantidade dos pontos de tomadas em função da área e do perímetro. Ainda, dimensionamos a seção dos condutores elétricos em função da potência (corrente) dos equi- pamentos previstos para os circuitos, prevendo também os cálculos de correção necessários. Descrição da Imagem: caixa de conexão de um motor trifásico mostrando os 3 condutores fase e o condutor de proteção. Com relação ao fator de correção de tempera- tura, vamos supor que o circuito do motor está instalado em um ambiente industrial refrigera- do que gera temperatura próxima dos 20°C e os condutores utilizados possuem isolação em EPR. Então, conforme Tabela 2, teremos um FCT = 1,08. Utilizando a equação [6], podemos calcular a corrente de projeto corrigida para o motor: I I FCT FCA AB B ' . , , * , ,= = = 6 58 1 08 0 75 8 12 Considerando que o circuito de alimentação do motor corresponde a um circuito trifásico sem neutro, composto, assim, portrês condutores fase e um condutor de proteção, teremos três conduto- res carregados (Tabela 5) e, conforme a Tabela 4, é possível adotar um condutor com 0,5 mm2 de seção que suporta uma corrente de 9 A. Observa-se, porém, que a seção mínima per- mitida para o circuito do motor (que é um circuito de força – Tabela 6) é de 2,5 mm2. Consequente- mente, adotaremos a seção de 2,5 mm2 para os três condutores fase e para o condutor de proteção. Figura 7 - Caixa de conexão de motor trifásico 49 UNIDADE 2 Neste ciclo de aprendizagem, estamos conhecendo conceitos relativos às instalações elétricas, tanto no contexto residencial/predial como no industrial. E considero fundamental trazer para vocês minha visão profissional sobre a atuação do profissional técnico na área das instalações elétricas. Neste podcast, vou relatar para vocês sobre os momentos em que atuei na área e diversas situações que presenciei, diretamente relacionadas com o pro- jeto e execução de instalações elétricas. O conhecimento da estrutura das redes elétri- cas e da tensão de fornecimento permite projetar- mos nossas cargas conforme tensão e capacidade da rede. Ainda, é fundamental conhecermos as normas aplicáveis, como também a NBR 5410, pois assim iremos projetar de forma alinhada com as normas, garantindo, consequentemente, o cor- reto funcionamento e segurança das instalações. Você conseguiria relacionar mentalmente a seção de um condutor com uma faixa de corrente que ele suporta? https://apigame.unicesumar.edu.br/qrcode/3436 50 M A P A M EN TA L Vamos verificar agora quais são os principais itens que discutimos nesta unidade e de que forma se relacionam. Como sugestão a você, estimado(a) aluno(a), propomos a criação de um mapa mental/diagrama que identifique os principais conceitos, tópicos, formulações e demais itens discutidos na unidade. Apresento, a seguir, uma proposta no formato de fluxograma, a qual representa as etapas principais que discutimos. Você pode utilizar este exemplo como base para criar sua proposta! Figura 8 - Fluxograma das etapas / Fonte: o autor S S S N N NCircuitos de�nidos? Início: dimensionamento cargas Dimensionar em função da área Dimensionar em função da área e do perímetro Pontos de iluminação dimensionados? Pontos de tomadas dimensionados? Calcular carrentes de projeto Aplicar fatores de correção Seção dos condutores TUGs e TUEs De�nir por função: iluminação, tomadas, cargas especí�cas (chuveiro, motores ...) 51 M A P A M EN TA L A G O R A É C O M V O C Ê 52 Para responder às questões, vamos tomar como base a planta baixa representada na Figura a seguir: Figura - Planta Baixa, dimensões em metros Fonte: o autor Todos os circuitos estarão instalados em condição de temperatura ambiente 40ºC. Circuitos mo- nofásicos com dois condutores (PVC) carregados (fase e neutro) com instalação em eletrodutos (conduto fechado). Método de instalação (referência B1). Tensão de alimentação 220 V. Todos os circuitos conduzidos em um único eletroduto. Descrição da Imagem: planta baixa residencial com 4 ambientes. quarto banheiro sala cozinha 4,93 2, 55 3, 31 3,30 2, 60 2,60 2,50 5,14 A G O R A É C O M V O C Ê 53 1. Dimensione os pontos de iluminação em função da área dos ambientes seguindo as recomen- dações da NBR 5410. 2. Dimensione os pontos de tomada em função da área dos ambientes seguindo as recomendações da NBR 5410. 3. Faça a distribuição de circuitos, conforme cargas já dimensionadas, sendo o circuito 1 de ilumi- nação, circuito 2 de TUGs e um circuito 3 para o chuveiro (potência de 5000 Watts). 4. Calcule as correntes de projeto de cada circuito. 5. Calcule as correntes de projeto corrigidas de cada circuito. 6. Determine a seção dos condutores de cada circuito. C O N FI R A S U A S R ES P O ST A S 54 Para as questões 1 e 2, vamos utilizar os cálculos apresentados no quadro abaixo: Área (m2) Perímetro (m) Sala 2.60 5.14 13.36 15.48 Quarto 2.55 4.93 12.57 14.96 Cozinha 3.30 3.31 10.92 13.22 Banheiro 2.60 2.50 6.50 10.20 Quadro - Área e perímetro dos cômodos Fonte: o autor 1. Com base nas áreas de cada ambiente, verificamos agora o número mínimo de pontos de iluminação, observando que todas as áreas são superiores a 6 m2. Então, deve ser prevista uma carga mínima de 100 VA para os primeiros 6 m2, acrescida de 60 VA para cada aumento de 4 m2 inteiros. Sala: 100 VA + 60 VA; Quarto: 100 VA + 60 VA; Cozinha: 100 VA + 60 VA; Banheiro: 100 VA. Totalizando assim 580 VA de potência para o circuito de iluminação. 2. Com base nas áreas e perímetros de cada ambiente, verificamos agora o número mínimo de pontos de tomadas, sendo que, para o quarto e sala, devem ser previstos pelo menos um ponto de tomada para cada 5 m, ou fração de perímetro. Então, adotamos para o quarto 3 tomadas de 100 VA e, para a sala, 4 tomadas de 100 VA. O banheiro se classifica conforme o item 9.5.2.2.1 (b) – para um ponto de tomada a cada 3,5 m ou fração de perímetro. Então, teremos 3 tomadas, sendo estas de 600 VA cada (conforme item 9.5.2.2.2). Da mesma forma, para a cozinha teremos 4 tomadas, sendo três delas de 600 VA e uma de 100 VA. Assim, o total de potência para o circuito de TUGs é de 4400 VA. Por mais que seja recomendado distribuir esta potência em mais de um circuito, neste exemplo vamos utilizar um circuito único. 3. Circuito 1 - iluminação: 580 VA; circuito 2 - TUGs: 4400 VA; e circuito 3 - chuveiro: 5000 Watts. 4. Correntes de projeto: utilizando a equação [5], calculamos as correntes de projeto de cada circuito. Circuito 1 - iluminação: 2,64 A; circuito 2 - TUGs: 20 A; e circuito 3 - chuveiro: 22,73 A. 5. As correntes de projeto corrigidas serão calculadas utilizando a equação [6], sendo que, para a tempera- tura ambiente de 40°C e condutores com isolação de PCV, teremos um FCT = 0,87. Como temos 3 circuitos utilizando o método de referência B1, teremos o FCA = 0,70. Assim, a corrente corrigida para cada um dos circuitos será Circuito 1 - iluminação: 3,28 A; circuito 2 - TUGs: 24,86 A; e circuito 3 - chuveiros: 28,25 A. 6. Utilizando a Tabela 5, com o método B1 e 2 condutores carregados, é possível adotar as seguintes seções de condutores para cada circuito: Circuito 1 - iluminação: 0,5 mm2; circuito 2 - TUGs: 4 mm2; e circuito 3 - chuveiro: 4 mm2. Verificando a seção mínima permitida para cada tipo de circuito, conforme Tabela 7, temos que adotar 1,5 mm2 para o circuito de iluminação. Ainda conforme Tabelas 8 e 9, utilizaremos condutores de neutro e proteção com seção de 1,5 mm2 para o circuito de iluminação e com seção de 4 mm2 para os circuitos das TUGs e do chuveiro. R EF ER ÊN C IA S 55 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 5410: instalações elétricas de baixa tensão. Rio de Janeiro: ABNT, 2004 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR/ISO 8995: iluminação de ambientes de trabalho. Rio de Janeiro: ABNT, 2013. CPFL ENERGIA. GED 13: Fornecimento em Tensão Secundária de Distribuição. Campinas: CPFL, 2020. Disponível em: http://sites.cpfl.com.br/documentos-tecnicos/GED-13.pdf. Acesso em: 14 out. 2020. CREDER, H. Instalações Elétricas. 16. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. WEG. Motor Elétrico Trifásico W22 - Catálogo Técnico Mercado Brasil. Código 50023622, revisão 36, mar. 2020. Jaguará do Sul: WEG, 2020. Disponível em: https://static.weg.net/medias/downloadcenter/h94/ h69/WEG-w22-motor-eletrico-trifasico-50023622-brochure-portuguese-web.pdf. Acesso em: 16 out. 2020. https://static.weg.net/medias/downloadcenter/h94/h69/WEG-w22-motor-eletrico-trifasico-50023622-brochure-portuguese-web.pdf https://static.weg.net/medias/downloadcenter/h94/h69/WEG-w22-motor-eletrico-trifasico-50023622-brochure-portuguese-web.pdf 56 M EU E SP A Ç O 3 OPORTUNIDADES DE APRENDIZAGEM Projetos Elétricos Residenciais e Industriais Me.Taiser Tadeu Teixeira Barros Nesta unidade, discutiremos sobre os projetos das instalações elétri- casresidenciais (prediais) e industriais. Vamos utilizar um Software de projetos elétricos e conhecer a simbologia utilizada. Será importante também retomar alguns itens sobre dimensionamento de condutores estudados na Unidade 2 e serão verificados os procedimentos para o dimensionamento de eletrodutos. 58 UNICESUMAR O conhecimento sobre os componen- tes utilizados nas instalações elétricas serve como base para utilizar tais componentes em projetos de insta- lações industriais e residenciais. Você já parou para pensar como represen- tamos os componentes utilizados nas instalações elétricas? Todos os dias utilizamos interruptores, tomadas e pontos de iluminação, mas quais os símbolos utilizados para estes com- ponentes elétricos em um projeto? Em nosso dia a dia, depara- mo-nos a todo o momento com elementos elétricos, como os in- terruptores, que são dispositivos utilizados para interromper a ali- mentação de um circuito de ilumi- nação. Também utilizamos rotinei- ramente as tomadas elétricas para conectar equipamentos. Como esses dispositivos estão distribuídos e conectados entre si em nossas residências, prédios e instala- ções? Seria como as de um shopping center ou de um mercado? Como se determina a posição onde um inter- ruptor ou uma tomada serão instala- dos para atender da melhor forma o usuário do ambiente? Todos esses detalhes passam pelo projeto de uma instalação elétrica, sendo muito importante também a execução da instalação de maneira fiel ao que foi projetado. Assim, o projeto elétrico é o docu- mento que vai guiar a localização dos pontos de iluminação, tomadas, cabeamento estruturado e sistema de proteção contra descargas at- mosféricas (SPDA) dentre outros. 59 UNIDADE 3 D IÁ R IO D E B O R D O Por ser um documento com uma série de itens muito importantes de uma instalação, ele precisa ser efetuado por pessoal técnico qualificado, como é o caso dos profissionais da engenharia. Pegue papel e caneta e vamos dar um passeio pela sua casa. Anote essas perguntas e vá registrando as respostas uma a uma. Você já observou a instalação elétrica de sua residência com atenção? Quan- tos pontos de iluminação existem? Os interruptores são simples, duplos, do tipo paralelo (hotel) ou automatizados? O número de tomadas está em conformidade com os itens da norma NBR 5410? Verifique quantos pontos de tomadas e de iluminação estão disponíveis. Ainda, as tomadas (TUGs) são todas de 10 A, ou existem as tomadas (TUEs) de 20 A para os equipamentos que necessitam desse tipo? Seu chuveiro tem um circuito próprio, com uma conexão direta, ou foi realizada uma conexão com algum padrão aleatório? Os condicionadores de ar possuem circuitos únicos? Talvez você nunca tenha se preocupado com estes detalhes, mas agora que estamos conhecendo mais a fundo os projetos de instalações elétricas, é fundamental que possamos ter um olhar mais crítico. Utilize o espaço abaixo e faça um pequeno esboço à mão, indicando onde estão localizados, nos cômodos de sua residência, os pontos de iluminação, interruptores e tomadas, com as principais cargas instaladas. Conseguiu enxergar quais as cargas que você tem instalado na sua residência? Verificou que cada ponto de iluminação tem um interruptor para acionamento? Pense como isso seria representado em um projeto e quais símbolos você teria que utilizar para fazer esse projeto. 60 UNICESUMAR Os projetos elétricos utilizam a planta baixa da obra para prever onde serão instalados os pontos de iluminação, tomadas, trajeto de eletrodutos e posicionamento dos centros de distribuição, dentre outros. A utilização da planta baixa vai garantir também que não ocorram superposições entre um eletro- duto com uma tubulação de água ou que seja prevista a instalação onde existe uma abertura. Por mais que nos cursos de engenharia, nós, engenheiros, aprendemos desenho técnico, inclu- sive com algumas técnicas utilizando desenho à mão livre, os projetos são todos realizados com a utilização de softwares (CAE – Computer Aided Design, ou Desenho Assistido por Computador) que garantem agilidade e redução de erros de projeto. Na área dos projetos elétricos, existem diversos softwares, como é o caso do AutoCad®, o qual é muito utilizado principalmente por profissionais da arquitetura, possuindo um módulo específico para projetos elétricos. A Figura 1 mostra uma tela do software AutoCad®. Figura 1 - Tela do Software Autocad / Fonte: Autodesk ([2020], on-line). Outros softwares, como o Solid Works®, também possuem módulos para desenho elétrico, sendo voltados principalmente para o segmento industrial, em que são desenhados quadros de comando com bibliotecas e recursos disponíveis para calcular a quantidade de condutores utilizados e realizar identificação automática de circuitos. É fundamental citar que estes softwares exigem determinado tempo para que o usuário compreen- da seu funcionamento e conheça o básico de comandos e componentes disponíveis. Com o objetivo de habituar você, estimado(a) aluno(a), com um software de projetos, será proposto nesta unidade a utilização do software WOCA®, da empresa OCALEV. Este software obviamente não possui todos os recursos de um software profissional, mas é extremamente intuitivo e de fácil utilização, permitindo uma boa ideia sobre a instalação elétrica proposta e seguindo a norma NBR 5410. 61 UNIDADE 3 Antes de avaliarmos o software em especifico, é fundamental conhecermos os principais itens da simbologia utilizada em um projeto elétrico. A norma NBR 5444 (ABNT, 1989) traz uma proposta de simbologia que é utilizada na maioria dos softwares relacionados à área de projetos elétricos. Na Figura 2 estão listados alguns dos símbolos mais utilizados nos projetos elétricos residenciais/prediais. a a b a b c a a a a a a a -4- -4- -4- -4- -4- -4- -3- -3- -5- 300VA 300VA 300VA 4x20W 4x20W 4x20W a 2x100W 2x100W 2x60W Condutor de fase no interior do eletroduto Condutor neutro no interior do eltroduto Condutor de retorno no interior do eletroduto Condutor terra no interior do eletroduto Quadro geral de luz e força aparente Quadro geral de luz e força embutido Interruptor de uma seção Interruptor de duas seções Interruptor de três sessões Interruptor paralelo ou Tree-Way Interruptor intermediário ou Four-Way Ponto de luz incandescente no teto. Indicar o nº de lâmpadas e a potência em watts Ponto de luz incandescente na parede (arandela) Ponto de luz incandescente no teto (embutido) Ponto de luz �uorescente no teto (indicad o nº de lâmpadas e na legenda o tipo de partida e reator) Ponto de luz �uorescente na parede Ponto de luz �uorescente no teto (embutido) Tomada de luz na parede, baixo (300 mm do piso acabado) Tomada de luz a meio a altura (1.300 mm do piso acabado) Tomada de luz alta (2.000 mm do piso acabado) Figura 2 - Simbologia gráfica para instalações elétricas prediais / Fonte: adaptada da norma NBR 5444 (ABNT, 1989). Além da simbologia, alguns tipos de diagramas são comuns quando projetamos instalações elétricas – podemos falar dos diagramas unifilar, multifilar e funcional. O diagrama unifilar é o que tem a maior utilização e é desenhado com relação à planta baixa (ar- quitetônica) da obra, indicando onde estão localizadas as cargas elétricas e qual os percursos dos condutores de cada circuito. A simbologia, tanto nos projetos elétricos quanto nos dia- gramas de circuitos eletrônicos e nos diagramas de quadros de comandos, é fundamental para sistematizar a criação dos projetos. Assim, conhecer a simbologia é imprescindível para profissionais da engenharia, pois permite que eles possam interpretar uma planta ou diagrama de comando e tomar decisões, por exemplo, sobre o posicionamento de um equipamento em uma linha de produção ou dos pontos onde serão instalados sensores de automação predial. 62 UNICESUMAR Na Figura 3 é apresentado um diagrama unifilar referente à instalação de um quarto, em que épossível verificar a pre- sença de dois circuitos. Analisando a Figura 3, po- demos observar que existem dois circuitos presentes nesse trecho da instalação: o circuito 1 de iluminação e o circuito 2 de tomadas. Os dois circuitos saem do Quadro Geral de Luz e Força (QDLF) e são distribuí- dos por meio de eletrodutos. O circuito 1 sai do QDLF (de- talhe 1) com dois condutores, sendo um condutor fase e um condutor neutro, indo até o ponto de iluminação (locali- zado no teto), no qual existe fi- sicamente uma caixa de passa- gem. Neste ponto, o condutor neutro do circuito é conectado ao soquete da lâmpada. A par- tir deste ponto, o circuito (de- talhe 2) vai até o interruptor “a” somente com o condutor fase e um condutor de retorno volta até o ponto de iluminação, fi- nalizando o circuito. O circuito 2 de tomadas se origina no QDLF com 3 con- dutores, sendo um condutor fase, um condutor neutro e um condutor (terra) de proteção, com estes condutores alimen- tando todas as tomadas do ambiente (detalhe 3). quarto detalhe 3 detalhe 2 detalhe 1 2 2 2 2 a 1a 1.5 1.5 2 1 a 160 1 Figura 3 - Circuitos elétricos de iluminação e tomadas de um quarto, represen- tados em diagrama unifilar / Fonte: o autor. Figura 4 - Diagrama funcional de um circuito com interruptores paralelos ou three way / Fonte: o autor. uni�liar 160 1 a 1 a 1 a a a 1.5 1.5 Condutor Fase Condutor Neutro Outro diagrama utilizado em projetos de instalações elétricas é o diagrama funcional, o qual traz informações sobre o funcionamento de um determinado circuito. Na Figura 4, apresenta-se o diagrama funcional de um interruptor paralelo ou three way, também conhe- cido como interruptor hotel. Foi adicionado também na figura o esquema unifilar, para melhor compreensão. 63 UNIDADE 3 Conforme a Figura 4, temos 2 interruptores paralelos, cada um deles com 3 conexões. O condutor neutro do circuito é conectado diretamente na lâm- pada, e o condutor fase é conec- tado no parafuso central de um dos interruptores. Saindo do interruptor em que o condutor fase foi conec- tado, saem dois condutores de retorno que vão ser conduzidos até o segundo interruptor, e des- te vai sair um terceiro condutor de retorno, que vai até a lâmpa- da, finalizando, assim, o circuito. Os interruptores paralelos são utilizados quando se faz necessá- rio ligar/desligar a iluminação em pontos diferentes, como em uma escadaria, por exemplo, onde o usuário pode ligar a iluminação no andar térreo e desligar no an- dar superior e vice-versa. Esses interruptores costu- mam ser chamados de inter- ruptores hotel, pois eram utili- zados em corredores de hotéis, permitindo que os hóspedes acionassem a iluminação dos corredores em um interruptor na porta dos seus quartos ou nas extremidades do corredor. Assim, nas extremidades dos corredores estavam instalados interruptores three way e em cada porta havia um interruptor intermediário ou four way. O in- terruptor four way está esquema- tizado na Figura 5. Condutor Fase Condutor Neutro uni�liar 160 1 a 1 a 1 a a a 1.5 1.5 a a Figura 5 - Diagrama funcional de um circuito com interruptores paralelos e interruptor intermediário / Fonte: o autor. No circuito da Figura 5, temos três interruptores, sendo dois interruptores paralelos e um interruptor intermediário. O con- dutor neutro do circuito é conectado diretamente na lâmpada, e o condutor fase é conectado no parafuso central de um dos interruptores paralelos. Saindo do interruptor onde o condutor fase foi conectado, saem dois condutores de retorno, que serão conduzidos até o interruptor intermediário, e deste interruptor vão sair dois outros condutores de retorno, que seguem até o outro interruptor intermediário. Para completar o circuito, sairá do segundo interruptor paralelo um condutor de retorno que vai até a lâmpada. O terceiro tipo de diagrama que pode ser encontrado em projetos de instalações elétricas é o diagrama multifilar, o qual detalha todas as conexões do projeto elétrico. Sua utilização não é comum em projetos residenciais/prediais devido à complexidade de representar todas as conexões. O diagrama multifilar é mais utilizado para representar componentes de instalações industriais como nos esquemas de partidas de motores e painéis elétricos. Vamos utilizar o diagrama multifilar quando discutirmos sobre comandos elé- tricos para partidas de motores. 64 UNICESUMAR Veja uma explicação sobre interruptores paralelos e intermediário. O vídeo demonstra como realizar a conexão dos condutores nos interruptores e no ponto de iluminação. Para acessar, use seu leitor de QR Code. Por mais que circuitos utilizando interruptores paralelos e intermediários sejam muito comuns ainda na maior parte das instalações residenciais, estes dispositivos cada vez mais vão se tor- nando obsoletos. Com a tendência de automatizar processos, mais e mais produtos automati- zados são disponibilizados no mercado e começam a ser disponibilizados por preços acessíveis. Por exemplo, na área da automação residencial, existem interruptores que se conectam por meio de uma rede wi-fi ou por bluetooth com uma placa de controle central que aciona as cargas de iluminação. Estes interruptores permitem uma economia com condutores elétricos; assim, dependendo da dimensão do projeto, a relação custo benefício pode se tornar viável. Nosso papel como profissionais da engenharia é estar preparados(as) para oferecer ao cliente as melhores oportunidades disponíveis em termos de projetos e equipamentos. É fundamental observar aqui que mesmo com novos produtos chegando ao mercado, a teoria que estamos aprendendo sobre interpretação de simbologia se mantém atual. Isso porque a interpretação de simbologia nos permite conhecer a essência do projeto e, mesmo em casos onde nos deparamos com diferentes simbologias, temos a capacidade de associar os novos símbolos com novos equipamentos e funcionalidades. https://youtu.be/mLNS3Jp9nDA 65 UNIDADE 3 Acesse o vídeo em que mostro a utilização do software Woca para desenvolver o projeto elé- trico exemplo da unidade. Uma vez que foram apresentados a simbologia dos compo- nentes elétricos e alguns circuitos básicos utilizados nos projetos de instalações elétricas residenciais/prediais, vamos analisar um exemplo criado no software Woca. Este software pode ser acessado on-line no endereço https://woca.ocalev.com.br/ Ao criar um cadastro no site, o usuário pode utilizar todas as funcionalidades do software gratuitamente por 5 dias. Após cadastrar, o usuário pode criar um novo projeto, selecionando qual a concessio- nária de energia – neste caso, utilizarei a CPFL RGE. Você, aluno(a), pode selecionar a concessionária de sua região, ou, na ausência desta, selecionar a que possui a tensão de alimentação compatível. A Figura 6 mostra a tela inicial de projeto. É válido mencionar que há um tutorial com 10 passos para orientar o usuário na utili- zação do software. Figura 6 - Tela inicial de um projeto no software Woca / Fonte: o autor. Uma vez que a utilização do software é intuitiva, vamos focar nosso exemplo nas características elé- tricas do projeto. A planta baixa proposta na Figura 7 será utilizada para posicionamento dos pontos de iluminação e tomadas. https://woca.ocalev.com.br/ https://vimeo.com/475345071/7ed84c50ae 66 UNICESUMAR Para permitir que os condu- tores elétricos sejam distri- buidos na planta, é necessário adicionar o quadro de energia (QDLF), que pode ser posi- cionado automaticamente e depois realocado na planta. Va- mos criar circuitos de ilumina- ção acionados por interrupto- res three way (paralelo) e four way (intermediário), pois eles permitem um bom exercício de interpretação de passagem de condutores dos circuitos. Propõe-se, então, colocar no quarto um ponto de ilu- minação acionado por dois interruptores paralelos e na sala dois pontos de ilumina- ção acionados por dois inter- ruptores paralelose um inter- ruptor intermediário. A Figura 8 traz os pontos de iluminação, os interruptores e o quadro de energia já localizados na planta baixa, bem como os eletrodutos conectando todos estes elementos. Utilizando a funcionalidade de lançamento automático da fiação oferecida no software, obtemos o resultado apresen- tado na Figura 9. sala quarto cozinha banheiro 5.003.00 6.00 2.00 3. 00 3. 00 3. 00 3. 00 sala cozinha banheiro 5.003.00 6.00 2.00 3. 00 3. 00 3. 00 3. 00 b b b a a 150 b1 150 b1 150 b1 quarto Figura 7 - Planta baixa utilizada para desenvolvimento do exemplo. Fonte: o autor. Figura 8 - Planta baixa com os pontos de iluminação, quadro de energia, eletro- dutos e interruptores / Fonte: o autor. 67 UNIDADE 3 Pode-se observar, conforme apresentado na Figura 9, que o circuito 1 de iluminação é derivado do quadro de energia, sendo conduzido para o quarto e para a sala. Em ambas as derivações, o circuito de iluminação possui um condutor fase e um condutor neutro. No circuito do quarto, o neutro vai até o ponto de iluminação e o condutor fase segue até um dos interruptores paralelos, sendo que deste interruptor saem dois condutores de retorno, que seguem até o outro interruptor e, por fim, deste segundo interruptor sai o condutor de retorno, que vai até a lâmpada, para fechar o circuito. Os dois interruptores paralelos do circuito de iluminação do quarto foram denominados interruptores “a” e fazem parte do circui- to “1”, que é um circuito de iluminação. Ainda, a denominação dos interruptores e a numeração do circuito são informadas no ponto de iluminação, indicando qual ou quais interruptor(es) acionam determinado ponto de iluminação. No circuito de iluminação da sala, que também faz parte do circuito 1 de iluminação, pode-se observar o condutor neutro che- gando nos dois pontos de iluminação, assim como o condutor fase, que vai até o primeiro interruptor paralelo “b”, de onde saem dois condutores de retorno, que seguem até o interruptor intermediário. Figura 9 - Planta baixa com os pontos de iluminação, quadro de energia, eletro- dutos e interruptores e lançamento da fiação / Fonte: o autor. sala cozinha banheiro 5.003.00 6.00 2.00 3. 00 3. 00 3. 00 3. 00 b b b a a 150 b1 150 b1 150 b1 quarto a b b b b a1 1 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1 1 1 Do interruptor intermediá- rio saem dois condutores de re- torno, que seguem até o segun- do interruptor paralelo e deste sai um retorno que segue até as lâmpadas fechando o circuito. O ponto de iluminação re- presentado na planta baixa cor- responde a uma caixa de luz que pode ser encaixada na alvenaria. A Figura 10 mostra uma caixa de luz octogonal de 3 x 3” com pré-furações para encaixa dos eletrodutos. Figura 10 - Caixa de luz 3 x 3” Fonte: o autor. Uma boa prática no projeto consiste em não utilizar mais que 4 encaixes de eletroduto em uma mesma caixa de pas- sagem, nem cruzar eletrodutos, porque isso, durante a execução da obra, pode amassar os ele- trodutos e, consequentemente, dificultar a passagem dos con- dutores elétricos. 68 UNICESUMAR Para completar a ilumina- ção dos demais cômodos, fo- ram adicionados um ponto de iluminação no teto e uma aran- dela no banheiro comandados cada um por interruptores simples. E, na cozinha, foram adicionados dois pontos de ilu- minação comandados por um interruptor duplo, conforme apresentado na Figura 11. Pode ser observado também na Figura 11 que foi utilizado um segundo circuito de iluminação (circuito 2). Como a planta baixa representa uma casa com uma carga de iluminação “pequena”, seria possível colocar todos os pontos de iluminação no mesmo circuito, porém uma boa prática de projeto é fazer uma divisão de circuitos de mesma função, pois em uma possível manuten- ção não seria necessário desligar toda a iluminação de uma só vez. Com a iluminação concluí- da, podemos agora distribuir os pontos de tomadas. Para isso, foi utilizada a funcionalidade de posicionamento automático de cargas disponibilizado pelo software, porém essa função somente distribuiu o número mínimo de tomadas com base no critério 9.5.2.2.1 da norma NBR 5410 (ABNT, 2004). Além das tomadas distri- buídas pelo software, adicionei também as seguintes previsões de carga: dois pontos de ar-con- sala cozinha banheiro 5.003.00 6.00 2.00 3. 00 3. 00 3. 00 3. 00 b b b a a 150 b1 150 b1 150 b1 quarto a b b b b a1 1 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1 1 1 100 e1 150 d2 150 c2 1.5 1.5 1.5 1 1 1 e dc 1.5 1.5 1.5 1.5 1 f 20VA 2 2 2 e f d c d -1 -f Figura 11 - Pontos de iluminação do projeto / Fonte: o autor. dicionado (quarto e sala), um ponto de chuveiro e um ponto de torneira elétrica (o software não disponibiliza previsão de tomada, então utilizei uma de chuveiro com potência similar) com cada um destes pontos alimentado por circuitos individuais. Outro detalhe é que na distribuição feita pelo software, os pontos de tomada previstos ficaram todos em um mesmo circuito. Fiz uma redistribuição destes pontos colocando todas as TUGs de menor po- tência no circuito 3 e as TUGs de 600 VA no circuito 4. A Figura 12 mostra o circuito completo, com os pontos de tomadas já indicados. Conforme a Figura 12, podemos observar que o software efe- tuou o dimensionamento da seção dos condutores de cada circuito. Assim, os circuitos 1 e 2 que são de iluminação possuem seção para os condutores fase e neutro de 1,5 mm2, com esta seção também sendo adotada para o retorno dos circuitos. O circuito 3 de TUGS tem seção de 2,5 mm2, observando que esta seção não é anotada por ser o padrão. Os circuitos das tomadas de 600 VA possuem seção de 4 mm2 da mesma forma que os demais circuitos foram dimensionados conforme carga prevista. Uma vez que todas as cargas estão dimensionadas e os circuitos estão projetados, podemos agora verificar qual a seção do condutor de alimentação do QDLF. Para isso, vamos primeiramente verificar quais os valores do fator de demanda para os circuitos. 69 UNIDADE 3 Os fatores de demanda que serão utilizados neste projeto foram adotados conforme o documento GED 13 da concessionária CPFL – RGE do RS. Vamos aplicar o fator de demanda para os circuitos de (Tabela 3 do GED) iluminação/tomadas (TUGs até 600 VA) que possuem carga total de 5370 VA e, para simplificação do projeto, vamos considerar que esta potência será relacionada com cargas de comportamento resistivo predominante, podendo, assim, considerar 5370 Watts de potência instala- da. E para essa potência, o fator de demanda é de 0,45 e, consequentemente, teremos uma potência demandada de 5370 Watts * 0,45 = 2416,5 Watts. Figura 12 - Projeto elétrico com pontos de iluminação e tomadas / Fonte: o autor. 7 8 87 7 7 6 6 -4- -4- 600VA 600VA 600VA 600VA 600VA -4- 600VA -4- -4- 2440VA Torneira Chuveiro 5300VA 8 sala cozinha banheiro b b b a a 150 b1 150 b1 150 b1 quarto a b b b a1 1 1.5 1.5 1.5 1.5 1 100 e1 150 d2 150 c2 1 1 1 e dc 1.5 1.5 1 f 20VA 2 e f c d -1 -f 2 3 4 5 4 4 1.5 1.5 3 4 1 4 444 4 4 4 2 3 4 5d 4 4 4 -4 3 5 3 5 4 4 4 4 4 41.5 4 4 1.5 1.5 3 3 3 3 -3- -3- -3- -3- 3 1 1 -7- -3- -5- -3- 3 3 3 3 3 b 3 -3- 1.5 1.5 1.5 -8- 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 -3- 4 4 4 4 4 4 4 3 Ar 10kBTU 1522VA Ar 7,1kBTU 979VA -6- -3- O fator de demanda faz uma previsão da utilização das cargas elétricas instaladas. Por exem- plo: em uma residência com 10 pontos de iluminação e 20 tomadas nem todas estarão sendo utilizadas ao mesmo tempo. Da mesma forma que para um prédio com 40 apartamentos, nem todos vão utilizar os chuveiros ao mesmo tempo. Desta forma, as concessionárias de energia fornecem os valores do fator de demanda que vai ser utilizado para evitar que os condutores dos circuitos de iluminação sejam sobredimensionados. 70 UNICESUMAR Para o restante dos circuitos, temos o caso dos doiscircuitos de aquecimento de água (chuveiro e torneira) e dos aparelhos de ar-condicionado, sendo que, conforme Tabelas 4 e 9 do GED – porém para até dois circuitos –, temos o fator de demanda igual a 1 para estes circuitos. Após aplicar os fatores de demanda, obtemos uma potência total demandada de 12756,5 W ou 12,8 KW e com uma tensão de alimentação de 220 V, obtemos uma corrente demandada de 57,98 A. Se considerarmos que os condutores de alimnetação do QDLF serão instalados conforme método C de instalação (Tabela 33 da NBR 5410) e que temos 2 condutores carregados no circuito, podemos adotar um condutor fase de 16 mm2 de seção e, consequentemente, teremos a mesma seção para os condutores neutro e de proteção. Com os condutores dimensionados, seguimos com o dimensionamento dos eletrodutos conforme as premissas do item 6.2.11.1.6 da NBR 5410, que indica qual a taxa de ocupação do eletroduto. A taxa de ocupação permite que os condutores possam ser instalados e retirados com facilidade do interior do eletroduto, sendo calculada pelo quociente entre a soma das áreas das seções transversais dos condutores previstos e com base no diâmetro externo e a área útil da seção transversal do eletroduto. A taxa de ocupação não deve ser superior a 53% no caso de um condutor, 31% no caso de dois con- dutores e 40% no caso de três ou mais condutores, com o caso mais comum que ocorre nas instalações residenciais e prediais, sendo a passagem de 3 ou mais condutores. Outra recomendação prática referenciada no item 6.2.11.1.6 é com relação ao comprimento má- ximo dos trechos de eletrodutos, em que trechos contínuos (retilíneos), sem interposição de caixas ou equipamentos, não devem exceder 15 m de comprimento para linhas internas às edificações e 30 m para as linhas em áreas externas às edificações. Para o caso de trechos incluindo curvas, o limite de 15 m e o de 30 m devem ser reduzidos em 3 m para cada curva de 90°. Seguir estas recomendações evita que exista dificuldade de passar os con- dutores pela tubulação. Para calcular a taxa de ocupação, vamos utilizar dois quadros de informações. O Quadro 1 traz as seções nominais e áreas internas dos eletrodutos. O Quadro 2 traz as seções dos condutores e área total que ocupam. Seção nominal do Eletroduto Diâmetro Externo do Eletroduto - DE Área Interna total do Eletroduto 40% de ocupação da Área Interna ½” 20 mm 176,81 mm² 70,72 mm² ¾” 25 mm 295,59 mm² 118,24 mm² 1” 32 mm 514,72 mm² 205,89 mm² Quadro 1 - Seção nominal e áreas referentes aos eletrodutos / Fonte: adaptado de OCALEV (2020, on-line). No Quadro 1, foi utilizada somente a taxa de ocupação de 40% por ser a situação mais comum que ocorre nas instalações, inclusive o único trecho que não possui o mínimo de 3 condutores é a conexão entre o interruptor “e” e o ponto de iluminação de teto no banheiro. 71 UNIDADE 3 Cabos com isolamento de PVC, 450/750 V, 70°C Seção Nominal (mm²) Diâmetro do Condutor (mm) Espessura da Isolação (mm) Diâmetro Exter- no (mm) Área total (con- dutor + isolação) 1,5 1,5 0,7 2,9 6,60 mm² 2,5 2,0 0,8 3,4 9,08 mm² 4,0 2,4 0,8 4,0 12,57 mm² 6,0 2,9 0,8 4,5 15,90 mm² 10,0 3,9 1,0 5,9 27,34 mm² 16,0 5,0 1,0 7,0 38,48 mm² 25,0 6,5 1,2 8,8 60,82 mm² Quadro 2 - Seção nominal e áreas referentes aos condutores / Fonte: adaptado de OCALEV (2020, on-line). Utilizando as informações dos Quadros 1 e 2, vamos agora dimensionar a seção dos eletrodutos de alguns trechos da instalação de nosso projeto exemplo. Iniciaremos com um exemplo simples e de fácil compreensão, dimensionando o trecho de eletroduto que vai desde o interruptor intermediário “b” da sala até a tomada do condicionador de ar de 10000 BTUs. Neste trecho, temos 3 condutores com seção 2,5 mm2 e, consultando o Quadro 2, temos que a área ocupada para um condutor de 2,5 mm2 é de 9,08 mm2. Assim, teríamos uma ocupação de área de 3 x 9,08 mm2 = 27,24 mm2 e, conforme Quadro 1, verifica-se que o eletroduto de ½” comporta uma ocupação de até 70,72 mm². Como segundo exemplo, vamos dimensionar o eletroduto que sai do quadro de energia e vai até o ponto de iluminação da sala, onde temos os seguintes circuitos: 1 – Iluminação, condutores fase e neutro com seção de 1,5 mm2. 3 – Tomadas (TUG), condutores fase e neutro com seção de 2,5 mm2. 4 – Tomadas (TUG), condutores fase e neutro com seção de 4,0 mm2. 7 – Tomadas (Ar), condutores fase e neutro com seção de 2,5 mm2. 8 – Tomadas (Chuveiro), condutores fase, neutro e terra com seção de 4,0 mm2. Com relação ao número de condutores, temos 2 condutores de 1,5 mm2, 4 condutores de 2,5 mm2, 2 condutores de 4,0 mm2 e 3 condutores de 6,0 mm2. Utilizando os valores apresentados no Quadro 2, vamos calcular a área total ocupada pelos condutores: 2 x 6,60 mm² + 4 x 9,08 mm² + 5 x 12,57 mm² = 112.37 mm² e, conforme o Quadro 1, verificamos que seria necessário utilizar o eletroduto de ¾”. Para dimensionar os eletrodutos para o restante dos trechos do circuito do exemplo, basta seguir o procedimento utilizado. Em alguns casos práticos, mesmo que o projeto indique um eletroduto de uma seção menor, digamos ½” pode acontecer de se adotar um eletroduto de maior seção como por exemplo ¾” pois a compra deste material foi viável economicamente. 72 UNICESUMAR Uma vez definidos os pontos de iluminação e tomadas, devemos dimensionar a seção dos condutores que estarão conectados nestes circuitos. A norma NBR 5410 traz seis critérios técnicos para a realização do dimensionamento dos condutores, sendo eles: • A proteção contra choques elétricos por seccionamento (5.1.2.2.4). • A proteção contra sobrecargas (5.3.4 e 6.3.4.2). • A proteção contra curtos-circuitos e solicitações térmicas (5.3.5 e 6.3.4.3). O enfoque desta unidade foi no projeto elétrico das instalações elétricas residenciais/prediais, particular- mente na distribuição de circuitos e dimensionamento de eletrodutos. Outro item de muita importância neste tipo de projeto é relativo à segurança das instalações, tanto a segurança patrimonial como das pessoas que ocupam estas instalações. Neste podcast, vou trazer uma discussão sobre a segurança nas instalações elétricas no contexto dos projetos, execução e utilização das instalações. Conforme o projeto que foi apresentado na Figura 12, utilizou-se somente uma representação de condutor de proteção (terra) para cada trecho. A utilização de um único condutor de proteção para mais de um circuito é permitida conforme estabelece o item 6.4.3.1.5 da norma NBR 5410. Um condutor de proteção pode ser comum a dois ou mais circuitos, desde que esteja instalado no mesmo conduto que os respectivos condutores de fase e sua seção seja dimensionada conforme as seguintes opções: a) calculada de acordo com 6.4.3.1.2, para a mais severa cor- rente de falta presumida e o mais longo tempo de atuação do dispositivo de seccionamento automático verificados nesses circuitos; ou b) selecionada conforme a tabela 58, com base na maior seção de condutor de fase desses circuitos. A empresa Ocalev, que desenvolve o software WOCA, utilizado para criar o exemplo que estudamos, desenvolveu um material sobre o dimensionamento de eletrodutos, já focando em seções nominais de eletrodutos utilizados comercialmente e que pode ajudar na com- preensão do assunto. Para acessar, use seu leitor de QR Code. https://drive.google.com/file/d/1k1XrfDQvSlJ7ja9VMeqLymrXf1E3mVo0/view?usp=sharing 73 UNIDADE 3 Dispositivos de proteção Assim como os pontos de iluminação, tomadas e condutores presentes nas instalações elétricas, outros dispositivos que são fundamentais são os dispositivos de proteção. A norma NBR 5410 traz nos seus itens 5.3.4 e 5.3.5 as orientações para dimensionamento de dispositivos de proteção contra correntes de sobrecarga e dispositivos de proteção contra correntes de curto-circuito, respectivamente. No item 5.3.4.1 da norma, orienta-se sobre a coordenação dos dispositivos em relação aos condutores utilizados. Para que a proteção contra sobrecargasdos condutores fique assegurada, as características de atuação do dispositivo destinado a provê-la devem ser tais que: IB ≤ In ≤ Iz e I2 ≤ 1,45 Iz. Onde IB é a corrente de projeto do circuito, Iz é a capacidade de condução de corrente dos con- dutores, In é a corrente nominal do dispositivo de proteção e I2 é a corrente convencional de atuação, para disjuntores, ou corrente convencional de fusão, para fusíveis. O critério I2 ≤ 1,45 Iz vai garantir que o disjuntor não irá atuar para valores de corrente que sejam menores ou iguais aos valores da corrente corrigida, com a corrente de abertura do disjuntor sendo menor do que a corrente suportada pelo fio/cabo. Os fusíveis são dispositivos que possuem uma maior aplicação em circuitos industrias; logo, vamos concentrar nossa atenção com referência aos disjuntores e aos dispositivos diferencias residuais (DRs), em que os disjuntores são utilizados para proteção dos circuitos com relação às sobrecargas e curto circuitos e os DRs são utilizados para proteção contra contatos diretos e indiretos (proteção contra choques elétricos) e também na proteção contra incêndios. https://apigame.unicesumar.edu.br/qrcode/3437 74 UNICESUMAR Disjuntores Os disjuntores são dispositivos que protegem os cabos e condutores de uma instalação elétrica contra sobrecargas e curtos-circuitos, tendo, assim, a denominação de disjuntores Termomagnéticos, em que o efeito de sobrecarga é atuado pela proteção térmica e o efeito da corrente de curto circuito é atuado pela proteção magnética. Utilizaremos como referência o catálogo de mini disjuntores Siemens, pre- vendo que nossa instalação utilizada no exemplo pode atingir até 3kA de corrente. Desse modo, os modelos de disjuntores do catálogo em específico que serão utilizados são os da linha 5SL1, que são dimensionados e projetados conforme orientações da norma NBR NM 60898. A Figura 13 mostra os valores apresentados no catálogo para a linha de disjuntores referenciados. É fundamental observar que esta linha traz disjuntores com curva de proteção B e C. As curvas de proteção indicam para quais tipos de cargas cada disjuntor é dimensionado. Nos casos das curvas B e C, elas atendem respectivamente: (B) cargas com características predominantemente resistivas, como lâmpadas incandescentes, chuveiros, torneiras e aquecedores elétricos, além dos circuitos de tomadas de uso geral; e (C) cargas de natureza indutiva que apre- sentam picos de corrente no momento de ligação, como micro-on- das, ar-condicionado e motobombas. Tipicamente, uma instalação residencial utiliza disjuntores das curvas B e C. Tomando como base os critérios estabelecidos na norma e uti- lizando as informações dos circuitos que projetamos, podemos di- mensionar os disjuntores de proteção para cada um destes circuitos, assim como apresentado no Quadro 3. Figura 13 - Linha de disjuntores 5SL1 Siemens / Fonte: Siemens (2018, p. 8). 75 UNIDADE 3 Circuito Seção (mm²) Tensão (V) Potência (VA) Potência Demandada (VA) Corrente (Ib) Agrupa- mento de circuitos FCA Ib' 1 1.5 220 570 256.5 2.59 5 0.6 4.32 2 1.5 220 300 135 1.36 4 0.7 2.1 3 2.5 220 900 405 4.09 5 0.6 6.82 4 4 220 3600 1620 16.36 5 0.6 27.3 5 2.5 220 2440 2440 11.09 4 0.7 17.1 6 2.5 220 978 978 4.45 3 0.7 6.35 7 2.5 220 1522 1522 6.92 5 0.6 11.5 8 6 220 3500 3500 15.91 5 0.6 26.5 0 16 220 10857 49.35 Continuação da tabela Descrição Condutores carregados Capacidade de condução de cor- rente dos condu- tores método de referência C (A) Corrente nominal do Disjuntor In Curva I2 = 1,45*In I2 ≤ 1,45 Iz Iluminação 2 19.5 4 B 5.8 28.3 Iluminação 2 19.5 2 B 2.9 28.3 Tomadas 2 27 6 B 8.7 39.2 Tomadas 2 36 20 B 29.0 52.2 Torneira 2 27 16 B 23.2 39.2 Ar 7,1kBTU 2 27 6 C 8.7 39.2 Ar 10kBTU 2 27 10 C 14.5 39.2 Chuveiro 2 46 20 B 29.0 66.7 Alimentador 2 85 63 C 91.4 123.3 Quadro 3 - Dimensionamento de disjuntores para o projeto exemplo / Fonte: o autor O catálogo de disjuntores Siemens da linha 5SL1 está disponível em Para acessar, use seu leitor de QR Code. https://assets.new.siemens.com/siemens/assets/api/uuid:fcde51c5-5a34-4778-a2e4-346e85b9450a/version:1558372812/catalogo-minidisjuntores-set18-alta.pdf 76 UNICESUMAR Exemplificando o procedimento de cálculo para os itens do Quadro 3, vamos verificar o dimensio- namento do disjuntor do circuito 1. A corrente de projeto para o circuito é de 2,59 A e a capacidade de condução de corrente do condutor adotado para a fase do circuito é de 19,5 A. Assim, conforme o primeiro critério do item 5.3.4.1, temos que: IB ≤ In ≤ Iz, então 2,59 A ≤ In ≤ 19,5 A, ou seja, a corrente nominal do disjuntor deverá estar na faixa de corrente entre 2,59 A e 19,5 A. Logo, o primeiro valor no catálogo que atende a este requisito é 4,0 A. Ainda, temos que verificar o critério da corrente convencional de atuação do disjuntor: I2 ≤ 1,45 Iz. Então, como escolhemos o disjuntor com corrente nominal de 4 A, teremos que I2 = 1,45 * 4 A e, assim, I2 = 5,8 A. Com relação ao critério, temos 5,8 A ≤ 1,45 * 19,5 ou 5,8 A ≤ 28,3 A, logo, este critério também foi atendido. É importante observar que, para o dimensionamento do disjuntor do circuito alimentador, a po- tência utilizada no cálculo foi a demandada. O circuito alimentador é o que vai conectar o quadro de energia (QDLF) ao ponto de alimentação fornecido pela concessionária. Como o projeto exemplo previsto consistiu em uma instalação residencial de pequeno porte, não foi realizado nenhum cálculo para compensar queda de tensão, pois geralmente a queda de tensão somente é considerada para comprimentos de cabos maiores que 15 metros. O circuito alimentador foi previsto como sendo monofásico, seguindo as indicações do documento GED 13, o qual estabelece no item 5.6.1 que para uma carga instalada de até 15 kW, com tensão de fornecimento 220/380 V, a entrega de energia será realizada por um circuito monofásico a dois Fios (Fase e Neutro). Dispositivos DR Os dispositivos DR são previstos obrigatoriamente em instalações elétricas conforme o item 5.1.3.2.2 da norma NBR 5410, prevendo que devem ser instalados: • Em circuitos que sirvam a pontos de utilização situados em locais contendo banheira ou chuveiro. • Nos circuitos que alimentem tomadas de corrente situadas em áreas externas à edificação. • Nos circuitos de tomadas de corrente situadas em áreas internas que possam vir a alimentar • equipamentos no exterior. • Nos circuitos que, em locais de habitação, sirvam a pontos de utilização situados em cozinhas, copas-cozinhas, lavanderias, áreas de serviço, garagens e demais dependências internas molhadas em uso normal ou sujeitas a lavagens. • Nos circuitos que, em edificações não residenciais, sirvam a pontos de tomada situados em cozinhas, copas-cozinhas, lavanderias, áreas de serviço, garagens e, no geral, em áreas internas molhadas em uso normal ou sujeitas a lavagens. 77 UNIDADE 3 Vamos adotar a utilização dos DRs em todos os circuitos do projeto montados à jusante, observando que a corrente nominal destes dispositivos deve ser maior ou igual à corrente de projeto do circuito, e que a corrente nominal dos DRs deve ser maior ou igual à corrente nominal do disjuntor. As correntes nominais selecionadas para os DRs de cada circuito estão apresentadas no Quadro 4. Circuito Corrente (Ib) Agrupamento de circuitos Descrição Condutores carregados Corrente nominal do Disjuntor In Curva DR 30 mA 1 2.59 5 Iluminação 2 4 B 16 A 2 1.36 4 Iluminação 2 2 B 16 A 3 4.09 5 Tomadas 2 6 B 16 A 4 16.36 5 Tomadas 2 20 B 25 A 5 11.09 4 Torneira 2 16 B 16 A 6 4.45 3 Ar 7,1kBTU 2 6 C 16 A 7 6.92 5 Ar 10kBTU 2 10 C 16 A 8 15.91 5 Chuveiro 2 20 B 25 A Quadro 4 - Dimensionamento dos DRs / Fonte: o autor. Definidos os disjuntores e os DRs, podemos esquematizar um diagrama unifilar da instalação, de- monstrando o caminho desde o circuito alimentador até cada um dos circuitos terminais, assim como representado na Figura 14. Dispositivos de proteção contra surtos (DPS)Outro dispositivo de proteção recomendado para as instalações elétricas são os DPSs, os quais são equipamentos capazes de detectar sobretensões transitórias na rede elétrica e desviar as correntes de surto oriundas de descargas atmosféricas, chaveamentos nas redes elétricas e durante o momento que equipamentos de grande potência são logados/desligados, como motores de elevadores em prédios. Como referência de modelos comerciais de DRs, utilizaremos os com- ponentes da linha 5SV da Siemens, conforme catálogo: Para acessar, use seu leitor de QR Code. https://assets.new.siemens.com/siemens/assets/api/uuid:1b21f502-c9f7-4136-bb73-e8d58d6f3c42/version:1558371500/catalogodr-junho2017.pdf 78 UNICESUMAR Basicamente, o DPS é conectado entre um condutor fase e ao condutor terra ou barramento de aterramento, sendo que o item 6.3.5.2.2 da norma NBR 5410 traz as orientações sobre como instalar estes dispositivos. A Figura 14 mostra os esquemas de conexão dos DPS no ponto de entrada da linha de energia ou no quadro de distribuição principal da edificação, conforme apresentado na norma. Figura 14 - Esquemas de conexão dos DPSs / Fonte: NBR 5410 (ABNT, 2004, p. 131). NÃO NÃO SIM SIM ESQUEMA DE CONEXÃO ESQUEMA DE CONEXÃO 2 ESQUEMA DE CONEXÃO 3 Os DPS devem ser ligados: - a cada condutor de fase, de um lado, e - ao BEP ou à barra PE do quadro, de outro (ver nota a) Os DPS devem ser ligados: DPS DPS DPS BEP PE L1 L2 L3 DPS DPS DPS PE L1 L2 L3 PE barra PE DPS DPS DPS BEP ou barra PE PEN L1 L2 L3 DPS DPS DPS PE L1 L2 L3 PEN BEP ou barra PE N DPS DPS DPS DPS BEP ou barra PE N L1 L2 L3 DPS DPS DPS L1 L2 L3 BEP ou barra PE N DPS A linha elétrica de energia que chega à edi�cação inclui neutro? O neutro será aterrado no barramento de equipoten- cialização principal da edi�cação?(BEP, ver 6.4.2.1) Dois esquemas de conxão são possíveis. - a cada condutor de fase, de um lado, e - ao BEP ou à barra PE do quadro, de outro (ver nota b)e ainda: - ao condutor neutro, de um lado, e - ao BEP ou à barra PE do quadro, de outro (ver nota a) - a cada condutor de fase, de um lado, e - ao condutor neutro, de outro e ainda: - ao condutor neutro, de um lado, e- ao BEP ou à barra PE do quadro, de outro (ver nota a) Os DPS devem ser ligados: 79 UNIDADE 3 Sistema de aterramento e de Prote- ção contra descargas atmosféricas (SPDA) O sistema de aterramento de uma instalação tem a função principal de garantir a segurança dos usuários da instalação, sendo que sua efetividade tende a evitar maiores danos ao ser humano devido aos acidentes conhecidos como choques elétricos. Um sistema de aterramento eficiente garante, por exemplo, que a carcaça de um equipamento ao ficar energizada, porém estando aterrada, apresente um caminho de condução de corrente com menor resistência elétrica em relação ao corpo humano. Assim, caso existisse o contato de uma pessoa com o equipa- mento, ela sofreria ainda o choque, porém com uma intensidade inferior em relação ao caso onde não exista o aterramento. Os esquemas de aterramento que podem ser utilizados em uma instalação elétrica estão previstos no item 4.2.2.2 da norma NBR 5410, sendo fundamental que, independentemente do esquema escolhido, seja garantida a equipotencialização do sistema. Basicamente, o projeto do aterramento consiste em prever a uti- lização de um ou mais eletrodos de aterramento conectados entre si, de forma a criar um sistema equipotencializado. As concessionárias de energia solicitam que exista uma haste de aterramento, em que será conectado o condutor neutro de ali- mentação no ponto de entrega, sendo permitido que o condutor de proteção da unidade consumidora seja conectado a este. Em conjunto com a norma NBR 5410, a norma NBR 5419 (ABNT, 2001) também traz algumas determinações sobre o ater- ramento, tendo como foco os itens referentes ao sistema de proteção contra descargas atmosféricas. Os componentes de um sistema de SPDA são os captores, os quais são os elementos que, primeira- mente, entram em contato com o raio. Os condutores de descida fazem a condução da descarga atmosférica, desde o captor até o sistema de aterramento, o qual também é um componente do SPDA. Os eletrodos de aterramento garantem o contato com a terra, onde haverá a dispersão da descarga atmosférica. E os componentes naturais da instalação, assim como a fundação metálica da obra, são utilizados geralmente como ele- trodos de aterramento. Basicamente, o projeto do SPDA consiste na utilização de um dos três métodos de projeto: • Método Franklin: com- posto por um captor instalado em uma torre e conectado ao sistema de aterramento por meio dos condutores de des- cida. O captor gera um determinado ângulo de proteção na estrutura. 80 UNICESUMAR • Método Gaiola de Faraday: constituído por um sistema de captores que estão conectados em uma malha de cabos de cobre nu interligados de forma a englobar o volume da es- trutura que protege, assim como ocorre na gaiola de Faraday, em que o interior fica isolado das descargas. • Método Eletrogeométrico: prevê um volume de proteção es- férico, sendo utilizado para proteger estruturas geralmente com formato arquitetônico em um padrão que dificultaria a utilização dos demais métodos. Todos estes conhecimentos sobre instalações elétricas permitem que nós, engenheiros(as), possamos projetar, interpretar uma planta de uma instalação elétrica ou ainda – o que é menos comum – podemos executar uma instalação elétrica. Os conhecimentos de ins- talações elétricas reforçam algumas teorias importantes que aprendemos no decorrer do curso da Engenharia, prin- cipalmente os conhecimentos básicos, como da Lei de Ohm, uma vez que trabalhamos di- retamente com cálculos envol- vendo corrente e potência. Ainda, a distribuição de cir- cuitos conforme a potência da instalação e o dimensionamento de condutores conforme capa- cidade de condução de corrente trazem uma capacidade analítica fundamental a uma grande gama de projetos, assim como é o caso dos projetos de automação. A área de projetos e execu- ção de instalações elétricas jun- to com a construção civil são nichos de mercado que empre- gam muitos profissionais da en- genharia, da mesma forma que permitem que eles se lancem na aventura do empreendedorismo. Uma demonstração do funcionamento do método eletrogeométrico está disponível em Para acessar, use seu leitor de QR Code. https://youtu.be/1M-vDbjwlw0 81 M A P A M EN TA L Vamos verificar agora quais são os principais itens que discutimos nesta unidade e de que forma se relacionam. Como sugestão a você, estimado(a) aluno(a), proponho a criação de um diagrama unifilar único, representando os principais componentes da instalação elétrica projetada. Apresento a seguir uma proposta em que coloquei os dispositivos de proteção e condutores com a descrição de cada circuito. Figura 15 - Quadro de distribuição de luz e força / Fonte: o autor. 16 A Legenda QDLF DR DR DR DR DR DR DR DR DR Alimentador Reserva de carga Disjuntor Dispositivo DR Ponto de aterramento Condutores fase, neutro e terra 4A 16 A 16 A 16 A 16 A 16 A 25A 25A20A 20A 16A 2A 6A 6A 10A 63A16mm2 1,5mm2 1,5mm2 2,5mm2 2,5mm2 2,5mm2 2,5mm2 6mm2 4mm2 Circuito 1 - Ilumin. Circuito 2 - Ilumin. Circuito 3 - TUGs Circuito 4 - TUGs Circuito 5 - Torneira Circuito 6 - Ar 7100 Circuito 7 - Ar 10000 Circuito 8 - Chuveiro 16 A 25 A 82 M A P A M EN TA L Observem que, além dos circuitos previstos no projeto, adicionei duas “reservas de carga”, que seriam duas posições no quadro para futuras ampliações da instalação. Assim, temos 8 disjuntores e 8 DRs no quadro, sendo necessário no mínimo 18 posições no quadro de energia, considerando também as duas reservas de carga. Desta forma, poderia ser adquirido um quadro de distribuição padrão 18/24. Uma demonstração do funcionamento do método eletrogeométrico está disponívelem Para acessar, use seu leitor de QR Code. https://youtu.be/1M-vDbjwlw0 A G O R A É C O M V O C Ê 83 As questões propostas serão baseadas no circuito do projeto elétrico completo desenvolvido: Figura 16 - Projeto Completo / Fonte: o autor 1. Verifique se a potência de iluminação prevista para o quarto foi dimensionada em conformidade com a norma NBR 5410. 2. Verifique se o número de tomadas previsto para o quarto foi dimensionado em conformidade com a norma NBR 5410. 3. Verifique se a potência de iluminação prevista para a sala foi dimensionada em conformidade com a norma NBR 5410. Os pontos de iluminação poderiam ter sido dimensionados de outra forma? 4. Verifique se o número de tomadas previsto para a cozinha foi dimensionado em conformidade com a norma NBR 5410. 5. Verificar se a seção dos condutores do circuito 4 foi dimensionada em conformidade com a norma NBR 5410, prevendo que a instalação vai estar submetida a uma temperatura média de 30°C e que o método de referência da instalação foi o C. 6. Dimensionar a seção do eletroduto para o circuito alimentador. 7 8 87 7 7 6 6 -4- -4- 600VA 600VA 600VA 600VA 600VA -4- 600VA -4- -4- 2440VA Torneira Chuveiro 5300VA 8 sala cozinha banheiro b b b a a 150 b1 150 b1 150 b1 quarto a b b b a1 1 1.5 1.5 1.5 1.5 1 100 e1 150 d2 150 c2 1 1 1 e dc 1.5 1.5 1 f 20VA 2 e f c d -1 -f 2 3 4 5 4 4 1.5 1.5 3 4 1 4 444 4 4 4 2 3 4 5d 4 4 4 -4 3 5 3 5 4 4 4 4 4 41.5 4 4 1.5 1.5 3 3 3 3 -3- -3- -3- -3- 3 1 1 -7- -3- -5- -3- 3 3 3 3 3 b 3 -3- 1.5 1.5 1.5 -8- 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 -3- 4 4 4 4 4 4 4 3 Ar 10kBTU 1522VA Ar 7,1kBTU 979VA -6- -3- C O N FI R A S U A S R ES P O ST A S 84 1. Conforme a Figura 7, temos que as dimensões do quarto são de 3 m x 3 m. Assim, temos uma área de 9 m2, sendo necessário uma potência mínima de iluminação de 100 VA. Uma vez que foi utilizada uma potência de 150 VA, o dimensionamento atende ao projeto. 2. Para dormitórios, devem ser previstos, pelo menos, um ponto de tomada para cada 5 m. Assim, como o perímetro do quarto é de 12 metros, seriam necessários 3 pontos de tomadas. 3. As dimensões da sala, conforme a Figura 7, são de 6 m x 3 m; assim, temos uma área de 18 m2, sendo necessário 100 VA para os primeiros 6 m2 e mais 3 x 60 VA para os 3 aumentos inteiros de 4 m2. Então, a potência mínima necessária para a iluminação seria de 280 VA. Como foram previstos 300 VA de potência, o projeto foi atendido corretamente. Os pontos de iluminação poderiam ter sido distribuídos, por exemplo, em 3 pontos de 100 VA, ou até mesmo, se fosse desejado uma potência maior de iluminação, poderiam ser utilizados 4 pontos de 150 VA, uma vez que a norma solicita uma potência mínima de instalação. 4. A cozinha possui um perímetro de 16 m. Sendo assim, dividimos este valor por 3,5 m, obtendo 4,57 e verificando que o número mínimo de tomadas a ser adotado era de 5. Ainda, destas 5 tomadas, 3 precisavam ser de 600 VA e as excedentes de 100 VA, sendo que estas condições foram atendidas para o projeto. Observação: as tomadas que não possuem a potência destacada geradas no woca correspondem a tomadas de 100 VA. 5. O circuito 4 é composto por 6 tomadas de 600 VA, totalizando uma potência de 3600 VA. Assim, a corrente de projeto é de 3600 VA/220 V = 16,36 A. Como a temperatura média da instalação é de 30 °C, o fator de correção de temperatura é 1 e, consequentemente, vamos utilizar somente o fator de correção de agrupamento, que, neste caso, deve considerar o pior trecho onde este circuito está agrupado, com o trecho desde o quadro de energia até o primeiro ponto de ilumi- nação da sala, agrupando 5 circuitos. Assim, conforme Tabela 42 da norma NBR 5410, o fator de correção por agrupamento é de 0,6 e, consequentemente, teremos uma corrente corrigida de 16,36 A/0,6 = 27,27 A. Com este valor, podemos utilizar a Tabela 36 da norma e verificar que o condutor de 4,0 mm2 de seção suporta uma corrente de até 36 A para dois condutores carregados, sendo a seção a ser adotada. 6. O circuito alimentador possui 3 condutores com seção nominal de 16 mm2, os quais ocupam uma área de 38,48 mm². Multiplicando este valor pelo número de condutores, teremos uma área total ocupada de 3 x 38,48 mm² = 115,44 mm2, podendo ser utilizado um eletroduto de ¾”. R EF ER ÊN C IA S 85 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 5410: instalações elétricas de baixa tensão. Rio de Janeiro: ABNT, 2004. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 5419: proteção de estruturas contra descargas atmosféricas. Rio de Janeiro: ABNT, 2001. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 5444: símbolos gráficos para instalações elétricas prediais. Rio de Janeiro: ABNT, 1989. AUTODESK. AutoCAD Electrical. [San Rafael]: Autodesk, 2020. Disponível em: https://damassets.autodesk. net/content/dam/autodesk/www/products/autocad/fy21/toolsets/autocad-electrical/images/autocad-electri- cal-toolset-large-1920x1050.jpg. Acesso em: 20 out. 2010. CPFL ENERGIA. GED 13: Fornecimento em Tensão Secundária de Distribuição. Campinas: CPFL, 2020. Dis- ponível em: http://sites.cpfl.com.br/documentos-tecnicos/GED-13.pdf. Acesso em: 14 out. 2020. CREDER, H. Instalações Elétricas. 16. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. OCALEV. Dimensionamento de eletrodutos: aprenda a dimensionar eletrodutos em 3 passos! Versão 1.0. 2020. Disponível em: https://drive.google.com/file/d/1k1XrfDQvSlJ7ja9VMeqLymrXf1E3mVo0/view. Acesso em: 22 out. 2020. SIEMENS. Minidisjuntores 5SL, 5SY e 5SP: a proteção adequada para cada tipo de projeto. São Paulo: Sie- mens, 2018. https://damassets.autodesk.net/content/dam/autodesk/www/products/autocad/fy21/toolsets/autocad-electrical/images/autocad-electrical-toolset-large-1920x1050.jpg https://damassets.autodesk.net/content/dam/autodesk/www/products/autocad/fy21/toolsets/autocad-electrical/images/autocad-electrical-toolset-large-1920x1050.jpg https://damassets.autodesk.net/content/dam/autodesk/www/products/autocad/fy21/toolsets/autocad-electrical/images/autocad-electrical-toolset-large-1920x1050.jpg 86 M EU E SP A Ç O 4 OPORTUNIDADES DE APRENDIZAGEM Máquinas Elétricas: Motores de Indução Monofásicos e Trifásicos, Dimensionamento de Motores, Fator de Potência Me.Taiser Tadeu Teixeira Barros Oportunidades de aprendizagem: nesta unidade, discutiremos sobre os motores elétricos de indução monofásicos e trifásicos, que são dispositivos largamente empregados em ambientes industriais. Vamos verificar suas principais características elétricas, como a corrente de partida e suas curvas características, como a curva do torque. 88 UNICESUMAR Desde a primeira unidade de nossos estudos, o motor elétrico tem sido referenciado como uma carga que é amplamente utilizada, tanto em apli- cações residenciais quanto industriais. Agora, vamos supor que você já atue como engenhei- ro(a) – como definiria qual motor elétrico seria utilizado em determinado projeto ou aplicação? Saberia determinar qual o motor a ser utilizado e quais suas especificações? Você já pensou que diversos equipamentos que temos em nossas casas possuem motores elétricos? Por exemplo, a máquina de lavar rou- pas possui um motor responsável por girar o tambor das roupas e centrifugá-las. E como esse motor foi dimensionado? Qual o seu tamanho? Como podemos saber se esse motor conseguirá movimentar as roupas dentro da máquina? Tais tipos de perguntas ajudam os técnicos e engenheiros na hora de projetar um equipamento e dimensionar um motor para uma determinada aplicação. Para compreender a importância do motor elétrico, vamos verificar onde este dispositivo é utilizado em nosso dia a dia – e nem estou falando dos casos industriais, mas aí mesmo, em sua casa! Pare por alguns minutos e faça uma lista de todos os equipamentos que utilizam motor elé- trico na sua residência. Vale qualquer modelo, até mesmoaquele motor que faz o carrinho de brinquedo se movimentar! E então, quais foram os motores que você iden- tificou? Bom, para ajudar você, vou falar dos dis- positivos que identifiquei em minha residência e que utilizam motores elétricos: o exaustor que uti- lizo em minha cozinha, o ventilador, a máquina de lavar roupas, o portão da garagem, a motobomba da piscina, o condicionador de ar, o aspirador de pó, a furadeira elétrica e o forno de micro-ondas! 89 UNIDADE 4 D IÁ R IO D E B O R D O Todos estes equipamentos que citei utilizam motores monofásicos de corrente alternada. E você, identificou os motores que possui? Uma vez que você tenha identificado os mo- tores que utiliza no seu dia a dia, vou propor uma atividade reflexiva para situar você, estimado(a) aluno(a), sobre quão fundamental o motor elétri- co é para o nosso modo de vida atual. Sugiro que você crie um pequeno exemplo, no qual vai citar uma atividade que é realizada utilizando um motor elétrico e que seria extre- mamente trabalhosa sem sua utilização. Para ajudar em seu raciocínio, vou trazer um primeiro exemplo: o sistema de distribuição de água potável. Nossa água potável distribuída em nossas cidades fica armazenada, geralmente, em um reservatório natural, a partir do qual a água é bombeada para um reservatório em um ponto elevado, para distribuição por gravidade, depois de ter sido tratada. Toda a movimentação do volume de água, quando não acontece por gravidade, é reali- zada por motobombas, que são acionadas por motores elétricos! Agora, vamos imaginar o que aconteceria se não possuíssemos os motores para acionar as motobombas! Só poderíamos ter distribuição de água por gravidade ou por movimentação humana ou animal! 90 UNICESUMAR Uma definição simples para o motor elétrico pode ser encontrada em Mamede Filho (2016, p. 409): “o motor elétrico é uma máquina que transforma energia elétrica em energia mecânica de utilização”. Ou seja, alimentamos o motor elétrico fornecendo a energia neces- sária a ele e obtemos energia mecânica disponível na ponta do eixo. Mais especificamente, podemos definir o motor elétrico como um dispositivo que absorve energia elétrica e fornece energia me- cânica disponibilizada na ponta do eixo como torque. Torque/Conjugado: o torque é uma grandeza vetorial que pos- sui módulo e sentido, sendo necessário para o seu cálculo considerar o vetor força aplicado, o ponto em que este vetor força é aplicado (dado por um vetor de posição) e o ângulo entre estes dois vetores (HALLIDAY; RESNICK; JEARL, 2016). O torque pode ser denominado também como binário, momen- to ou conjugado, com o termo conjugado sendo o mais empregado quando nos referenciamos aos motores elétricos. A Figura 1 traz uma situação típica que demonstra o torque, quan- do estamos apertando ou afrouxando um parafuso com uma chave. Figura 1 - Torque produzido com uma chave A Figura 1 demonstrou uma situação típica para todos aqueles que já trocaram um pneu do carro ou precisaram desmontar um equipamento fixado por parafusos. A “força resultante” na ponta da chave é o torque, e quanto maior for o comprimento do cabo da chave, mais fácil será para afrouxar ou apertar o parafuso. Isso O torque é um momento de força que é uma força rotacional TORQUE FORÇA COMPRIMENTO Torque T = F (Força) x C (Comprimento) porque o comprimento do cabo vai permitir aplicarmos nosso vetor força a uma maior distân- cia da ponta da chave e, assim, aumentar o torque resultante. Então, temos que o torque é o produto da força aplicada pela distância de aplicação desta for- ça, e suas unidades usuais são o Newton x metro (Nm) ou o Quilograma Força x metro (kgfm). Vamos definir o conju- gado (torque) matematicamen- te com a seguinte equação: C F d= . [1] Onde C é o conjugado [Nm] ou [kgfm], F é o valor da força aplica- da [N] ou [kgf] e d é a distância de aplicação da força [m]. A relação entre o Newton [N] e o kilograma força [kgf] é: 1 kgf ≈ 9,80665 N e 1 N ≈ 0,10197 kgf. Para facilitar os cálculos costuma-se adotar 1 kgf = 10N e 1N = 0,1 kgf. Potência: já estudamos o conceito de potência (elétrica) em nossa primeira unidade de estudos, porém é fundamen- tal retomarmos este conceito, uma vez que quando discuti- mos sobre os motores elétricos, devemos considerar a potência elétrica e a potência mecânica relacionada ao motor. É fundamental compreender que a potência elétrica é a potência que o motor consome durante o seu funcionamento, já a potência mecânica é o que o motor fornece! 91 UNIDADE 4 O exemplo apresentado a seguir foi adaptado de WEG (2020a) e traz uma relação en- tre potência elétrica, mecânica e conjugado. Exemplo: observando a Fi- gura 2, temos um dispositivo rotacional formado por um ci- lindro que movimenta um bal- de (que exerce uma força peso de 20 N) através da aplicação de uma força F em uma manivela. A dimensão do cilindro pode ser calculada com base no raio r e o ponto de aplicação da força na manivela está a uma distância d do eixo central do cilindro. Inicialmente, vamos calcular o conjugado exercido pelo balde na superfície do cilindro, sabendo que o raio do cilindro é de 10 cm (0,1 m). Assim, temos que: C F d N m Nmbalde = = =. . ,20 0 1 2 Ou seja, o conjugado gerado pelo balde na superfície do cilindro é de 2Nm. Logo, para equilibrar o sistema, precisamos de um conjugado de mesmo valor, exercido através da manivela. Se a manivela estiver a uma distância de 10 cm do centro do cilindro, vamos precisar então exercer uma força de 20N nela para equilibrar a carga, com o conjugado exercido pela manivela dado por: C F d N m Nmmanivela = = =. . ,20 0 1 2 Já se aumentarmos a distância da manivela ao eixo central do cilindro para 20 cm, seria necessário aplicar somente 10N de força, com o conjugado exercido pela manivela dado por: C F d N m Nmmanivela = = =. . ,10 0 2 2 Ainda, podemos calcular a potência mecânica necessária para movimentar o balde, em que a potência é definida pela taxa de variação do trabalho realizado (HALLIDAY; RESNICK; JEARL, 2016): P dW dt = [2] 20 N F dr Figura 2 - Balde movimentado por um sistema com cilindro e manivela Fonte: Weg (2020a, p. 7). 92 UNICESUMAR com W se referindo ao trabalho realizado para movimentar o balde, e a potência indicando quão rá- pido este trabalho pode ser realizado. Por exemplo, se o balde fosse movimentado verticalmente por 30 metros, o trabalho realizado seria de: W F d N m Nm Joules= = = =. .20 30 600 600 E a potência mecânica (dada em Watts) pode ser calculada por: P F d tm = . [3] Supondo que precisássemos movimentar o balde pelos 30 m em um tempo de 2 segundos, seria ne- cessária uma potência de: P Nm s Wattsm = = 600 2 300 A unidade usual de potência mecânica é o CV (cavalo vapor) e 1 CV = 736 Watts = 0,736 KWatts. Alguns catálogos utilizam também o HP (Horse Power = 746 W). Assim, se dividirmos 300W/736, obtemos aproximadamente 0,41 CV, ou se dividirmos 300W/746, obtemos aproximadamente 0,4 HP, sendo o valor comercial mais próximo acima do calculado 0,5 CV/ HP, ou seja, seria necessário um motor de ½ CV/HP para movimentar o balde no tempo determinado. Para sabermos qual ou quais os valores comercias disponibilizados pelos fabricantes, utilizamos os catálogos técnicos de produtos. A Figura 3 apresenta os dados técnicos para motores de indução mo- nofásicos com 4 polos e que operam em uma frequência nominal de 60 Hz. Como vamos determinar qual a potência do motor e saber qual o valor que os fabricantes disponibilizam? No caso do exemplo sobre o balde, vimos que o valor solicitado de potência foi de 0,41 CV! 93 UNIDADE 4 Os fatores de conversão das unidades de potência Mecânica (CV ou HP) para unida- de de potência elétrica são amplamente utilizados. Ao conhecê-los, alguns cálcu- los associados com a teoria de motores se tornam triviais! Então 1 CV = 736 W = 0,736 kW e 1 HP = 746 W = 0,746 kW. Potência CarcaçaConjugado Nominal (kg Corrente com Rotor Bloqueado Ip/In Conjurado de Partida Cp/Cn Conjugado Máximo Cmáx/Cn Momento de Inércia J (kgm2) Tempo máximo com rotor bloqueado (s) Massa (kg) Nível médio de pressão sonora dB(A) Fator de Serviço RPM Rendimento Fator de Potência % Carga 220 V Corrente Nominal In (A) Dimensão L (mm) Quente Frio 0,07 0,07 0,07 0,09 0,09 0,09 0,12 0,12 0,12 0,18 0,18 0,18 0,25 0,25 0,25 0,37 0,37 kW HP 0,1 0,1 0,1 0,12 0,12 0,12 0,16 0,16 0,16 0,25 0,25 0,25 0,33 0,33 0,33 0,5 0,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,9 2,9 2,9 2,9 2,9 2,9 3,3 3,3 3,3 3,5 3,5 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 1,75 1,75 1,75 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,5 1,5 42 42 42 35 35 35 31 31 31 24 24 24 22 22 22 29 29 19 19 19 16 16 16 14 14 14 11 11 11 10 10 10 13 13 3,1 3,1 3,1 3,3 3,3 3,3 3,8 3,8 3,8 4,4 4,4 4,4 5,3 5,3 5,3 6,3 6,3 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 0,0002 0,0002 0,0002 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 0,0004 0,0004 0,0004 0,0006 0,0006 0,0006 0,0007 0,0007 0,040 0,040 0,040 0,052 0,052 0,052 0,069 0,069 0,069 0,104 0,104 0,104 0,143 0,143 0,143 0,215 0,215 IEC56 W63 W71 IEC56 W63 W71 IEC56 W63 W71 IEC56 W63 W71 IEC56 W63 W71 W63 W71 1705 1705 1705 1689 1689 1689 1692 1692 1692 1693 1693 1693 1698 1698 1698 1679 1679 25,0 25,0 25,0 27,5 27,5 27,5 34,0 34,0 34,0 36,5 36,5 36,5 41,0 41,0 41,0 54,0 54,0 35,5 35,5 35,5 38,0 38,0 38,0 44,0 44,0 44,0 48,5 48,5 48,5 53,5 53,5 53,5 65,0 65,0 45,0 45,0 45,0 47,5 47,5 47,5 53,5 53,5 53,5 57,0 57,0 57,0 61,0 61,0 61,0 70,5 70,5 0,95 0,95 0,95 0,92 0,92 0,92 0,86 0,86 0,86 0,85 0,85 0,85 0,91 0,91 0,91 0,91 0,91 0,96 0,96 0,96 0,96 0,96 0,96 0,92 0,92 0,92 0,93 0,93 0,93 0,96 0,96 0,96 0,96 0,96 0,97 0,97 0,97 0,96 0,96 0,96 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,96 0,96 0,96 0,96 0,96 100 50 100757550 0,729 0,729 0,729 0,897 0,897 0,897 1,07 1,07 1,07 1,51 1,51 1,51 1,94 1,94 1,94 2,48 2,48 207,5 219,5 226,5 207,5 219,5 226,5 207,5 219,5 226,5 207,5 219,5 226,5 227,5 239,5 246,5 239,5 246,5 Potência Carcaça Conjugado Nominal (kg Corrente com Rotor Bloqueado Ip/In Conjurado de Partida Cp/Cn Conjugado Máximo Cmáx/Cn Momento de Inércia J (kgm2) Tempo máximo com rotor bloqueado (s) Massa (kg) Nível médio de pressão sonora dB(A) Fator de Serviço RPM Rendimento Fator de Potência % Carga 220 V Corrente Nominal In (A) Dimensão L (mm) Quente Frio 0,07 0,07 0,07 0,09 0,09 0,09 0,12 0,12 0,12 0,18 0,18 0,18 0,25 0,25 0,25 0,37 0,37 kW HP 0,1 0,1 0,1 0,12 0,12 0,12 0,16 0,16 0,16 0,25 0,25 0,25 0,33 0,33 0,33 0,5 0,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,9 2,9 2,9 2,9 2,9 2,9 3,3 3,3 3,3 3,5 3,5 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 1,75 1,75 1,75 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,5 1,5 42 42 42 35 35 35 31 31 31 24 24 24 22 22 22 29 29 19 19 19 16 16 16 14 14 14 11 11 11 10 10 10 13 13 3,1 3,1 3,1 3,3 3,3 3,3 3,8 3,8 3,8 4,4 4,4 4,4 5,3 5,3 5,3 6,3 6,3 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 0,0002 0,0002 0,0002 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 0,0004 0,0004 0,0004 0,0006 0,0006 0,0006 0,0007 0,0007 0,040 0,040 0,040 0,052 0,052 0,052 0,069 0,069 0,069 0,104 0,104 0,104 0,143 0,143 0,143 0,215 0,215 IEC56 W63 W71 IEC56 W63 W71 IEC56 W63 W71 IEC56 W63 W71 IEC56 W63 W71 W63 W71 1705 1705 1705 1689 1689 1689 1692 1692 1692 1693 1693 1693 1698 1698 1698 1679 1679 25,0 25,0 25,0 27,5 27,5 27,5 34,0 34,0 34,0 36,5 36,5 36,5 41,0 41,0 41,0 54,0 54,0 35,5 35,5 35,5 38,0 38,0 38,0 44,0 44,0 44,0 48,5 48,5 48,5 53,5 53,5 53,5 65,0 65,0 45,0 45,0 45,0 47,5 47,5 47,5 53,5 53,5 53,5 57,0 57,0 57,0 61,0 61,0 61,0 70,5 70,5 0,95 0,95 0,95 0,92 0,92 0,92 0,86 0,86 0,86 0,85 0,85 0,85 0,91 0,91 0,91 0,91 0,91 0,96 0,96 0,96 0,96 0,96 0,96 0,92 0,92 0,92 0,93 0,93 0,93 0,96 0,96 0,96 0,96 0,96 0,97 0,97 0,97 0,96 0,96 0,96 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,96 0,96 0,96 0,96 0,96 100 50 100757550 0,729 0,729 0,729 0,897 0,897 0,897 1,07 1,07 1,07 1,51 1,51 1,51 1,94 1,94 1,94 2,48 2,48 207,5 219,5 226,5 207,5 219,5 226,5 207,5 219,5 226,5 207,5 219,5 226,5 227,5 239,5 246,5 239,5 246,5 Podemos observar que as primeiras duas colunas trazem respectivamente os valores disponíveis de potência, em HP e em kW. Para o caso da potência solicitada no exemplo do balde, precisamos de 0,4 HP, porém os valores disponíveis no catálogo são 0,33 HP (que está abaixo do necessário) e 0,5 HP que foi, consequentemente, a potência escolhida. Figura 3 - Motores elétricos monofásicos de indução, 4 polos 60 Hz Fonte: Catálogo dos motores da linha WEG W12 (2020b, p. 16). C on tin ua çã o da ta be la 94 UNICESUMAR Nesta unidade, trago para vocês uma discussão sobre a utilização dos catálogos técnicos de fabricantes e sobre os valores comerciais disponíveis apresentados por eles, enfatizando os motores elétricos. Ainda, vamos conversar sobre como podemos adaptar nossas necessidades de projeto aos valores que os fabricantes oferecem. Velocidade Síncrona: como observado na Figura 3, os dados de catálogo apresentados se referiam a motores com 4 polos. O número de polos de um motor está diretamente relacionado com a sua velocidade de rotação nominal, ou velocidade síncrona (dada em rotações por minuto – RPM), que pode ser calculada por: n f ps = 60. [4] Onde p se refere ao número de par de polos do motor e f é a frequência da rede de alimentação. O Quadro 1 indica a velocidade síncrona para motores com 2, 4, 6 e 8 polos que operam em 60 Hz. N° de polos Frequência (Hz) Velocidade Síncrona (RPM) 2 60 3600 4 1800 6 1200 8 900 Quadro 1 - Velocidades nominais para motores de 2,4, 6 e 8 polos / Fonte: o autor. Se verificarmos na Figura 3 a coluna RPM do catálogo, obteremos uma velocidade de 1679 RPM para o motor de 0,5 HP que escolhemos. Esta diferença de velocidade em relação aos 1800 RPM da velocidade síncrona se devem ao escorregamento do motor. https://apigame.unicesumar.edu.br/qrcode/3438 95 UNIDADE 4 Escorregamento: o escorregamento de um motor de indução se refere à diferença da velocidade de giro assíncrona (n) do rotor em relação à velocidade síncrona (ns) do rotor. O escorregamento (s) pode ser calculado por: s n n n s s � � [5] Assim, para o caso do motor de 0,5 HP, com 4 polos que especificamos, temos um escorregamento de: s � � �1800 1679 1800 0 0672, É comum expressar o escorregamento em um percentual da velocidade síncrona; assim, para o exemplo, o escorregamento do motor seria de 6,72%. Rendimento: já tratamos sobre o rendimento quando discutimos sobre os transformadores na Unidade 1, com o rendimento expressando a relação entre a entrada e a saída de um sistema: h = Saída Entrada No caso do motor elétrico, sua saída se refere à energia mecânica oferecida na ponta do eixo e a entrada se refere à energia elétrica consumida da rede elétrica. Assim, no exemplo do motor de 0,5 HP que escolhemos, se considerarmos o seu rendimento para 100% de carga, obtemos no catálogo 70,5%. Este valor indicou que, para fornecer o equivalente aos 0,5 HP = 373 W de potência mecânicana ponta do eixo, o motor vai consumir da rede elétrica 373/0,75 = 497,3 W de potência. Com este exemplo, podemos verificar também que o ideal é trabalharmos com o motor sempre próximo ao limite de sua carga, pois para reduzirmos a porcentagem de carga aplicada, teremos um rendimento ainda inferior. O rendimento (%) pode ser definido em função da potência mecânica útil na ponta do eixo e da potência elétrica consumida pelo motor como: d) Para motores monofásicos: h(%) . ( ) . .cos . . ( ) . .cos .� � � P P P HP V I P CV V I m e m m746 100 736 100 � � [6] e) Para motores trifásicos: h(%) . ( ) . . .cos . . ( ) . . .cos .� � � P P P HP V I P CV V I m e m m746 3 100 736 3 10 � � 00 [7] O termo cos φ que aparece na formulação se refere ao fator de potência e os denominadores das equa- ções [6] e [7] correspondem à potência elétrica consumida pelo motor. 96 UNICESUMAR A teoria sobre o fator de potência é ampla e muito utilizada no ambien- te industrial, sendo uma boa referência sobre aplicações os catálogos de fabricantes, assim como o catálogo técnico de capacitores para correção do fator de potência da SIEMENS: Para acessar, use seu leitor de QR Code. Fator de potência: é definido como o cosseno do ângulo de defasagem da tensão em relação à corrente (CREDER, 2016). Este ângulo será zero para o caso de cargas resistivas puras (como a resistência de um chuveiro elétrico), porém nas cargas indutivas e cargas capacitivas, o fator de potência estará atrasado ou adiantado. O fator de potência descreve matematicamente as perdas que ocorrem nas magnetizações dos elementos indutivos e na carga dos elementos capacitivos, e que consomem energia que, con- sequentemente, não é transformada em trabalho, ou seja, é desperdiçada. Entretanto esta energia, conhecida como ener- gia reativa, ocupa as redes de distribuição de ener- gia da mesma forma que a energia ativa, que é a energia realmente aproveitada para gerar trabalho. Assim, a presença de energia reativa deve ser a menor possível em um sistema. Os três tipos de energia considerados na teoria do fator de potência são: • A potência ativa (P): potência que efetiva- mente é consumida pela carga para gerar trabalho ou dissipada na forma de calor, sendo a sua unidade de consumo o Watt. • A potência reativa (Q): potência que é necessária para magnetizar os elementos indutivos e carregar os elementos capaci- tivos, e que consequentemente não é uti- lizada para gerar trabalho. Sua unidade é o Volt – Ampére reativo VAr. • A potência aparente (S): potência dada pela soma das potências ativa e reativa, sendo esta uma soma vetorial. Sua unidade é o Volt – Ampére VA. https://assets.new.siemens.com/siemens/assets/api/uuid:f86fb77b-68fc-4155-bfa9-87f7d0cc7586/catalogo-cfp-2016-pt.pdf 97 UNIDADE 4 Graficamente, o fator de potência pode ser expli- cado com as relações trigonométricas no triân- gulo retângulo: O cosseno do ângulo j é definido como o fator de potência, sendo o caso ideal quando obtemos cos j j � �� �1 0º , ou seja, o caso onde não há presença de potência reativa e que ocorreria somente para cargas resistivas puras. Os circuitos industriais, porém, utilizam cargas como os motores que apresentam componentes pre- dominantemente indutivos como os motores e que reduzem o fator de potência, sendo necessário fazer sua correção, empregando-se bancos de capacitores. Características nominais dos motores: os motores elétricos possuem uma série de carac- terísticas que precisam ser conhecidas quando precisamos dimensioná-los para uma aplicação. Dentre elas, podemos citar: a tensão nominal de alimentação, velocidade nominal, tempo de aceleração, regime de serviço e dados mecânicos (associados com a carcaça do motor). As principais características são apresentadas na chamada placa de identificação do motor, que é uma placa metálica fixada na carcaça e que auxilia na identificação, por exemplo, de sua tensão de alimen- tação e da forma de conectar as bobinas do motor. A Figura 4 traz o formato de uma placa de identificação destacando as principais informa- ções técnicas apresentadas. Figura 4 - Placa de identificação de um motor elétrico de indução trifásico / Fonte: adaptado de Weg (2011). 98 UNICESUMAR REALIDADE AUMENTADA Assim como apresentado na Fi- gura 4, verificamos que se trata de um motor trifásico, do fabri- cante WEG, com uma potência de 15 CV. Ainda, os seguintes itens foram apresentados: Tensão Nominal: é fun- damental conhecer a tensão disponível na rede elétrica que vai alimentar o motor que esta- mos dimensionando, para que, assim, possamos determinar sua tensão nominal. Além disso, é fundamental saber se vamos es- pecificar um motor para uma rede monofásica ou trifásica. Consideremos em nossos es- tudos as tensões monofásicas 127 V e 220 V e as tensões trifásicas de 220 V e 380 V. No Brasil, porém, existem outras tensões padroni- zadas, como 254 V e 440 V, assim como pode ser verificado no site da Agência Nacional de Energia Elétrica (2016, on-line). Para o caso dos motores monofásicos, basta saber a tensão da rede para especificar a tensão do motor. Para os motores trifásicos, é importante saber se eles utilizarão o sistema de partida estrela triângulo (este sistema será discutido detalhadamente mais à frente), para especificar as tensões do motor. Os motores trifásicos – mais comumente utilizados no ambiente industrial – possuem 6 “pontas” para conexão, ou seja, seis cabos disponíveis, provenientes de cada um dos três enrolamentos (por ser trifásico) das três bobinas de campo do estator. As 3 bobinas podem ser conectadas em estrela (Y), que sempre corresponde à maior tensão disponível no enrolamento ou triângulo/delta (Δ), o qual corresponde à menor tensão disponível no enrolamento. A Figura 5 mostra as características das conexões estrela (Y) e triângulo/delta (Δ). Figura 5 - Conexões triângulo/delta (Δ) e estrela (Y) / Fonte: o autor. Conexão Estrela Y T V S R VFase Linha Conexão Triângulo/Delta Δ VLinha T S R VFase 99 UNIDADE 4 Cada uma das fases do sistema trifásico está representada pelas letras R, S e T. Os termos tensão de linha (Vlinha) e tensão de fase (Vfase) se referem, respectivamente, à tensão que alimenta as bobinas e à queda de tensão em cada uma das bobinas. A principal característica da conexão triângulo/delta (Δ) é que a tensão de fase (aplicada na bobina) é a mesma tensão de linha, uma vez que estão conectadas em paralelo. E assim: V Vfase linha= [8] Para a conexão estrela (Y), a tensão de linha é aplicada sobre duas bobinas, e a queda de tensão em cada bobina é a resultante vetorial considerando a defasagem de 120° do sistema trifásico. E assim: V Vfase linha= 3 [9] Exemplificando, para um sistema trifásico 380 V, teremos a tensão de linha de 380 V e, consequentemente, se alimentar- mos um motor com conexão em estrela (Y), a tensão de fase em cada bobina será de V V Vfase � � 380 3 220 Assim, no caso de utilizar um motor com tensão nominal de placa 220/380 V (tensões Δ/Y), seria necessário obrigatoriamente realizar a conexão Y em suas bobinas. A indicação de como as bobinas devem ser conectadas para cada tensão de alimentação está presente na placa de identi- ficação, assim como os valores de corrente referente a cada tensão de alimentação. Todas as conexões elétricas dos motores elétricos são rea- lizadas na chamada caixa de ligação do motor, que é um com- partimento específico para acessar os cabos do motor, sendo que, em motores pequenos de menor potência, somente os cabos ficam disponíveis. Em motores maiores com potência elevada, são disponibiliza- dos terminais para a conexão elétrica. Acesse e assista ao vídeo que produzi especialmente para você, estudante, com a de- monstração da conexão elétri- ca de um motor monofásico com inversão do sentido de giro e interpretação dos dados de placa do motor e de um mo- torelétrico trifásico. Fator de serviço: é um fa- tor que, aplicado à potência nominal, indicará a capacidade de sobrecarga contínua a qual o motor pode ser submetido. Por exemplo, um motor de 1 CV, com um fator de serviço de 1.15 poderia trabalhar con- tinuamente fornecendo uma potência de 1,15 CV. Modelo da carcaça: é um dado mecânico fundamental, pois traz todas as dimensões mecânicas do motor que são necessárias para prever, por exemplo, como será feita sua instalação em um equipamento. https://vimeo.com/475345074/4fb6e6f2d4 100 UNICESUMAR No exemplo da Figura 4, a carcaça do motor era a 132 M/L, que pode ser verificada conforme catálogo técnico (WEG, 2020a): Figura 6 - Dimensões mecânicas do motor / Fonte: WEG (2020a, p. 51). A placa de identificação traz a informação da massa do motor e quais os modelos de rolamentos utilizados. Fator Ip/In: este fator indica em quantas vezes a corrente de partida é superior à corrente nominal do motor. Os motores de indução de gaiola (mais comumente empregados na indústria), no momento de sua partida, apresentam um pico de consumo de corrente, que pode ser extremamente danoso ao sistema de alimentação, sendo necessário a utilização de um sistema de partida, dependendo da potên- cia do motor. Por exemplo, para o motor da placa de identificação da Figura 4, sua corrente nominal em 380 V é de 21,8 A e seu IP/IN é de 8,3 – ou seja, teríamos neste caso uma corrente de partida de aproximadamente 180 A. Classe de isolamento: refere-se à temperatura máxima a que o material isolante utilizado nas bobinas pode ser submetido mantendo suas propriedades. Esta informação é extremamente importante, pois basta um pequeno ponto de aquecimento que ultrapasse este limite para que o isolamento seja deteriorado, gerando, por exemplo, um curto circuito no enrolamento do estator e comprometendo o funcionamento do motor. Categoria de conjugado: os motores devem apresentar características específicas de conjugado com relação à velocidade e corrente de partida, com categorias definidas na norma NBR 17094 (ABNT, 2018). 132 M 132 216 178 89 12 38k6 80 H D A 2E B 2F C BA K H E N-W D U ABNT / IEC NEMA A 2E K H B 2F C BA E N-W H D D U 101 UNIDADE 4 Dentre estas categorias, temos: categoria N, com conjugado de partida e corrente normal com baixo escorregamento, presente na maioria dos motores comerciais utilizados em cargas como bombas, máquinas operatrizes e ventiladores. A categoria H, com conjugado de partida alto, corrente de partida normal e baixo escorrega- mento, para cargas que exigem maior conjugado de partida, como transportadores e britadores. A categoria D, com conjugado de partida alto, corrente de partida normal e alto escorregamento, usados em prensas excêntricas e similares, em que a carga apresenta picos periódicos. A curva característica de conjugado de um motor elétrico está apresentada na figura abaixo: Basicamente, o conjugado vai implicar se o motor consegue ou não realizar o acionamento de determi- nada carga! Um cálculo referente ao dimensionamento de motores é o cálculo do tempo de aceleração do motor, que vai indicar se ele consegue ou não acionar uma carga dentro das condições de estabilidade térmica. O tempo de aceleração deve ser inferior ao tempo de rotor bloqueado. Como exemplo, vamos dimensionar um motor para acionar uma carga com as seguintes características: • Conjugado nominal = 1,25 Nm; • Conjugado resistente médio (Crméd) = 0,8 Nm; • Momento de inércia (Jce) = 0,00072 Kgm 2; • Rotação especificada = 3470 RPM; • Conexão com a rede elétrica: monofásica 220 V ou trifásica 380 V. A potência necessária para acionar esta carga pode ser calculada pela equação: P kW C Nm n RPM( ) ( )* ( )= 9555 [10] E com os valores do exemplo, temos que a potência necessária será de: P kW= =1 25 3470 9555 0 454, * , Vamos adotar para este exemplo um motor monofásico de 2 polos, que possui velocidade síncrona de 3600 RPM, sendo a velocidade aproximada para atender aos dados da carga. E, consultando o catálogo de motores monofásicos (WEG, 2020b), verificamos que a primeira potência disponível acima do valor necessário é de 0,55 kW. Conjugao de rotor bloqueado Cp Conjugado mínimo Conjugado nominal Cn Rotação Rotação nominal ( N )n Co nj ug ad o % Escorregamento ( s ) Conjugado máximo( C )max ns Figura 7 - Curva de conjugado / Fonte: WEG (2011a, p. 25). 102 UNICESUMAR O cálculo do tempo de aceleração apresentado utilizou o procedimento considerando os conjugados médios do motor e da carga. Uma abor- dagem que utiliza o cálculo por intervalos pode ser verificada no livro Instalações Elétricas Industriais, de João Mamede Filho (2017). Agora, vamos proceder com o cálculo do tempo de aceleração, dado por: t rps J J C Ca m ce mméd rméd � � � � � � � � �2. . .p [11] Onde Jm é o momento de inércia do motor e Cmméd é o conjugado médio de aceleração do motor, ainda, a velocidade na equação 11 é dada em rps (rotações por segundo). O cálculo do Cmméd é dado por: C C C C C Cmméd p n máx n n� � � � � � � �0 45 9 81, . . . , [12] Onde Cn é o conjugado nominal do motor, Cp/Cn o conjugado de partida do motor e Cmáx/Cn o conju- gado máximo do motor, sendo todos dados de catálogo. E para o motor selecionado Cn = 0,156 kgfm, Cp/Cn = 0,35 e Cmáx/Cn = 1,5. E, assim, C Nmmméd � �� � �0 45 0 35 1 5 0 156 9 81 1 27, . , , . , . , , E podemos, então, proceder com o cálculo do tempo de aceleração, lembrando de converter a rotação prevista da carga de rpm para rps: 3470 RPM/60 = 57,83 rps. Ainda, o momento de inércia do motor dado no catálogo é de 0,0003 kgm2. t sa � � � � � � � � � �2 57 83 0 0003 0 00072 1 27 0 8 0 788. . , . , , , , ,p Ou seja, o tempo de aceleração do motor será de menos de 1 segundo, e, comparando este valor com o tempo de rotor bloqueado do motor dado em catálogo, que é de 6 segundos (a frio), podemos concluir que o motor selecionado atende ao dimensionamento de carga solicitada. Potência Carcaça Conjugado Nominal (kg Corrente com Rotor Bloqueado Ip/In Conjurado de Partida Cp/Cn Conjugado Máximo Cmáx/Cn Momento de Inércia J (kgm2) Tempo máximo com rotor bloqueado (s) Massa (kg) Nível médio de pressão sonora dB(A) Fator de Serviço RPM Rendimento Fator de Potência % Carga 220 V Corrente Nominal In (A) Dimensão L (mm) Quente Frio 0,55 kW HP 0,75 4,0 0,35 1,5 136 5,5 60 1,150,00030,156W71 3425 54,0 65,0 70,0 0,96 0,97 0,98 100 50 100757550 3,64 246,5 103 UNIDADE 4 Grau de proteção: referenciado como grau de proteção IP, indica a proteção dos equipamentos elé- tricos com relação a objetos sólidos (1° dígito) e com relação à água (2° dígito). Por exemplo, um motor com grau de proteção IP66 está totalmente protegido contra entrada de poeira e jatos potentes de água. Grau de proteção IP 1° algarismo Significado 2° algarismo Significado 0 Sem proteção 0 Sem proteção 1 Proteção contra objetos sólidos maiores que 50 mm 1 Proteção contra gotejamento vertical 2 Proteção contra objetos sólidos maiores que 12 mm 2 Proteção contra gotejamento de água com inclinação até 15° 3 Proteção contra objetos sólidos maiores que 2,5 mm 3 Proteção contra aspersão de água 4 Proteção contra objetos sólidos maiores que 1 mm 4 Proteção contra projeções de água 5 Proteção contra poeira 5 Proteção contra jatos de água 6 Proteção total contra poeira 6 Proteção contra jatos potentes 7 Proteção contra os efeitos da imersão temporária 8 Proteção contra os efeitos da imer-são contínua Quadro 2: Grau de Proteção IP / Fonte - o autor. Regime de serviço: refere-se à regularidade com que uma determinada carga é aplicada ao motor. Se o ligamos e aplicamos uma carga constante, temos um comportamento de aquecimento, que será diferente daquele que irá ocorrer se ficarmos ligando e desligando-o constantemente, pois, des- se modo, o motor poderá sobreaquecer, já que os intervalos de desligamento talvez não permitamque ele resfrie o suficiente. Um regime de serviço muito comum em car- gas industriais é o S1, que é o regime de serviço contínuo, cuja carga é aplicada ao motor que fica ligado durante um tempo suficiente para atingir seu equilíbrio térmico. Os regimes de serviço padronizados vão de S1 a S10, sendo que os casos que não se classificam nestes regimes padronizados são considerados especiais e exigem um estudo por parte do fabricante para deter- minar o dimensionamento necessário para o motor. Todas as características técnicas apresentadas são comuns para os motores monofásicos e trifásicos, sen- do o principal fator de escolha entre esses dois tipos de motores fatores relacionados com o custo, manutenção e disponibilidade de itens necessários à instalação. Os motores monofásicos são mais caros que os trifásicos para uma mesma faixa de potência. Ainda, aqueles precisam de um capacitor para o campo auxi- liar de partida. Os motores de indução trifásicos, além de possuírem um custo inferior, são extremamente robustos, gerando baixa manutenção e, por isso, são os mais empregados em ambientes industriais. Os motores monofásicos, em contrapartida, são disponibilizados em baixas potências – geralmente em uma faixa inferior aos 10 CV, a não ser em casos mais específicos. São mais empregados na chamada “linha branca”, que engloba os eletrodomésticos, motores de condicionadores de ar, motobombas para aplicações residenciais, dentre outros. 104 UNICESUMAR O foco de estudo desta unidade foram os motores elétricos de corrente alternada, porém a gama de modelos de motores elétricos é muito mais ampla, incluindo, por exemplo, os motores de corrente contínua e motores de passo. A Figura 7 traz um diagrama referente aos diferentes tipos de motores elétricos. Figura 7 - Tipos de motores elétricos / Fonte: adaptada de WEG (2020a, p. 6). MOTOR CA UNIVERSAL MOTOR CC TRIFÁSICO EXCITAÇÃO SÉRIE EXCITAÇÃO INDEPENDENTE EXCITAÇÃO COMPUND ÍMÃS PERMANENTE EXCITAÇÃO PARALELA LINEAR MONOFÁSICO ASSÍNCRONO SÍNCRONO ASSÍNCRONO SÍNCRONO GAIOLA DE ESQUILO ROTOR BOBINADO SPLIT-PHASE CAPACITADOR DE PARTIDA CAPACITADOR PERMANENTE POLOS SOMBREADOS CAPACITADOR DOIS VALORES REPULSÃO RELUTÂNCIA ÍMÃS PERMANENTES INDUÇÃO ÍMÃS PERMANENTES DE GAIOLA ROTOR BOBINADO ÍMÃS PERMANENTES RELUTÂNCIA POLOS LISOS POLOS SALIENTES 105 UNIDADE 4 Todas as informações técnicas discutidas nesta unidade permitem especificar o motor para uma determinada aplicação. Geralmente, especificar o motor é uma tarefa trivial dentro da área elé- trica, pois os fabricantes de motores fornecem catálogos técnicos com todas as informações ne- cessárias, principalmente para cargas conhecidas e padronizadas, como sistemas transportadores, elevadores e eletrodomésticos. Então, em posse dos dados mecânicos da car- ga que será acionada, e conhecendo as principais características da aplicação, como a tensão da rede de alimentação, o regime de serviço, e velo- cidade nominal de rotação que será necessária, basta relacionar as informações com os dados de catálogo e teremos o modelo recomendado pelo fabricante para a aplicação. Obviamente, entretanto, algumas aplicações em específico fogem dos valores padronizados e exigem dos engenheiros e projetistas um maior esforço para especificar a aplicação. Ainda, co- nhecer todos os parâmetros básicos de um motor elétrico e suas curvas características permitem ao engenheiro propor soluções mais otimizadas. Por exemplo, um bom conhecimento das ca- racterísticas mecânicas do motor elétrico pode garantir que pequenos erros de especificação não ocorram, assim como especificar um motor com uma carcaça em que a posição dos pés do motor dificulta a manutenção do equipamento. 106 M A P A M E N TA L Proponho criarmos nessa unidade uma forma visual de reunirmos todas as carac- terísticas discutidas sobre os motores elétricos! A seguir, trago minha sugestão para que vocês, alunos e alunas, possam realizar uma comparação, em que reuni as seguintes características sobre o motor elétrico: conjugado, categorias do conjuga- do, tempo de aceleração, potência, tensão nominal, corrente nominal, fator de potência, conexão em estrela e triângulo, fator I Ip n/ rendimento, fator de serviço, regime de serviço, classe de isolamento, velocidade nominal, escorregamento, tipo da carcaça e grau de proteção IP. Figura 8 - Exemplo de motor elétrico / Fonte: o autor Carcaça Grau IP Conjugado Potência Velocidade (RPM) Categorias D, H e N Tempo de Aceleração Tensão/Corrente/cos φ Conecção Y/Δ Fator Ip/In Rendimento Fator de serviço Regime de serviço classe de isolamento Escorregamento (s) A G O R A É C O M V O C Ê 107 1. Para um determinado motor, a velocidade nominal obtida no catálogo técnico foi de 1693 RPM. Com base nestes dados, o engenheiro responsável pelo projeto de uma máquina precisou determinar qual valor de escorregamento para este motor? Quantos polos este motor possui? 2. Qual a potência mecânica (em CV) entregue na ponta do eixo de um motor elétrico trifásico de indução com os seguintes dados de catálogo: tensão de alimentação = 220 V, corrente consumida = 21,8 A, fator de potência = 0,73 e rendimento = 91%. 3. Com relação ao fator de potência, ele indica as relações entre os tipos de potência presentes em um sistema elétrico, sendo que a relação entre estas potências e o valor resultante do fator de potência são fundamentais para garantir o funcionamento adequado do sistema. Quais os tipos de potência discutidos nesta teoria? O fabricante de um equipamento industrial solicitou a visita de um profissional técnico para uma consultoria sobre um motor que estava disponível em seu estoque. Tomando como base a placa de identificação do motor, o técnico respondeu às dúvidas do cliente, apresentadas nas questões (4), (5) e (6): Figura 9 - Placa de identificação do motor / Fonte: adaptado de WEG (2020a). 4. Sendo a potência mecânica necessária para acionamento da carga de 1,12 CV em regime contínuo de operação, este motor pode ser utilizado? 5. A máquina em que o motor vai ser aplicado fica em um ambiente onde ocorre bastante con- densação de umidade, causando gotejamento de água sobre ela. Sendo assim, este motor pode ser utilizado somente com a proteção da sua carcaça ou precisaria de uma proteção adicional? 6. Qual o consumo de energia elétrica deste motor, sabendo que ele será alimentado em 380 V? C O N FI R A S U A S R ES P O ST A S 108 1. A velocidade síncrona mais próxima de 1693 é de 1800 RPM, correspondendo a um motor com 4 polos e utilizando a equação [5] obtemos um escorregamento de 0,0594 ou 5,94% s n n n s s � � � � � 1800 1693 1800 0 0594, 2. Conforme equação [7], podemos utilizar os termos do denominador para calcular a potência elétrica consumida pelo motor: P V I W kWe � � � �3 3 220 21 8 0 73 6064 05 6 06. . .cos . . , . , , ,� Para obter a potência mecânica, multiplicamos a potência elétrica pelo rendimento, obtendo 5,52 kW, e para converter este valor para CV, dividimos por 736, obtendo 7,5 CV. 3. Os três tipos de potência considerados na teoria do fator de potência são a potência ativa (P [W]), que é convertida em tra- balho; a potência reativa (Q[VAr]), utilizada para energizar elementos indutivos e capacitivos; e a potência aparente (S [VA]), que representa o total de potência presente no sistema e dada pela soma vetorial das potências ativa e reativa. 4. Uma vez que a potência nominal do motor é de 1 CV e este possui um fator de serviço de 1,15 ele pode atender continuamente a uma solicitação de carga de 1,15 CV, atendendo à necessidade do cliente. 5. Uma vez que o grau de proteção do motor é IP55, este estaria protegido contra jatos de água, permitindo que seja instalado na máquina sem a necessidade de proteção adicional. 6. Como a placa não trouxe o rendimento, podemos calcular a energia elétrica consumida por: P V I kWe � � �3 3 380 1 660 83 0 91. . .cos . . , . , ,� Calculando agora o rendimento deste motor, obtemos aproximadamente 83%, sendo este um valor bem próximo aos valores de catálogo. Em termos práticos, este cálculo seria uma aproximação, já que não consideramos nenhum efeito associado à utilização do fator de serviço. R EF ER ÊN C IA S 109 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 17094-1: Máquinas elétricas girantes. Parte 1: Motores de indução trifásicos - Requisitos. Rio de Janeiro: ABNT, 2018. ANEEL. Agência Nacional de Energia Elétrica. Tensões Nominais. 2016. Disponível em: http://www.aneel.gov. br/tensoes-nominais. Acesso em: 26 out. 2020. WEG. Manual Geral de Instalação, Operação e Manutenção de Motores Elétricos. Jaguará do Sul: WEG, 2011. 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O conhecimento destes componentes, assim como da simbologia associa- da a eles, é a base para a compreensão do funcionamento dos comandos elétricos industriais. 112 UNICESUMAR Em sua casa, com certeza existem muitos equi- pamentos elétricos, como liquidificador, micro- -ondas, geladeira, entre outros. A maioria de nós, entretanto, nunca pensa em como eles funcionam por dentro, não é mesmo? Que botões existem lá dentro? O que faz disparar o funcionamento do condicionador de ar? Que peças fazem o as- pirador de pó funcionar? Proporcionalmente, as indústrias também possuem inúmeras máquinas que contêm muitos componentes elétricos. Você, como futuro profissional de engenharia elétri- ca, deve se fazer perguntas também proporcio- nalmente mais elaboradas, claro. Já parou para pensar, quando um processo industrial ou uma máquina estão em funcionamento, qual a função dos componentes elétricos que compõem cada comando e como cada um destes funciona? É muito provável que você, ao utilizar um equi- pamento em sua residência, deparou-se com uma situação em que ele deixou de funcionar. E, ao levá-lo para a assistência técnica, tomou conheci- mento que foi apenas um fusível que havia “quei- mado”! Ainda, uma situação comum que muitos já vivenciaram é a de estar tomando banho e, re- pentinamente, o disjuntor “cai” (desarma). Estes são dois exemplos relativos à atuação de disposi- tivos de proteção que temos em nossos equipa- mentos residenciais: os fusíveis e os disjuntores. Da mesma forma, nos ambientes industriais, existem diversos dispositivos de proteção como os fusíveis, utilizados para garantir, por exemplo, que um motor não tenha um de seus enrolamentos deteriorado por uma corrente de curto circuito, e dispositivos de comando, como botões que per- mitem iniciar/pausar/parar um processo. Mesmo para aqueles que nunca estiveram em um ambiente industrial, diversos processos e equi- pamentos que utilizamos em nosso dia a dia pos- suem dispositivos similares aos empregados nos ambientes industriais e utilizados para proteção e comando de equipamentos. Vou apresentar duas situações comuns do cotidiano que são bastante similares com as de um ambiente industrial. A pri- meira delas é a utilização de um elevador, no qual os comandos para solicitar seu posicionamento em determinado andar são realizados por botões ou por uma IHM (interface homem máquina – display touch, por exemplo). E a segunda situação é a abertura de uma porta automática geralmente utilizada em lojas e merca- dos, que utilizam um sensor que detecta alguém nas proximidades abrindo a porta e fechando a mesma quando a detecção é finalizada. Botões similares aos do elevador (ou da IHM) são utilizados nas indústrias para comandos de liga e desliga de uma máquina, e os sensores per- mitem, por exemplo, saber se uma determinada peça está ou não em uma esteira de um processo. Um simples botão do tipo liga-desliga, assim como os interruptores que aprendemos a uti- lizar quando discutimos os circuitos de ilumi- nação prediais, podem ser utilizados para gerar lógicas de comando funcionais. Como uma proposta de raciocínio, vamos ima- ginar que temos dois interruptores que foram as- sociados em série com uma lâmpada. Como seria o funcionamento deste circuito? A Figura 1 traz um esboço do circuito proposto. Figura 1 - Circuito com interruptores e lâmpada Fonte: o autorRede de Alimentação Interruptor 1 Interruptor 2 Lâmpada 113 UNIDADE 5 Podemos observar na Figura 1 que este é um circuito muito similar ao circuito com interruptor simples que já discutimos anteriormente. Agora, porém, o nosso circuito possui dois interruptores que estão associados em série e desta associação se dará seu funcionamento. A lógica de funcionamento está representada no Quadro 1. Estado do interruptor 1 Estado do interruptor 2 Estado da lâmpada Aberto (desligado) Aberto (desligado) Desligada Aberto (desligado) Fechado (ligado) Desligada Fechado (ligado) Aberto (desligado) Desligada Fechado (ligado) Fechado (ligado) Ligada Quadro 1 - Funcionamento do circuito / Fonte: o autor Conforme lógica apresentada no Quadro 1, a lâmpada só vai li- gar quando os dois interruptores estiverem fechados. Tal lógica de funcionamento, que nesse circuito foi implementada eletricamente, pode ser utilizada em diversas outras áreas, como na eletrônica digital, programação e automação industrial. Na eletrônica digital, por exemplo, esta lógica correspondente ao funcionamento da porta lógica “E” (AND), representada na Figura 2. Figura 2 - Porta lógica AND / Fonte: o autor. AND A B X A B X 0 0 0 010 1 0 0 111 114 UNICESUMAR D IÁ R IO D E B O R D O Se fizermos uma analogia com o circuito da Figura 1, os in- terruptores correspondem aos sinais A e B e a lâmpada ao si- nal X. Os “zeros” representam os interruptores abertos e a lâmpada desligada, enquanto os números “um” represen- tam interruptores fechados e a lâmpada ligada. As portas lógicas são uma implementação dos estudos de George Boole, os quais foram implementados inicialmen- te por Claude Shannon, que na década de 30 demonstrou que circuitos elétricos utilizando álgebra booleana podiam resolver qualquer problema lógico. Convido você, aluno(a), a pesquisar agora sobre a porta lógica “ou” (OR) e verificar como ela poderia ser implementada com interruptores simples e uma lâmpada. Recomendo como biblio- grafia a leitura de Tocci (2019). Uma compreensão básica sobre as funções lógicas que podem ser implementadas eletricamente contribui muito na compreensão da função de vários dispositivos de comando industriais. Agora que você já experimentou o conceito de duas lógicas básicas amplamente utilizadas na elétrica, na programação, su- giro que você anote no diário de bordo qual a relação que você achou nessas lógicas e o que diferencia uma da outra. 115 UNIDADE 5 Nossa unidade se refere a dois campos principais de estudo: os dispositivos de comando, como as botoeiras e os contatores, e os dispositivos de pro- teção, como os fusíveis e relés térmicos. Vamos começar pelos dispositivos de co- mando. Um dispositivo de comando é utilizado para gerar uma informação para um processo. Especificamente nos comandos elétricos, os ele- mentos mais comumente utilizados em proces- sos simples são os botões (ou botoeiras), sensores como as chaves (micros) final de curso e os con- tatos dos elementos de manobra como os relés e os contatores. Cada um destes elementos será apresentado a seguir. Botões industriais ou botoeiras: são elemen- tos de dois estados (LAMB, 2015), utilizados, por exemplo, para ligar/desligar um motor elétrico. A Figura 3 traz um modelo de botão de comando industrial, também referenciado como botoeira Figura 3 – Botão de comando industrial Fonte: Schmersal ([2020], p. 25). Em relação aos dois estados possíveis, um botão de comando pode estar aberto ou fechado, assim como o interruptor. O estado normal de um botão também depende do tipo de contato que utiliza, podendo ser contato normalmente (ou normal) aberto e contato normalmente (ou normal) fecha- do – Contato NA e Contato NF, respectivamente. Diversos fabricantes costumam utilizar a notação em inglês: NO – Normally Open (NA) e NC – Normally Closed (NF). A Figura 4 mostra os símbolos dos contatos tipo NA e NF para botões de comando, especi- ficamente para botões do tipo pulsantes, ou seja, que retornam para a posição inicial após seu acio- namento, ao contrário dos botões retentivos, que permanecem em uma posição após acionados. Mesmo que a antiga norma que regia esta sim- bologia (NBR 5280) tenha sido descontinuada em 2011, a grande maioria do material didático existente e dos programas de simulação ainda utilizam símbolos similares. Figura 4 - Botões de comando pulsantes do tipo NA e NF Fonte: autor. Para organizar os diagramas elétricos e torná-los interpretáveis, os símbolos acompanham também uma terminação numérica. Para contatos de bo- tões e de elementos de comando como contato- res, os contatos do tipo NA possuem terminação numérica 3 – 4 e os contatos do tipo NF possuem terminação 1 – 2. Por isso, o botão NA da Figura 4 tem a nume- ração 13 – 14, sendo que o número inicial 1 é um digito sequencial, ou seja, o primeiro contato NA do botão é o 13 – 14; se ele utilizar outro contato NA, será o 23 – 24 e, assim, sucessivamente. Claro que, em algumas situações, você poderá se deparar com um diagrama de comando em que aparece um botão com a terminação 63 – 64, por exemplo. Isso porque ele foi numerado com alguma lógica em particular ou porque faz parte 1214 13 11 116 UNICESUMAR de um diagrama maior. O fundamental, porém, é conhecer a sua terminação, a qual está diretamente relacionada com sua função no comando (NA ou NF). Ao declarar um botão como NA, significa que ele estará aberto quando não houver seu acionamento manual. Assim, quando o botão for acionado, ele vai passar para o estado fechado, retornando ao estado NA quando não existir mais a causa de acionamento (no caso de um botão de pulso) ou quando ele for desativado (no caso de um botão retentivo). Relés (de comando): são dispositivos utilizados para realizar o chaveamento de um circuito por meios elétricos (LAMB, 2015). Os relés possuem diversas funções, dentre elas a de implementar lógicas por meio de seus contatos, ou ainda serem empregados como elementos de acoplamento para proteção de equipamentos. Para compreender a função de um relé em um circuito de lógica de contatos, bem como compreender sua função de dispositivo de acoplamento, vamos analisar a Figura 5. Figura 5 - Utilização de relés / Fonte: autor. Primeiramente, observa-se que os dois relés, RL1 e RL2, estão com suas bobinas conectadas na fonte de tensão (contínua) de 12 V por meio de duas chaves liga-desliga (A e B). Ou seja, quando as chaves são acionadas, os relés são energizados e comutam (comutar = trocar a posição dos contatos) seus contatos. Observa-se também que os contatos dos relés estão conectados em série, realizando o fechamento do circuito da fonte de alimentação alternada de 220 V com a lâmpada. Agora, quando a chave A for acionada, o contato do RL1 irá comutar e quando a chave B for acionada, o contato do RL2 irá A B RL1 RL2 12Vdc 12V 12V 220Vac + - comutar, implementando uma lógica AND para acionamento da lâmpada. E, assim, os relés fo- ram utilizados para implemen- tação de uma lógica por meio da utilização de seus contatos. Com relação à função de acoplamento, os relés são acio- nados por uma tensão de 12 V de uma fonte de tensão contí- nua, porém acionam uma carga em 220 V alternados. Este tipo de solução é amplamente utili- zado em aplicações industriais, por exemplo, quando relés de acoplamento são instalados na saída de controladores, para evi- tar que as saídas possam ser da- nificadas ao acionar as bobinas de contatores ou outras cargas. A Figura 6 traz um mode- lo de relé de acoplamento do fabricante Phoenix Contact (PHOENIX, [2020]). Figura 6 - Relés de acoplamento Fonte: Phoenix Contact ([2020], on-line). 117 UNIDADE 5 REALIDADE AUMENTADA Os relés basicamente podem ser eletromecânicos (o acionamento dos contatos ocorre por meio da energização de uma bobina que atrai os contatos por geração de um campo eletromagnético) ou de estado sólido (quando o elemento de comutaçãoé do tipo semicondutor). A Figura 7 traz um relé eletromecânico, no qual é possível observar a bobina e a estrutura de contatos. Figura 7 - Relé eletromecânico. E, na Figura 8, é apresentado um relé de estado sólido. Figura 8 - Relé de estado sólido. Os relés eletromecânicos, em comparação aos de estado só- lido, são mais lentos e possuem menor vida útil, porém pos- suem custo inferior e são mais simples para serem acionados. Já os relés de estado sólido precisam de alguns itens adicio- nais, como dissipadores de calor e drivers de acionamento, mas oferecem velocidades de comu- tação muito superiores. 118 UNICESUMAR Geralmente um relé eletromecânico é utilizado para acionamentos em que ele será comutado e permanecerá neste estado durante longos períodos, com recomendações de fabricantes para que não sejam acionados em frequências superiores a 2 Hz. Em contrapartida, os relés de estado sólido podem ser utilizados em aplicações que necessitem de acionamento em frequência, como é o caso da modulação por largura de pulso (PWM). Contatores: os contatores são dispositivos de manobra e comando com funcionamento igual ao dos relés, porém apresentam modelos com capacidade de condução de corrente muito superior ao dos relés. Na literatura técnica, é comum encontrarmos também as grafias contactores e contatoras. Os contatores possuem basicamente dois grupos de utilização: os contatores auxiliares e os con- tatores de força ou de potência. Os contatores auxiliares são utilizados para aplicações que exigem pequena capacidade de condução de corrente, como circuitos de comando e os contatores de potência são utilizados para o acionamento de cargas, como os motores elétricos. Na Figura 9 apresenta-se um modelo de contator auxiliar do fabricante WEG (WEG, 2020). Figura 9 - Contator auxiliar / Fonte: Weg ([2020], on-line). Conforme pode ser observado na Figura 9, o contator auxiliar possui um conjunto com 4 contatos do tipo NO (NA), assim, todos possuem a terminação 3 – 4. O primeiro par é numerado 13 – 14 se- guindo sequencialmente até o último para 43 – 44. Ainda, a identificação A1 – A2 indica as conexões da bobina, a qual é para alimentação em corrente contínua, justificando a indicação do sinal positivo (A1+) e negativo (A1-). Diferentes modelos são disponibilizados pelos fabricantes, como contatores auxiliares com 2 contatos NA e 2 contatos NF e alguns que disponibilizam número maior de contatos auxiliares como 8 ou mais. Este modelo de contator é dimensionado para uma corrente nominal de até 10 A por contato tra- balhando com uma tensão ≤ 440 V. E, na Figura 10, é apresentado um contator de potência que suporta uma corrente nominal de até 800 A operando com uma tensão ≤ 440 V. 119 UNIDADE 5 É possível observar que o corpo dos contatos principais (de força) que vão conduzir a corrente de até 800 A são constituídos por barras metálicas. E, na lateral da contatora, são disponibilizados contatos auxiliares. Figura 10 - Contator de potência / Fonte: Weg ([2020], on-line). Trago para vocês um vídeo no qual mostro a estrutura de um contator auxiliar, indicando seus elementos principais: bo- bina, grupo de contatos e identi- ficações dos contatos e bobinas. O dimensionamento de relés e contatores basicamente utiliza como dados a tensão de traba- lho da carga e corrente da carga. A seguir, vamos verificar como dimensionar um contator. O primeiro item que deve ser verificado quando do emprego de um contator é a sua categoria de utilização. As categorias de utilização são normatizadas e divididas conforme o tipo de tensão aplicado: contínua ou alternada. Para corrente alternada, são defi- nidas as categorias AC1, AC2, AC3 e AC4, e para corrente contínua são definidos os regimes DC1, DC3 e DC5. AC1: Se aplica a aparelhos com fator de potência maior 0,95. Nesta situação, a corrente elétrica do fechamento e da abertura do contator se iguala com a corrente nominal da carga, pois não há transitórios. AC2: utilizada para sistemas de frenagem em contracorrente e para acionamentos a impulsos em motores de anéis. Ao fechar, o contator gera uma corrente próxima a 2,5 vezes a corrente nominal do motor. Na abertura, ele deve ser capaz de abrir a corrente nominal do motor com tensão próxima à da rede. AC3: utilizada para interrupção em regime de motores de indução de gaiola, com o contator devendo suportar a corrente de partida do motor que gira em torno de 5 a 7 vezes a corrente nominal no fechamento. E na abertura interrompendo a corrente nominal do motor sob tensão de, aproximadamente, 20% da tensão nominal da rede. Exemplo de utilização são os elevadores, escadas rolantes, correias transportadoras, compressores de todos os tipos, bombas, misturadores e climatizadores. É o regime de utilização mais comum para motores de indução. https://vimeo.com/475345084/675bc11e88 120 UNICESUMAR Uma explicação sobre algumas das categorias de empregos dos contatores em corrente alternada é disponibilizada no vídeo https:// youtu.be/ooyZbRKPfeA. E a referência completa sobre as categorias de emprego pode ser encontrada no texto da norma IEC 947. Para acessar, use seu leitor de QR Code. AC4: classe utilizada com sistemas de frenagem por contracorrente e sistemas de partida por im- pulsos em motores do tipo gaiola ou com anéis. O contator vai fechar com um pico de corrente de 5 a 7 vezes a corrente nominal do motor. E vai abrir interrompendo uma corrente de mesma magni- tude e tensão proporcional à velocidade do motor. A tensão na abertura pode ser igual à tensão da rede, configurando um desligamento severo que exige muito do contator. Exemplo de utilização são as máquinas de impressão, trefiladeiras, levan- tamento de cargas e aplicações de metalurgia. DC1: se aplica a todos os aparelhos utilizados em corrente contínua com uma constante de tem- po menor ou igual a 1ms, sendo geralmente cargas pouco indutivas ou não indutivas. DC3: partida e frenagem por contracorrente (frenagem dinâmica) e acionamento por impul- sos de motores shunt e motores com excitação independente partindo em operação contínua ou intermitente. No fechamento, o contator deve suportar uma corrente próxima de 2,5 vezes a nominal do motor, e na abertura uma corrente de 2,5 vezes a corrente de partida do motor com tensão próxima da nominal, fato que torna o des- ligamento muito difícil. DC5: partida e frenagem por contracorrente e acionamento por impulsos dos motores tipo excitação série. O contator fecha com pico de corrente de até 2,5 vezes a nominal do motor e abre interrompendo essa mesma corrente com tensão inversamente proporcional à velocidade do motor, configurando um desligamento severo. Para efeitos práticos, vamos considerar em nossas unidades de estudo que o regime dos acio- namentos será o AC3. Conhecidos os regimes de serviço, verificaremos qual a corrente a ser dimensionada para o contator. Como exemplo, vamos dimensionar um contator para acionar um motor trifásico conectado em 380 V de 1/2 HP, 2 polos, 60 Hz e com uma corrente nominal de 0,98 A. A corrente mínima do contator pode ser calculada adicionando-se 10% ao valor da corrente nominal do motor, conforme equação [1]: I Icontator n=1 1, [1] Neste caso, a corrente mínima necessária para o contator seria de 1,1 x 0,98 A = 1,078 A. E, uma vez definido o valor de corrente necessário, é possível selecionar um contator de determinado fabricante. https://youtu.be/ooyZbRKPfeA 121 UNIDADE 5 Por exemplo, o fabricante Schneider Electric fornece uma linha de contatores com correntes nominais variando de 9 A até 150 A em regime AC3 e de 20 A até 200 A em regime AC1 (SCH- NEIDER ELECTRIC, 2020). Assim, para a corren- te calculada no exemplo (1,078 A), utilizaríamos o modelo de 9A do fabricante, sendo o código do contator selecionado LC1D09P7. É importante conhecer também outras características do contator, como qual o con- junto de contatos auxiliares que ele oferece.No caso do modelo LC1D09P7 (Figura 11), este possui 1 contato NA e 1 contato NF. Figura 11 - Contator da Schneider Electric modelo LC1D09P7 / Fonte: Schneider Electric ([2020], on-line). Conforme apresentado na Figura 11, é possível observar no corpo do contator a presença dos 3 contatos principais (contatos de força/potência): 1L1 – 2T1, 3L2 – 4T2 e 5L3 – 6T3; do contato auxiliar NO (NA) 13 – 14; do contato auxiliar NC (NF) 21 – 22 e das conexões de bobina A1 – A2. Ainda, se for necessário adicionar mais conta- tos auxiliares ao modelo LC1D09P7, poderá ser adquirido um bloco auxiliar frontal. O fabricante disponibiliza o bloco LADN22 (Figura 12), que possui encaixe frontal ao corpo do contator com um conjunto de 4 contatos auxiliares sendo 2 con- tatos NO (NA) e 2 contatos NC (NF). Figura 12 - Bloco Auxiliar Schneider Electric modelo LADN22 / Fonte: Schneider Electric ([2020], on-line). Sinalizadores: os sinalizadores são elementos que fornecem uma informação visual de um processo. Desde o advento da utilização das IHMs (Interfaces Homem Máquina), a utilização dos sinalizadores foi reduzida, porém ainda se configura como uma alternativa eficiente e com custo inferior. Por exemplo, para sinalizar a partida de um motor elétrico, podemos utilizar um sinaliza- dor (também referenciado na literatura como sinaleiro) verde indicando que o motor está acionado e um sinaleiro vermelho indicando que o motor foi desenergizado. Os sinalizadores são fornecidos em diversos modelos, sendo os mais comuns os sinalizadores de 22 mm de diâmetro com lâmpadas incandes- centes ou com LED. Na Figura 13 são apresenta- dos sinalizadores LED de 22 mm do fabricante Metaltex (METALTEX, 2020). 122 UNICESUMAR Figura 13 - Sinalizadores LED 22 mm da Metaltex / Fonte: Metaltex ([2020], on-line). Outro item de sinalização bastante utilizado são as torres de sinalização que possuem uma ou mais cores de sinalizadores no corpo da torre, podendo utilizar sinalizadores sonoros também em alguns modelos. Na Figura 14 é apresentada um modelo de torre de sinalização (PHOENIX, 2020). Figura 14 - Torre de sinalização da Phoenix Contact / Fonte: Phoenix Contact ([2020], on-line). Temporizadores: são elementos que comutam um conjunto de contatos com base em um atra- so (LAMB, 2015). Podem ser pneumáticos, me- cânicos eletromecânicos e eletrônicos, sendo as versões atuais mais comuns utilizadas na indús- tria implementadas eletronicamente. Dentre as funções de temporização disponíveis nos tem- porizadores, temos a função de retardo na ener- gização (on – delay), retardo na desenergização (off – delay) e pulso. A função de retardo na energização se confi- gura quando, ao ser energizada a bobina do tem- porizador, este inicia a temporização programada e, após esse tempo, os contatos do temporizador são comutados. Se a qualquer momento a bobina do temporizador for desenergizada, os contatos retornam ao estado inicial. A função de retardo na desenergização se configura quando, ao ser energizada a bobina do temporizador, seus contatos são comutados e, ao retirar o sinal da bobina, inicia-se o processo de temporização. Ao final do tempo programada, os contatos retornam ao estado inicial. Se a qualquer momento a bobina do temporizador for energiza- da os contatos do mesmo são comutados. E a função de pulso se configura quando ao ser energizada a bobina do temporizador seus contatos são comutados e ao mesmo tempo se inicia a temporização. Ao final da temporização, mesmo que se mantenha a bobina energizada, os contatos retornam ao estado inicial, sendo ne- cessário outro pulso na entrada do temporizador para iniciar o processo. Outras funções, como a temporização cíclica e de temporização para partida do tipo estrela- -triângulo, são disponíveis comercialmente. Na Figura 15, é apresentado um temporizador (eletrônico/digital) multifunções do fabricante COEL, o qual possui 10 funções programáveis, dentre elas as três funções apresentadas anterior- mente (retardos na energização, desenergização e pulso) (COEL, 2020). 123 UNIDADE 5 Figura 15 - Temporizador multifunções BWM da COEL / Fonte: COEL ([2020], on-line). Sensores: são elementos que detectam determina- do fenômeno físico e fornecem um sinal elétrico como resposta. Podem ser do tipo discreto quando fornecem um sinal digital (on/off) em sua saída ou do tipo analógico quando fornecem um sinal com variação dentro de uma faixa (LAMB, 2015). Como exemplo de sensores discretos, pode- mos citar os sensores indutivos e capacitivos que detectam a presença de objetos, acionando suas saídas quando um objeto for detectado. Os sen- sores indutivos detectam objetos metálicos (fer- rosos) e os capacitivos detectam qualquer tipo de material. A Figura 16 traz um modelo de sensor indutivo modelo SIEN da Festo. Figura 16 - Sensor indutivo SIEN da Festo / Fonte: Festo ([2020], on-line). Já como sensores analógicos, podemos citar os sensores de temperatura, pressão e vazão, que for- necem em sua saída sinais em corrente ou tensão proporcionais a uma faixa de valores medida. Na Figura 17, é apresentado o sensor de pressão SPAU da Festo, que detecta a pressão em um range de- terminado e aciona suas saídas quando a pressão atinge um valor programado pelo usuário. Figura 17 - Sensor de pressão SPAU da Festo Fonte: Festo ([2020], on-line). Ainda, outro modelo de sensor muito utilizado nos comandos elétricos são os chamados “finais de curso”, os quais correspondem a elementos simi- lares a botões de comando que são instalados em posições específicas para detectar, por exemplo, se um atuador atingiu determinada posição. São disponíveis em versões eletromecânicas e eletrônicas. Uma aplicação comum de um final de curso é na detecção do posicionamento de atua- dores pneumáticos/hidráulicos. Por exemplo, no circuito apresentado na Figura 18, os sensores finais de curso identificados como “a0” e “a1” de- tectam, respectivamente, quando o atuador está recuado ou avançado. 124 UNICESUMAR Figura 18 - Circuito eletropneumático / Fonte: autor. Um modelo de sensor final de curso eletromecânico da Metaltex está apresentado na Figura 19. Estes sensores são disponibilizados em diferentes configurações: com alavanca curta, alavanca longa, alavanca com rolete, dentre outros. É comum se referenciar a estes sensores como chave final de curso e micro final de curso. Figura 19 - Final de curso / Fonte: Metaltex ([2020], on-line). A+ 1 3 2 a0 a1 Dispositivos de proteção Os dispositivos de proteção garantem, por exemplo, que o valor de corrente máximo per- mitido para um componente não seja ultrapassado. Assim, por exemplo, os fusíveis limitam correntes “rápidas” de curto cir- cuito e os elementos térmicos (bimetálicos) limitam correntes de sobrecarga. Entre os princi- pais componentes de proteção utilizados, citam-se os fusíveis, os relés térmicos (ou de sobre- carga) e os disjuntores. Fusíveis: são dispositivos de proteção que derretem quando uma corrente exces- siva fluir através deles (LAMB, 2015). São instalados em série com o circuito ou ramo do cir- cuito que se quer proteger. Os fabricantes disponibilizam uma série de formatos de fusíveis. No ambiente industrial, os mo- delos mais comuns utilizados são os fusíveis do tipo diametral (Diazed) e os fusíveis NH. 125 UNIDADE 5 Na Figura 20 é apresentado um fusível do tipo Diazed, sen- do o elemento fusível montado dentro de um corpo de cerâ- mica. Além do elemento fusí- vel, é necessário utilizar outros elementos como base, parafuso de ajuste e tampa de proteção. Figura 20 - Fusível do tipo Diazed. Fonte: Siemens ([2020], on-line). Na Figura 21, é apresentada a montagem típica com todos os ele- mentos necessários para um fusível do tipo Diazed. Figura 21 - Elementos para montagem de um fusível Diazed Fonte: Siemens ([2020], on-line). Os fusíveis do tipo NH são ins- talados por encaixe em bases típicas, conforme apresentadona Figura 22. Figura 22 – Fusível NH. Os fusíveis industriais possuem duas classificações principais: (1) os fusíveis com retardo, uti- lizados para permitir a partida de motores, em que o valor ins- tantâneo na partida do motor devido ao fator Ip/In atinge valores de pico que poderiam causar a ação do fusível. E (2) os fusíveis do tipo ultrarrápidos, que são uti- lizados para a proteção de equipamentos com elemen- tos semicondutores, como os inversores de frequência. O tipo de atuação dos fu- síveis é identificado com duas letras, a primeira letra indica a faixa de interrupção de so- brecorrente, onde “g” indica atuação para sobrecarga e cur- to-circuito e “a” indica atuação apenas para curto-circuito. A segunda letra indica a categoria de utilização, refe- renciando-se ao tipo de equi- pamento que o fusível vai proteger, onde “L/G” indica proteção de cabos e uso geral, “M” indica proteção para mo- tores e “R” indica a proteção de circuitos com semicondutores. Assim, por exemplo, os fusíveis “gL/gG” são fusíveis utilizados para proteção de cabos e uso geral atuando em casos de so- brecarga e curto circuito. 126 UNICESUMAR Para dimensionamos o fusível para uma aplicação de partida de motores, vamos utilizar uma curva disponibilizada em um catálogo de fabricante. Escolheremos o mesmo motor do exemplo de dimensio- namento do contator: motor trifásico conectado em 380 V de 1/2 HP, 2 polos, 60 Hz e com uma corrente nominal de 0,98A e fator de serviço de 1,25. Acrescentando que ele possui um fator Ip/In de 5,7 e que este motor será acionado por partida direta com um tempo de partida de 5 segundos, vamos dimensionar um fusível de uso geral NH, utilizando os dados disponíveis no catálogo de fusíveis da WEG (WEG, 2017). A corrente de partida que vai passar pelo fusível será de 0,98 x 5,7 = 5,6 A, e o fusível deve supor- tá-la por 5 segundos, que é o tempo de partida do motor. Assim como exemplificado na Figura 23, marcamos no eixo horizontal a corrente de 5,6 A e no eixo vertical o tempo de partida de 5 segundos. O ponto que foi marcado ficou abaixo da curva de 4 A e, assim, o valor dimensionado para o fusível é 4 A. Deve-se observar que, como o motor utilizado é trifásico, são necessários 3 fusíveis no circuito, ou seja, um fusível por fase. Figura 23 - Fusível NH, curva do tempo de fusão x Corrente / Fonte: Weg (2017, on-line). Outro critério que deve ser observado é que o valor do fusível dimensionado deve ter um valor pelo menos 20% superior ao do motor que estiver protegendo, conforme equação [2]: I Ifusível n≥1 2, [2] Como a corrente nominal do motor utilizado no exemplo é de 0,98 A, seria necessário um fusível com corrente nominal de pelo menos 1,176 A, critério atendido já que foi dimensionado um fusível de 4 A. 5,6 127 UNIDADE 5 Nesta unidade, trago para vocês um bate papo sobre comandos elétricos e como é a comercialização em uma empresa de automação. Convidei para a conversa um de meus ex-alunos, que se formou como técnico em mecatrônica e, posteriormente, em engenharia elétrica. Atualmente, ele é supervisor em uma empresa de automação. Relés térmicos: são designados também como relés de sobrecarga e protegem os motores contra correntes de sobrecarga ou falhas de fase. As correntes de sobrecarga têm valores que podem variar desde uma pequena porcentagem do valor nominal até algumas vezes este mesmo valor. Podem se originar, por exemplo, devido a sobretensões na rede ou devido a um aumento de carga no eixo do motor, o qual não foi previsto no dimensionamento. Para dimensionar o relé térmico, vamos utilizar o seguinte critério: se o fator de serviço do motor for < 1,15, a corrente de ajuste do relé térmico deve ser de 1,15 vezes a corrente nominal do motor. E se o fator de serviço do motor for ≥ 1,15, a corrente de ajuste do relé térmico deve ser de = 1,25 vezes a corrente nominal do motor. Para nosso exemplo, em que a corrente nomi- nal do motor é de 0,98 A e o fator de serviço é de 1,25, teremos a corrente de ajuste do relé térmico dimensionada para 1,25 * 0,98 = 1,225 A. Agora, é importante salientar que o relé térmi- co precisa ter encaixe mecânico com o contator que será utilizado no projeto; assim, como utili- zamos um contator do fabricante Schneider Elec- tric no exemplo de dimensionamento, precisamos utilizar um relé térmico do mesmo fabricante. Consultando o catálogo técnico do fabri- cante (SCHNEIDER, 2012), verificamos que o modelo a ser utilizado é o de código LRD06, que possui faixa de ajuste de 1 a 1,7 A e está apresentado na Figura 24. Figura 24 - Relé térmico modelo LRD06 da Schneider Elec- tric / Fonte: Schneider Electric ([2020], on-line). https://apigame.unicesumar.edu.br/qrcode/3439 128 UNICESUMAR O critério que correlaciona o dimensionamento do fusível com o contator/relé térmico é a chamada coordenação, ou seja, verificar se o fusível dimen- sionado atende ao fusível máximo permitido para cada componente. No caso do modelo de contator selecionado (LC1D09P7), o fusível máximo que pode ser utilizado é de 25 A e, para o relé térmico (LRD06), o fusível máximo que pode ser utilizado é de 4 A. E, assim, como o fusível dimensionado foi o de 4 A, a coordenação foi atendida. Disjuntor motor: é um dispositivo que apresenta uma solução completa composta por proteção magnética (curto circuito) e proteção de sobrecarga (térmica). O disjuntor motor pode ser instalado diretamente com o contator, sendo que algumas soluções aplicam uma combinação do disjuntor com o relé térmico. O dimensionamento do disjuntor motor é simples, necessitando somente ter uma faixa de corrente igual ou superior à corrente nominal do motor que está sendo protegido. No exemplo que utilizamos, a corrente do motor de 0,98 A leva à seleção do modelo GV2ME05 (SCHNEIDER, 2012), que possui faixa de ajuste de 0,63 A a 1 A e está representado na Figura 25. Figura 25 - Disjuntor motor GV2ME05 da Schneider Elec- tric / Fonte: Schneider Electric ([2020], on-line). De uma maneira simples, como podemos explicar a diferença funcional entre o fusível e o relé tér- mico? O fusível atua na proteção contra correntes de alta intensidade e de curta duração, como as correntes de curto circuito. Já os relés térmicos atuam na proteção de correntes com valores um pouco maiores do que o valor nominal dos dis- positivos e que perduram por intervalos relativa- mente maiores de tempo. Todas estas informações referentes aos dispo- sitivos de comando e proteção permitem que o engenheiro no seu dia a dia consiga dimen- sionar corretamente os dispositivos para apli- cações industriais. Mais especificamente no caso dos comandos elétricos, nos quais há uma grande quantidade de componentes, conhecer o funcionamento de cada um destes componentes e saber como di- mensioná-los, habilita os profissionais técnicos na condução de projetos, instalação e manutenção de comandos elétricos. Os componentes de comando e de pro- teção que atuam diretamente com base no valor da corrente nominal da carga, mais especificamente dos motores elé- tricos, precisam ser dimensionados com base na corrente nominal do motor. As- sim como foi o caso do dimensionamen- to do contator, fusível, relé térmico e do disjuntor motor. 129 M A P A M E N TA L Nesta unidade, proponho a você, aluno(a), criar um resumo sobre os componentes de comando e de proteção que discutimos no decorrer da unidade e, a seguir, trago minha proposta de implementação, em que relacionei cada elemento discutido com um símbolo para ser utilizado em diagramas de comando. Figura 26 - Elementos de comando e proteção com simbologia. Fonte: autor. 1 2 3 5 64 1 2 3 5 64 1 2 3 5 64 K 14 13 14 13 130 M A P A M EN TA L A G O R A É C O M V O C Ê 131 Vamos focar nossos exercícios na fixação dos principais conceitos relativos ao dimensionamento dos dispositivos de comando e proteção. Para os exercícios propostos a seguir, vamostrabalhar com um motor com os seguintes dados: Motor trifásico com potência de 5 HP, alimentado em 220 V com corrente nominal de 14,1 A, IV polos, fator Ip/In de 8,3 com fator de serviço de 1,25 operando em regime AC3. Vamos utilizar como referência o catálogo de contatores e relés térmicos do fabricante WEG (2020), disponível no link a seguir: https://static.weg.net/medias/downloadcenter/h85/ha8/WEG- contatores-e-reles-de-sobrecarga-termico-panorama-geral-50040226-pt.pdf. 1. Dimensionar um contator para o acionamento do motor, com conexão direta na rede elétrica. 2. Dimensionar o relé térmico, com encaixe mecânico apropriado ao contator dimensionado e com faixa de ajuste apropriada para proteção do motor. 3. Dimensionar o fusível para a aplicação, sabendo que o tempo de partida do motor é de 5 segundos. 4. Verificar se o fusível dimensionado atende o fusível máximo que pode ser utilizado com o con- tator e com o relé térmico. 5. Dimensionar um disjuntor motor para a aplicação. Utilizar o catálogo de disjuntores do fabricante WEG (2020): https://static.weg.net/medias/downloadcenter/h1b/h43/WEG-disjuntores-motores- -linha-mpw-50009822-catalogo-portugues-br-dc.pdf 6. Para o contator auxiliar representado abaixo, qual a numeração dos contatos? A2 A1 NO NONC NC NO NONC NC https://static.weg.net/medias/downloadcenter/h85/ha8/WEG-contatores-e-reles-de-sobrecarga-termico-panorama-geral-50040226-pt.pdf https://static.weg.net/medias/downloadcenter/h85/ha8/WEG-contatores-e-reles-de-sobrecarga-termico-panorama-geral-50040226-pt.pdf https://static.weg.net/medias/downloadcenter/h1b/h43/WEG-disjuntores-motores-linha-mpw-50009822-catalogo-portugues-br-dc.pdf https://static.weg.net/medias/downloadcenter/h1b/h43/WEG-disjuntores-motores-linha-mpw-50009822-catalogo-portugues-br-dc.pdf C O N FI R A S U A S R ES P O ST A S 132 1. O dimensionamento do contator para o acionamento do motor pode ser efetuado com a utilização da equação [1]: I Acontator = =1 1 14 1 15 51, * , , E, assim, conforme apresentado no catálogo, podemos utilizar uma contatora modelo CWC016 ou CWB18 que atendem à faixa de corrente. Vou adotar o modelo CWB18 por se uma solução mais robusta. 2. Neste caso, o fator de serviço do motor for é maior que 1,15, e a corrente de ajuste do relé térmico vai ser de = 1,25 vezes a corrente nominal do motor, ou seja, 1,25 * 14,1 = 17,625. Conforme catálogo técnico, escolhemos um relé modelo RW27-2D com faixa de ajuste de 15 a 23 A. 3. Utilizando as curvas da Figura 23 dimensionamos os fusíveis, marcando no eixo horizontal o valor de 8,3 * 14,1 = 117,03 A e no eixo vertical 5, observando que as escalas dos eixos são logarítmicas e o valor de corrente é marcado aproximadamente: Fonte: Weg (2017, p. 26). Conforme pode ser observado, o valor dimensionado para o fusível ficou entre as curvas de 25 e 35 A, e assim adotamos o valor superior de 35 A. C O N FI R A S U A S R ES P O ST A S 133 4. Conforme dados fornecidos no catálogo do fabricante o fusível máximo para o contator CWB18 é de 35 A e para o relé RW27-2D na faixa selecionada é de 50 A. E, assim, o fusível de 35 A dimensionado atende à coordenação entre os componentes. 5. O dimensionamento do disjuntor motor toma como base a corrente nominal do motor protegido assim, a corrente nominal do motor sendo de 14,1 A, podemos selecionar o Disjuntor-Motor Termomagnético MPW18 com Proteção Contra Sobrecarga e Curto-Circuito, e faixa de ajuste de 10 a 16 A, código MPW18-3-U016. 6. Verificamos na sequência que temos um contato aberto, dois contatos fechados e um contato aberto. Assim vamos numerar cada contato aberto com terminação 3-4 e cada contato fechado com terminação 1-2, ainda, vamos seguir uma numeração sequencial começando em 1 e indo até 4. A2 A1 NO NONC NC NO NONC NC 13 21 31 43 14 22 32 44 R EF ER ÊN C IA S 134 COEL. Temporizador multifunções. Disponível em: https://www.coel.com.br/wp-content/uploads/2016/10/ BWM-02-430x430.jpg. Acesso em: 28 out. 2020. FESTO. Sensor indutivo SIEN. [2020]. Disponível em: https://www.festo.com/cat/pt-br_br/data/TRB/7DBE- 309F4AFD4206BAD14992A21727A8.jpg. Acesso em: 28 out. 2020. FESTO. Sensor de pressão SPAU. [2020]. Disponível em: https://www.festo.com/rep/pt-br_br/assets/ SPAU_17615u_1_240px.jpg. Acesso em: 28 out. 2020. LAMB, F. Automação Industrial na Prática. Tradução de Antonio Pertence Júnior. Nova Iorque: McGraw Hill: 2015. METALTEX Final de curso. Disponível em: https://www.metaltex.com.br/assets/img/produtos/fm1.jpg. Acesso em: 28 out. 2020. METALTEX. Sinalizadores LED 22 mm. Disponível em: https://www.metaltex.com.br/assets/img/produtos/ l20-ar-grupo_20191206172009NuZaA0zInx.png. Acesso em: 28 out. 2020. PHOENIX CONTACT. Torre de sinalização. [2020]. Disponível em: https://dam-mdc.phoenixcontact.com/ image/156443151564/15ca013ef3d625088044d58179448e59/-S672x672-C621x621%2C899%2C44-S672x- 672-FPNG. Acesso em: 28 out. 2020. PHOENIX CONTACT. Relé de Acoplamento. [2020]. Disponível em: https://www.phoenixcontact.com/assets/ images_ed/global/web_content/pic_con_a_0062934_int.jpg. Acesso em: 27 out. 2020. SCHMERSAL. Botões e Sinaleiros. [2020]. 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Guia essencial TeSys para proteção e controle de motores. São Paulo: [s. n.], 2012. Disponível em: https://download.schneider-electric.com/files?p_enDocType=Catalog&p_File_Name=- Guia+Essencial+TeSys+2012.pdf&p_Doc_Ref=Guia+Essencial+TeSys+2012.Acesso em: 28 out. 2020. SCHNEIDER ELECTRIC. Relé térmico modelo LRD06. [2020]. Disponível em: https://download.schnei- der-electric.com/files?p_Doc_Ref=PB108236&p_File_Type=rendition_1500_jpg. Acesso em: 29 out. 2020. SIEMENS. Fusível do tipo Diazed. [2020]. Disponível em: https://ferramentasgerais.vteximg.com. br/arquivos/ids/234300/Fusivel-Tipo-D-Retardado-2A-500V-5SB2-11---BR3-5SB211---Siemens.jp- g?v=636735971464570000. Acesso em: 29 out. 2020. SIEMENS. Elementos para montagem de um fusível Diazed. [2020]. Disponível em: https://assets.new. siemens.com/siemens/assets/api/uuid:f86a0520-1851-4bd5-8ef1-f8b18b195995/width:640/quality:high/no- va-abertura-fusiveis.jpg. Acesso em: 29 out. 2020. WEG. 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Estas lógicas podem ser implementadas tanto em circuitos de comandos puramente elétricos quanto em circuitos eletropneumáticos. Podem também ser utilizados como analogia no desen- volvimento de lógicas, utilizando controladores lógicos programáveis (CLPs). 138 UNICESUMAR Até este momento de nosso curso, conhecemos uma série de teorias no campo da eletricidade e diversos componentes elétricos/eletrônicos que são utilizados no contexto residencial/comercial/industrial. Agora, já pensando como um profissional da área, você, estudante, poderá aprofundar os conceitos relativos à lógica de comandos. Entretanto, especificamente no contexto industrial, você consegue imaginar como vamos “conectar” os diferentes componentes para criar aplicações de maior complexidade, assim como são os comandos elétricos? Você sabia que quando utiliza uma escada rolante ou um elevador, ambos são acionados por um motor elétrico, que, consequentemente, precisa de um acionamento elétrico para sua correta energização? Então, mesmo antes de estudar este tópico sobre comandos elétricos, você já os uti- lizou, provavelmente sem saber da importância que possuem em nosso cotidiano. Um dos equipamentos que é acionado por comando elétrico é a correia transportadora, que pode ter um comando simples tanto para ligar quanto para desligar o equipamento, o que poderá ser feito por meio botões ou realizar monitoramento por controladores e dispositivos de segurança. Para conhecermos melhor este equipamento e como ele funciona, vamos assistir o vídeo https://youtu.be/1ZENB4wfiG8. Depois de assistir ao vídeo, vamos pensar um pouco sobre o que você viu e refletir sobre as seguintes questões: Qual a relação entre o equipamento correia transportadora e os comandos elétricos? Você conse- guiu identificar a presença de um motor elétrico nas correias transportadoras? Como eles são acionados? Faça uma anotação em seu diário de bordo explicando como um motor que aciona uma correia transportadora é acionado. D IÁ R IO D E B O R D O https://youtu.be/1ZENB4wfiG8 139 UNIDADE 6 Nesta unidade, vamos discutir sobre algumas lógicas básicas, utilizadas em comandos elétri- cos. Estas lógicas servem tanto para um comando puramente elétrico ou para comandos de eletropneumática, por exemplo. As duas lógicas básicas que vamos utilizar são a retenção elétrica, também conhecida como “selo”, e o intertravamen- to elétrico. A retenção elétrica permite que a bobina (de um relé ou de um contator) per- maneça energizada por meio da utilização dos contatos au- xiliares que estão no corpo do próprio dispositivo (relé ou contator). A Figura 1 mostra um circuito típico de retenção. Figura 1 - Circuito de retenção Fonte: autor. No circuito da Figura 1, temos a presença de dois dispositivos principais: o botão de coman- do ou botoeira “B1” e o contator “K1”. O botão B1 é do tipo pul- B1 K1 A1 A2 1414 K1 1313 sante e NA como indica sua terminação 3 – 4. Assim, a função do botão B1 é energizar a bobina do contator K1 quando for acionado. Entretanto, quando o botão B1 não estiver mais sendo acionado, a bobina do contator seria desenergizada. E, por isso, é utilizado em paralelo com o botão B1 um contato NA (terminação 3 – 4) do contator K1. Assim, quando a bobina de K1 é energizada, seu contato NA comuta, fechando um caminho para que o sinal elétrico seja fornecido à própria bobina. E, consequentemente, a bobina vai permanecer energizada ou “retida” por meio da ação do seu contato NA, que “sela” o contator. A Figura 2 traz o diagrama elétrico associado com as conexões correspondentes no corpo do contator e no botão de comando. Figura 2 - Circuito de retenção com demonstração da conexão nos elementos de comando / Fonte: autor. K1 A1 A2 B1 14 13 K1 14 13 140 UNICESUMAR Como podemos modificar o diagrama da Figura 3 para evitar que, acionando simul- taneamente os botões B1 e B2, somente K1 ou K2 seja acionada? A retenção elétrica será utilizada posteriormente quando desen- volvermos o digrama de uma partida direta de motores. Ainda, ela pode ser utilizada como lógi- ca básica para desenvolver outras lógicas de maior complexidade. Outra lógica amplamente utilizada em comandos elétri- cos é o intertravamento, que se refere a um esquema de co- mando em que duas situações não podem ocorrer simulta- neamente. Por exemplo, va- mos supor que há uma esteira acionada pelo motor “M1”, que é comandado pelo diagrama apresentado na Figura 3. Conforme o diagrama da Figura 3, vamos interpretar queo contator K1 vai acionar o motor elétrico no sentido de giro horário, e o contator K2 vai acionar o motor elétrico no sentido anti-horário. O diagrama de força (ou potência) correspondente está apresentado na Figura 4. Na Figura 4, podemos observar que o motor utilizado é trifásico, e que as conexões de saída nos contatores realizam a inversão entre duas fases, o que provoca a inversão do sentido de giro de um motor trifásico. Outro detalhe importante é que, caso os contatores K1 e K2 forem energizadas simultanea- mente, haverá um curto circuito entre as fases “L1” e “L2”. E, assim, precisamos recorrer à utilização do intertravamento elétrico para garantir que somente um contator ou o outro irá ser acionado. B1 K1 A1 A2 1414 K1 1313 13 13 B2 K1 A1 A2 1414 K2 K1 3 M M1 -X U1 V1 W1 PE 2 4 6 K2 2 1 3 5 64 1 3 5 L1 L2 L3 PE Figura 4 – Diagrama de potência correspondente ao Cir- cuito de comando da Figura 3 / Fonte: autor. Figura 3 - Circuito de comando com dois acionamentos. Fonte: autor. 141 UNIDADE 6 Vamos utilizar contatos auxiliares do tipo NF para impedir o acionamento dos contatores da seguin- te forma: um contato NF de K1 vai impedir que K2 possa ser acionada quando K1 já tiver sido acionada. E para K1 não ser acionada se K2 estiver acionada, utilizamos um contato NF de K2. Esta lógica está implementada na Figura 5. Conforme apresentado na Figura 5, podemos observar que, ao acionar o contator K1, o seu con- tato NF vai abrir, impedindo assim que K2 possa ser acionado. Da mesma forma, se acionarmos K2, o contato NF de K2 vai comutar impedindo que K1 possa ser energizado. Um segundo exemplo sobre intertravamento está apresentado na Figura 6, na qual os contatores K1, K2 e K3 só podem ser acionados nesta ordem. Figura 6 - Acionamento em “cascata” dos contatores K1, K2 e K3. Fonte: autor. B1 K1 A1 A2 1414 K1 1313 13 13 B2 1414 K2 11 12 K2 K1K2 A1 A2 11 12 Figura 5 - Diagrama de comando da figura 3 com o inter- travamento implementado. Fonte: autor. A retenção ocorre sempre que utilizamos um “pulso” para realizar um acionamento, e o componente acionado consegue se manter acionado mesmo após o pulso. Já o intertrava- mento ocorre sempre que um acionamento foi “impedido” ou permitiu que um segundo acionamento ocorresse. B1 K1 A1 A2 1414 K1 1313 13 13 B2 1414 K2 11 12 K2 K1 K2 A1 A2 13 14 B2 1414 K2 K3 A1 A2 13 14 13 13 142 UNICESUMAR O circuito da Figura 6 apresentou uma botoeira do tipo NF junto ao circuito de intertravamen- to. Qual a função desta botoeira no circuito? O que vai acontecer quando ela for acionada? Na Figura 6, podemos verificar que, se tentarmos energizar o contator K2 por meio do botão B2 antes de acionar K1, o acionamento não irá ocorrer, pois antes da bobina de K2, há um contato NA de K1. Da mesma forma, se tentarmos acionar K3 antes de acionar K2 e K1, o acionamento não irá ocorrer. E, dessa forma, obrigatoriamente a sequência de acionamento entre os 3 contatores é K1 – K2 – K3. Se o botão B0 for pressionado K1 será desenergizada e, consequentemente, seu contato NA retorna ao estado aberto desenergizando K2, que vai desenergizar K3. Este tipo de acionamento é utilizado, por exemplo, para garantir que diferentes etapas de um processo só possam ser acionadas em uma determinada sequência. Na Figura 7, estão representadas 3 esteiras, em que a esteira 1 na parte superior recebe material do silo 1 e vai depositar material na esteira 2 logo abaixo dela, e a esteira 2 deposita material na esteira 3 que deposita material no silo 2. Figura 7 - Processo industrial com transporte por esteiras / Fonte: autor. 2 1 3 SILO 1 SILO 2 143 UNIDADE 6 Desta forma, é importante que exista entre essas 3 esteiras um acionamento em cascata, que acione as esteiras na ordem: esteira 3 – esteira 2 – esteira 1. Pois se a esteira 3 parar de operar por algum motivo, e as esteiras 1 e 2 permanecerem acionadas, o material depositado na esteira 3 vai começar a acumular e transbordar. Da mesma forma, se a esteira 2 parar de funcionar, a esteira 1 precisa parar, para evitar que o material depositado na esteira 2 comece a transbordar. E este fluxo de processo pode ser projetado utilizando o intertravamento elétrico dos componentes de acionamento dos motores das esteiras seguindo a lógica necessária ao processo. Observa-se, também, que se a esteira 1 parar de funcionar, as esteiras 2 e 3 podem continuar em funcionamento, sem problemas no processo. Assim, o esquema proposto na Figura 6 poderia ser utilizado para o acionamento das esteiras, com o motor da esteira 3 sendo acionada por K1, o motor da esteira 2 sendo acionada por K2 e o motor da esteira 1 sendo acionada por K3. Ainda, é possível adicionar outros dois botões que permitam desligar individualmente cada acionamento de contator. Neste podcast trago para vocês um panorama sobre a aplicação das lógicas de comando, tanto no contexto dos comandos elétricos como em um contexto geral, indicando que a lógica elétrica pode ser utilizada em outros contextos, como a programação de Contro- ladores Lógicos Programáveis e na eletrônica digital. Para expandir a análise sobre lógica de comandos, vamos introduzir temporizações em nossos exemplos. Assim, desejamos acionar um motor (conectado pelo contator K1) através de um pulso em um botão de comando, com o motor permanecendo energizado por 5 segundos sendo desligado automaticamente pelo comando após este tempo. A proposta de implementação para este circuito está apresentada na Figura 8. Conforme podemos observar na Figura 8, quando acionamos B1 o contator K1 é acionado e retido, com a energização simultânea da bobina do temporizador T1, que possui a função de retardo na energização e deve ser configurado para temporizar por 5 segundos. Assim, passados 5 segundos da energização da bobina de T1, o contato NF (15-16) comuta, desligando o caminho elétrico de retenção da bobina de K1 e, consequentemente, desligando auto- maticamente o circuito. B1 K1 A1 A2 14 K1 1313 A1 A2 T1 14 T1 16 15 Figura 8 - Acionamento temporizado. Fonte: autor. https://apigame.unicesumar.edu.br/qrcode/3440 144 UNICESUMAR Nesta unidade, trago para vocês um experimento utilizando um contator e montando um pequeno comando no qual o contator é energizado por meio de um contato NF do próprio contator. Vocês irão verificar no vídeo o efeito deste comando, que é uma brinca- deira didática conhecida como “metralhadora elétrica”. As lógicas desenvolvidas ele- tricamente, como no caso dos comandos elétricos industriais, podem ser implementadas tam- bém em outros áreas do conhe- cimento, assim como é o caso da eletrônica digital, programação de Controladores Lógicos Pro- gramáveis e programação de computadores com linguagens de alto nível como JAVA e C. Para relacionar as lógicas elétricas com a eletrônica digi- tal, vamos utilizar o conceito de tabela verdade, que é uma forma de mostrar como a saída de um circuito lógico depende de suas entradas (TOCCI, 2019). Assim, para uma porta AND temos a seguinte tabela verdade: A B S 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Tabela 1 - tabela verdade da porta AND / Fonte: autor. Esta tabela indica que, para as duas estradas A e B, a saída S só será acionada quando A e B es- tiverem acionadas. Eletricamen- te podemos interpretar a lógica AND como a associação série dos elementos de entrada. O circuito representado na Figura 9 im- plementa eletricamente a lógica AND, com a função das entradas sendo realizadas pelas botoeiras “A” e “B” e a saída do sistema im- plementada na bobina “S”. Conforme lógica AND, va- mos considerar que a chave não acionada representa zero e chave acionada representa “1”. Assim a saída do sistema seria “1” quando as chaves “A” e “B” forem pressionadas simultaneamente e consequentemente a bobina “S” será energizada. Assim como a lógica AND, todas as lógicas básicas podem ser im- plementadas eletricamente, assimcomo a OR a NOT a NAND, dentre outras. Relacionar estas lógicas com um circuito elétrico permite ao projetista expandir sua capacidade de projetar lógicas de comando. Como exemplo, vamos analisar um projeto de comando e trans- formá-lo em uma tabela verdade. Vamos supor que temos um motor “M” que deve ser acionado sempre que os botões de comando “B1” e “B2” forem acionados simultaneamente ou, ainda, quando o final de curso F1 for acionado. A tabela verdade abaixo traz todas as possibilidades de acionamento para o motor “M”: 13 A1 A2 14 13 14 A B S Figura 9 - Lógica AND implementada eletricamente / Fonte: autor. https://vimeo.com/475345129/c97403a81c 145 UNIDADE 6 F1 B2 B1 M 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 Tabela 2 - Tabela verdade para o motor “M” / Fonte: autor. Conforme podemos analisar na tabela, sempre que o final de curso está acionado o motor também está acionado. Já quando o final de curso não está acionado, a lógica depende somente dos botões, que atuam conforme a lógica AND. A interpretação da tabela mostra que o motor estará acionado se (B1 AND B2) OR F1 estiverem acionados. Ou seja, o acionamento do motor depende de uma associação série dos botões, e esta asso- ciação série vai estar em paralelo com o final de curso. O circuito que realiza esta lógica está representado na Figura 10, observando que, neste caso, a bobina foi nomeada como “M”, indicando que ela seria responsável por energizar o motor. Figura 10 - Implementação elétrica da lógica (B1 AND B2) OR F1. Fonte: autor. 13 A1 A2 14 13 14 B2 M 13 14 B1 F1 Uma aplicação cotidiana que pode ser implementada por um comando elétrico é o controle de abertura e fechamento de um portão de garagem, ou similar- mente de uma porta automática. Claro que estes dispositivos por questões de custo e praticidade atualmente são comercializados em formato de placas eletrôni- cas dedicadas. A título didático, porém, va- mos criar um circuito totalmente elétrico para desempenhar esta função. O nosso controle de por- tão será realizado utilizando dois botões de comando: B1 para co- mandas a abertura e B2 para co- mandar o fechamento do portão. Serão utilizados também duas chaves de fim de curso: FCA – para indicar que o portão está aberto e FCF - para indicar que o portão está fechado. 146 UNICESUMAR A teoria sobre pneumática e eletropneumática é um tópico que pode exigir um maior aprofundamento caso o profissional técnico atue nes- ta área. Para aqueles que se interessarem por se aprofundar neste tópico recomendo a leitura do livro Automação pneumática: projeto, dimensionamento e análise de circuitos do autor, Arivelto Bustamante Fialho. (FIALHO, 2011). Ainda, serão utilizados um temporizador de retardo na ener- gização e um botão com retenção para habilitar ou desabilitar o comando temporizado para fechamento do portão. O circuito de comando proposto está apresentado na Figura 11. Figura 11 - Comando elétrico para abertura e fechamento de um portão. Fonte: autor. Conforme podemos observar na Figura 11, o botão B1, ao ser acio- nado, permite a energização de KA que deve energizar o motor no sentido de giro para abrir o portão. KA permanece retido até o mo- mento em que o portão atingir a posição que indica sua abertura, e neste instante o FCA (NF) desliga o comando. Ao mesmo tempo, o FCA (NA) vai fechar, e se a chave A/M (Au- tomático/Manual) que habilita/desabilita o comando automático do portão estiver acionada, a bobina do temporizados será energizada. Após o tempo programado, será gerado um pulso que vai energizar KF, que vai energizar o motor conectado de forma a fechar o portão. Este 13 A1 A2 14 B1 13 13 67 13 13 14 12 11 KA FCA A1 A2 14 B2 12 11 KF FCF 68 T0 KF 14 FCA 14 13 14 A1 A2 T0 A/M comando permanece energizado até o momento em que o portão fecha, quando FCF desliga o co- mando. Ainda, o fechamento do portão pode ser realizado ma- nualmente através de B2, se o portão estiver configurado para trabalhar no modo manual! Os comandos elétricos não servem somente para acio- namento de motores, sendo bastante utilizados também em outras áreas da automação como é o caso de acionamentos eletropneumáticos. No caso de acionamentos eletropneumáticos, os coman- dos elétricos projetados vão garantir por exemplo que a sequência de acionamento dos atuadores pneumáticos seja atendida. Como exemplo, va- mos trazer uma situação em que um atuador pneumático de simples ação e com retorno por mola precisa ser acionado por um botão de comando. 147 UNIDADE 6 Quando o botão de comando for acionado, o atuador deve avançar, permanecer na posição por 3 segundos e recuar automaticamente após este tempo. A sequência pneumática seria descrita como A+ para o avanço e A- para retorno do atuador (neste caso nomeado como atuador “A”). Este acionamento é típico de máquinas industrias, em que o atuador pode direcionar um componente em uma esteira ou prensá-lo. Os atuadores pneumáticos são acionados fisicamente por meio de ar comprimido, direcionado por válvulas pneumáticas/eletropneumáticas. As válvulas são dispositi- vos que ao receberem um impulso pneumático, mecânico ou elétrico permitem a passagem do ar comprimido para acionar os atuadores (FIALHO, 2011). O comando para efetuar a sequência de acionamento proposta para o atuador está representado na Figura 12. Figura 12 - Comando elétrico para acionamento eletropneumático / Fonte: autor. Conforme pode ser observado na figura, quando o botão B1 for pressionado, K1 vai energizar e reter, ao mesmo tempo que a solenoide da eletroválvula que comanda A+ é energizada. Assim, o atuador avança e o sensor magnético a1 é ativado energizando a bobina do temporizador e dando início a temporização. Ao final do tempo programado, o temporizador comuta seu contato NF que interrompe a retenção desligando o circuito e o atuador retorna à posição inicial por efeito de mola. Todas as lógicas de comando apresentadas nesta unidade são amplamente utilizadas em projetos de comandos elétricos utilizados na indústria, como as partidas de motores elétricos, utilizadas em comandos de talhas, pontes rolantes, correias transportadoras. Você, como futuro(a) engenheiro(a), poderá, ainda, utilizar as lógicas discutidas nesta unidade como base para projetar outros acionamentos, utilizando-os com Controladores Lógicos Programáveis para resolver problemas de automação industrial. A1 A2 14 B1 14 56 55 K1 T0 A1 A2 T0 A1 A2 13 13 1a1 K1 2 A+ A+ A 1 3 2 50% 50% a0 a1 148 M A P A M EN TA L Nesta unidade, discutimos sobre comandos elétricos, focando em duas lógicas básicas chamadas retenção ou selo e o intertravamento. Sugiro que você, estudan- te, faça uma anotação sobre estas duas lógicas para gravá-las. Abaixo trago uma pequena sugestão no formato de um quadro resumo. Figura 13 - Resumo das principais lógicas de comando Fonte: o autor Lógica Retenção Exemplo Função Intertravamento Retenção + Intertravamento Permite que um único pulso acione uma bobina, que vai permanecer retida por meio de um contato NA que pertence ao dispositivo ( relé ou contator) da próproa bobina. Permite que duas ou mais bobinas não possam ser acionadas simultaneamente, ou que um acionamento dependa de um outro acionamento anterior. A união destas duas lógicas básicas permite o desenvol- imento de de comandos elétricos de maior complexi- dade que implementam lógicas mais elaboradas. B1 K1 A1 A2 1414 K1 1313 13 13 B2 1414 K2 11 12 K2 K1K2 A1 A2 11 12 B1 K1 A1 A2 1414 K1 1313 B1 K1 A1 A2 1414 K1 1313 12 11 B01 1313 12 11 B02 B2 1414 K2 K2 A1 A2 K1 13 14 A1 A2 T0 T0 K1 A1 A2 1468 K3 1367 12 11 B03 149 M A P A M EN TA L A G O R A É C O M V O C Ê 150 1. Os comandos elétricos possuem duas lógicas básicas que são utilizadas: a retenção e o intertra- vamento. Qual sua compreensão sobreestes termos? Como são utilizados? 2. Com relação ao circuito apresentado abaixo, é correto afirmar que a função da chave final de curso é desligar o comando após ele ter sido ativado pelo botão B1? Figura 14 - Circuito de intertravamento Fonte: o autor 3. No circuito apresentado abaixo, o contator K1 aciona um motor trifásico no sentido horário, enquanto o contator K2 aciona este mesmo motor no sentido anti-horário. O contator K1 é acio- nado por meio do botão B1 e o contator K2 é acionado quando o sensor indutivo SI1 detectar um objeto. Qual modificação pode ser realizada neste circuito para evitar que K1 e K2 sejam acionados simultaneamente, causando um curto entre fases no acionamento do motor? Figura 15 - Circuito de intertravamento / Fonte: o autor A1 A2 B1 13 14 12 K1 FC 13 K1 14 11 A1 A2 B1 13 14 K1 K1 14 13 131 A1 A2 SI1 14 K2 K2 24 A G O R A É C O M V O C Ê 151 4. No circuito que foi apresentado na Atividade 3, qual modificação é necessária para permitir que o operador possa desligar manualmente o comando a qualquer momento? 5. Uma empresa precisa acionar 3 motores: M1, M2 e M3 e a seguinte lógica precisa ser seguida: o motor M2 só pode ser acionado se M1 estiver acionado, e o motor M3 liga automaticamente 3 segundos após M2 ter sido acionado. Ainda, cada motor pode ser desligado individualmente sem depender de qualquer intertravamento com os outros motores. Os motores partem diretamente e são acionados pelos contatores K1, K2 e K3. Você, como engenheiro do projeto, foi designado para desenvolver uma proposta de comando elétrico para implementar esta lógica. 6. Você é o responsável técnico por criar o comando para uma máquina de estampagem, que fun- ciona com dois atuadores pneumático X e Y. O atuador X prensa a peça no molde e o atuador Y faz a estampagem na peça fixada. Desta forma, é necessário que exista um botão de comando que quando for acionado realize o ciclo X+Y+Y-X-. Os dois atuadores são de simples ação com retorno por mola. Uma representação do equipamento está na figura abaixo: Figura 16 - Dispositivo com atuadores pneumáticos / Fonte: o autor X+ X 1 3 2 50% 50% x0 x1 Y+ Y 1 3 2 50% 50% y0 y1 C O N FI R A S U A S R ES P O ST A S 152 1. A retenção elétrica se refere a um comando que permite que uma bobina permaneça energizada através da utilização dos contatos auxiliares que estão no corpo do próprio dispositivo a que pertence a bobina. É utilizada quando há a necessidade de gerar um sinal como um pulso de um botão, que vai ser momen- tâneo, e garantir que o elemento energizado permaneça energizado. Já os intertravamentos são estruturas criadas com contatos auxiliares que habilitam ou não o acionamento de bobinas. São utilizados por exemplo para evitar que duas bobinas possam ser acionadas simultanea- mente para evitar um curto entre fases. 2. Não, pois a chave final de curso não está no caminho que vai interromper a retenção elétrica. Seria neces- sário modificar a posição do final de curso se fosse desejado que ele desligasse o comando, assim como apresentado na figura abaixo: Figura 17 - Circuito de intertravamento com a chave final de curso deslocado / Fonte: o autor. 3. A forma mais simples de evitar o acionamento simultâneo de duas ou mais bobinas é utilizando o conceito de intertravamento elétrico, que, para o caso deste circuito, pode ser implementado utilizando contatos do tipo normal fechado de cada uma das bobinas no caminho de energização da bobina contrária, assim como representado na figura a seguir: Figura 18 - Circuito com intertravamento implementado / Fonte: o autor. A1 A2 B1 13 14 12 K1 FC 13 K1 14 11 A1 A2 B1 13 14 K1 K1 14 13 131 A1 A2 SI1 14 K2 K2 24 C O N FI R A S U A S R ES P O ST A S 153 4. Atividade 4 – Basta adicionar um botão do tipo NF no ramo de energização do circuito. Na proposta repre- sentada na figura abaixo quando o botão B0 for acionado, todo o circuito será desenergizado. Figura 19 - Circuito de intertravamento com botoeira para desenergização / Fonte: o autor. 5. O comando elétrico proposto está representado na figura abaixo: Figura 20 - Circuito de acionamento sequencial de motores / Fonte: o autor. A bobina de K1 (que energiza M1) é acionada diretamente pela ação do botão B1. Já a bobina de K2 só será energizada se K1 estiver energizada, devido à presença do contato NA de K1 antes da bobina de K2. E, quando K2 é energizada, a bobina do temporizador T0 é energizada simultaneamente, e após 3 segundos K3 será energizada. Qualquer um dos motores pode ser desligado pelo acionamento dos botões B01, B02 e B03. A1 A2 B1 14 K1 K1 14 A1 A2 14 K2 K2 2 B0 12 11 13 13 131SI1 K2 11 12 K1 11 12 A1 A2 B1 14 K1 K1 14 B01 12 11 13 13 A1 A2 B2 14 K1 K2 14 B02 12 11 13 13 K2 T0 A1 A2 14 13 A1 A2 B9 14 K1 K3 68 B03 12 11 67 13 C O N FI R A S U A S R ES P O ST A S 154 6. O comando elétrico proposto está representado na figura abaixo: Figura 21 - Comando eletropneumático para acionamento da máquina de estampagem / Fonte: o autor. É possível verificar no comando proposto que ao acionarmos o botão B1, a bobina K1 energiza e retém o circuito ao mesmo tempo que a solenoide X+ é acionada. Quando o atuador X avança, seu sensor magné- tico x1 é ativado, energizando o solenoide Y+, que aciona o sensor y1 ao avançar. Assim, o contator K2 é acionado e, consequentemente, o solenoide Y+ é desenergizado, retornando por mola e dando condição para que seu sensor y0 possa acionar K3 que desenergiza K1 e, consequentemente, desenergiza também o solenoide X+. Assim, o atuador X recuar por mola e encerra desliga o comando com o sensor x0 dese- nergizando K2 e K3. A1 A2 B1 K1 14 13 14 K1 K3 12 11 A1 A2 A1 A2 K2 13 12 11 X+ Y+ x1 1 2 A1 A2 x0 K2 y1 1 2 1 2 14 K2 13 A1 1 2 A2 y0 K3 13 R EF ER ÊN C IA S 155 FIALHO, A. B. Automação pneumática: projeto, dimensionamento e análise de circuitos. 7. ed. São Paulo: Érica, 2011. TOCCI, R. J. Sistema Digitais: princípios e aplicações. Tradução de Jorge Ritter. 12. ed. São Paulo: Pearson, 2019. 156 M EU E SP A Ç O 7 OPORTUNIDADES DE APRENDIZAGEM Chaves de partida por contator (direta, estrela- triângulo, compensadora) Me.Taiser Tadeu Teixeira Barros Nesta unidade, vamos utilizar as lógicas que aprendemos para criação de comandos elétricos na partida de motores. Os motores elétricos trifásicos de indução apresentam valores consideráveis de corrente durante sua partida e precisam utilizar um método de partida para reduzir esta corrente. Dentre os métodos disponíveis, estaremos conhecendo a partida direta, a partida estrela triângulo e a partida compensadora. 158 UNICESUMAR Na unidade passada, estudamos uma série de lógicas de coman- do e a forma de empregá-las em comandos elétricos industriais. E como vamos utilizar essas lógicas para criar comandos funcionais que servem para o acionamento de cargas, como os motores elétricos de indu- ção? Você consegue relacionar a teoria dos comandos com as especificações dos motores? Qualquer equipamento que utilize um motor elétrico vai apresentar um pico de consu- mo durante sua partida, seja a sua máquina de lavar roupas, seja o portão da sua garagem, e esse efeito é maior para uma maior potência do motor. Desta forma, como o am- biente industrial utiliza mo- tores de potências elevadas, é necessário utilizar métodos de partida para os motores. Uma analogia simples que podemos utilizar para com- preender o que acontece du- rante a partida do motor elétri- co é observar a partida de um automóvel. Se monitorarmos a tensão da bateria, que fica na faixa dos 12,5 V, ela tem uma queda de tensão, chegando em valores próximos de 10,5 V durante a partida do motor. Se você possuir um multiteste, pode fazer esta medição. 159 UNIDADE 7 D IÁ R IO D E B O R D O O procedimento desta mediçãoé apesentado neste vídeo: https:// www.youtube.com/watch?v=kpthzVUkFZA. A queda de tensão apre- sentada pela bateria ocorre porque, no momento da ignição, a ba- teria precisa fornecer a energia necessária para o motor de partida, da mesma forma que um motor industrial de alta potência solicita energia da rede de alimentação. Para acessar, use seu leitor de QR Code. Qual a semelhança entre a queda de tensão que ocorre na bateria automotiva e o que ocorre na rede de alimentação de uma indústria quando partimos um motor elétrico de grande potência? Faça uma anotação em seu diário de bordo explicando como um motor elétrico afeta a rede de alimentação durante sua partida! https://www.youtube.com/watch?v=kpthzVUkFZA 160 UNICESUMAR Maiores detalhes sobre cada um dos tipos de partida recomendados para cada uma das faixas de potência pode ser verificado na Tabela 13 (p. 80) do documento GED – 13: http://sites.cpfl.com.br/documentos- tecnicos/GED-13.pdf. Recomendo também que você verifique qual a concessionária de energia de sua região para saber quais são os parâmetros utilizados com relação à partida de motores elétricos industriais. Para acessar, use seu leitor de QR Code. Os motores elétricos representam uma grande parcela das cargas elétricas industriais, sendo estimado que são responsáveis por 70 a 80% do consumo de energia elétrica das indústrias (FRANCHI, 2008). Dada a grande quantidade de motores presentes em uma indústria, é importante que a forma como são acionados e os efeitos destes acionamentos sejam monitorados. Assim, um consumo mais eficiente de energia pode ser obtido. O ideal para um motor elétrico trifásico com rotor de gaiola é que sua partida seja direta, por meio de contatores, porque, dessa forma, ele pode consumir toda a potência necessária para vencer a inércia mecânica. Entretanto, os motores de potência elevada geram picos de corrente na rede que, consequentemente, vão causar uma elevada queda de tensão na rede de alimentação, causando interferência nos demais equipamentos alimentados pela mesma rede. O pico de corrente gerado pelo motor pode ser previsto utilizando o fator Ip/In, assim, exemplifi- cando para um motor de 10 HP, 2 polos, trifásico, alimentado em 220 V, a corrente nominal é de 25 A e o fator Ip/In é 7,2. Ou seja, a corrente de partida deste motor será de 25 x 7,2 = 180 A. Ainda, devido ao pico de corrente apresentado, os cabos e contatores deverão ser capazes de suportar a corrente de partida e, assim, os dispositivos da chave de partida precisam ser sobredimensionados, acarretando em elevados custos de instalação. As concessionárias de energia, para garantir que o sistema de alimentação elétrica não seja afetado pela partida direta dos motores, definem critérios que exigem que os motores utilizem um determinado sistema de partida em função da potência do motor. Como exemplo, o documento GED-13 da CPFL indica que os motores com potência inferior a 5 CV em 127/220 V e a 7,5C V em 220/380 V podem utilizar o sistema de partida direta. Já na faixa até 25 CV devem ser utilizados os sistemas de partida indireta manual: estrela-triângulo, série-paralelo, compensadora ou com resistência/reatância de partida. Ou ainda, para potências até 50 CV, devem ser utilizados os sistemas de partida indireta au- tomática: estrela-triângulo, série-paralelo, compensadora, com resistência/reatância de partida, soft-starter ou inversor de frequência. http://sites.cpfl.com.br/documentos-tecnicos/GED-13.pdf 161 UNIDADE 7 Sistema de partida direta: carac- teriza-se por conectar o motor di- retamente na rede de alimentação, utilizando uma chave manual ou por meio de um contator coman- dado eletricamente. A partida di- reta se configura como o método de partida de motores mais sim- ples (MAMEDE FILHO, 2017). Sempre que possível deve ser o sistema de partida utilizado, pois proporciona ao motor toda a potência de que ele necessita. Entretanto, à medida que a potên- cia aumenta, os picos de corrente acabam inviabilizando sua utili- zação. Na Figura 1 é apresentado um modelo de chave manual tri- fásica do tipo “LIGA/DESLIGA”. Figura 1 - Chave elétrica trifásica sim- ples de sobrepor Fonte: Lombard ([2020], on-line)1. Este tipo de chave manual reali- za uma conexão do motor com a rede, quando a chave muda de posição por ação manual (neste caso, um operador muda a ala- vanca da chave de posição). Ainda é uma solução empregada em muitas empresas de pequeno porte, por ser simples e com baixo índice de manutenção. Este tipo de chave, porém, não pode ser desarmado automaticamente e, do ponto de vista de segurança, representa um risco. Vamos imaginar que um operador aciona uma serra de bancada com este tipo de chave, e que a serra estava em operação normal quando desligou devido à uma queda no fornecimento de energia. Se o operador não realizar o desligamento da chave, quando a energia voltar a serra irá voltar a funcionar, o que poderia causar um acidente de trabalho. Desta forma, utilizar uma partida direta com comando elétrico apresenta a vantagem do comando se desligar automaticamente no caso de uma queda de energia ou se um dispositivo de proteção atuar. Os diagramas de comando e de potência/força de uma partida direta estão representados na Figura 2. Figura 2 - Diagramas de comando e de potência/força de uma partida direta / Fonte: autor. É possível observar no diagrama de comando que é utilizada a lógica de retenção e que adicionalmente há um botão NF para desligar o comando. Ainda, o comando pode ser desligado com a abertura do fusível ou do contato NF (95 – 96) do relé térmico (FT). No diagrama de potência, é possível observar que o motor foi co- nectado em triângulo (fases conectadas nos terminais 1-2-3 e terminais 4-5-6 em curto). Assim, se considerarmos que a rede é trifásica 380 V, + F0 1 2 95 96 11 12 13 14 13 14 K1 K1 I A1 A2 COMANDO POTÊNCIA/FORÇA FT B0 B1 1 1 2 3 3 4 5 5 1 3 5 6 2 4 6 2 4 6 PE L3 L2 L1 F 123 K1 FT -M M 3 4 5 6 1 2 3 PE 162 UNICESUMAR o motor necessitaria de um enrolamento 220/380 V (Δ - Y) ou 380/660 V, por exemplo, para permitir sua conexão direta com a rede disponibilizada. Esta proposta com fusíveis e relé de sobrecar- ga é bastante usual, representando uma solução que, geralmente, tem um custo inferior à solução com disjuntor motor. Uma segunda proposta de circuito de comando para a partida direta está apresentada na Figura 3. Esta proposta utiliza um disjuntor motor termomagnético, o qual incorpora a proteção térmica (protegendo o motor no caso de uma sobrecarga) e proteção mag- nética (protegendo no caso de um curto-circuito). Figura 3 - Diagramas de comando e de potência/força de uma partida direta com proteção por disjuntor motor / Fonte: o autor. Conforme diagrama da Figura 3, a única alteração com relação ao diagrama apresentado na Figura 2 é que a proteção do motor agora é realizada pelo disjun- tor motor em substituição aos fusíveis e ao relé térmico. Dessa forma apresentada na Figura 3, porém, o circuito de comando só possui a proteção por fusível e, assim, se o disjuntor motor atuar por efeito de sobrecarga ou de curto circuito, o con- tator permanecerá energizada. O ideal é utilizar no circuito de comando um contato auxiliar (NA) acoplado ao disjuntor mo- tor e, caso ele atue, o circuito será desligado, assim como representado na Figura 4. Figura 4 - Diagrama da Figura 3 com contato NA do dis- juntor motor agregado ao comando Fonte: autor. Os blocos auxiliares utilizados nos disjuntores motores podem ser acoplados na lateral ou na parte superior do disjuntor. Na Figura 5, apresen- ta-se um bloco que pode ser acoplado na parte superior do disjuntor. Figura 5 - Bloco auxiliar para disjuntor motor / Fonte: Tra- montina ([2020], on-line)2. + F0 1 2 11 12 13 14 13 14 K1 K1 I A1 A2 B0 B1 1 3 5 1 3 5 2 4 6 2 4 6 1 2 3 PE L3 L2 L1 K1 Q1 M 3 4 5 6 PE > > > + F01 2 11 12 13 14 13 13 14 14 Q1 K1 K1 I A1 A2 B0 B1 1 3 5 1 3 5 2 4 6 2 4 6 1 2 3 PE L3 L2 L1 K1 Q1 M 3 4 5 6 PE > > > 163 UNIDADE 7 As chaves de partida são tipos de comandos elétricos amplamente empregados na indústria e, dessa forma, é comum que os fabricantes as forneçam como sendo um produto integrado, com todos os componentes necessários para sua instalação. Outra variação da partida direta é a partida direta com reversão, que é um comando em que podemos partir o motor elétrico trifásico em ambos os sentidos de giro. Para inverter o sentido de giro de um motor elétrico trifásico, basta realizar a inversão das fases de alimentação em quaisquer duas fases do motor. A Tabela 1 mostra um exemplo, no qual a primeira conexão supõe que o sentido de giro do motor é o horário, e os demais seguem a lógica da inversão. Fases Sentido de giro R S T horário R T S anti-horário S R T anti-horário S T R horário T R S horário T S R anti-horário Tabela 1 - Inversão do sentido de giro para motores trifásicos de indução / Fonte: o autor. Para conhecer alguns modelos de partidas disponibilizadas, reco- mendo verificar o catálogo de partidas WEG (https://static.weg.net/ medias/downloadcenter/h97/h5e/WEG-guia-de-selecao-de-partidas- -50037327-manual-portugues-br.pdf), que vai trazer a partida direta nos formatos apresentados anteriormente e utilizando também outros recursos como relés inteligentes. Outros modelos de partida também são apresentados, como a partida estrela triângulo e compensadora. Para acessar, use seu leitor de QR Code. Já verificamos na unidade anterior o procedimento para inverter o sentido de giro de um motor elétrico trifásico. Você está lembrado? https://static.weg.net/medias/downloadcenter/h97/h5e/WEG-guia-de-selecao-de-partidas-50037327-manual-portugues-br.pdf 164 UNICESUMAR É importante observar que essa inversão de fases pode ser realizada tanto para o motor conectado em estrela (Y) como para o motor conectado em triângulo (Δ). A Tabela 2 mostra duas conexões possíveis, observando que, para um motor de 6 pontas, a conexão triân- gulo/delta é realizada unindo-se os terminais 1-6, 2-4 e 3-5 com cada uma das fases conectadas em uma destas uniões e para a conexão estrela, são unidos os terminais 4-5-6 e as fases são conectadas nos terminais 1, 2 e 3. Tabela 2 - Inversão do sentido do giro em conexões estrela (Y) e triângulo (Δ) / Fonte: o autor. Ainda com relação à inversão do sentido de giro, os motores monofásicos possuem uma dinâmica de inversão diferente, possuindo conexões específicas para a inversão. A Tabela 3 traz um exemplo de conexão comum para motores monofásicos alimentados em dupla tensão (127 V/220 V), com o esquema de conexão para cada tensão e inversão do sentido de giro. Tabela 3 - Inversão do sentido do giro para motores de indução monofásicos / Fonte: o autor. Tipo de conexão EstrelaSequênciadas fases RST SRT Sentido de giro Horário Anti-horário Delta R S T 4-5-6 3 2 1 S R T 4-5-6 3 2 1 R S T 1-6 2-4 3-5 S R T 1-6 2-4 3-5 Tensão de alimentação 110 Volts 220 Volts Sentido de giro Horário Anti-horário L1 N 1 3 3 2 2 4 L2 4 5 L1 1 5 6 L1 N 1 3 2 4 5 6 L1 L2 1 3 2 4 5 66 165 UNIDADE 7 Uma vez discutida a forma de como inverter o sentido de giro dos motores, vamos verificar o comando elétrico para efetuar a partida direta com reversão. A Figura 6 traz os esquemas de comando e de força/ potência utilizando como elemento de proteção o disjuntor motor termomagnético. Figura 6 - Partida direta com reversão / Fonte: autor. Conforme Figura 6, podemos observar que neste comando são disponibilizados dois botões B1 e B2, com cada um deles habilitando um contator que vai energizar o motor de forma a gerar o giro no sentido horário ou anti-horário. O botão B0 permite desligar o comando para qualquer sentido de giro acionado e, adicional- mente, há um intertravamento elétrico entre os contatores K1 e K2 para evitar um curto entre fases caso os dois sentidos sejam acionados si- multaneamente. Convém observar que os fabricantes disponibi- lizam para a partida direta com reversão, dois con- tatores acopladas em um mesmo bloco, possuindo intertravamento mecânico. Um modelo com con- tatores integrados mecanicamente do fabricante Schneider Electric está apresentado na Figura 7. Figura 7 – Bloco de contatores com intertravamento mecâ- nico / Fonte: Schneider Electric ([2020], on-line)3. + F0 1 2 11 12 13 14 11 12 14 13 13 13 14 14 14 K2 K1 K1 K1 K2 I A1 A2 B0 B1 Q1 B2 1 3 5 1 3 5 2 4 6 2 4 6 1 2 3 PE L3 L2 L1 K2 Q1 M 3 4 5 6 PE > > > 13 11 12 K2 A1 A2 1 3 5 2 4 6 K1 166 UNICESUMAR Neste podcast trago para vocês uma discussão sobre a análise de viabilidade de utilização de partidas utilizando contatores em re- lação a utilizar outros componentes de automação. Analisando a relação custo benefício e a possibilidade de integrar estas partidas em contextos tecnológicos assim como o da indústria 4.0. O dimensionamento da partida direta é simples, bastando di- mensionar cada um dos componentes, tanto de proteção quanto de comando e potência: fusíveis, contatores, relés e disjuntores. Sistema de partida estrela-triângulo ou Y-Δ: nesta partida os termos estrela e triângulo se referem diretamente ao tipo de ligação realizado nos enrolamentos do motor. Como indicado no nome da partida, o motor inicialmente é conectado em estrela e posteriror- mente ao atingir a velocidade apropriada é conectado em triângulo. Ao partir em estrela, o conjugado e a corrente de partida são reduzidos a 1/3 dos valores nominais e assim o motor só poderá acionar cargas que solicitem um conjugado inferior ao conjugado da ligação em estrela (LAMB, 2015). Com o baixo conjugado de partida, o sistema Y-Δ é mais ade- quado para cargas que partem em vazio. Exemplos de cargas que utilizam a partida estrela-triângulo são as bombas hidráulicas, prensas, esteiras e ventiladores. A partida Y-Δ consiste em energizar o motor conectado em estrela, manter esta conexão por um tempo suficiente para que o motor acelere pelo menos até 90% da velocidade nominal e en- tão comutá-lo para a conexão Δ. Para utilizar um motor com este sistema de partida, é funda- mental que a tensão de fecha- mento Δ do motor seja corres- pondente à tensão nominal da rede de alimentação. Por exemplo, no caso de uma rede de alimentação trifásica 220 V, será necessário utilizar um motor com enrolamento 220/380 V (Δ/Y), ou seja, parti- mos o motor em estrela com o enrolamento configurado para receber uma tensão de 380 V, porém alimentado em 220 V. A utilização deste tipo de bloco com intertravamento mecânico conforme apresentado na Figura 7 aumenta ainda mais a segurança da partida direta no sentido de evitar um possível acionamento simultâneo dos contatores, o que causaria um curto circuito entre as fases de alimentação. https://apigame.unicesumar.edu.br/qrcode/3441 167 UNIDADE 7 Assim, esta redução de tensão vai garantir a redução da corrente de partida. Após o motor atingir a velocidade necessária, comutamos para triângulo, em que ele estará configurado para receber 220 V de alimentação e conectado em 220 V. Da mesma forma, vamos supor a instalação de um motor em uma rede trifásica 380 V. Assim, será necessário utilizar um motor com enrolamento 380/660 V (Δ/Y). Com este motor, vamos garantir que, ao comutarmos para Δ, o motor estará configurado para receber 380 V e alimentado em 380 V. A Figura 8 traz o esquema de comando de uma partida estrela triângulo, utilizando como compo- nentes de proteção fusíveis e relé térmico. Figura 8 - Partida estrela - triângulo / Fonte: o autor. 1 3 5 1 3 5 2 4 6 2 4 6 4 5 6 1 3 5 1 2 3 PE 1 3 5 1 3 5 2 4 6 PE L3 L2 L1 2 4 6 2 4 6 K1 K2 K3 FT1 F123 M 3 + F0 1 2 14 14 15 13 13 13 14 14 24 T1 K1 K1 I A1 A2 A1 A2 B1 K3 13 23 95 96 FT1 11 12 B0 T1 K1 K3 A1 A2 K218 12 11 25T1 K2 K2 A1 A2 K3 28 12 11 É importante observar que o esquema de comando proposto na Figura 8 utiliza um temporizador com um par de contatos, que são comutados entre si com um delay de 100 ms. Este atraso de tempo evita a possibilidade de existência de um curto circuito durante a comutação de estrela para triângulo. Este tipo de temporizador com este atraso de 100 ms e contatos duplos é um modelo específico conhecido como temporizador estrela-triângulo. Um modelo de temporizador estrela-triângulo comercializado pela empresa Digimec está representado na Figura 9. Figura 9 - Temporizador estrela - triân- gulo / Fonte: Digimec ([2020], on-line)4. 168 UNICESUMAR Nesta unidade, vamos verificar uma ferramenta on-line disponi- bilizada pelo fabricante WEG para o dimensionamento dos com- ponentes de chaves de partida. A vantagem em utilizar uma dessas ferramentas do ponto de vista didático é poder verificar se dimensionamos corretamente os componentes de uma partida e do ponto de vista prático/profissio- nal agilizar a escolha de componentes em um projeto. Assim como no caso da partida direta, o dimensionamento da partida estrela-triângulo é simples, bastando dimensionar os compo- nentes de proteção, potência e comando conforme corrente solicitada. Partida Compensadora ou Compensada: nesta partida, utiliza-se um autotransformador com derivações (taps) normal- mente de 65% e 80% (são comuns também os taps de 50% e 90%), sendo utilizada em partidas de motores de alta potência sob car- ga empregados em britadores, calandras, compressores, grandes ventiladores, laminadores, bombas e correias transportadoras (MAMEDE FILHO, 2017). A ideia é partir o motor com a tensão reduzida fornecida pelo autotransformador e, depois que o motor atingir a velo- cidade necessária, pelo menos 80% da velocidade nominal, alimentar o motor diretamente com a tensão da rede (RODRI- GUES; RÊGO SEGUNDO, 2015). A corrente de partida é reduzida por um fator proporcional ao quadrado do fator de redução do tap de derivação, assim, por exemplo, para taps de 65% e 80% os fatores de redução na corrente de partida seriam, respectivamente, de 0,652 = 0,42 e 0,802 = 0,64. A Figura 10 traz o esquema de comando de uma partida compensa- dora, utilizando como componentes de proteção fusíveis e relé térmico. https://vimeo.com/475345131/c6ca6044b0 169 UNIDADE 7 No comando da Figura 10, ao acionar B1, K1 faz o fechamento do transformador e K3 alimenta o transformador que, consequentemente, alimenta o motor com a tensão do tap selecionado. Após a temporização, K1 e K3 são desenergi- zados e K2 alimenta o motor diretamente com a tensão da rede de alimentação. Na partida compensadora, o motor fica ener- gizado durante toda a partida, reduzindo, assim, os picos de corrente entre comutações. O dimensionamento da partida compensadora tem como ponto crítico o autotransformador. Ele deve ser dimensionado conforme o número de partidas por hora previsto para o equipamento, pois o autotransformador aquece durante a par- tida e, se não for respeitado o tempo mínimo para que se resfrie, poderá ser danificado. + F0 1 2 14 13 13 T1 K1 I A1 A2 A1 A2 B1 1 3 5 1 1 2 3 5 1 3 5 2 4 6 4 5 6 1 3 5 1 2 3 PE 2 4 6 2 4 6 PE L3 L2 L1 13 K323 95 96 FT1 11 12 B0 K2 K2 K2 K1 K2 K3K1 12 11 12 11 T1 K1 22 21 16 18 15 13 14 14 31 14 FT1 F123 M 3 K1 A1 A2 K3 A1 A2 24 32 23 24 K2 K3 23 24 2 4 6 K1 TRAFO 2 4 6 K2 4 5 7 8 1 3 5 Figura 10 - Partida compensadora / Fonte: o autor. É comum que o autotransformador venha equi- pado com um termistor instalado em seu enrola- mento, e este termistor é utilizado como um item no comando da partida, impedindo que ela seja aciona- da, caso o autotransformador esteja sobreaquecido. O conhecimento dos sistemas de partidas uti- lizando contatores permite ao engenheiro deci- dir qual o melhor método a ser empregado para cada tipo de carga, podendo decidir por soluções simples, como as partidas com contatores, ou por soluções mais completas, como é o caso da utiliza- ção de soft starters e/ou inversores de frequência. Uma vez que os motores correspondem à maioria das cargas elétricas instaladas industrial- mente, as chaves de partida e demais componentes de partidas de motores circuitos são amplamente utilizados em quadros de comandos industriais. 170 M A P A M EN TA L Nesta unidade, discutimos sobre os tipos de partidas de motores com contatores. Sugiro que vocês criem um quadro resumo com as características principais de cada chave apresentada. Trago para vocês um exemplo com algumas características que selecionei no texto da unidade, conforme Quadro 1. Tipo de partida Tipo de carga acionada Redução na corrente de partida DIRETA Qualquer tipo de carga, sendo a melhor partida para o mo- tor, porém limitada à determinada faixa de potência conforme concessionárias de energia. Não há redução, o motor vai atingir um pico de corrente determinado pelo fator Ip/In especificado. ESTRELA-TRIÂNGULO Equipamentos que partem em vazio, prati- camente sem carga assim como os ventila- dores axiais. A corrente é reduzida a 1/3 do seu valor nominal. COMPENSADORA Equipamentos com cargas consideradas "pesadas" assim como os britadores. A corrente é reduzida confor- me o quadrado do fator de redução do tap de derivação utilizado. Como exemplo, para uma tap de 80% temos uma redução de 0,64 na cor- rente de partida. Quadro 1 - Características das chaves de partida com contatores Fonte: o autor. A G O R A É C O M V O C Ê 171 1. Faça uma modificação no comando da partida direta com reversão apresentada na Figura 6, de forma que a reversão possa ser efetuada pelo acionamento de qualquer um dos botões de comando B1 ou B2 instantaneamente. Ou seja, se o motor estiver girando no sentido acionado por B1, e B2 for acionado, o motor troca imediatamente de sentido (e vice-versa) sem a necessidade de desligar o comando por B0. E B0 continua com a função de desligar o comando. 2. Para realizar a inversão do sentido de giro do motor, assim como proposto na atividade 1, é necessário que a aplicação do motor permita esta ação e que o motor suporte este tipo de ciclo de trabalho. Geralmente em aplicações em que há uma carga com grande inércia acoplada ao motor, é ne- cessário que ele primeiramente pare totalmente seu movimento, para que possa ser acionado no sentido de giro inverso. Sua tarefa agora é projetar um comando de partida direta com reversão que só permita ao co- mando inverter o sentido de giro do motor após 5 segundos do seu desligamento. 3. Um engenheiro recém-formado efetuou a instalação de uma partida Y- Δ em uma rede trifásica 380 V e utilizou um motor com enrolamento 220/380 V (Δ/Y). Ele relatou que o motor partiu normalmente, porém, após o tempo programado para a comu- tação, o motor queimou. Qual a explicação para o motor ter queimado? 4. Para o comando proposto para a partida estrela-triângulo conforme apresentado na Figura 8, foi utilizado um temporizador específico do tipo estrela-triângulo. Em determinados casos, quando este tipo de temporizador não está disponível, é comum a utilização de um temporizador do tipo retardo na energização. Faça uma proposta de comando para a partida estrela-triângulo, utilizando o temporizador do tipo retardo na energização. A G O R A É C O M V O C Ê 172 5. Um engenheiro foi contratado para prestar consultoria em uma empresa em que estava instalada uma partida do tipo estrela-triângulo em um motor de 50 CV acionando um britador. O cliente explicou ao engenheiro que, mesmo com a instalação da chave de partida, ele estava pagando valores referentes aos picos de consumo do motor. O engenheiro fez algumas medições na chave e verificou que o motor de 4 polos estava partindo em estrela e comutando para triângulo quando atingia aproximadamente 500 RPM de velocidade. Por que mesmo com a chavede partida instalada, o motor apresentava picos de corrente na partida? 6. Uma empresa efetuou algumas modificações em sua linha de fabricação e precisou substituir o motor de acionamento de uma correia transportadora. O engenheiro responsável pelo projeto verificou que a correia transportadora utilizava um motor trifásico de indução de 5 CV, o qual era acionado por uma chave estrela triângulo. Entretanto, ela não estava funcional, conforme relato dos operadores. Assim, o engenheiro verificou junto à concessionária de energia que motores até 10 CV pode- riam partir diretamente na empresa, já que ela possuía uma subestação própria e, dessa forma, indicou a substituição da chave estrela-triângulo por uma de partida direta. Qual seu parecer técnico sobre a decisão do engenheiro? C O N FI R A S U A S R ES P O ST A S 173 1. Para modificar o comando da partida direta com reversão de forma a permitir que que possamos acionar um dos sentidos de giro imediatamente, podemos utilizar uma solução simples, adicionando contatos do tipo NF nas botoeiras de acionamento e instalar estes contatos no caminho de acionamento da bobina a ser desligada, conforme apresentado na Figura a1. Assim, por exemplo, se K1 estiver acionada e pulsarmos B2, K1 é desenergizada e imediatamente K2 é energizado. + F0 1 2 13 13 I 13 13 11 12 13 14 Q1 B0 11 12 B2 11 12 A1 A2 K2 K1 B1 K1 14 14 11 12 B1 11 12 A1 A2 K1 K2 B2 K2 14 14 Figura a1 - Proposta de solução para a atividade 1 / Fonte: o autor. C O N FI R A S U A S R ES P O ST A S 174 2. Para garantir que o motor só possa ser acionado após 5 segundos do seu desligamento, utilizamos um temporizador (retardo na energização) no comando, assim como apresentado na Figura a2. O temporizador será acionado sempre que uma das botoeiras de comando B1 ou B2 for acionada, e so- mente após sua temporização é que o contator auxiliar K4 vai liberar a energização de K1 ou K2. Ainda, sempre que este comando for desligado, será necessário aguardar pelo menos 5 segundo para que um dos sentidos de giro do motor seja acionado. + F0 1 2 13 13 I 13 23 2313 13 14 67 68 11 12 13 14 Q1 B0 11 12 13 14 K2 K4 A1 A2 K1 B1 K1 14 14 11 12 23 24 K1 K4 A1 A2 K2 B2 K2 14 14 A1 A2 K3 B1 B2 K3 24 24 A1 A2 K4 A1 A2 T1 T1 Figura a2 - Proposta de solução para a atividade 2 / Fonte: o autor. C O N FI R A S U A S R ES P O ST A S 175 3. Devemos lembrar que a tensão Δ do motor utilizado na partida Y – Δ deve coincidir com a tensão da rede de alimentação. Assim, como o motor utilizado possuía um enrolamento 220/380 V (Δ/Y), ele partiu configurado em Y, po- dendo receber 380 V e alimentado em 380 V, ou seja, partindo diretamente. E, ao comutar para a configuração Δ, ele podia receber 220 V, sendo alimentado com 380 V da rede de alimentação e, consequentemente, seu enrolamento queimou por sobretensão. 4. A proposta do comando para a partida estrela-triângulo utilizando o temporizador com retardo na ener- gização está apresentada na Figura a3. Figura a3 - Proposta de solução para a atividade 4 / Fonte: o autor. Conforme podemos verificar no comando proposto, o temporizador de retardo na energização utilizado possui um contato reversível 15-16 (NF)-18(NA). Assim, utilizamos o contato NF para energizar K3 e K1 du- rante a partida em estrela e, ao comutar, o temporizador desenergiza K3 e energiza K2 pelo contato 18 (NA). Importante observar que se mantém o intertravamento entre K2 e K3 para evitar o curto circuito entre fases. + F0 1 2 14 13 T1 K1 K3 K2 I A1 A2 A1 A2 A1 A2 A1 A2 B1 14 K1 13 95 96 FT1 11 12 B0 T1 16 18 11 12 K2 K3 15 11 12 C O N FI R A S U A S R ES P O ST A S 176 5. Primeiramente, um britador é um equipamento que possui uma inércia grande, sendo assim, considera-se que deve utilizar uma partida que possa partir com carga, assim como a compensadora. Desta forma, a chave de partida estrela-triângulo não seria a mais recomendada. Tanto é que, pela medi- ção realizada pelo engenheiro, foi verificado que o motor de 4 polos que possui uma velocidade próxima dos 1800 RPM (desconsiderando o escorregamento) precisaria comutar para triângulo quando atingisse no mínimo 90% de sua velocidade nominal ( algo na faixa dos 1600 RPM), porém estava comutando com apenas 500 RPM. Assim, quando o motor comutava para triângulo, a sua inércia de partida era praticamente a mesma ini- cial, o que leva o motor a consumir uma corrente de partida similar à da partida direta. Seria necessário substituir o sistema estrela-triângulo por uma chave compensadora. 6. A decisão do engenheiro foi correta, pois o motor poderia partir direto em conformidade com as regras da conces- sionária local. E para o motor o sistema de partida direta é o mais indicado sempre que for possível sua utilização. Ainda em termos de custo, esta partida é a que exige menos componentes e, consequentemente, exige menor valor investido. No caso do exemplo, como já existia uma partida estrela-triângulo, é possível que alguns componentes pudessem ser reaproveitados para montagem da partida direta. R EF ER ÊN C IA S 177 MAMEDE FILHO, J. Instalações Elétricas. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2017. FRANCHI, C. M. Acionamentos Elétricos. 4. ed. São Paulo: Érica, 2008. CPFL ENERGIA. GED 13: Fornecimento em Tensão Secundária de Distribuição. Campinas: CPFL, 2020. Dis- ponível em: http://sites.cpfl.com.br/documentos-tecnicos/GED-13.pdf. Acesso em: 31 out. 2020. LAMB, F. Automação Industrial na Prática. Nova Iorque: Mc Graw Hill: 2015. RODRIGUES, C. L. C.; RÊGO SEGUNDO, A. K. Eletrônica de Potência e Acionamentos Elétricos. Rede e-tec Brasil. Ouro Preto: Instituto Federal de Minas Gerais – Campus Ouro Preto, 2015. REFERÊNCIAS ON-LINE# 1Em: http://lombard.com.br/produtos/chaves-eletricas/. Acesso em: 31 out. 2020. 2Em:https://assets.tramontina.com.br/upload/tramon/imagens/ELT/58015451PNM001G.png. Acesso em: 31 out. 2020. 3Em: https://dimensional.vteximg.com.br/arquivos/ids/160345-1000-1000/001.0682.02.pn- g?v=636960248133970000. Acesso em 31 out. 2020. 4Em: http://www.digimec.com.br/_img/_paginas/_gallery/b360c874a3cd61adeed5f594dbd06964.gif. Acesso em 31 out. 2020. http://lombard.com.br/produtos/chaves-eletricas/ https://assets.tramontina.com.br/upload/tramon/imagens/ELT/58015451PNM001G.png https://dimensional.vteximg.com.br/arquivos/ids/160345-1000-1000/001.0682.02.png?v=636960248133970000 https://dimensional.vteximg.com.br/arquivos/ids/160345-1000-1000/001.0682.02.png?v=636960248133970000 http://www.digimec.com.br/_img/_paginas/_gallery/b360c874a3cd61adeed5f594dbd06964.gif 178 M EU E SP A Ç O 8 OPORTUNIDADES DE APRENDIZAGEM Soft Starters e Inversores de Frequência nesta unidade, vamos conhecer dois equipamentos amplamente utilizados na indústria para realizar a partida de motores elétricos: os inversores de frequência e as chaves soft starters. Esses dois equipamentos são uma evo- lução dos sistemas de partidas a contator utilizados na indústria, permitindo um controle mais preciso no momento da partida, controlando grandezas como a tensão, a corrente e a frequência do motor. As soft starters são utilizadas especificamente para partir e frenar os moto- res elétricos. Já os inversores, além de partir e frenar os motores, permitem também controlar a frequência de operação. Me.Taiser Tadeu Teixeira Barros 180 UNICESUMAR Como aceleramos o nosso carro e, consequentemente, controlamos sua velocidade? Para os veículos que utilizam motores a combustão, o acelerador atua de forma a injetar mais combustível no sistema e as explosões internas do motor aumentam. E, para os equipamen- tos que utilizam um motor elétrico, como podemos acelerá-lo e desacelerá-lo e, assim, controlar sua velocidade? Você já experimentou o controle de velocidade em motores elétricos em diversas situações, mesmo que não tenha percebido. Por exemplo, quando utiliza uma escada rolanteou uma esteira rolante, ela apresenta uma velocidade praticamente constante. Isso acontece porque um sistema de controle de velocidade do motor elétrico está em ação. Um experimento simples que nos permite sentir fisicamente o efeito do controle de velocidade em motores elétricos é a utilização de um elevador. Logo após indicarmos qual o andar para o qual iremos nos deslocar, o controle do elevador aciona o motor elétrico que o movimenta. O elevador parte desde uma velocidade zero até uma velocidade calculada para ser a mais efetiva, dependendo de quantos andares ele irá se deslocar. Quando o elevador inicia seu movimento, é possível perceber que ele está acelerando, pois nosso corpo percebe um tipo de “força” atuando, lembrando que Sir Isaac Newton formulou este efeito com sua segunda lei (HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 2016) F = m.a (Força = massa multiplicado pela aceleração). Após alguns segundos, parece que o elevador já não está mais se movendo, isso porque ele já não está mais acelerando e, consequen- temente, com uma velocidade constante e aceleração zero, a força que estava atuando sobre nosso corpo agora tem módulo nulo. Só iremos perceber novamente o efeito da força quando o elevador começar a desacelerar quando for parar no andar desejado. Então, quando você estiver dentro de um elevador, faça esta experimentação de sentir a força imposta ao seu corpo quando o elevador estiver acelerando e desacelerando. Ainda, é possível perceber que, após os primeiros instantes, quan- do o elevador acelerou, a força que sentimos atuando em nosso corpo desaparece. Este fato é devido ao elevador não estar mais acelerando, pois atingiu uma velocidade constante. 181 UNIDADE 8 Então, se você analisou os efeitos físicos ao utilizar o elevador, você conseguiu relacionar o que acontece com um equipamento que está sendo acionado por um motor elétrico com variação de velocidade. E, consequentemente, utilizou um equipamento como o inversor de frequência indus- trial, responsável por gerar os sinais elétricos que comandam o motor que está acoplado ao aparato mecânico que movimentou o elevador. Anote no diário de bordo abaixo suas principais impressões sobre essa experiência. D IÁ R IO D E B O R D O Nas chaves de partida estrela-triângulo e compensadora, conforme estudamos na unidade passada, há um efeito de redução da corrente de partida no motor acionado. O motor permanece, porém, brevemente com uma velocidade reduzida e, em seguida, acaba por atingir sua velocidade nominal. Quando utilizamos chaves de partida eletrônicas, assim como é o caso das soft starters e dos in- versores de frequência, o motor pode ser acelerado/desacelerado no caso de utilização da soft starter e, ainda, ter sua velocidade de rotação controlada, no caso da utilização do inversor de frequência. 182 UNICESUMAR Para compreender o funcionamento das chaves de partida eletrônicas, como as soft starters e os inversores de frequência, é fundamental que tenhamos uma noção sobre os dispositivos semicondu- tores que são utilizados nestas chaves. As chaves eletrônicas de partida utilizam dispositivos semicondutores com 4 camadas (pnpn ou npnp), conhecidos como tiristores (AHMED, 2000), que incluem diversos dispositivos, dentre eles o SCR (silicon controlled rectifier) ou retificador controlado de silício. O SCR é um dos dispositivos pnpn de maior interesse para a eletrônica de potência e, dentre suas principais aplicações, estão as chaves estáticas, inversores e controle de motores (BOYLESTAD, 2013). O termo “chave estática” traz a referência ao fato de que tais dispositivos não possuem partes mó- veis, ao contrário de um contator, que é uma chave eletromecânica e, como já discutimos em unidades anteriores, possui elementos móveis. Como vantagem da utilização de uma chave estática, pode-se citar que elas não geram faiscamento ou desgaste mecânico de contatos. As chaves estáticas permitem ou não a passagem de corrente através de um efeito de condução gerado no substrato semicondutor. Os SCRs, assim como outros tiristores − como os TRIACS e os IGBTs − são utilizados para chavear cargas, e a sequência de chaveamento utilizada, bem como a estrutura do circuito, permitem criar determinadas formas de onda na carga. Na Figura 1 está apresentada uma estrutura típica de um inversor de fonte de tensão, o qual, através do chaveamento coordenado dos SCRs, converte a tensão contínua das fontes em uma tensão quadrada alternada para alimentar a carga. Figura 1 - Estrutura básica de um inversor de tensão Fonte: adaptada de Ahmed (2001, p. 356). A partir de estruturas simples, como a apresentada no circuito da Figura 1, é possível criar circuitos mais complexos que utilizam técnicas como a modulação por largura de pulso (Pulse Width Modulation – PWM) para criar controles precisos, assim como os utilizados em equipamentos como os inversores de frequência (ou conversores) de frequência utilizados no controle de motores. Soft-Starter: utilizam uma ponte de tiristores (SCRs) configurados em antiparalelo, como represen- tado na Figura 2, controlando a tensão da rede com um circuito de potência constituído por 6 SCRs (WEGb, 2005). E E R SRC1 SRC2 D1 D2 – +vO 183 UNIDADE 8 O funcionamento da soft-starter considera que a variação do ân- gulo de disparo dos SCRs faz com que a tensão aplicada ao motor possa ser variada e, consequentemente, possa ser variada também a corrente entregue ao motor. No dia a dia dos técnicos e engenheiros, boa parte dos conceitos técnicos relacionados à utilização de equipamentos como os soft starters e inversores de frequência, são aprendidos na prática ins- talando e “comissionando” estes equipamentos. Figura 2 - SCRs configurados em an- tiparalelo Fonte: adaptada de WEGb (2005). O termo “comissionar” indica que o equipamento está re- cebendo a sua primeira programação, ou uma programa- ção mínima, que vai permitir colocar o equipamento ou o processo em que ele está inserido em operação. Inclusive, muitos manuais de fabricante utilizam o termo “comissionamento rápido”, o qual se refere ao fato de que, com um conjunto mínimo de parâmetros configurados, o equipamento já pode ser operado. Para propiciar uma maior compreensão dos termos técnicos referentes aos soft-startes e aos inversores, serão utilizados manuais de fabricantes indicando quais os parâmetros são utilizados em cada situação técnica específica. Com relação ao soft-starter será utilizado o manual do fabricante Schneider Electric referente ao modelo Altistart 22. Mesmo que diferentes fabricantes possuam algumas funções e características exclusivas em seus equipamentos, há um conjunto de parâmetros comuns que são apresentados na maior parte das soft starters disponibilizadas comercialmente. Dentre estes parâmetros, podemos citar: • Rampa de tensão na aceleração: esta rampa é gerada pela variação do ângulo de disparo dos tiristores, a qual gera uma variação gradual que cresce continuamente até atingir a tensão nominal de alimentação do equipamento. 184 UNICESUMAR No Altistart, o parâmetro disponibilizado para o usuário se chama Tempo de aceleração (ACC). Uma representação deste parâmetro está na Figura 3. Figura 3 – Parâmetro “ACC” – tempo de aceleração para o soft starter Altistart 22 Fonte: Schneider Eletric (2010, p. 51). Conforme apresentado na Figura 3, o parâmetro tempo de aceleração pode ser programada desde 1 até 60 segundos, e o valor padrão que já vem programado de fábrica é de 10 segundos. É importante compreender que o valor determinado no parâmetro dependerá de outros fatores, como inércia da carga conectada ao motor e variações de valores da rede de alimentação. Por exem- plo: em uma determinada situação, o parâmetro de tempo de aceleração pode ter sido programado para 5 segundos, mas, fisicamente, o motor atingiu sua velocidade máxima após 5 segundos e 300 milissegundos. • Rampa de tensão na desaceleração: com esta rampa, a soft-startervai reduzindo a tensão de saída até um valor mínimo, conforme o tempo programado no parâmetro. Com a redução da tensão aplicada ao motor, este perde conjugado e, consequentemente, ocorre um aumento do escorregamento. E com o aumento do escorregamento, o motor perde velocidade, reduzindo também a velocidade da carga. Se o motor perde velocidade, a carga acionada também perde velocidade, até o momento em que vai parar. A rampa de tensão na desaceleração é um recurso fundamental nas soft-starters, pois permite que cargas mecânicas, como as bombas centrífugas, possam ser desativadas sem que ocorram efeitos indesejados, como é o caso do golpe de aríete. No Altistart, o parâmetro disponibilizado para o usuário se chama Tempo de desaceleração “dEC”. Uma representação deste parâmetro está na Figura 4. Tempo de aceleração R/W 1..60s 10s Determina o tempo de subido em rampa de tensão do motor, se Determina o tempo de subida em rampa de conjugado do motor, se for ajustado em OFF. for ajustado em ON. Comando de Run Tempo(s) 1-60s 100% 0 185 UNIDADE 8 Figura 4 – Parâmetro “ACC” – tempo de aceleração para o soft starter Altistart 22. Fonte: Schneider Eletric (2010, p. 51). Conforme apresentado na Figura 4, o parâmetro tempo de desaceleração pode ser programada desde 1 até 60 segundos e o valor padrão que já vem programado de fábrica é “livre” (free), ou seja, neste caso, nenhum tipo de controle é aplicado ao motor, permitindo que, após ser desligado, ele ainda fique em movimento até parar conforme inércia da carga. É fundamental compreender que existe uma relação complexa entre a maioria dos parâmetros disponíveis nos soft starters e inversores. Assim, por exemplo, no modelo Altistart, além dos tempos de aceleração e desaceleração, há parâmetros complementares, como o de fim da desaceleração “EdC”, que é um fator de 0 a 10, o qual vai influenciar na forma como a rampa de tensão de desaceleração é terminada, assim como representado na Figura 5. Figura 5 – Parâmetro “EdC” – fim da desaceleração para o soft starter Altistart 22 Fonte: Schneider Eletric (2010, p. 51). Tempo de desaceleração R/W Livre, 1..60s Determina o tempo de descida em rampa de tensão do motor, se for ajustado em OFF. Determina o tempo de descida em rampa de conjugado do motor, se for ajustado em ON. Tempo de desaceleração Desaceleração por inércia Run Tempo(s) 0-60s 100% % 0 Fim da desaceleração R/W 00..10 Limite para alterar o modo de parada por inércia ao �nal da desaceleração. Desaceleração suave irá terminar quando o conjugado estimado cair abaixo do valor Nota: está inativo quando = . Neste caso, não é utilizado e não é relevante. . Inércia(s) Tempo(s) = 0 Tensão do motor Inércia= 10 Tensão do motor Tempo(s) 186 UNICESUMAR Este parâmetro ainda depende de outra combinação de parâmetros, como do tipo de conexão (parâ- metro “DltA”) que, ao ser configurado “dLt”, automaticamente desabilita o fim da desaceleração “EdC”. Você deve ter percebido que há uma série de parâmetros disponíveis em um equipamento como a soft-starter e que não é um a tarefa muito simples conhecer todos estes parâmetros e compreender o significado de cada um deles! Então, como é que isso ocorre na prática? É um exercício realmente “prático”, ou seja, é ne- cessário fazer uma boa leitura do manual do equipamento, ter uma boa compreensão da aplicação que será realizada e ir testando os diferentes parâmetros que são necessários para cada tipo de aplicação. Resumidamente com relação aos soft-starters, eles são dispositivos empregados em aplicações nas quais não há necessidade de se variar a velocidade dos motores, apenas parti-los. Desta forma, é possível inferir que o soft-starter se comporta de forma similar a uma partida a contator, assim como a estrela-triângulo e a compensadora, no sentido de que serve exclusivamente para a partida do motor. Obviamente, a soft-starter traz uma série de melhorias em relação a uma partida a contator, como a capacidade de partir o motor de forma suave, pará-lo desta mesma forma e, ainda, agregar funções de proteção e monitoramento de grandezas, como a corrente consumida pelo motor. Claro que por ser um dispositivo semicondutor e, consequentemente, agregar funções e exigir um maior número de componentes uma partida soft-starter, vai apresentar em relação a uma partida a contator para a mesma potência um valor agregado maior, sendo sempre necessário avaliar a relação custo benefício da aplicação para escolher entre uma ou outra opção. Dentre os recursos oferecidos pelas partidas soft-starters, destaca-se também a existência dos chamados contatores de by-pass, os quais “desligam” os tiristores após a partida do motor, evitando desgaste prematuro destes componentes e reduzindo o consumo de energia da chave. Com relação ao esquema de conexão do soft-starter, cada fabricante vai trazer uma recomendação conforme seu equipamento. Na Figura 6 está apresentada uma proposta de conexão para a soft-starter Altistart. 187 UNIDADE 8 Figura 6 – Proposta de conexão da soft starter Altistart 22 Fonte: Schneider Eletric (2010, p. 37). Conforme apresentado na Figu- ra 6, temos um esquema de par- tida a 3 fios, em que as duas cha- ves S3 e S4 são utilizadas para o comando de habilitação da soft-starter e S2 aciona o conta- tor de potência de alimentação principal. Deve ser observado que, para cada esquema de liga- ção proposto, a conexão elétrica utilizada precisa ter uma corres- pondência na parametrização da chave. Assim, para garantir o fun- cionamento desta conexão elé- trica que foi proposta, seria ne- cessário, por exemplo, informar que a entrada “L2” da soft-star- ter teria a função de “START”, item que pode ser informado no parâmetro “LI2” do dispositivo, assim como mencionado no manual. Observação: assim como já citei em unidades anteriores, recomendo dentro de sua possibilidade de tempo, que faça uma leitura, mesmo que superficial, nos manuais indicados, para ter uma noção prévia de como um destes equipamentos de automação é planejado para ser parametrizado e instalado. Nesta unidade, vou conversar um pouco com vocês justamente sobre a importância de utilizar um manual do fabricante para nos ajudar na compreensão do funcionamento de equipamentos como a soft-starter e o inversor de frequência. Relatarei para vocês a forma como utilizei estes equipamentos no início de minha jornada profissional e trarei algumas dicas valiosas que poderão auxiliar vocês quando precisarem comissionar uma chave de partida. Inversores de Frequência: são circuitos estáticos que realizam a conversão de uma potência contínua em uma potência alternada com determinado nível de tensão/corrente com esta tensão, tendo uma forma periódica aproximadamente senoidal (AHMED, 2000). O termo inversor de frequência, dependendo do contexto, pode se referir a dois tipos de equipamentos: (a) aqueles que convertem um sinal CC para CA, como nos casos dos inversores utilizados em sistemas fotovoltaicos para converter a tensão CC gerada nos painéis em tensão CA, a fim de ser injetada na rede elétrica; e (b) https://apigame.unicesumar.edu.br/qrcode/3442 188 UNICESUMAR os inversores “industriais”, utilizados para variar a velocidade dos motores elétricos de indução; estes inversores industriais também são denominados conversores de frequência. Observem que, nesta unidade, estamos discutindo especificamente sobre os conversores de fre- quência, os quais são comumente denominados inversores de frequência (que será o termo utilizado no restante do material). Um inversor de frequência industrial possui uma topologia relativamente simples, em que existe um circuito retificador de entrada, seguido por um filtro e, posterirormente, pela seção “inversora”, que realmente converte a tensão retificada novamente em alternada para alimentar o motor (FRANCHI, 2008). A Figura 7 traz uma representação em blocos de um inversor. Figura 7 – Diagrama de blocosde um inversor de frequência industrial Fonte: WEGa (2005, p. 51). A etapa de retificação é realizada por diodos retificadores que realizam uma retificação em onda completa. A seguir, há uma etapa de filtragem onde o principal componente utilizado é um (ou mais) capacitor com capacidade de tensão conforme especificações do equipamento. E, por último, há a etapa de inversão da tensão para alimentar o motor. Na etapa de inversão, os componentes principais utilizados são os IGBTS (Insulated-gate bipolar transistor- transistor bipolar de porta isolada), os quais são dispositivos semicondutores da família dos transistores que mesclam as características de possuir uma baixa queda de tensão, assim como os BJTs, com excelentes características de chaveamento dos MOSFETs (AHMED, 2000). A Figura 8 mostra alguns modelos de IGBTs com diferentes encapsulamentos. Barramento DC Re de d e al im en ta çã o Te ns ão e fr eq uê nc ia fi xa s Retificador Filtro Inversor Unidade de Controle Microprocessada A lim en ta çã o m ot or Te ns ão e fr eq uê nc ia v ar iá ve l 189 UNIDADE 8 Figura 8 - IGBTs. Os IGBTs são os responsáveis pelo chaveamento que vai transformar a tensão contínua em tensão alternada. A tensão alternada gerada é trifásica com defasagem de 120° entre fases. Há um sistema microprocessado responsável pelo controle dos IGBTs que garante, através da mu- dança da frequência de chaveamento, que exista variação na frequência da tensão gerada. O chaveamento do IGBTs é controlado com a técnica de PWM, que basicamente permite amostrar uma onda senoidal de referência e “reconstrui-la” na saída do inversor. A onda reconstruída pode ter a frequência variando com uma resolução de até centésimos de Hertz. Nesta unidade, trago para vocês um vídeo no qual mostro a estru- tura física de um inversor de frequência, identificando as partes principais do equipamento: IHM, conexões de potência e comando e tiristores. Tipos de inversores de frequência: com relação aos tipos de in- versores de frequência industriais disponíveis no mercado, temos os inversores com controle do tipo escalar e inversores com controle do tipo vetorial. O controle escalar utiliza a técnica de controle de V/F constante, ou seja, mantém uma relação constante entre a tensão de alimen- tação e a frequência fornecida ao motor, mantendo constante o torque desenvolvido pelo motor independentemente da velocidade em que estiver atuando. https://vimeo.com/475345148/ac3d28b515 190 UNICESUMAR A formulação básica para explicar matematicamente o controle escalar está nas equações [1] e [2]. X f LL = 2. . .p [1] I V R XL � �2 2 [2] A equação [1] é referente à reatância indutiva XL do enrolamento do motor. A corrente que circula no motor se comporta conforme equação [2], sendo dependente do valor de tensão aplicado, resistência e reatância indutiva do enrolamento do motor. Na faixa de frequência acima dos 30 Hz, o valor da resistência pode ser desconsiderado frente à rea- tância indutiva e assim a corrente será proporcional à tensão de alimentação, à indutância e à frequência. Como a indutância L é uma constante do motor, resta controlar a tensão e a frequência (WEGa, 2005). Assim, para variar a velocidade do motor, deve-se variar a frequência da tensão de alimentação (estratégia de controle “V/F constante”) proporcionalmente com a variação da frequência, obtendo-se no estator uma corrente constante da ordem da corrente nominal do motor. A estratégia V/F constante está representada na Figura 9. Figura 9 - Estratégia V/f constante. Fonte: WEGa (2005, p. 56). Conforme apresentado na Figura 9, a tensão fornecida ao motor só pode aumentar até o valor da rede de alimentação (380 V) que é atingido em 60 Hz e mesmo com o aumento da frequência e, com a tensão não podendo mais aumentar, o motor começa a perder torque. A região acima dos 60 Hz é conhecida como região de enfraquecimento de campo. Ainda, dentro do controle escalar, para frequências inferiores a 30 Hz o valor de resistência do enrolamento não pode mais ser desconsiderado e é necessário utilizar uma estratégia de controle conhecida como compensação I x R. Co rr en te Te ns ão 20 Hz In In In 40 Hz 60 Hz 80 Hz Frequência 380 v 254 v 127 v 191 UNIDADE 8 O controle escalar entrega uma precisão de até 0,5% da rotação nominal para sistemas sem variação de carga, e de 3% a 5% com variação de carga de 0 a 100 % do torque nominal. Inversores que possuem controle escalar são utilizados com motores de indução convencionais sem sistema de realimentação de velocidade em malha fechada e sua faixa de variação de velocidade é pequena, da ordem de 1:10 (Ex: 6 a 60 Hz) e, com estas características, são mais utilizados em sistemas que não requerem alto desempenho. O outro tipo de controle utilizado nos inversores de frequência é o controle vetorial, que recebe este nome pelo fato de que seus processadores de alto desempenho calculam em tempo real a soma vetorial de duas componentes de corrente do motor: (a) corrente de magnetização e (b) corrente produtora de torque. A solução gerada pelo cálculo dos processadores precisa de valores de parâmetros, como o da re- sistência do estator, indutância do estator e indutância de magnetização. O controle vetorial geralmente exige que seja instalado no motor um encoder (tacogerador) que vai fornecer informação de velocidade do motor, permitindo um controle em malha fechada, que gera, consequentemente, maior precisão do acionamento em geral. Este sistema permite o controle da velocidade e torque do motor, sendo a regulação de velocidade na faixa de 0,01% e regulação do torque na faixa de 5% dos valores nominais. Ou seja, com estes valores, é possível concluir que o controle vetorial possui uma dinâmica bem mais precisa que o controle vetorial, e logicamente representa equipamentos que possuem um maior valor agregado tendo um valor comercial maior. Existe uma técnica de controle vetorial sem a utilização dos sensores, assim denominada sensorless, que é superior em desempenho ao controle escalar, porém não atinge os mesmos resultados que o con- trole em malha fechada. A Tabela 1 apresenta uma comparação entre alguns parâmetros apresentados pelas três técnicas de controle de inversores de frequência. Tipo de Controle Parâmetro: Escalar Vetorial Realimentação por encoder Sensorless Regulação de velocidade 0.5% sem variação de carga 3% a 5% com variação de carga 0.01% 0.3% Regulação de torque Não 5% 5% Faixa de variação de velocidade 1:10 1:1000 1:100 Torque de partida Não 200% máx. 150% Torque máximo (não contínuo) Não 200% 150% Tabela 1 – Comparação de desempenhe entre estratégias de controle dos inversores de frequência industriais Fonte: o autor. 192 UNICESUMAR Assim como apresentado, com relação à chave de partida soft-starter, os inversores de frequência possuem parâmetros básicos disponíveis nos equipamentos comercializados pela grande maioria dos fabricantes. Em relação ao soft-starter, o inversor de frequência industrial possui uma quantidade de parâmetros disponíveis bastante superior, dado o fato de que o inversor além de partir, parar e proteger o motor, também permite que exista um controle da velocidade de operação do motor e, assim, disponibiliza parâmetros adicionais que permitem realizar tal controle. Para conhecer alguns dos parâmetros disponibilizados em um inversor de frequência, vamos utilizar como referência o manual técnico do inversor CFW100 do fabricante WEG. Para acessar, use seu leitor de QR Code. A escolha por este modelo justifica-se pois o menu de parâmetros dos inversores WEG traz uma sequência mais simples de ser compreendida por iniciantes quando comparado com outros fabri- cantes que utilizam menus em “árvore” e que exigem um pouco mais de experiencia do usuário para compreender a sistemática de utilização. Assim como a maioria dos manuais de inversores, o manual do CFW100 éum documento técnico denso e com muitas informações técnicas disponibilizadas, e, novamente, assim como já foi recomenda- do em unidades anteriores com relação a outros documentos como as normas, deixo a recomendação para que vocês dediquem um tempo para ler com calma, mesmo que parcialmente este manual ou outro manual de inversor. Esta leitura possibilitará que vocês tenham a compreensão sobre o volume de informações neste tipo de documento técnico e que percebam a necessidade de ter uma boa noção da teoria de funciona- mento do equipamento para que consigam associar os parâmetros disponíveis com o funcionamento desejando do equipamento em determinada aplicação. 193 UNIDADE 8 Para aqueles que nunca operaram um inversor de frequência, o equipamento aparenta ser complexo em um primeiro momento, porém, utilizando poucos parâmetros já é possível pelo menos acionar um motor sem carga. A sequência a seguir é uma sugestão que pode ser utilizada para qualquer modelo de inversor de qualquer fabricante: 1. Sempre comece fazendo uma leitura das instruções de segurança do equipamento, mesmo que você já seja um usuário experiente! 2. Independentemente do modo de operação do equipamento, seja ele local (no equipamento) ou remoto (via barramento de comunicação ou comandos remotos), conhecer a IHM do inversor vai facilitar a sua operação. 3. Busque os parâmetros básicos necessários para comissionar uma aplicação: parâmetros re- ferentes aos dados do motor utilizado e rede de alimentação; parâmetros que determinam o modo de operação (remoto ou local) e parâmetros mínimos para movimentar o motor (rampa de aceleração/desaceleração e referência de frequência). Com relação à operação da IHM, o manual do CFW100 traz uma descrição específica de como ope- rá-la, com a função dos botões e visualização dos parâmetros. A Figura 10 traz uma representação da IHM com a descrição da função de cada uma das teclas. Figura 10 – IHM do inversor CFW100. Fonte: adaptado de Weg (2005a). Para operar a IHM, ela pode estar no modo de inicialização ou no modo de parametrização; neste último, é possível acessar um parâmetro (nível 1) por sua numeração e posteriormente (nível 2) al- terar o valor do parâmetro selecionado. O Quadro 1 traz uma representação de como realizar estas operações descritas. Aumenta (incrementa) a frequência, número do parâmetro ou valor do parâmetro Diminui (decrementa) a frequência, número do parâmetro ou valor do parâmetro Seleciona (comuta) display entre número do parâmetro e seu valor (posição/conteúdo) Habilita/Desabilita o inversor via rampa de aceleração/desaceleração (partida/parada, conforme P229). Reseta o inversor após a ocorrência de falhas 194 UNICESUMAR Quadro 1 – Operação na IHM do inversor CFW100 Fonte: adaptado de Weg (2005b). Com relação aos parâmetros que se relacionam com as características de placa do motor, é importante configurá-los para que o inversor “conheça” sua carga a ser acionada. Principalmente com relação ao modelo CFW100 que estamos utilizando como exemplo, ele precisa definir os dados do motor para garantir a precisão do modo de controle vetorial. Alguns dos parâmetros relacionados aos dados do motor são: P399 – Rendimento do Motor: faixa de valor 50,0 a 99,9%, com valor padrão de fábrica de 67,0%; P400 – Tensão nominal do motor: faixa de valor 0 a 240V, com valor padrão de fábrica de 220 (230)V. Observação: para compreender a complexidade da relação entre os parâmetros, podemos verificar, por exemplo, que este parâmetro P400 pode ter o seu valor padrão modificado através do parâmetro P296 o qual define os valores conforme a Tabela 2. P296 P145 (Hz) P400 (V) 0 Reservado Reservado 1 50,0 TBD 60,0 TBD 2 50,0 230 60,0 220 Tabela 2 - Operação na IHM do inversor CFW100 Fonte: adaptado de Weg (2005a). Modo Inicialização Modo Parametrização É o estado inicial HMI após a energização com sucesso (sem ocorrência de falhas, alarmes ou subtensão). Pressione a tecla para ir ao nível 1 do modo parametrização – seleção de parâmetros. Ao pressionar qualquer outra tecla, também comuta-se para o modo parametrização. Este é o primeiro nível do modo parametrização. O número do parâmetro é exibido no mostrador principal. Use as teclas e para encontrar o parâmetro desejado. Pressione a tecla para ir ao nível 2 do modo parametrização – alteração do conteúdo dos parâmetros. Nível 1: O coteúdo do parâmetro é exibido no mostrador principal. Use as teclas e para ajustar o novo valor no parâmetro selecionado. Pressione a tecla confirmar a modificação (salvar o novo valor). Depois de confirmada a modificação, a HMI retorna para o nível 1 do modo parametrização. Nível 2: Monitoração Parametrização Nível 1 Parametrização Nível 2 195 UNIDADE 8 P401 – Corrente nominal do motor: faixa de valor 0,0 a 10,0 A, com valor padrão de fábrica de 1,4 A; P402 – Rotação nominal do motor: faixa de valor 0 a 9999 RPM, com valor padrão de fábrica de 1720 RPM. P403 – Frequência nominal do motor: faixa de valor 0 a 300 Hz com valor padrão de fábrica de 60 Hz. P404 – Potência nominal do motor: faixa de valores: 0 = 0,16 HP (0,12 kW); 1 = 0,25 HP (0,19 kW); 2 = 0,33 HP (0,25 kW); 3 = 0,50 HP (0,37 kW); 4 = 0,75 HP (0,55 kW); 5 = 1 HP (0,75 kW); com valor padrão de fábrica 2. Observar que nos parâmetros P401 a P403 o usuário vai informar o valor desejado no parâmetro escolhendo o valor dentro da faixa especificada. Já no parâmetro P404 o usuário escolhe um único dígito (0 a 5 no caso) que define o parâmetro. Para operar o inversor, é fundamental verificar o acesso aos parâmetros que é configurado no pa- râmetro P000, que vem liberado (1) como padrão de fábrica, mas pode ser bloqueado inclusive com a possibilidade de aplicação de senha. Para verificar, por exemplo, a frequência de saída atual que alimenta o motor, podemos utilizar o parâmetro de visualização P005. Este parâmetro não possui um valor padrão, ou seja, como é um parâmetro de visualização não pode ser programado. Para um modo simples de operação pela própria IHM, o usuário poderia utilizar o parâmetro P220 que se refere à seleção da fonte local e selecionar “0” para modo sempre local. E, posterirormente, utilizar o parâmetro P221 para indicar qual a fonte de referência para a frequência que será aplicada no motor. Caso este parâmetro seja configurado para “0”, a referência de frequência será dada pelas teclas da IHM. Com relação a parâmetros básicos para operação do inversor, os parâmetros P100 e P101 configuram respectivamente o tempo de aceleração e o tempo de desaceleração do motor, ambos parametrizáveis na faixa de 0,1 a 999,9s e valores padrão de 5,0 segundos e 10,0 segundos. Ainda, ao modificar por exemplo a frequência de saída aplicada ao motor através da utilização das teclas da IHM, é possível definir valores mínimos e máximos de frequência que serão aplicados. Para isso, deve-se utilizar os parâmetros P133 e P134 que definem respectivamente as referências de frequência mínima e máxima. Enfim, poderíamos aqui passar por todos os parâmetros disponibilizados para o inversor em questão e ainda assim seria necessário um bom tempo de estudo para conhecer e compreender todos estes parâmetros. A lição fundamental que deve ser tomada nesta unidade, com relação à forma como trabalhar com os soft starters e com os inversores, é incialmente ter uma noção sobre o funcionamento do equipa- mento e qual sua aplicação. Depois, utilizando o manual do equipamento, conhecer seus parâmetros básicos e a forma como precisam ser relacionados e valores para operação, tendo a ciência de que cada aplicação em particular possui características únicas que utilizam diferentes parâmetros. Um exemplo rápido que mostra a particularidade de cada aplicação pode ser dado: supondo que um cliente em determinada aplicação solicitou que a velocidade do motor pudesse ser selecionada utilizando 2 botões,quando o botão 1 for acionado o motor opera a 20 Hz e quando o botão 2 for acionado o motor opera a 30 Hz. 196 UNICESUMAR Se recorrermos aos parâmetros que já foram explicados, verifi- camos que nenhum deles fala sobre escolher velocidade utilizando botões. Para resolver esta questão, precisaríamos ler o manual do inversor para compreender que este tipo de aplicação é conhecida como multispeed, e que precisa utilizar as chamadas entradas di- gitais do inversor. As entradas digitais recebem sinais “digitais” (neste caso podemos trabalhar com +24V como nível 1) e através da lógica selecionada permitem que o inversor seja controlado. No caso da opção mul- tispeed, seria necessário primeiramente mudar o parâmetro P221 para “8” indicando que a referência local seria multispeed. Posteriormente, seria necessário definir duas entradas digitais para que cada uma delas fosse associada a um dos botões de co- mando definindo qual a frequência associada quando cada um deles fosse acionado. Isto poderia ser feito utilizando os parâmetros P263 e P264 responsáveis por definir respectivamente a função das entradas digitais DI1 e DI2 e parametrizar cada uma delas para “13” indi- cando modo multispeed. Ainda, seria necessário configurar os parâmetros P124 e P125 para definir qual o valor de frequências para as referências multis- peed 1 e 2 respectivamente. O conhecimento dos princípios de funcionamento e operação das chaves soft starters e dos inversores de frequência industriais é fundamental para o engenheiro que atua ou pretende atuar no campo da automação industrial. Estes equipamentos garantem agilidade nos processos de au- tomação, agregando valor, principalmente por aumentarem o de- sempenho e eficiência na utilização e acionamento dos motores elétricos de indução. Nos últimos anos, com a redução no custo de comercialização dos componentes semicondutores, a viabilidade econômica em instalar uma chave de partida eletrônica aumentou e, consequen- temente, aumentou também a demanda por profissionais capazes de projetar sistemas que utilizam estes equipamentos e que estão capacitados a instalar e dar manutenção a eles. Você, como futuro(a) engenheiro(a), precisa conhecer os prin- cípios básicos de funcionamento destes equipamentos para poder recomendá-los em um projeto, analisar a viabilidade econômica ou até mesmo parametrizar/comissionar estes equipamentos a campo em uma aplicação. 197 M A P A M EN TA L Nesta unidade, sugiro para você criar uma referência sobre os parâmetros que foram discutidos sobre o inversor de frequência. A seguir, trago uma sugestão em que coloquei o número e descrição de cada parâmetro apresentado sobre o inversor CFW100. Parâmetro P000 P005 P100 P101 P124 P125 P133 P134 P220 P221 P263 P264 P399 P400 P401 P402 P403 P404 Descrição Acesso aos parâmetros Visualização Tempo Aceleração Tempo Desaceleração Ref. 1 Multispeed Ref. 2 Multispeed Frequência Mínima Frequência Máxima Seleção de fonte local/remoto Seleção da referência local Função da Entrada DI1 Função da Entrada DI2 Rendimento do Motor Tensão nominal do motor Corrente nominal do motor Rotação nominal do motor Frequência nominal do motor Potência nominal do motor Quadro 2 - Descrição dos parâmetros discutidos na unidade Fonte: o autor. Um dado interessante sobre este quadro é que aqui temos 18 parâmetros, de um total de 959 disponíveis para o inversor. Então, se considerarmos que todos estes parâmetros são funcionais, nesta unidade discutimos sobre aproximadamente 2% dos parâmetros disponíveis no manual, apenas. Isto, porém, é um dado apenas demonstrativo sobre o quanto é necessário trabalhar com um mesmo equipamento para dominar a totalidade de funções disponíveis. Mesmo que seja um técnico que trabalhe diretamente com um equipamento des- ses, ele não deve conhecer a totalidade dos parâmetros, já que, como explicado anteriormente, a utilização de alguns parâmetros em especifico somente se faz necessária em aplicações particulares. Outro detalhe importante sobre os inversores é que, geralmente, modelos diferentes de um mesmo fabricante acabam por disponibilizar menus de parametrização muito similares, então, se você conhece um modelo de um determinado fabricante, é prová- vel que consiga utilizar os mesmos parâmetros para outros modelos de equipamento. 198 M A P A M EN TA L A G O R A É C O M V O C Ê 199 1. Nesta unidade discutimos sobre chaves de partida eletrônicas. Com base nos conceitos apresen- tados, em que tipo de situação/aplicação é viável empregar uma partida utilizando uma chave do tipo soft-starter? 2. Uma noção fundamental muito importante para um engenheiro é sobre o princípio de funciona- mento de equipamentos. Do ponto de vista do funcionamento, qual a principal diferença entre um soft-starter e um inversor de frequência industrial? 3. Conforme discutido sobre os soft starters e os inversores industriais, eles utilizam dispositivos semicondutores específicos para seu funcionamento. Qual o dispositivo semicondutor base utilizado respectivamente nos soft starters e nos inversores industriais para acionar os motores de indução? 4. O conhecimento de cada um dos parâmetros disponíveis tanto nos soft starters como nos inver- sores é a base para a utilização correta destes equipamentos em aplicações industriais. Explique qual a função do parâmetro Rampa de tensão na aceleração disponível no soft-starter. 5. Diferentes técnicas de controle são utilizadas nos equipamentos para gerar os efeitos físicos característicos de cada aplicação. O que significa PWM e qual sua aplicação? 6. Tanto os soft starters como os inversores de frequência são equipamentos com uma eletrônica embarcada complexa aliada a diferentes técnicas de controle. Com relação aos inversores de frequência, quais as técnicas de controle disponíveis para serem utilizadas nestes equipamentos? C O N FI R A S U A S R ES P O ST A S 200 1. A soft-starter é uma chave eletrônica de partida utilizada exclusivamente para partir e parar motores de indução. Possuindo um desempenho superior às chaves de partida a contatores, porém sendo aplicada somente em situações em que não há a necessidade de variar a velocidade do motor. 2. Ambos os equipamentos funcionam por meio do controle de dispositivos de potência semicondutores. Porém, o soft-starter realiza o chaveamento de SCRs de forma a fornecer ao motor rampas de tensão que são utilizadas para partir e frenar o motor. Ainda, o soft-starter após a partida do motor pode “desligar” seus tiristores. Já os inversores de frequência industriais controlam o chaveamento de IGBTs que permitem partir, frenar e controlar a velocidade de operação dos motores de indução, permanecendo ativos durante todo o processo. 3. Os soft starters utilizam como dispositivos de chaveamento os SCRs que, ao terem o seu ângulo de disparo modificado, fazem com que a tensão aplicada ao motor possa ser variada e, consequentemente, possa ser variada também a corrente entregue ao motor. Já os inversores de frequência utilizam como dispositivos base os IGBTs, que acionados por meio de PWM permitem modificar a frequência da tensão alternada entregue ao motor. 4. este parâmetro vai indicar o tempo previsto para que o motor recebe uma tensão desde 0V (motor des- ligado) até o valor de tensão nominal de alimentação fornecido pela rede elétrica. A rampa é gerada pela variação do ângulo de disparo dos tiristores, que geram uma variação gradual que cresce continuamente até atingir a tensão nominal de alimentação do equipamento. 5. PWM vem do inglês “Pulse Width Modulation” ou modulação por largura de pulso. É uma técnica utilizada para controle de dispositivos inclusive de automação e é utilizada no circuito de controle dos inversores de frequência para modular o chaveamento dos IGBTs e permitir a geração de ondas com diferentes frequências. 6. os inversores de frequência industriais utilizam duas técnicasprincipais de controle: a escalar e a vetorial. O controle escalar se caracteriza por ser mais simples e, consequentemente, entregar uma regulação de velocidade e de torque com uma precisão mais baixa, na ordem de 3 a 5% da velocidade nominal quando ocorre a aplicação de carga no motor. Já o controle vetorial é mais preciso, porém para entregar uma maior precisão exige a utilização de sensoriamento em malha fechada, caracterizando aplicações de maior complexidade técnica e de maior valor agregado. R EF ER ÊN C IA S 201 SCHNEIDER ELETRIC. Altistart 22. Conversores de Partida e Parada Progressivas. Manual do Usuário. 2010. Disponível em: https://www.se.com/ww/resources/sites/SCHNEIDER_ELECTRIC/content/live/FAQS/279000/ FA279311/pt_BR/ATS22-Manual%20do%20Usuario-BR-25OCT10.pdf. Acesso em: 3 out. de 2020. AHMED, A. Eletrônica de Potência. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2000. BOYLESTAD, R. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 11.ed. São Paulo: Editora Pearson, 2013. FRANCHI, C. M. Acionamentos Elétricos. 4. ed. São Paulo: Érica, 2008. WEG. Guia de Aplicação de Inversores de Frequência. Referência 899.06/12.2005 3. ed. Jaguará do Sul: WEG, 2005a. WEG. Guia de Aplicação Soft Starters. Referência 788.03/11.2005. 2. ed. Jaguará do Sul: WEG, 2005b. HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de Física 1 – Mecânica. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. https://www.se.com/ww/resources/sites/SCHNEIDER_ELECTRIC/content/live/FAQS/279000/FA279311/pt_BR/ATS22-Manual%20do%20Usuario-BR-25OCT10.pdf https://www.se.com/ww/resources/sites/SCHNEIDER_ELECTRIC/content/live/FAQS/279000/FA279311/pt_BR/ATS22-Manual%20do%20Usuario-BR-25OCT10.pdf 202 M EU E SP A Ç O 9 OPORTUNIDADES DE APRENDIZAGEM Introdução à Lógica de Comandos com CLP Nesta unidade, conheceremos o Controlador Lógico Programável (CLP) e como este equipamento permite uma ampliação nas possibilidades de criar processos e máquinas automatizadas. Para compreender os conceitos discutidos sobre a utilização do CLP, vamos criar analogias entre os comandos elétricos que discutimos nas unidades de estudo anteriores, recriando as lógicas de comando no CLP. Para tornar esta unidade mais próxima de uma atuação profissional, pro- ponho a utilização do ambiente de programação Codesys, que traz acesso a todas as linguagens de programação disponíveis na IEC 61131 e que permite criarmos simulações que facilitarão a compressão das lógicas propostas. Me.Taiser Tadeu Teixeira Barros 204 UNICESUMAR Muitos processos industriais ainda são manuais, ou seja, dependem da presença de um operador humano interagindo com os equipa- mentos. E nos processos automatizados? Quem os controla, se não há a necessidade de um humano nessa interação? Já discutimos em unidades anteriores sobre o funcionamento de um elevador e a relação, por exemplo, entre seu movimento e o acionamento de um motor elétrico. Mas como o elevador “sabe” para qual andar deve se deslocar quando acionamos um botão ou digitamos o andar que desejamos? Da mesma forma, vamos explorar como pequenas automações do nosso dia a dia são programadas. Também é preciso pensar em como os softwares que utilizamos em nossos computadores e smartphones são interpretados e de que forma. Se você pesquisar sobre o funcionamento de qualquer sistema automatizado, seja ele industrial, comercial ou doméstico, todos dependem de processadores, os quais são dispositivos capazes de interpretar comandos que constituem o que conhecemos como programas. Pense em alguns programas que você utiliza no seu dia a dia – pode ser programas utilizados no seu notebook, tablet ou smart- phone. Vou trazer como exemplo um aplicativo que todos possivel- mente conheçam: Uber. O Uber conecta um usuário, utilizando as informações de localização do GPS do smartphone conectando-o com o smartphone do motorista. Assim, é possível traçar uma rota para fazer com que o motorista chegue até o usuário que será conduzido até um determinado desti- no. Tente estabelecer o seguinte paralelo: você conseguiu notar que, de uma forma macro, podemos comparar o processo de utilização do Uber, com a utilização do elevador? O elevador vem até nossa posição atual e nos transporta para uma outra posição espacial, e o Uber, por sua vez, faz a mesma função de uma forma similar. Mas qual a relação entre elevador, Uber e um processo industrial? Escreva no seu diário de bordo de que forma você considera que estes elementos estão conectados entre si. Depois que você escrever, faça uma comparação com a proposta que trago a seguir, na qual relaciono estes elementos de uma forma mais técnica. 205 UNIDADE 9 Tanto um elevador, o aplicativo Uber e um processo industrial são automações de tarefas de nosso cotidiano. O elevador e a utilização do Uber são aplicações específicas de mobilidade. Já os processos industriais resolvem tarefas diversas, como a fabricação de uma matéria-prima ou produção de um produto como um componente automotivo. E todas estas tarefas dependem de elementos capazes de interpretar comandos agrupados em es- truturas que conhecemos como programas. D IÁ R IO D E B O R D O Ainda utilizando o exemplo sobre comparar o elevador com o Uber e com um processo industrial, é importante observar que em cada um desses processos, podemos identificar a presença de um pro- cessador (ou microcontrolador, dependendo do caso). Mais especificamente, o processador de cada um dos processos citados possui uma estrutura conhe- cida como UCP (Unidade Central de Processamento) ou CPU (do inglês Central Processing Unity) que é responsável por controlar a operação do computador e realizar suas funções de processamento de dados (STALLINGS, 2010). 206 UNICESUMAR Para cada processo de nosso dia a dia, há um equipamento que possui uma CPU capaz de processar dados. Especificamente nos ambientes industriais, um dos equipamentos utilizados para realizar con- troles é o Controlador Lógico Programável (CLP ou PLC do inglês Programmable Logic Controller), que, assim como os demais equipamentos citados anteriormente, conta com uma CPU. Os controladores lógicos programáveis representam uma das tecnologias de controle de processos industriais mais amplamente utilizada (PETRUZELLA, 2014). Basicamente, um Controlador Lógico Programável é um dispositivo que possui um conjunto de entradas e saídas que pode ser programado de forma a acionar suas saídas conforme estado das en- tradas e da lógica de programação utilizada. Para Lamb (2015), o CLP é essencialmente um computador digital que serve para controlar um processo eletromecânico. Outra definição é apresentada por Petruzella (2014), o qual afirma que o CLP é um computador digital utilizado no controle de máquinas e, diferentemente de um computador pessoal, o CLP foi projetado para funcionar em um ambiente industrial. Uma representação macro da estrutura de um CLP está apresentada na figura a seguir. Figura 1 - Estrutura macro do CLP Fonte: o autor. Conforme Figura 1, o CLP possui um conjunto de entradas, as quais podem ser geradas por sinais discretos provenientes de botoeiras e sensores – por exemplo (no caso de entradas digitais) ou um sinal de tensão (0 – 10 V) proveniente de um sensor de temperatura (no caso de um sinal analógico). Outro conjunto é constituído pelas saídas, que também podem ser discretas, como no caso de acio- namento de bobinas de relés e de sinalizadores, ou ainda analógicas, em tensão ou corrente, acionando um servo drive por exemplo. Quem realiza a “conexão” entre as entradas e saídas é a CPU, que faz a leitura das entradas, interpreta a lógica programada e atualiza as saídas. Toda vez que este processo de (1) leitura das entradas -> (2) interpretação da lógica -> (3) atualização das saídas é realizado, ocorre um ciclo de scan no CLP. Quanto maior a capacidade de processamento do CLP, mais rapidamente ocorre o ciclo de scan, ou, definindo de maneira complementar, menor o tempo em que o ciclode scan ocorre. Uma representação com maiores detalhes proposta por Petruzella (2014) referente à estrutura do CLP está apresentada na figura a seguir. 207 UNIDADE 9 Figura 2 - Estrutura do CLP em detalhes Fonte: Petruzella (2014, p. 4). O nome “Controlador Lógico Programável” referencia exatamente a forma como este equipamento funciona: o usuário programa a lógica a ser implementada na máquina ou processo e o CLP controla esta máquina ou processo obedecendo à lógica que foi programada. O CLP surgiu como uma alternativa aos quadros de comando a relés utilizados na indústria auto- motiva, trazendo um processo mais dinâmico ao permitir que a lógica de controle fosse programada (criada via um software) frente à necessidade de praticamente desmontar e montar novamente uma lógica implementada “fisicamente” através de conexões elétricas com condutores que conectavam muitas vezes um grande número de relés. A programação dos CLPs é realizada utilizando um ambiente específico de cada fabricante, e para garantir a existência de compatibilidade dentre estes ambientes com relação ao tipo de linguagem de programação utilizado, a norma IEC 61131 na sua terceira parte, trata especificamente das linguagens de programação para CLPs (JOHN; TIEGELKAMP, 2010). São disponibilizadas 5 linguagens para programação dos CLPs: • ST (Structured Text): Texto Estruturado. • IL (Instruction List): Lista de Instruções. • LD (LADDER). • FBD (Function Block Diagram): Diagrama de blocos. • SFC (Sequential Function Chart): Diagrama de Fluxo, conhecido também como Grafcet. As linguagens ST e IL são textuais com instruções na forma de texto, assim como as linguagens de programação para computadores (como Java, C, Python etc.). As linguagens LD e FBD são gráficas, sendo representadas por símbolos, e a linguagem SFC possui características gráficas, podendo receber também partes com programações textuais. 208 UNICESUMAR Nesta unidade de estudos, estaremos adotando a utilização da linguagem LADDER, devido à sua semelhança com os diagramas elétricos. A linguagem ladder é uma das linguagens de programação de CLPs mais populares e foi criada especificamente para este fim, utilizando símbolos gráficos de fácil compreensão aos familiarizados com o controle lógico a relé (PETRUZELLA, 2014). A palavra ladder significa escada em inglês e faz uma referência ao fato de que o diagrama gráfico tem o formato de uma escada, sendo as laterais da escada representadas pelos barramentos de ali- mentação e os degraus pelos elementos (contato e bobinas, por exemplo). A figura a seguir traz uma representação de um diagrama ladder e a referência ao formato de “escada”. Figura 3 - Estrutura de um diagrama ladder Fonte: o autor. Nesta unidade, vou conversar com vocês sobre o CLP, trazendo um pouco do histórico, sua importância para o contexto da automação industrial e como foi minha experiência com este equipamento atuando profissionalmente. Se realizarmos a comparação direta entre um diagrama elétrico e o diagrama ladder, podemos verificar que o diagrama ladder pode ser obtido pela “rotação” do diagrama elétrico em 90º no sentido anti-horário. Como exemplo, na Figura 4, temos no lado esquerdo (1) um diagrama elétrico, o qual foi rotacionado 90º no sentido anti-horário (2), e um diagrama ladder equivalente foi criado (3). É importante observar que os barramentos que energizam os diagramas elétricos (positivo + e negativo -) estão na posição horizontal no diagrama elétrico e, consequentemente, ficam na posição vertical no diagrama ladder. https://apigame.unicesumar.edu.br/qrcode/3443 209 UNIDADE 9 Ainda, no diagrama ladder (3) apresentado, na Figura 4, observa-se que, após a bobina, não há a representação do ramo negativo. Isso varia entre os diferentes ambientes fornecidos pelos fabricantes. Na figura em questão, foi utilizado uma imagem retirada do ambiente Codesys, que será utilizado para gerar os exemplos discutidos nesta unidade de estudos. 13 A1 A2 14 13 14 B1 B0 12 11 K1 K1 13 A 1 A 2 14 13 14 B1B0 1211 K1 K1 B1B0 K1 K1 1 2 3 Figura 4 - Equivalência entre diagrama elétrico e diagrama ladder Fonte: o autor. Conforme apresentado na Figura 4, é possível verificar que a conversão entre o diagrama elétrico e o diagrama ladder é muito intuitiva, sendo necessário apenas uma compreensão sobre os símbolos utilizados em cada tipo de diagrama. Na Tabela 1, apresenta-se uma equivalência entre alguns dos símbolos elétricos comumente utiliza- dos e sua equivalência ladder. Destacaram-se, na tabela, os três elementos base dos diagramas elétricos: contatos/botões NA e NF e bobina/solenoide. 210 UNICESUMAR Símbolo Elétrico Símbolo Ladder Botoeira/Contato NA Botoeira/Contato NF Bobina/Solenoide Tabela 1 - Equivalência entre símbolos elétricos e símbolos utilizados no diagrama ladder Fonte: o autor. Qual a vantagem de utilizar o CLP em vez do comando elétrico? O CLP traz, além do controle programável, a possibilidade de monitoração via barramentos industrias, entregando dados mais precisos do processo e possibilitando, ainda, a comunicação com outros recursos como os softwares supervisórios. Bom, uma vez que já conhecemos os elementos básicos utilizados no diagrama ladder (contatos NA e NF e bobina), vamos começar a desenvolver nossos comandos elétricos, agregando o CLP como um dispositivo. 211 UNIDADE 9 Como já citado anteriormente, a relação entre um diagrama elétrico e um diagrama ladder é direta e, de uma forma simplificada, basta substituirmos cada elemento do diagrama elétrico por seu equivalente em ladder (claro que este procedimento também acompanha as modificações de hardware necessárias). Nosso primeiro exemplo funcional será a criação de uma partida direta comandada pelo CLP. Na Figura 5, resgatamos o nosso diagrama da partida direta (comando e potência) utilizado na Unidade 7. Figura 5 - Diagramas de comando e de potência/força de uma partida direta Fonte: autor. O esquema de potência apresentado na Figura 5 permanecerá inalterado, sendo que as modificações serão realizadas somente com relação ao esquema de comando, que, agora, possui como elemento também o CLP. Estas modificações foram realizadas e estão apresentadas na figura a seguir. 13 14 13 14 B1 F0 K1 COMANDO POTÊNCIA/FORÇA FT B0 12 11 96 95 2 1 A1 A2 K1 4 5 6 3 M -M 1 2 3 PE 2 4 6 531 FT K1 2 4 6 1 3 5 2 4 6 531 F 123 L1 L2 L3 PE 212 UNICESUMAR Figura 6 - Diagrama de comando de uma partida direta Fonte: o autor. Com relação ao diagrama apresentado na Figura 6, inicialmente vamos verificar as questões relativas às conexões físicas, que chamaremos de hardware, em que podemos observar a presença das duas botoeiras B0 e B1, do contato NF do relé térmico e da bobina de K1, todas conectadas no CLP. O CLP representado é um modelo didático, no qual foram utilizadas três conexões de entradas re- presentas por I0, I1 e I2 e uma conexão de saída representada por Q0. É comum nos CLPs a utilização da letra I para representar as entradas físicas e Q para representar as saídas físicas. Nas conexões de entrada, foi representado o terminal “COM”, utilizado para conexão do negativo da alimentação; assim, o terminal COM garante que o CLP irá detectar a diferença de potencial de 24 V aplicada nas entradas. Sem a conexão deste terminal, as entradas ficam “flutuando” (alta impedância), não gerando nível lógico 1 quando recebem 24 V. Outra conexão fundamental é a do terminal comum da saída M+, o qual fornece alimentação para as saídas; assim, no exemplo da Figura 6, as saídas iriam chavear os 24 V da alimentação. Por que não foi utilizado o contato NA de K1 na Figura 8? Como será realizada a retenção do comando? 213 UNIDADE 9 Uma vez definido o hardware, de nossa partida direta, vamos agora ao software, ou seja, vamos pro- gramar a da partida direta lógica em nosso CLP. O diagrama ladder desenvolvido está representado na figura a seguir.Figura 7 - Lógica de comando da partida direta implementada em linguagem ladder Fonte: o autor. Na Figura 7, podemos observar inicialmente que foram utilizadas as referências das entradas e saídas do CLP, e acrescentei a referência do elemento físico correspondente abaixo dos contatos e bobina, para facilitar a compreensão. O contato aberto de I0 (B0) está recebendo sinal fisicamente na entrada I0, pois a botoeira B0 é do tipo NF e, assim, este contato está acionado no programa. Na sequência, o contato NA associado com a entrada I1 (B1), ao receber sinal na entrada, irá fechar, conduzindo sinal até o contato de I2 (FT) que está fechado, pois o que traz sinal até a entrada física é o contato fechado do relé térmico. Ou seja, ao acionarmos a botoeira B1, no diagrama ladder, a bobina Q0 (K1) será energizada, acionando a saída Q0 do CLP que, consequentemente, vai acionar K1. E, se observarmos o diagrama ladder, é possível responder à questão sobre a retenção, que é agora realizada via software, pelo contato NA de Q0 em paralelo com o I1. Este contato de Q0 fecha quando a bobina Q0 é energizada. Para desligar o comando, se acionarmos fisicamente B0, será retirado o sinal da entrada do CLP e, consequentemente, o contato de I1 no diagrama ladder será desenergizado da mesma forma que a bobina Q0. Ainda, se o contato físico do relé térmico abrir, o contato de I2 no diagrama ladder abrirá desener- gizando Q0 e desligando o comando. 214 UNICESUMAR Nesta unidade, trago para vocês uma rápida introdução ao uso do software Codesys, o qual nos auxiliará na compreensão dos diagramas ladder apresentados e servir como ambiente de progra- mação de CLPs. O Codesys permite criar programas com todas as linguagens especificadas pela norma IEC 61131 e tem uma versão gratuita que pode ser utilizada para estudar e conhecer melhor o funcionamento de um CLP. Obviamente, a utilização de um CLP somente em uma partida direta não é viável do ponto de vista econômico, e os exemplos que seguem são didáticos para demonstrar como implementar alguns comandos a contator em diagrama ladder. A utilização do CLP se torna viável para acionamentos com um número maior de saídas e onde a lógica implementada comece a ficar trabalhosa de implementar somente com contatores e relés. Ou, ainda, em aplicações que exijam algum tipo de comunicação que necessite do CLP como um elemento. Seguindo com o desenvolvimento dos diagramas elétricos uti- lizando a linguagem ladder, vamos criar o diagrama ladder da par- tida direta com reversão retomando o diagrama desta partida na Figura 8. Figura 8 - Partida direta com reversão Fonte: autor. 1414 B1 F0 K1 12 11 2 1 A1 A2 K1 4 5 6 3 M 1 2 3 PE 2 4 6 2 4 6 531 L1 L2 L3 PE > > > K1 2 4 6 1 3 5 1 3 5 K2 Q1 14 B2 K1 A1 A2 K2 12 11 K2 1313 14 13 13 11 12 K2 Q1 13 14 B0 https://vimeo.com/475345186/c4c0da4e4c 215 UNIDADE 9 Da mesma forma que para a partida direta, a conversão para o diagrama ladder é intuitiva e rápida. Vamos iniciar com a análise do hardware necessário, representado na figura a seguir. Figura 9 - Lógica de comando da partida direta com reversão implementada em linguagem ladder Fonte: o autor. Conforme podemos observar na Figura 9, foram adicionados o botão B2 conectado na entrada I2 e a bobina K2 conectada na saída Q1 do CLP. O digrama ladder desenvolvido está representado na Figura 10. Figura 10 - Lógica de comando da partida direta com reversão implementada em linguagem ladder Fonte: o autor. 216 UNICESUMAR No diagrama apresentado na Figura 10, é possível observar que agora foram implementadas duas linhas de programa, cada uma implementando o acionamento de uma das bobinas dos contatores K1 e K2. Foram repetidos os contatos de I0 e I3, utilizados para desligar o comando e indicar acionamento do relé térmico. Ainda, é possível observar a implementação do intertravamento pela uti- lização dos contatos NF de Q1 e Q0 nos caminhos de energização das bobinas Q0 e Q1, respectivamente. Uma vez que já temos uma noção de como implementamos a lógica desenvolvida em um comando com contatores em um CLP utilizando linguagem ladder, vamos introduzir mais alguns elementos úteis, começando pelos temporizadores. A norma IEC 61131 traz a padronização de três tipos de temporizadores (JOHN; TIEGELKAMP, 2010), que os fabricantes devem disponibilizar em seus ambientes de programação: TON (Retardo na energização), TOF (Retardo na desenergização) e TP (Temporizador de pulso). O temporizador do tipo TON, ao receber um sinal em sua en- trada IN, temporiza pelo tempo especificado PT (Preset Time) e, após transcorrido este tempo, aciona a saída Q. Caso seja retirado o sinal de IN, o temporizador zera a contagem de tempo e desliga a saída, caso ela tenha sido acionada. O temporizador do tipo TOF, ao receber um sinal em sua entrada IN, aciona a saída Q, e quando o sinal for retirado de IN, temporiza pelo tempo especificado PT (Preset Time) e, após transcorrido este tempo, a saída Q é desligada. Caso seja colocado sinal em IN antes do desligamento da saída, o temporizador reinicia a contagem de tempo mantendo Q acionada. E o temporizador TP, ao receber um sinal em IN, aciona a saída Q e a mantém acionada pelo tempo especificado em PT, desligando-a independentemente se IN for mantido energizado, precisando que ele seja desenergizado e energizado novamente (receba um pulso) para reiniciar a contagem. Um item muito importante da padronização que a norma traz é que todos os elementos do diagrama ladder são muito similares, independentemente do fabricante do CLP, fato que auxilia na com- preensão por parte do programador. 217 UNIDADE 9 A Tabela 2 mostra três representações de um temporizador do tipo TON. Estão representados os símbolos conforme estabelecidos pela norma IEC 61131, conforme disponibilizado pelo fabricante SCHNEIDER ELECTRIC no ambiente de programação SoMachine e conforme disponibilizado pelo fabricante SIEMENS no ambiente de programação TIA Portal. É fundamental observar que os elementos principais, como a entrada de energização do temporiza- dor (IN) e a saída do temporizador (Q) são posicionados e identificados de forma similar, o que permite a um programador que migra entre diferentes ambientes de programação de diferentes fabricantes se adaptar rapidamente e iniciar a programação em um novo ambiente com poucas horas de treinamento. Símbolo Conforme IEC 61131 Símbolo Disponibilizado no Ambiente SoMachine (Schneider Electric) Símbolo Disponibilizado no Ambiente TIA Portal (Siemens) TON IN Q PT ET TON IN Q PT ET Time IN Q TEMPORIZADOR TIM0 %TM0 Tipo: TON TB: 1 min Prede�nido: 0 TON IN Q PT ET TON IN Q PT ET Time IN Q TEMPORIZADOR TIM0 %TM0 Tipo: TON TB: 1 min Prede�nido: 0 TON IN Q PT ET TON IN Q PT ET Time IN Q TEMPORIZADOR TIM0 %TM0 Tipo: TON TB: 1 min Prede�nido: 0 Tabela 2 - Blocos de temporizador do tipo TON conforme norma IEC 61131 e ambientes de programação dos fabricantes Schneider Electric e Siemens Fonte: o autor. Vamos utilizar agora o temporizador TON em uma aplicação: modificaremos a nossa partida direta apresentada na Figura 9, de forma a criar uma aplicação com acionamento temporizado. É importante observar que o diagrama do hardware apresentado na Figura 8 não será modificado, pois vamos apenas alterar o software, ou seja, o diagrama ladder. A proposta a ser implementada é um acionamento temporizado, em que iremos pulsar B1 e a saída Q0 será acionada pelo tempo programado no temporizador. Neste caso foi utilizado 5 segundos. A implementação desta proposta está apresentada na Figura 11. Figura 11 - Lógica de comando de um acionamento temporizado implementado em linguagem ladder Fonte: o autor. 218 UNICESUMAR No diagrama ladder representado na Figura 11, o funcionamento é muito similar ao da partida direta, porém, agora, no momento em que a bobina Q0 é acionada, ela energiza a entrada do temporizadordo tipo TON, que está programado para atuar em 5 segundos. Assim, a bobina Q0 permanece acionada durante este tempo, e quando o temporizador energiza sua saída, a bobina auxiliar (AUX) é energizada e, consequentemente, o contato fechado de AUX que está localizado ante de Q0 abre, desenergizando Q0 e desligando a retenção do circuito que vai desligar. É importante observar que a bobina “AUX” não representa uma saída do CLP, ou seja, é um elemento de memória que só existe dentro do programa e que permite ampliar as possibilidades de lógicas de comando implementadas. Neste caso, a memória denominada AUX, corresponde a uma bobina, que utiliza 1 bit de memória do CLP. Porém a memória do CLP possui diversos tipos, como o tipo BOOL (1 bit), BYTE (8 bits) e WORD (16 bits), dentre outros. Entretanto, nesta unidade, em que estamos introduzindo a programação de CLPs, o tipo BOOL (1 bit) é suficiente para compreender os exemplos, já que estamos trabalhando basicamente com contatos e bobinas que são todos elementos que utilizam apenas 1 bit de memória. Figura ilustrativa. CLP modular OMRON / Fonte: https://integrador.com.br/wordpress/wp-content/uploads/2017/08/cs1g.jp O exemplo da Figura 11 já traz uma situação em que é mais fácil de compreender a relação custo be- nefício da utilização do CLP no comando. Neste caso, o temporizador que teria que ser um elemento montado junto com os contatores, agora é um elemento interno ao CLP, pertencendo à logica de pro- gramação, assim como aconteceu com o contato de retenção da partida direta. Ou seja, o custo deste temporizador é subtraído do comando, viabilizando (em alguns casos) a aquisição do CLP. Outra utilização do temporizador facilmente implementada com o CLP é a partida em sequência temporizada de motores ou em “cascata”: vamos supor que temos três motores de 5 CV cada que pre- cisam ser acionados. Eles são acionados de forma direta, pois na rede local a concessionária permite o acionamento direto para motores de até 7,5 CV. Se acionarmos, porém, os três motores simultaneamente o pico de corrente na rede será considerável e, desta forma, vamos partir os motores com um intervalo de tempo de 3 segundos entre cada partida. 219 UNIDADE 9 A Figura 12 traz uma proposta de implementação para o acionamento temporizado dos três motores com relação ao hardware. Foi representado na figura somente o esquema de comando, onde B0 é o botão utilizado para desligar os motores e B1 realiza o acionamento do comando, onde K1 será energizado incialmente, seguido após 3 segundos pelo acionamento de K2 e mais três segundos após este, pelo acionamento de K3, K1, K2 e K3 são os contatores da partida direta dos três motores M1, M2 e M3. Pode ser observado também a presença dos contatos dos três reles térmicos de cada um dos motores nas entradas do CLP, indicando caso exista sobrecarga em qualquer um dos motores. Figura 12 - Esquema de comando para o acionamento temporizado em sequência de três motores Fonte: o autor. Uma vez definido o hardware do esquema de comando com CLP, podemos desenvolver nosso software, programando a lógica de comando com a linguagem ladder, apresentada na Figura 13. 220 UNICESUMAR Figura 13 - Diagrama ladder para o comando do acionamento temporizado em sequência de três motores. Fonte: o autor. Conforme apresentado na Figura 13, podemos observar que o acionamento da entrada I1 (acionada por B1) vai ligar a saída Q0. Neste caso, foi utilizada uma bobina do tipo SET (S), a qual realiza uma retenção automática na memória do CLP, sendo desligada por um comando do tipo RESET (R). Após Q0 ser acionada, um contato dela energiza o temporizador TON_0, que após três segundos seta a saída Q1, que energiza o temporizador TON_1, o qual após três segundos seta a saída Q2. Assim as saídas Q0, Q1 e Q2, ao serem acionadas, fazem o acionamento correspondente das bobinas K1, K2 e K3 responsáveis por acionar (potência) os motores na sequência desejada. Com relação ao desligamento, foi previsto que o botão B0 (que aciona a entrada I0 do CLP) ao ser acionado deve efetuar o desligamento de todos os motores, e assim um contato fechado (lembrando que o botão B0 é do tipo NF) de I0 aciona as bobinas RESET das três saídas Q0, Q1 e Q2, o que, con- sequentemente, desligaria K1, K2 e K3. Ainda, pode ser observado que, em paralelo com I0, estão I2, I3 e I4, que são acionadas pelos con- tatos NF dos relés térmicos de cada motor. Neste caso, foi proposta a lógica de que, se qualquer um dos motores indicar sobrecarga, todos os demais também serão desligados. / IN PT Q ET TON TON_0 Q0I1 Q0 T ‡ 3S S S Q1 IN PT Q ET TON TON_0 Q1 T ‡ 3S S Q2 R Q0 R Q1 R Q2 / / / / I0 I2 I3 I4 221 UNIDADE 9 Neste caso, as entradas I0, I2, I3 e I4 associadas em paralelo implementam uma lógica OR (OU), assim, se I0 ou I2 ou I3 ou I4 forem acionadas as saídas serão resetadas. Para compreender o funcionamento dos ambientes de programação de CLPs, é fundamental instalá-los e tentar reproduzir exemplos sim- ples, para conhecer como as ferramentas de programação são utiliza- das e onde os elementos do digrama ladder e das outras linguagens padronizadas pela IEC ficam localizadas nos ambientes. Ainda, muitos dos ambientes disponibilizados permitem simular os programas criados. Recomendo a instalação de um ambiente e uma breve familiarização para que vocês tenham este contato com estas ferramentas de progra- mação. O ambiente CODESYS, no qual desenvolvi os diagramas exemplo disponibilizados nesta uni- dade, está disponível para download no link. É um excelente ponto de partida para iniciar na programação de CLPs, até mesmo porque este ambiente é gratuito e permite simular os programas criados juntos com elementos como botões e sinalizadores disponibilizados em uma aba que funciona como um pequeno sistema supervisório. Para acessar, use seu leitor de QR Code. O CLP é um componente essencial na automação industrial. Ele é um dos principais componentes de controle utilizado no “chão de fábrica”, sendo utilizado para conexão de sensores, atuadores e outros dispositivos como IHMs, relés inteligentes, servo acionamentos, drives etc. Ainda, o CLP pode ser utilizado em substituição aos comandos elétricos que utilizam somente relés e contatores, agregando tecnologia aos sistemas e expandindo, por exemplo, a capacidade de co- municação e monitoramento além de flexibilizar a modificação da lógica de controle implementada. Dentre os conhecimentos que compõem o “canivete suíço” dos técnicos e engenheiros, dominar a programação dos CLPs é fundamental, tanto para atuar diretamente com a programação quanto para ter uma visão macro de um processo de automação onde os CLPs são componentes base. Se você estiver participando de um projeto que utiliza um CLP, mesmo não sendo o programador do projeto, conhecer a linguagem que está sendo utilizada permitirá que você consiga trocar infor- mações técnicas com os outros membros do time de uma forma mais efetiva. Imagine que você é o responsável por parametrizar os demais componentes de automação do projeto (inversores e soft starters) que vão se comunicar com o CLP via barramento de comunicação (modbus por exemplo). Ao conhecer a linguagem de programação do CLP, será muito mais fácil de compreen- der os parâmetros que estão sendo utilizados para comunicação e o formato que os mesmos utilizam. 222 M A P A M EN TA L Nesta unidade, foram apresentados alguns conceitos básicos sobre a programação de CLPs utilizando elementos da linguagem ladder. Obviamente, os ambientes de programação disponíveis possuem muito mais elementos e funcionalidades dispo- níveis, sendo que, neste caso, focamos nos elementos básicos que nos permitiram implementar lógicas similares aquelas desenvolvidas com comandos totalmente elétricos utilizando somente contatores. Trago abaixo uma pequena referência com os elementos ladder que foram apresen- tados nesta unidade, comparando-os com sua simbologia elétricacorrespondente. Rebusquei os símbolos apresentados na Tabela 1 e acrescentei o símbolo do tem- porizador com retardo na energização. Indico que vocês realizem uma comparação similar para fixar principalmente a simbologia utilizada em cada caso. Símbolo Elétrico Símbolo Ladder Botoeira/Contato NA TON IN Q PT ET A1 A2 TON IN Q PT ET A1 A2 Botoeira/Contato NF TON IN Q PT ET A1 A2 TON IN Q PT ET A1 A2 Bobina/Solenóide TON IN Q PT ET A1 A2 TON IN Q PT ET A1 A2 Temporizador TON TON IN Q PT ET A1 A2 TON IN Q PT ET A1 A2 Figura 14 - Correspondência entre símbolos elétricos e ladder Fonte: o autor. 223 M A P A M EN TA L A G O R A É C O M V O C Ê 224 1. Para garantir uma padronização entre os fabricantes de CLPs e reduzir o tempo necessário de treinamento para os programadores, foram definidas linguagens de programação que apresen- tassem características similares em qualquer ambiente de desenvolvimento de qualquer fabri- cante normatizado. Quais são estas linguagens de programação padronizadas pela IEC 61131? 2. Quais são os tipos de temporizadores padronizados pela norma IEC 61131 que devem ser dis- ponibilizados nos ambientes de programação dos fabricantes de CLP? Qual é o funcionamento esperado de cada um dos tipos destes temporizadores? 3. Das cinco linguagens padronizadas pela norma IEC 61131, utilizamos nesta unidade a linguagem ladder. Por que esta linguagem tem a denominação de ladder e por que é geralmente a linguagem preferencial utilizada na área de elétrica/automação? 4. O comando apresentado na Figura A4 é utilizado para acionar uma partida estrela triângulo utili- zando um temporizador do tipo retardo na energização. Crie o diagrama ladder correspondente a este diagrama, considerando que os botões B0 e B1 estarão conectados respectivamente nas entradas I0 e I1 do CLP. Da mesma forma, as bobinas K1, K2 e K3 estarão conectadas nas saídas Q0, Q1 e Q2 do CLP. Não é necessário utilizar o contato do relé térmico nesta lógica. Figura A4 - Comando de uma partida estrela-triângulo utilizando temporizador do tipo retardo na energização Fonte: o autor. A G O R A É C O M V O C Ê 225 5. O diagrama de comando representado na Figura A5 realiza a inversão do sentido de giro do motor, só permitindo ao comando inverter o sentido de giro do motor após 5 segundos do seu desligamento. Sua tarefa é implementar esta lógica utilizando a linguagem ladder. Observação: considerar que B0 (NF) está conectado na entrada I0 do CLP, B1 está conectado na entrada I1 e B2 está conectado na entrada I2. K1 e K2 são acionados, respectivamente, pelas saídas Q0 e Q1 do CLP. Observar, ainda, que K3 e K4 são bobinas auxiliares e consequentemente na lógica ladder serão implementadas com memórias. Não é necessário utilizar o contato de disjuntor motor (Q1) na lógica ladder. Figura A5 - Inversão do sentido de giro temporizada Fonte: o autor. A G O R A É C O M V O C Ê 226 6. Nas unidades anteriores, as lógicas digitais básicas (AND) e (OR) foram citadas diversas vezes, consistindo em ferramentas bastante úteis que podem ser utilizadas em diagramas elétricos para ajudar na implementação de lógicas elétricas mais complexas. Como estas duas lógicas podem ser implementadas, utilizando somente contatos e bobinas em um diagrama ladder? Considere as tabelas verdade da lógica AND e OR para a resolução desta atividade: A B S 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Tabela verdade da porta AND. Fonte: autor. A B S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Tabela verdade da porta OR. Fonte: autor. C O N FI R A S U A S R ES P O ST A S 227 1. Atividade 1 – A norma IEC 61131, na sua terceira parte, traz a indicação das cinco linguagens padronizadas para a programação de CLPs, sendo estas linguagens: ST e IL consideradas linguagens textuais, LADDER e FBD consideradas linguagens gráficas (ou diagramas) e a linguagem SFC (Grafcet) que é conceitualmente uma linguagem gráfica, mas que apresenta também alguns elementos textuais. 2. Atividade 2 – Conforme indicado na norma IEC 61131, os ambientes de programação de CLPs devem dis- ponibilizar os temporizadores do tipo TON, TOF e TP. O temporizador TON ao receber sinal na entrada IN, temporiza pelo tempo especificado PT e, após trans- corrido este tempo, aciona a saída Q, que será desligada instantaneamente caso seja retirado o sinal da entrada IN, momento em que o temporizador zera a contagem de tempo. O temporizador TOF, ao receber sinal na entrada IN, aciona a saída Q, iniciando sua temporização quando o sinal for retirado da mesma entrada. Na sequência, ele temporiza pelo tempo especificado PT e, após transcorrido este tempo, a saída Q é desligada. Caso IN seja novamente energizada antes do desligamento da saída, o temporizador reinicia a contagem de tempo mantendo Q acionada. O temporizador TP, ao receber sinal na entrada IN, aciona a saída Q e a mantém acionada pelo tempo especificado em PT, desligando-a independentemente se IN for mantido energizado. Será necessário que um novo pulso seja gerado na entrada IN para que sua saída seja novamente acionada. 3. O nome ladder vem da palavra em inglês que significa escada e, neste caso, o diagrama criado traz um for- mato similar ao de uma escada. A linguagem ladder é geralmente utilizada na área de elétrica/automação porque traz uma grande similaridade com os diagramas elétricos de relés e contatores, fato que facilita a compreensão por pessoas com formação nesta área. C O N FI R A S U A S R ES P O ST A S 228 4. A transição do diagrama elétrico para o diagrama ladder é trivial, sendo importante observar a relação entre as identificações do diagrama elétrico com relação as identificações no diagrama ladder. Neste caso, é fundamental a compreensão principalmente com relação à forma como é referenciada a saída do temporizador no diagrama ladder. O nome dado ao temporizador foi TON_0 e, assim, sua saída é referenciada como TON_0.Q. As demais identificações foram inseridas no formato de comentários no diagrama ladder proposto apresentado na Figura A4R. T ‡ 5S Q0 I1I0 Q0 B0 = I0, B1 = I1, K1 = Q0, K2 = Q1, K3 = Q2 Q0I0 PT IN ET TON_0 TON Q / Q2I0 / Q0 TON_0.Q Q1 I0 Q0 TON_0.Q / I0 / Q0 Q2 Q1 TON_0.Q é a referência para a saída do temporizador. Figura A4R - Proposta de lógica de comando em linguagem ladder para uma partida estrela-triângulo utilizando um temporizador do tipo retardo na energização (TON) Fonte: o autor. 5. A resolução desta atividade é simples se considerarmos que basta realizar uma correspondência entre o diagrama elétrico e o diagrama ladder, sendo fundamental que as referências aos elementos em cada diagrama sejam compreendidas para que o programador não realize confusão. Assim, conforme proposta de solução apresentada na Figura A5R, foram criados comentários indicando a correspondência entre os elementos do diagrama elétrico e do diagrama ladder, como, por exemplo, a indicação de que a bobina auxiliar K4 do diagrama elétrico foi nomeada como AUX2 no diagrama ladder. C O N FI R A S U A S R ES P O ST A S 229 Figura A5R - Inversão do sentido de giro temporizada implementada em linguagem ladder Fonte: o autor. 6. Para solucionar esta atividade vamos inicialmente considerar que as entradas das tabelas-verdade vão ser entradas físicas do CLP e a saída da tabela será uma saída do CLP, assim temos: A B S I1 I0 Q0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Tabela verdade da porta AND. Fonte: autor. A B S I1 I0 Q0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Tabela verdade da porta OR. Fonte: autor. O circuito físico para implementar estas lógicas está apresentado na Figura A6R1. Assim, quando as chaves A e B forem acionadas, respectivamente acionando as entradas I1 e I0, podemos verificar o resultado da lógica programada no sinalizador S conectado na saída Q0 do CLP. IN PT Q ET TON TON_0 AUX1 T ‡ 5S / / I0 I1 AUX1 I2 TON_0.Q AUX1 AUX2 Q1AUX2Q0 Q1 I2I0 Q0 I1I0 Q1 AUX2 Q0 B0= I0, B1 = I1, K1 =Q0, K2 =Q1, K4 = AUX2 B2 = I2, K3 = AUX1, TON_0.Q é a referência para a saída do termporizador, sendo equivalente ao contato aberto de T1 no diagrama elétrico. C O N FI R A S U A S R ES P O ST A S 230 Figura A6R1 - Circuito com CLP para implementar lógicas AND e OR Fonte: o autor. Com relação ao diagrama ladder implementado para cada uma das lógicas, temos na Figura A6R2 a im- plementação da lógica AND, que consiste em uma associação série das entradas acionando a saída Q0. E, na Figura A6R3, a implementação da lógica OR, que consiste em uma associação paralela das entradas acionando a saída Q0. 14 14 S Q0 CLP M+ COM I0 I1 AB 13 13 Q0I1I0 Lógica AND Q0 I1 I0 Lógica OR Figura A6R2 - Lógica AND implementada em linguagem ladder Fonte: o autor. Figura A6R3 - Lógica OR implementada em linguagem ladder Fonte: o autor. R EF ER ÊN C IA S 231 JOHN, K.-H.; TIEGELKAMP, M. IEC 61131-3: Programming Industrial Automation Systems. 2. ed. Springer: 2010. LAMB, F. Automação Industrial na Prática. Nova Iorque: Mc Graw Hill, 2015. PETRUZELLA, F. Controladores Lógicos Programáveis. 4. ed. Porto Alegre: AMGH, 2014. STALLINGS, W. Arquitetura e Organização de Computadores. 8. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2010. 232 M EU E SP A Ç O _Hlk38464658 Energia: gerando, convertendo e distribuindo Noções de Instalações Elétricas Residenciais e Industriais Projetos Elétricos Residenciais e Industriais Máquinas Elétricas: Motores de Indução Monofásicos e Trifásicos, Dimensionamento de Motores, Fator de Potência Dispositivos de Proteção e Comando Acionamentos Elétricos: lógica básica de Comandos Chaves de partida por contator (direta, estrela-triângulo, compensadora) Soft Starters e Inversores de Frequência Introdução à Lógica de Comandos com CLP _GoBack _MON_1657020852 _Hlk50643639 _GoBack _GoBack Botão 3: Botão 13: Botão 12: Botão 9: Botão 10: Botão 4: Botão 11: Botão 5: Botão 6: Botão 7: Botão 8: Button 4: