ESCOLA TÉCNICA FEDERAL DE PALMAS
COORDENAÇÃO DA ÁREA INDÚSTRIA
CURSO DE ELETRO-ELETRÔNICA
APOSTILA DE COMANDOS ELÉTRICOS
Prof. M.Sc. Valcí Ferreira Victor
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Diagramas e Esquemas elétricos de comando e potência., Esquemas de Engenharia Elétrica
Esquemas Elétricos de Comando e Potência.
Tipologia: Esquemas
2020
1 / 88
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ESCOLA TÉCNICA FEDERAL DE PALMAS
COORDENAÇÃO DA ÁREA INDÚSTRIA
CURSO DE ELETRO-ELETRÔNICA
APOSTILA DE COMANDOS ELÉTRICOS
Prof. M.Sc. Valcí Ferreira Victor
Escola Técnica Federal de Palmas Comandos Elétricos
Capítulo 1 – COMANDOS ELÉTRICOS
1.1 Introdução
Por comandos elétricos se entende a ação executada com o fim de ligar, desligar ou alterar a alimentação de energia elétrica de toda ou de parte uma instalação. Para isto se utilizam diversos componentes associados que permitem a um circuito de comandos elétricos além das funções básicas também a ação de proteger, controlar e sinalizar a operação. Na maioria dos casos os circuitos de comandos elétricos estão associados à ligação de motores elétricos utilizados nos processos produtivos, no entanto, em máquinas de pequeno, médio e grande porte quase sempre se têm circuitos de comandos para aquecimento, iluminação, proteção, sinalização entre outras aplicações. No estudo de comandos elétricos podemos destacar os seguintes objetivos:
i. Conhecimento dos componentes e equipamentos utilizados em comandos elétricos; ii. Interpretação de diagramas de comandos elétricos; iii. Montagem de diagramas de comandos elétricos; iv. Elaboração de diagramas de comandos elétricos; v. Identificação de defeitos em sistemas de comandos elétricos; vi. Dimensionamento e especificação de componentes básicos diagramas de comandos elétricos; vii. Projetos de sistemas de comandos elétricos para automação de processos. viii. Orçamento de serviços de comandos elétricos.
1.2 Componentes e Equipamentos Utilizados em Comandos Elétricos
Em instalações que utilizam comandos elétricos os componentes e equipamentos utilizados são diversos. Estes são classificados geralmente como componentes, dispositivos ou equipamentos de: carga (motores, máquinas), proteção, acionamento, sinalização, medição e auxiliares. No geral, os demais componentes de um circuito elétrico de comandos operam de forma que o elemento final (carga) possa ser controlado.
1.3 Interpretação de Diagramas de Comandos Elétricos
Uma parte fundamental no estudo de comandos elétricos é o entendimento do funcionamento dos diagramas de comandos. O conhecimento dos componentes de comandos elétricos é a base para esse entendimento. Desta forma pode-se, combinando os diversos tipos de componentes, obter circuitos que realizem as mais diversas funções.
1.4 Montagem de Diagramas de Comandos Elétricos
A montagem de diagramas de comandos elétricos é realizada com o fim de implementar circuitos elaborados quer pelo eletricista montador, quer pelo projetista de comandos elétricos.
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Capítulo 2 – MOTORES ELÉTRICOS
2.1. Introdução
Motores elétricos são máquinas que transformam energia elétrica em energia mecânica. O universo dos motores elétricos apresenta diversos tipos de motores que se diferenciam segunda várias características, figura 2.1. a) Corrente de alimentação; b) Número de fases; c) Tipo de rotor; d) Tipo de excitação.
Figura 2.1 – Tipos de Motores Elétricos segundo a ABNT.
Além dos motores apresentados na figura 2.1 podemos encontrar outros como é o caso do motor de passo. Devido às características robustez e baixo custo os motores mais utilizados são alimentados por corrente alternada, tipo indução, rotor em curto-circuito monofásicos ou trifásicos.
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2.2. Redes de Alimentação
As tensões nominais de baixa tensão usuais no Brasil são 220/127V, 380/220V e 440/254V. Os equipamentos monofásicos devem ser ligados utilizando-se uma das fases e o condutor neutro do sistema, neste caso a tensão no equipamento será igual tensão de
linha dividida pelo fator 3.
2.3. Diagramas de Ligação de Motores Elétricos
Os motores elétricos possuem um conjunto de terminais que podem ser disponibilizados de forma que possam ser ligados para diferentes tensões de alimentação conforme o fechamento desses terminais. O motor trifásico padrão tem os grupos de bobinas projetados para tensão nominal de 220V; no motor monofásico padrão os grupos de bobinas são projetados para tensão nominal de 110V. A inversão do sentido de rotação no motor trifásico é realizada permutando-se duas fases quaisquer. Na maioria dos motores monofásicos a inversão é realizada quando se invertem os terminais do grupo de bobina de partida em relação ao grupo de trabalho; geralmente os terminais de maior numeração pertencem ao grupo de partida.
2.3.1. Motores Monofásicos de Fase Dividida
a) Motor de 2 terminais Os motores monofásicos de dois terminais permitem a ligação numa tensão somente (110 / 220V) e somente em um sentido de rotação (horário / anti-horário). b) Motor de 4 terminais Estes podem ser de dois tipos: i. Permitem a ligação em uma só tensão e funcionam em qualquer um dos dois sentidos de rotação; ii. Permitem a ligação em duas tensões, mas funcionam em somente um sentido de rotação. c) Motor de 6 terminas Os motores monofásicos de seis terminais permitem a ligação em qualquer das duas tensões (110 / 220V) e também em qualquer dos sentidos de rotação (horário / anti- horário). Figura 2.2.
Figura 2.2 – Diagrama de ligação do motor de 6 terminais.
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Figura 2.5 – Diagrama de ligação do motor de 9 terminais.
2.3.3. Identificação de Terminais de Motores Trifásicos de 6 Terminais
O motor elétrico, eletricamente falando, é constituído de duas partes principais: estator e rotor. O estator se constitui em vários grupos de bobinas enroladas em chapas de material ferromagnético. Para fins de identificação dos terminais devemos considerar o motor como sendo um transformador de energia elétrica, figura 2.6. Procedimento para identificação: i. Identificar com um instrumento cada um dos grupos de bobinas; ii. Numerar um grupo qualquer como sendo 1 – 4; iii. Ligar o segundo grupo em série com o primeiro; iv. Ligar a ambos uma fonte de tensão variável; v. Ligar um voltímetro aos terminais do terceiro grupo de bobinas; vi. Aplicar tensão de baixo valor e observar se há indicação de tensão no voltímetro. vii. Se há indicação de tensão então numerar o grupo como sendo 2 – 5 (o terminal 2 será aquele ligado ao 4); viii. Se não há indicação de tensão então numerar o grupo como sendo 5 – 2 (o terminal 2 será aquele ligado à fonte); ix. Trocar a posição do terceiro grupo com o grupo 2 – 5; x. Repetir o passo vi; xi. Se há indicação de tensão então numerar o grupo como sendo 3 – 6 (o terminal 3 será aquele ligado ao 4); xii. Se não há indicação de tensão então numerar o grupo como sendo 6 – 3 (o terminal 3 será aquele ligado à fonte).
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Figura 2.6 – Diagrama de identificação de terminais do motor.
Em alguns motores o teste pode ser realizado utilizando-se duas lâmpadas uma em série para identificação e alimentação dos grupos de bobinas do motor, e uma segunda lâmpada para identificação da ligação em série aditiva ou subtrativa ligada diretamente ao terceiro grupo de bobinas. Figura 2.7.
Figura 2.7 – Identificação de terminais do motor utilizando-se lâmpadas.
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Figura 3.2 – Componentes do relé térmico de sobrecarga.
A Figura 3.3 apresenta alguns botões de comandos de um relé típico.
Figura 3.3 – Vista Superior de um Relé de sobrecarga.
O diagrama de ligação dos contatos de potência de um relé térmico de sobrecarga para um motor monofásico e bifásico respectivamente pode ser observado na Figura 3.4.
Figura 3.4 – Ligação do relé térmico para motor monofásico e bifásico.
O diagrama de ligação dos contatos de comandos de relés de sobrecarga pode ser observado na Figura 3.5.
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Figura 3.5 – Diagrama de contatos de comandos do relé térmico de sobrecarga.
3.2.3. Relé de Falta de Fase
Os relés de falta de fase são componentes eletrônicos que operam a abertura e/ou fechamento de contatos quando da ocorrência de falta de uma ou mais fases, também do neutro nos modelos que operam com neutro. Alguns modelos incorporam outras funções de monitoramento das fases se constituindo em relés de supervisão de linha. Figura 3.6. Os contatos do relé de falta de fase operam de imediato quando em condições normais de operação e desligam com um pequeno retardo. Devem ser ligados em série no circuito da bobina do contator que se pretende comandar.
Figura 3.6 – Diagrama de contatos do relé de falta de fase.
3.3. Dispositivo de Acionamentos
Os dispositivos de acionamento são utilizados para interromper ou conectar um circuito elétrico. Em si tratando de comandos elétricos os dispositivos de acionamento realizam esta operação através de elementos conhecidos como contatos. Os contatos são parte de um dispositivo de manobra, através do qual um circuito é ligado ou desligado. Por definição, os contatos são os elementos propriamente utilizados para comandar componentes de um circuito elétrico em condições normais de operação. Quando se observa um diagrama elétrico devemos entender que os contatos não se atuam a si mesmos, são atuados pelos dispositivos aos quais pertencem. Existe uma gama bastante grande e diversificada de dispositivos que operam segundo o monitoramento de alguma grandeza física, ou por alguma outra ação, para ocasionar o acionamento de contatos, no entanto, não é necessário o estudo de todos eles para ter a compreensão de diagramas de comandos elétricos. No quadro 3. podemos observar como o acionamento é realizado em alguns dispositivos para operação dos respectivos contatos.
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Figura 3.7 – Tipos de contatos.
ii. Capacidade Quanto à capacidade de condução de corrente podem ser do tipo principal (de potência) ou auxiliar (de comando). a) Contato Principal Contato no circuito principal de um dispositivo de manobra. Este tipo de contato se caracteriza pela capacidade de condução de corrente adequada à operação de cargas. São contatos do tipo NA utilizados para conduzir e interromper correntes mais elevadas. b) Contato Auxiliar Contato localizado no circuito auxiliar de um dispositivo de manobra. Este tipo de contato se caracteriza pela baixa capacidade de condução de corrente, da ordem de 5A, adequada à operação com bobinas, lâmpadas de sinalização e componentes eletro- eletrônicos de baixa potência utilizados no circuito de comando. Podem ser do tipo NA, NF, ou reversor.
Alguns dispositivos de acionamentos utilizados em comandos elétricos são apresentados nos itens 3.3.1 a 3.3.4. 3.3.1. Botão de Comando / Botoeira
Dispositivo de comando que possibilita o acionamento ou interrupção da corrente de comando quando é pressionado através da ação de um operador. Há dois tipos básicos de botões: pulsante ou com retenção. a) Pulsante: o elemento de acionamento da botoeira (botão) retorna a posição normal, de repouso, quando o mesmo é despressionado, Figura 3.8. Os contatos da botoeira que durante a operação do botão foram movimentados retornam também a posição de repouso, ou seja, um contato NF que estava aberto quando a botoeira estava pressionada voltará a sua posição inicial (de repouso) fechando o contato.
Figura 3.8 – Botoeira com contato normalmente aberto.
b) Com retenção: o elemento de acionamento da botoeira (botão) somente retorna a posição normal, de repouso, quando o mesmo for pressionado novamente. Os contatos da botoeira que durante a operação do botão foram movimentados permanecem nesta posição até que o botão seja novamente pressionado.
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Os botões de comandos podem acionar um ou mais contatos que podem ser do tipo NF ou NA ou mesmo de ambos. A cor de um botão de comando quando corretamente utilizado especifica a função para a qual o botão está sendo utilizado. A identificação de botões, segundo a IEC 73 pode ser observada no quadro 3.2.
CORES SIGNIFICADO APLICAÇÃO
Vermelho Desligar, parar ou imergência Parada de máquinas, parada em caso de emergência Amarelo Intervenção, retrocesso Valor de uma grandeza aproxima- se do valor limite Verde / Preto
Partir, ligar, pulsar Partir, energizar por pulsos, ligar
Azul / Branco
Qualquer função, exceto as anteriores
Reset de relés térmicos, comandos de funções auxiliares não relacionadas com a operação da máquina
Quadro 3.2 – Identificação de botões.
3.3.2. Chave Fim de Curso / Interruptor Fim de Curso
São dispositivos de acionamento retilíneo ou angular, com retorno automático ou por acionamento utilizados principalmente para sinalização, detecção de objetos e limitação de curso. São compostos de duas partes as quais denominamos de cabeçote e corpo. O funcionamento deste dispositivo se baseia no acionamento do atuador da chave ocasionado pelo contato físico de um objeto que se movimenta em relação a este atuador movimentando-o o suficiente para que a(s) posição do(s) contato(s) seja(m) modificada(s). Assim como as botoeiras estas chaves podem acionar mais de um contato dos tipos NA, NF ou reversor. As chaves fim de curso podem possuir diversos tipos de elementos de acionamento (haste, pistão alavanca, etc) na figura 3.9 são apresentados dois tipos alavanca e haste respectivamente.
Figura 3.9 – Chaves fim-de-curso.
3.3.3. Contator / Relé
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Os contatores auxiliares são projetados para executar comandos e sinalização de sistemas. São geralmente utilizados em grandes sistemas, ou quando o circuito de comandos necessita de um número maior de contatos NA e/ou NF. A capacidade de condução de corrente dos contatos é em geral 5A. 3.3.3.1. Nomenclatura dos Contatos Segundo a IEC 947 – 4.
a) Terminais dos contatos principais Os terminais dos contatos principais devem ser identificados por números unitários e por um sistema alfanumérico. Figura 3.12.
Figura 3.12 – Nomenclatura de contatos.
b) Terminais dos contatos auxiliares Devem ser identificados por dois números. Figura 3.13.
- O algarismo da unidade corresponde ao tipo do contato.
- O algarismo da dezena corresponde à ordem do contato no dispositivo
- 1º, 2º contato, etc.
Figura 3.13 – Nomenclatura de contatos.
Os números 1 – 2 são utilizados para contatos NF sem retardo na abertura; os números 3 – 4 são utilizados para contatos NA. Os números 5 – 6 são utilizados para contatos NF retardados na abertura; os números 7 – 8 são utilizados para contatos NA adiantados no fechamento. Na operação de contatos NF e NA em um mesmo contator um contato NF terminado em 1 – 2 abre antes do fechamento de um contato NA terminado em 3 – 4. No caso de uso de contato NF terminado em 5 – 6 em conjunto com contato NA terminado em 7 – 8 em um mesmo dispositivo fecha-se primeiro o contato NA e logo após abre-se o contato NF.
3.3.4. Relé de Tempo / Temporizador
Os relés temporizadores, também conhecidos como relés de tempo, são dispositivos que permitem o controle de tempo em processos.
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Os tipos mais utilizados são o eletrônico e o pneumático, existindo também os eletromecânicos e mecânicos.
3.3.4.1. Relé de Tempo eletrônico
Os relés de tempo eletrônicos possuem terminais correspondentes à alimentação e aos contatos e um seletor de tempo. O circuito eletrônico de controle é alojado em caixa padrão para fixação por parafusos ou em trilho DIN 35 mm ou através de parafusos. Os contatos geralmente são do tipo reversíveis. Podem ser encontrados para alimentação em corrente contínua (12, 24, 48, 125 Vcc) ou em corrente alternada (12, 24, 42, 48, 110, 125, 220, 380, 440 Vca). Um diagrama de ligação de relés de tempo é apresentado na Figura 3.14.
- Diagrama de ligação e simbologia:
Figura 3.14 – Diagrama de contatos do relé de tempo.
Funcionamento: A comutação do(s) contato(s) ocorre após o tempo ajustado no seletor, conforme o tipo de relé. Tipos: Os diversos tipos de relés eletrônicos, com algumas variações, podem ser entendidos como combinação de três tipos básicos que são: retardo na energização, retardo na desenergização e cíclico.
a) Retardo na energização
A comutação do(s) contato(s) ocorre(m) após a contagem do tempo T ajustada no seletor, contada a partir da alimentação do relé.
b) Retardo na Desenergização
Retardo na desenergização: a comutação do(s) contato(s) ocorre(m) no momento em que o relé é acionado permanecendo neste estado até o tempo T após o desligamento do relé, quando o contato comutador volta à posição inicial.
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Quadro 3.3 – Identificação de sinaleiros.
3.4.2. Sinalização Sonora
A sinalização sonora é utilizada em comandos elétricos geralmente para indicar condições de operação perigosa, alarme, pane ou desligamento não programado ou não intencional de máquinas ocasionada por problemas, desligamento por atuação de proteções do sistema entre outras. Para a sinalização são utilizadas sirenes, buzinas, cigarras com freqüência, timbre e potência adequados aos ambientes.
3.5. Dispositivo de Medição e Auxiliares
Os dispositivos de medição utilizados na maioria dos comandos elétricos são amperímetros, voltímetros, freqüencímetros, horímetros, entre outros. Os voltímetros e amperímetros dependendo da magnitude dos valores de tensão e corrente a serem medidos utilizam dispositivos auxiliares conhecidos como transformadores de potencial – TP e transformador de corrente – TC respectivamente. Os Transformadores de corrente são utilizados para redução da corrente elétrica que deverá ser medida pelo amperímetro. O TP é utilizado para redução da tensão elétrica que deverá ser medida pelo voltímetro. Em alguns casos também se utilizam transformadores com o fim de reduzir a tensão de alimentação do circuito de comandos. A figura 3.15 apresenta um diagrama de comandos com TC, TP, amperímetro e voltímetro.
Figura 3.15 – Diagrama de comandos.
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Capítulo 4 – OPERAÇÃO DE CIRCUITOS BÁSICOS DE COMANDOS
4.1. Introdução
Entendendo-se o funcionamento do contator e dos demais componentes utilizados em comandos elétricos podemos projetar circuitos de comandos que realizem as mais diversas funções. Os circuitos são projetados utilizando-se símbolos previamente desenhados para representação de componentes, dispositivos, máquinas, equipamentos, etc. Usualmente na elaboração de diagramas de comandos elétricos separam-se dois circuitos: circuito principal (onde os contatos principais são desenhados) e circuito auxiliar, ou de comandos (onde os contatos de comandos são desenhados). Os circuitos principais apresentam a parte de potência onde o elemento principal do sistema aparece (motores, máquinas, etc), ver Figura 4.1. O circuito principal pode ainda ser desenhado através de um diagrama trifilar ou unifilar.
Figura 4.1 – Circuito principal e circuito de comandos.
Os componentes representados por símbolos nos circuitos de comandos e de potência (contatos NA, contatos NF, bobinas, motor, etc) são desenhados no estado normal de funcionamento, ou seja, sem que o componente tenha sido atuado. Esta representação é utilizada de forma que somente um circuito de comandos e um circuito de potência sejam utilizados quer o sistema esteja em operação (em seus vários estágios) ou mesmo desligado. No circuito de comandos da Figura 4.1 temos: o contato NF da botoeira B0 (1-2), o contato NA da botoeira B1 (3-4), o contato NA do contator K1 (13-14) e a bobina do contator K1(A1-A2). Em condições normais, ou seja, sem atuar nenhum dos componentes o contato NF da botoeira B0 (1-2) está fechado (abre quando a botoeira é pressionada); o