Apostila que dar uma visão geral dos dispositivos elétricos.

1. Mecânica I
Dispositivos Elétricos
Introdução Relé
Os dispositivos elétricos são componentes do sistema O relé nada mais é do que uma chave impulso acionada
eletropneumático automatizado que recebem os comandos do pelo cmpo magnético. Este dispositivo é formado basicamente
circuito elétrico de controle e acionam as máquinas elétricas. por uma bobina e pelos seus conjuntos de contatos.
Alguns dispositivos elétricos aqui apresentados possuem função de Aplicando–se uma tensão elétrica nos terminais da
proteção, sinalização ou de regulagem. bobina do relé, surge na mesma uma corrente gerando um campo
magnético. A força magnética, por sua vez, atrai a parte móvel
Dispositivos de Comando do relé, distendendo a mola. Esta manobra faz com que o
São elementos de comutação destinados a permitir ou não
a passagem da corrente elétrica entre um ou mais pontos de um
circuito. Os tipos mais comuns são:
terminais da
Chave sem retenção ou impulso bobina
mola
É um dispositivo que só permanece acionado mediante
aplicação de uma força externa. Cessada a força, o dispositivo
volta à situação anterior. Este tipo de chave pode ter, NF
construtivamente, contatos normalmente abertos (NA) ou isolamento
normalmente fechados (NF). NA
C
NA NF NA NF NA NF
K
Chave com retenção ou trava
É um dispositivo que uma vez acionado, seu retorno à C C
situação anterior acontece somente através de um novo
A1 13 23 33 41
acionamento. Construtivamente, pode ter contato normalmente
aberto (NA) ou normalmente fechado (NF).
K
NA NF A2 14 24 34 42
terminal C, que anteriormente estava em contato com o terminal
NF, passe a se fixar com o contato NA.Enquanto a bobina
permanecer energizada, os contatos se mantêm nesta posição.
Chave de contatos múltiplos com ou sem retenção Ao ser desenergizado, o solenóide cessa a força
Existem chaves com ou sem retenção de contatos eletromagnética de atração, resultando no retorno da parte móvel
múltiplos NA ou NF. do relé à posição inicial pelo efeito de contração da mola. Deve
ser ressaltado que um relé, construtivamente, pode ser formado
por vários conjuntos de contatos.
Uma das grandes vantagens dos relés é o isolamento
galvânico entre os terminais da bobina e os contatos NA e NF,
além do isolamento entre os conjuntos de contatos. A figura
abaixo mostra outra vantagem dos relés, que é a possibilidade de
Chave impulso: 2NA+2NF Chave trava: 2NA+1NF acionar cargas com tensão diferentes através de um único relé.
Chave seletora
É um dispositivo que possui duas ou mais posições
NA NF NA NF carga 2
podendo selecionar uma entre várias funções em um determinado S
processo. Este tipo de chave apresenta um ponto de contato
comum (C) em relação aos demais contatos. K
24V C
NF C
C C carga 1
NA ~
Chave impulso: 3 posições Chave trava: 2 posições 127V
OBS: para a escolha das chaves devemos levar em consideração as
220V ~
especificações de tensão nominal e corrente máxima suportável
Ao acionar a chave S, automaticamente energiza-se as
pelos contatos.
cargas 1 e 2 com as tensões de 127V e 220V respectivamente.
1

2. Mecânica I
Uma outra propriedade muito explorada dos relés é o Ao acionar a chave S1, a bobina do contator C é
efeito memória, ou seja, a retenção de sinais elétricos de comando. energizada, fechando os contatos principais e o contato C de
auto-retenção, ligando o forno elétrico trifásico. Para desligar
este forno basta acionar a chave S2.
S1 K K
V1
S2
K L
OBS: para a escolha de relés e contatores, devemos
levar em consideração as especificalções do número de contatos,
Ao acionar a chave S1, a bobina do relé K é energizada, tensão nominal da bobina e corrente máxima nos contatos.
fechando os dois contatos K, acendendo, com isso, a lâmpada L.
Retirando-se a força de acionamento da chave S1, ela abre, mas a Dispositivos de Proteção
lâmpada continua acesa devido a retenção do sinal (efeito São elementos intercalados no circuito com o objetivo
memória). A lâmpada permanece acesa até o acionamento da de interomper a passagem de corrente elétrica sob condições
chave S2. Quando isto acontece a bobina do relé K é anormais, como curto-circuitos ou sobrecargas. Os dispositivos
desenergizada, abrindo, com isso, os contatos K, desligando a de proteção mais comuns são:
lâmpada.A lâmpada permanece apagada até um novo acionamento
da chave S1. Fusível
O princípio de funcionamento do fusível baseia-se na
Contator fusão do filamento e conseqüente a bertura do filamento quando
Assim como o relé, o contator é uma chave de comutação por este passa uma corrente elétrica superior ao valor de sua
eletromagnética. Ele é empregado, geralmente, para acionar especificação.
máquinas e equipamentos elétricos de grande potência, enquanto o
relé é usado em cargas de pequena potência.
O contator, além de possuir os contatos principais, FUS 3A
apresenta também contatos auxiliares NA e NF de pequena
capacidade de corrente. Estes contatos são utilizados para realizar filamento
o próprio comando do contator (auto-retenção), sinalização e tubo de vidro
acionamento de outros dispositivos elétricos.
NA NA NF NF
terminal
Os fusíveis geralmente são dimensionados 20% acima
1 2 3 13 23 31 41 da corrente nominal do circuito. Diante disso, nunca devemos
substituí-lo por outro de maior corrente.
Os fusíveis são classificados em retardados e rápidos.
4 5 6 C 14 24 32 42 Os fusíveis de ação retardada são usados em circuitos nos quais
a corrente de partida é muitas vezes superior à corrente nominal.
contatos principais contatos auxiliares
É o caso dos motores elétricos e cargas capacitivas.
a) Representação Já os fusíveis de ação rápida são utilizados em cargas
resistivas e na proteção de componentes semicondutores, como o
Vr 1 4 diodo e o trisistor em conversores estáticos de potência.
~ forno
Vs 2 5
elétrico Corente nominal
~ 3 6 trifásico
Vt
~
C
b) Circuito de potência
- +
S1 S1
C
14 13
C
c) Circuito de comando
2

3. Mecânica I
Sobrecarga é uma corrente ligeiramente superior à • Não se funde e não precisa ser substituído após ter sido
corente nominal e que a longo prazo (horas) pode danificar ativado;
seriamente o cabo condutor ou o equipamento. • Protege a instalação com rapidez e segurança;
• Pode, eventualmente, ser utilizado como chave.
Curto-circuito é uma corrente excessivamente alta
proveniente de algumas avarias no sistema elétrico ao qual está
conectado (aproximadamente dez vezes a nominal), e que precisa
ser imediatamente interrompido, sob pena de danificar todo o
circuito elétrico.
Relé de Sobrecarga ou Térmico
O princípio de funcionamento do relé de sobrecarga
baseia-se na dilatação linear de duas lâminas metálicas com
coeficientes de dilatação térmica diferentes, acopladas
rigidamente (bimetal). Quando ocorre uma sobregarga ou falta de
fase, esta se reflete num aumento de corrente provocando um
Disjuntor Termomagnético aquecimento maior e, conseqüentemente, um acréscimo na
O disjuntor termomagnético possui a função de elemento dilatação bimetal. Essa deformação aciona a abertura do contato
de proteção e, eventualmente, de chave. Interrompe a passagem de auxiliar que interrompe a passagem da corrente para a bobina do
corrente elétrica ao ocorrer uma sobrecarga ou curto-circuito. contator, desacionando, com isso, a carga. Para ligar novamente
A proteção contra sobrecarga baseia-se no princípio da a carga deve-se acionar manualmente o botão de rearme do relé
dilatação de duas lâminas de metais distintos, portanto, com térmico.
coeficientes de dilatação diferentes. O relé térmico possui as seguintes partes principais:
• Um contato auxiliar (NA+ NF) de comando da bobina do
contator;
• Um botão de regulagem da corrente de desarme;
• Um botão de rearme de ação manual;
• Três bimetais.
Uma pequena sobrecarga faz o sistema de lâminas A figura anterior apresenta uma aplicação do relé
deformar-se (efeito térmico) sob o calor, desligando o circuito. térmico na proteção de motores elétricos trifásicos.
A proteção contra curto-circuito é feita através da ação
de um dispositivo magnético, que desliga o circuito quase Relé térmico
instantaneamente. Vr FUS 1 4
Os disjuntores são dimensionados da mesma forma que ~
2 5
os fusíveis e construtivamente estes dispositivos podem ser
monopolares, bipolares ou tripolares. ~
Vs FUS
M
FUS 3 6
Vt
~
C
a) Circuito de potência
Disjuntor Disjuntor - +
Monopolar Bipolar Disjuntor Tripolar
S1 S1
FUS
C RT
As vantagens do disjuntor termomagnético são:
• É religável, após cessar o problema que ocasionou o seu
14 13
desarme; C
b) Circuito de comando
3

4. Mecânica I
Neste sistema, os fusíveis protegem o circuito de potência diretamente proporcional ao número de espiras das bobinas. Esta
contra curto-circuito e o relé térmico protege o motor contra relação é expressa através da seguinte fórmula:
sobrecarga e falte de fase. Quando o relé térmico atua, o contato Vp Np
NF abre, desenergizando o solenóide do contator que, por sua vez, a= =
desaciona o motor elétrico. Vs Ns
Onde a é a relação de tensão ou relação de espiras. Se for maior
que 1, o transformador é abaixador e se for menor que 1, o
Dispositivos de regulagem transformador é elevador.
São elementos destinados a regular o valor de variáveis
Np transformador ideal, a potência elétrica no primário
de um processo automatizado, tais como: velocidade, tempo,
é igual à potência elétrica no secundário, isto é:
temperatura, pressão, vazão, etc. Os tipos mais comuns são:
Pp=Ps ⇒ Vp.Ip=Vs.Is
Portanto, as seguintes relações são válidas
Reostato
É um componente de resistência variável que serve para Ip Vp Ns 1
= = =
regular corrente de alta intensidade em circuitos elétricos. Is Vs Np a
Na prática, essas expressõeso não são exatamente iguais
t1 devido às perdas no cobre (resistência ôhmica das bobinas) e as
perdas no ferro (correntes parasitas no núcleo).
t2 Para a escolha do transformador devemos levar em
consideração as especificações de tensão primária, tensão
a) Simbologia b) Cilindro Simples
secundáriae potência requerida.
Relé de tempo com retardo na ligação
t1 O relé de tempo com retardo na ligação comuta seus
contatos após um deerminado tempo, regulável em escala
própria. O início da temporização acontece quando energizamos
t2 os terminais de alimentação do relé de tempo.
t2 t1
c) Cilindro Duplo d) Toroidal +
chave S fechada
Potenciômetro
O potenciômetro apresenta a mesma função que o aberta
L
reostato, porém é fisicamente menor e regula correntes de baixa S
intensidade nos circuitos elétricos e eletrônicos. Apresenta três lâmpada L
NA NF acesa
terminais acessíveis, podendo ser construído com fio, carvão ou
líquido. C apagada
K
tempo
-
Transformador Ao ligar a chave S, é iniciada a contagem de tempo
O transformador é um componente que permite adaptar o conforme foi ajustado. Uma vez atingido o tempo final, os
valor de uma tensão alternada, aumentando-a ou diminuindo-a, contatos comutarão acendendo a lâmpada. Ao desligar a chave S,
conforme a conveniência. O transformador básico é formado a lâmpada apaga.
porduas bobinas isoladas eletricamente, enroladas em torno de um
núcleo de ferro silício. Relé de tempo com retardo no desligamento
A transformação de energia elétrica de uma bobina para O relé de tempo com retardo no desligamento mantém
outra é realizadapor intermédio do fluxo magnético. A bobina que seus contatos comutados por um determinado tempo, regulável
recebe a energia a ser transformada chama-se primário, e a bobina em escala própria, após a desenergização dos terminais de
que fornece a energia à carga, chama-se secundário. alimentação.
+
φ chave S fechada
Ip Is aberta
L
Ns S
~ Vp Np Vs NA NF lâmpada L
carga acesa
C apagada
K
núcleo
tempo
-
onde:
φ:fluxo magnético Ao fechar a chave S, o relé é ativado, comutando os
Vp: tensão primária Vs: tensão secundária contatos e acendendo a lâmpada. Ao desligar a chave S, a
Ip: corrente primária Is: corrente secundária lâmpada permanece acesa durante um tempo preestabelecido.
Np: n° de espiras primária Ns: n° de espiras secundária
A tensão elétrica nas bobinas de um transformador é
4

5. Mecânica I
Contador de impulsos elétricos dificuldades na utilização dos sinalizadores, pode-se usar em
O contador de impulsos elétricos realiza a contagem conjunto os indicadores luminosos e acústicos.
progressiva, mediante a ação de impulsos elétricos na bobina Para a escolha dos dispositivos de sinalização, deve-se
contadora. Estes impulsos são provenientes de relés, contadores, levar em consideração as especificações da tensão nominal de
chaves, sensores elétricos, etc. alimentação.
A programação é realizada pelo usuário através de chaves
do tipo impulso localizadas no painel deste dispositivo. O Solenóides
acionamento dos contatos do contador ocorre quando o número de Os solenóides são bobinas eletromagnéticas que, quando
impulsos elétricos na bobina contadora for igual ao valor energizadas, geram um campo magnético capaz de atrair
programado pelo usuário. elementos com características ferrosas, comportando-se como
O reset significa zerar a contagem dos impulsos elétricos, um imã permanente. Numa eletroválvula, hidráulica ou
e pode ser acionado manualmente via uma chave sem retenção ou pneumática, a bobina do solenóide é enrolada em torno de um
por um impulso elétrico na bobina do reset do contador. magneto fixo, preso à carcaça da válvula, enquanto que o
+ magneto móvel é fixado diretamente na extremidade do carretel
da válvula. Quando uma corrente elétrica percorre a bobina, um
chave S campo magnético é gerado e atrai os magnetos, o que empurra o
fechada carretel da válvula na direção oposta à do solenóide que foi
L aberta
S desacionado
energizado. Dessa forma, é possível mudar a posição do carretel
reset no interior da válvula, por meio de um pulso elétrico.
NA NF acionado
C lâmpada L acesa
K apagada
- tempo
A figura acima apresenta o comportamento de um
contador rpogramado para acionar uma lâmpada após três
impulsos elétricos da chave S. Depois de um tempo o reset é
acionado, zerando o contador e apagando a lâmpada.
Dispositivos de sinalização
São componentes elétricos utilizados para indicar o
estado em que se encontra um processo automatizado. As Em eletroválvulas pneumáticas de pequeno porte, do
informações mais comuns fornecidas pelos dispositivos são: tipo assento, o êmbolo da válvula é o próprio magneto móvel do
ligado, desligado, falha e emergência. solenóide.
Deve-se ainda sinalizar o estado de cada elemento de
trabalho e de cada sensor elétrico do processo com a finalidade de
facilitar a localização de defeito numa eventual manutenção.
Indicador visual
Os indicadores visuais fornecem sinai luminosos
indicativos de estado, emergência, falha, etc. São os indicadores
mais utilizados, devido à simplicidade, eficiência na indicação e
baixo custo.
Esse sinais são fornecidos por lâmpadas ou LED’s
(diodos emissores de luz), principalmente em ambientes onde o
silêncio é necessário. A seguinte tabela apresenta as cores de
sinalização recomendadas para cada situação de um processo
automatizado e afigura que segue mostra a simbologia elétrica de
um indicador visual.
Estado Cor
Ligado Vermelho
L Desligado Verde
falha Amarelo
Indicador acústico
O indicador acústico fornece sinais audíveis, indicativos
de estado, falha, emergência, etc. São as sirenes e as buzinas
elétricas. Este tipo de sinalizador é utilizado em ambientes de
difícil visualização dos indicadores luminosos ou quando se deseja
atingir um grande número de pessoas em diferentes locais.
A
Nos ambientes onde não existem restrições ou
5

6. Mecânica I
Quando o campo magnético é gerado, em conseqüência
da energização da bobina, o êmbolo da válvula é atraído, abrindo
ou fechando diretamente as passagens do ar comprimido no
interior da carcaça da válvula.
Partida de motores
Chave de Partida direta manual
É o método mais simples, em que não são empregados
dispositivos especiais de acionamento. A chave de comando direto
existe em grande número de modelos e diversas capacidades de Esquema de ligação de um motor trifásico.
corrente, sendo a chave faca a mais simples.
Consiste na alimentação do motor com redução de
tensão nas bobinas durante a partida. Na partida as bobinas do
motor recebem 58% (1/ 3) da tensão que deveriam receber. A
chave estrela-triângulo é um dispositivo que liga as três fases do
motor em estrela durante a partida até uma rotação próxima da
nominal (90%), quando comuta a ligação para triângulo. Isto
significa que a tensão por fase na ligação estrela será 3 vezes
menor que a tensão de alimentação, conseqüentemente, a
corrente de linha na partida será 3 vezes menor, assim como o
seu conjugado motor.
Vantagens:
• é muito utilizada, devido ao seu custo reduzido;
Chave de Partida direta automática (com contator e relé • não tem limites quanto ao seu número de manobras;
bimetálico) • os componentes ocupam pouco espaço;
Os motores somente podem partir diretamente desde que sejam • a corrente de partida fica reduzida para
satisfeitas as seguintes condições: aproximadamente 1/3 da nominal.
• a corrente nominal da rede é tão elevada que a corrente de
partida do motor não é relevante; Desvantagens:
• a corrente de partida do motor é de baixo valor porque sua • a chave só pode ser aplicada em motores com no
potência é pequena; mínimo seis terminais acessíveis;
• a partida do motor é feita sem ou com mínima carga, o que • a tensão de linha da rede deve coincidir com a tensão da
reduz a corrente de partida. ligação triângulo do motor;
Nas concessionárias de fornecimento de energia elétrica permite- • reduzindo a corrente de partida em 1/3 reduz-se também
se partida direta de motores trifásicos até 5 CV em 220V e de o momento de partida em 1/3;
7,5CV em 380V. • se o motor não atingir 90% da velocidade nominal no
momento da troca de ligação, o pico de corrente na
Partida através de chave estrela-triângulo automática comutação será quase como se fosse uma partida direta.
Sempre que possível, a partida de um motor trifásico de gaiola,
deverá ser direita, por meio de contatores.
Nos casos em que a corrente de partida do motor é
elevada podem ocorrer as seguintes conseqüências prejudiciais:
• elevada queda de tensão no sistema da alimentação da rede.
Em função disto provoca a interferência em equipamentos
instalados no sistema.
• o sistema de proteção (cabos, contatores) deverá ser
superdimensionada ocasionando um custo elevado.
• a imposição das concessionárias de energia elétrica que
limitam a queda da tensão da rede.
Caso a partida direta não seja possível devido aos
problemas citados acima, pode-se usar sistema de partida indireta
para reduzir a corrente de partida.
É fundamental para a partida com a chave estrela -
triângulo que o motor tenha a possibilidade de ligação em dupla
tensão, ou seja, em 220 / 380V, em 380/660V ou 440/760V. Os
motores deverão ter no mínimo 6 bornes de ligação.
A chave estrela - triângulo em geral só pode ser Diagrama Principal
empregada em partidas da máquina em vazio, isto é, sem carga.
Somente depois de ter atingido a rotação nominal, a carga poderá
ser aplicada.
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7. Mecânica I
Diagrama de Comando
São utilizados três contatores: K1 que alimenta as pontas
1, 2 e 3 do motor com as três fases R, S e T, respectivamente; K2
que alimenta com a mesma seqüência as pontas 6, 4 e 5 e; K3 que
interliga as pontas 4, 5 e 6. Desta forma a ligação simultânea de
K1 e K3 corresponde a configuração estrela, enquanto que a
ligação de K1 e K2 equivale a configuração triângulo.
Bibliografia
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Automação Hidráulica: projetos, dimensionamento e análise
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Parker Hannifin Corporation. Ago. 2001.
Eletrotécnica para Escolas Profissionais. Anzenhofer et al, Ed.
Mestre Jou.
Instalações Elétricas de Baixa Tensão. Workshop. Proteção
contra sobrecorrentes e dimensionamento dos condutores.
Schneider/Procobre, Edição Jan. 2003.
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