Automação Industrial. Apostila 1 Acionamentos e Simbologia. Prof. Alexandre Landim
Automação Industrial. Introdução: Na Automação Industrial, bem como automação de processos e sistemas em geral, além do conhecimento e domínio do sistema de automação adotado o profissional requer conhecimentos dos processos e dos dispositivos em geral envolvidos no mesmo. Assim, dada à vasta aplicação em sistemas elétricos na industria, como acionamento de motores, bombas, entre outros componentes elétricos, faremos uma introdução aos sistemas elétricos e seus dispositivos, antes de nós aprendermos sobre os Elementos de Controle Digital. Dispositivos elétricos utilizados na automação: Interruptores Os interruptores são chaves com contatos elétricos acionados manualmente que permanecem na posição em que são deixados, por exemplo, se a chave encontrasse com os contatos elétricos abertos impedindo a passagem de corrente elétrica, após serem acionados os contatos elétricos fecharão permitindo a passagem de corrente elétrica. Botoeiras Elétricas As botoeiras elétricas são botões com contatos elétricos acionados manualmente que retornam ao seu estado inicial após a ação manual, por exemplo, uma botoeira com contatos elétricos normalmente abertos (impedindo a passagem de corrente elétrica), ao serem acionadas (pressionadas) os contatos elétricos fecharão permitindo a passagem de corrente elétrica, mas ao término do acionamento os contatos elétricos voltarão a posição inicial (normalmente aberto) impedindo a passagem de corrente elétrica. Existem três tipos de botoeiras: Botoeiras de trabalho o contato é do tipo normalmente aberto impedindo a passagem de corrente elétrica sempre que a botoeira não estiver sendo acionada. Quando a botoeira é acionada (pressionada) o contato de trabalho fecha permitindo a passagem de 2
corrente elétrica. Ao término do acionamento a mola interna força a abertura do contato de trabalho, interrompendo a passagem de corrente elétrica. Botoeiras de repouso o contato é do tipo normalmente fechado possibilitando a passagem de corrente elétrica sempre que a botoeira não estiver sendo acionada. Quando a botoeira é acionada (pressionada) o contato de repouso abre impedindo a passagem de corrente elétrica. Ao término do acionamento a mola interna força o fechamento do contato de repouso, possibilitando a passagem de corrente elétrica. Botoeiras de repouso/trabalho esta botoeira possui dois contatos, onde um é normalmente fechado e o outro normalmente aberto. Contatos de Roldana Os contatos de roldana são indicadores de posicionamento e são acionados mecanicamente por movimento. Existem dois tipos: Contatos de Roldana Simples estes contatos são acionados quando o móvel está na posição da roldana. Este tipo de contato não permite definir o sentido do movimento. Contatos de Roldana Escamoteável estes contatos são acionados quando o móvel está passando em um sentido (direita/esquerda/acima/abaixo) na posição da roldana, e são desativados após a passagem do móvel. Quando o móvel volta (sentido oposto) os contatos permanecem desativados. Este tipo de contato permite definir o sentido do movimento. Contatores Os contatores são interruptores múltiplos comandados por um eletroímã. A bobina quando alimentada cria um campo magnético num núcleo fixo, que por sua vez atrai um núcleo móvel, movimentando os contatos que estão fixados no corpo do núcleo móvel em direção aos contatos que estão fixados no corpo do núcleo fixo, provocando a mudança de estados dos contatos. Os contatos que no estado de repouso (bobina desenergizada) estão em condição normalmente fechados (condição de passagem de corrente elétrica) são abertos, e os contatos que estão em condição normalmente abertos (condição de interrupção de corrente elétrica) são fechados quando a bobina é energizada (estado de trabalho). Quando desenergizamos a bobina o campo magnético desaparece, da mesma forma as forças de atração entre os núcleos fixo e móvel, e a mola que é acoplada mecanicamente ao núcleo móvel força o retorno do mesmo a condição inicial, colocando assim os contatos nas condições normais de repouso. 3
Os contatores são constituídos de contatos principais e contatos auxiliares. Os contatos principais, por onde passam as correntes do circuito de potência que irá alimentar a carga, são dimencionados, projetados e fabricados para comutar um número grande de vezes com correntes relativamente altas. Os contatos auxiliares, são dimencionados, projetados e fabricados para circuitos (baixa corrente) sinalizadores, intertravamentos do diagrama de comandos, entre outros. Contatores para motores: Os contatores para motores tem as seguintes características: Dois tipos de contatos com capacidade de carga diferentes (principal e auxiliares) Maior robustez de construção; Possibilidade de receber reles de proteção; Existência de câmara de extinção de arco voltaico; Variação de potência da bobina do eletroímã de acordo com o tipo do contator; Tamanho físico de acordo com a potência a ser comandada; Possibilidade de ter a bobina do eletroímã secundário. Contatores Auxiliares: Os contatores auxiliares são utilizados para aumentar o número de contatos auxiliares dos contatores de motores para comandar contatores de elevado consumo na bobina, para evitar repique, para sinalização. Os contatores auxiliares tem as seguintes características: Tamanho físico variável conforme o número de contatos; Potência da bobina do eletroímã praticamente constante; Corrente nominal de carga máxima de 10 A para todos os contatos; Ausência de necessidade de relê de proteção e de câmara de extinção. Construção: Os principais elementos construtivos de um contator são: Contato Principal; Contato Auxiliar; Sistema de Acionamento; Carcaça; Acessórios. Contatos Principais: Os contatos principais têm a função de estabelecer e interromper correntes de motores e chavear cargas resistivas ou capacitivas. O contato é realizado por meio de placas de prata cuja vida útil termina quando essas placas estão reduzidas a 1/3 de seu valor inicial. Contatos Auxiliares: 4
Os contatos auxiliares são dimensionados para comutação de circuitos auxiliares para comando, sinalização e intertravamentos elétricos. Eles podem ser do tipo NA (normalmente aberto) ou NF (normalmente fechado) de acordo com a sua função. Sistema de acionamento: O acionamento dos contatores pode ser feito com corrente alternada ou corrente contínua. Acionamento: Para esse sistema de acionamento existem anéis de curto-circuito que se situam sobre o núcleo fixo do contator e evitam o ruído por meio da passagem da CA por zero. Um entreferro reduz a remanescência após a interrupção da tensão de comando e evita o colamento do núcleo. Após a desenergização da bobina de acionamento, o retorno dos contatos principais (bem como dos auxiliares) para a posição original de repouso é garantido pelas molas de compressão. Carcaça: A carcaça dos contatores é constituída de 2 partes simétricas (tipo macho e fêmea), unidas por meio de grampos. Retirando-se os grampos de fechamento do contator e sua capa frontal é possível abri-lo e inspecionar seu interior, bem como substituir os contatos principais e da bobina. A substituição da bobina é feita pela parte superior do contator, através da retirada de 4 parafusos de fixação para o suporte do núcleo. Vantagem do emprego de contatores: Comando á distância; Elevado número de manobras; Grande vida útil mecânica; Pequeno espaço para montagem; Garantia de contato imediato; Tensão de operação de 85 a 110% da tensão nominal prevista para contator. Montagem dos contatores: Os contatores devem ser montados de preferência verticalmento em local que não esteja sujeito a trepidação. Em geral, é permitido uma inclinação máxima do plano de montagem de 22,5 em relação a vertical, o que permite a instalação em naivos. Na instalação de contatores abertos, o espaço livre em frente a câmara deve ser no máximo de 45mm. Normas de identificação dos contatos dos contatores: A normalização nas identificações de terminais dos contatos e demais dispositivos de manobra de baixa tensão é o meio utilizado para tornar mais uniforme a execução de projetos de comandos e facilitar a localização e função desses elementos na instalação. A identificação é feita por letras maiúsculas nas bobinas com apenas um enrolamento. Bobinas para contator com um enrolamento: 5
Identificação de terminais em componentes de acionamento (contatores) para circuito auxiliares: A identificação é feita por (2) dígitos compostos pelo algarismo de origem de localização e pelo algarismo sequêncial de função. Os algarismos de localização são contados em sequência, começando de 1. A identificação numérica apresentada nas figuras 4 e 4 a, aplicam-se a contatos abridores e fechadores. 6
Exemplo de Aplicações Categoria Aplicações Serviço Normal Serviço Ocasional Ligar Desl Ligar Desl Aquecedores Manobras Leves; Lâmpadas Carga ôhmica ou Incandescentes AC1 pouco indutivo 1 X In 1 X In 1,5 X In 1,5 X In Lâmpadas Fluorescentes Compensadas Guinchos Comando de Bombas motores com rotor Compressores AC2 Bobinado. 2,5 X In 1 X In 4 X In 4 X In Desligamento em regime normal Bombas Serviço normal de Ventiladores manobras de Compressores AC3 motores c/ rotor 6 X In 1 X In 10 X In 8 X In de gaiola. Desligamento em regime normal Pontes Rolantes Tornos Reles Eletromagnéticos Manobras pesadas Acionar motores com carga plena Comando AC4 intermitente 6 X In 6 X In 12 X In 10 X In (pulsatório); reversão a plena carga, marcha e parada por contra corrente. Os reles eletromagnéticos são constituídos por um núcleo magnético, um eletroímã, uma armadura móvel, palhetas, molas e contatos elétricos. Os reles podem ser de corrente continua ou de corrente alternada, e também possuem diferentes valores de tensão para o seu acionamento. O acionamento dos Reles Eletromagnéticos é dado pela passagem de corrente e tensão aplicada a bobina do rele, gerando um campo magnético no núcleo, que por sua vez atrairá a armadura móvel, onde temos a palheta com contatos elétricos nas extremidades. Sendo assim a atração da armadura móvel desloca a palheta e conseqüentemente muda de estado o contato elétrico, por exemplo se o contato é normalmente aberto após o acionamento ele passa a posição de fechado, mas se ele for normalmente fechado passará a posição de aberto, e se o rele possuir dois contatos um normalmente aberto e um normalmente fechado, ambos mudaram de estado, o normalmente aberto fechará e o normalmente fechado abrirá. 7
Relés Temporizadores Os relés temporizadores são disponíveis em várias faixas de alimentação, e numa enorme gama de tipos. A escolha do tipo de relé depende da aplicação, pois cada tipo possui um funcionamento diferente. As aplicações variam como no uso em painéis e quadros de comandos de bombas, motores, maquinas elétricas para industrias, etc. Apresentaremos a seguir alguns tipos de relés temporizadores 1 Retardo na Energização: Utilizado num intervalo de tempo regulável entre a alimentação e a ação do contato de saída. 2 Prolongador de Impulso: O dispositivo para funcionar fica alimentado por todo tempo, quando enviamos o sinal de comando o contato de saída é acionado e permanece neste estado, por um intervalo de tempo ajustável, após a retirada do sinal comando. 3 Pulso na Energização: Quando energizado o relé aciona a saída por um intervalo de tempo ajustável 4 Partida Estrela triangulo: Utilizado para partida de motores em estrela e triangulo. 8
Dispositivos de Proteção de circuitos: Automação Industrial Veremos a seguir os dispositivos para proteção dos condutores e equipamentos de um circuito contra sobrecarga e curto circuito. Classificação: Proteção apenas para curto circuito (fusível); Proteção apenas para sobrecarga; Proteção para curto circuito e sobrecarga (disjuntor). Proteção apenas para curto circuito: Interromper a corrente antes que os efeitos térmicos e mecânicos tornam-se perigosos aos condutores, terminais e equipamentos. Tempo de interrupção < Tempo que os condutores atinjam a Temperatura máxima. Fusíveis: Dispositivo de segurança que protege as instalações elétricas dos efeitos de uma corrente elétrica excessiva (ex. um curto circuito). O fusível é normalmente composto por um fio metálico fino que se funde devido à alta corrente interrompendo o circuito. Os fusíveis são elementos inseridos nos circuitos para interrompe-los em situações anormais de corrente, como curto-circuito ou sobrecargas de longa duração. De um modo geral, os seguranças fusíveis são classificados segundo a tensão de alimentação em ala ou baixa tensão, e, também segundo as características de desligamento em efeito: RÁPIDO OU RETARDADO. Fusíveis de Efeito Rápido: Os fusíveis de efeito rápido são empregados em circuitos em que não há variação considerável de corrente entre a fase de partida e a de regime normal de funcionamento. Esses fusíveis são ideais para a proteção de circuitos Resistivos (lâmpada, fornos, etc.). Fusíveis de Efeito Retardado: Os fusíveis de efeito retardado são apropriados para uso em circuitos cuja corrente de partida atinja valores muitas vezes superiores ao valor da corrente nominal e em circuito que estejam sujeitos a sobregarga de curta duração. como exemplo podemos citar, motores elétricos e cargas capacitivas em geral. Os fusíveis de efeito retardado mais comumente usados são os NH E DIAZED RETARDADO. Tipos de fusíveis: 9
1. Rolha: Os fusíveis rolha atuam na proteção através de ligas metálicas, chumbo (Pb), prata (Ag), cobre (Cu). O corpo do fusível rolha é composto por material cerâmico revestido na parte do contato por latão. 2. Cartucho: Os fusíveis do tipo cartucho são aplicados na proteção de sobrecorrentes de curtocircuito em instalações elétricas como Oficinas. 3. Diazed: Os fusíveis DIAZED são utilizados na proteção de curto-circuito em instalações elétricas residenciais, comerciais e industriais e que quando normalmente instalados, permitem o seu manuseio sem riscos de toque acidental. Os fusíveis Diazed podem ser de ação rápida ou retardada: Diazed de atuação retardada. Os fusíveis DIAZED de atuação retardada são utilizados na proteção de motores já que estes na partida chegam a consumir uma corrente de até oito vezes a corrente nominal. I P = 8*I N. Os de ação retardada são usados em circuitos com motores e capacitores, sujeitos a picos de corrente. Os de ação rápida são usados em circuitos resistivos, ou seja, sem picos de corrente. Esses fusíveis são construídos para valores de, no máximo 100 A. e capacidade de ruptura é de 70 KA com uma tensão de 500 V. Construção: O fusível Diazed ou (D) é composto por: base (aberta ou protegida), tampa fusível parafuso de ajuste e anel. A base é feita de porcelana dentro da qual está um elemento metálico roscado internamente e ligado externamente á um dos bornes. O outro borne está isolado do primeiro e ligado ao parafuso de ajuste. A tampa, geralmente de porcelana, fixa o fusível á base e não é inutilizada com a queima do fusível. Ela permite inspeção visual do indicador do fusível e sua substituição mesmo sob tensão. O parafuso de ajuste tem função de impedir o uso de fusíveis de capacidade superior á desejada para o circuito. A montagem do parafuso é por meio de uma chave especial. O anel é um elemento de porcelana com rosca interna, cuja função é proteger a rosca metálica da base aberta, pois evita a possibilidade de contatos acidentais na troca do fusível. O fusível é um dispositivo de porcelana em cujas extremidades é fixado em fio de cobre puro ou recoberto por uma camada de zinco. Ele fica imerso em areia especial cuja função é extinguir o arco voltaico e evitar o perigo de explosão quando da queima do fusível. O fusível possui um indicador, visível através da tampa, cuja corrente nominal é identificada por meio de cores e que se desprendem em caso de queima. Veja na tabela a seguir, algumas cores e suas corrente nominais correspondentes: 10
INTENSIDADE COR DE CORRENTE (A) Rosa Marrom Verde Vermelho 2 4 6 10 INTENSIDADE COR DE CORRENTE (A) Cinza Azul Amarelo 16 20 25 INTENSIDADE COR DE CORRENTE (A) Preto Branco Laranja 35 50 63 O elo indicador de queima é constituído de um fio muito fino ligado em paralelo com o elo fusível. Em caso de queima do elo fusível, o indicador de queima também se funde e provoca o desprendimento da espoleta. 4. Fusível NH. Os fusíveis NH são aplicados na proteção de sobrecorrentes de curto-circuito e sobrecarga em instalações elétricas industriais. Os fusíveis NH suportam elevações de tensão durante um certo tempo sem que ocorra fusão. Eles são empregados em circuitos sujeitos a pico de corrente e onde existam cargas indutivas e capacitivas. Sua construção permite valores padronizados de corrente que variam de 6 á 1200 A.. Sua capacidade de ruptura é sempre superior a 70 KA com uma tensão máxima de 500 V. Construção dos fusíveis NH: Os fusíveis NH são constituídos por 2 partes: base e fusível. A base é fabricada de material isolante como a esteatita, plástico ou termofixo. Nela são fixados os contatos em forma de garras, ás quais estão acopladas molas que aumentam a pressão de contato. O fusível possui corpo de porcelana de seção retangular. Dentro desse corpo, estão o elo porcelana existem duas facas de metal que se encaixam perfeitamente nas garras da base. O elo fusível é feito de cobre em forma de lâminas vazadas em determinados pontos para reduzir a seção condutora. O elo fusível pode ainda ser fabricado em prata. Característica dos fusíveis NH e DIAZED: As principais características dos fusíveis Diazed e NH são: Corrente Nominal - corrente máxima que o fusível suporta continuamente sem interromper o funcionamento do circuito. Esse valor é marcado no corpo de porcelana do fusível. corrente de curto circuito - corrente máxima que deve circular no circuito e que deve ser interrompida instantaneamente. Capacidade de ruptura - (KA) - valor de corrente que o fusível é capaz de interromper com segurança. Não depende da tensão nominal da instalação. Tensão Nominal - tenão para a qual o fusível foi construído. Os fusíveis normais para baixa tensão são indicados para tensões de serviço de até 500V em CA e 600V em CC. Resistência elétrica (ou resistência ôhmica) - grandeza elétrica que depende do material e da pressão exercida. A resistência de contato entre a base e o fusível é responsãvel por eventuais aquecimentos que podem provocar a queima do fusível. 11
Instalação: Os fusíveis Diazed e NH devem ser colocados no ponto inicial do circuito a ser protegido. Os locais devem ser arejados para que a temperatura se conserve igual á do ambiente. Esses locais devem ser de fácil acesso para facilitar a inspeção e a manutenção. A instalação deve ser feita de tal modo que permita seu manejo sem perigo de choque para o operador. Escolha do fusível: A escolha do fusível é feita considerando-se a corrente nominal da rede, a malha ou circuito que se pretende proteger. Os circuitos elétricos devem ser dimensionados para uma determinada carga nomial, dada pela carga que se pretende ligar. A escolha do fusível deve ser feita de modo que qualquer anormalidade elétrica do circuito fique restrita ao setor onde ela ocorrer, sem afetar os outros. Dimensionamento: Para dimensionar um fusível, é nescessario levar em consideração as seguintes grandezas elétricas: corrente nominal ou ramal; corrente de curto-circuito; Tensão nominal. 12
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Proteção para curto circuito e sobrecarga: Disjuntores: O disjuntor é um dispositivo de proteção e manobra. Nos casos onde ele atua estabelecendo a condução e interrupção da corrente em condições anormais, ele trabalha como um dispositivo de proteção, e nos casos onde ele atua estabelecendo a condução e interrupção da corrente em condições normais, ele trabalha como um dispositivo de manobra. Os disjuntores possuem atuação termomagnética. Os disjuntores utilizados para proteção contra curto-circuito são chamados de disjuntores magnéticos. Estes dispositivos possuem em seu interior uma bobina, que no momento do surto de corrente irá gerar um campo magnético que provoca o deslocamento de uma armadura fazendo com que ele interrompa o fornecimento de energia. Os disjuntores para proteção contra corrente de sobrecarga são chamados de disjuntores térmicos. Estes dispositivos possuem em seu interior uma lâmina bimetálica que, no momento da sobrecorrente, irá aquecer provocando o deslocamento da armadura e o conseqüente desarme do disjuntor. Existem disjuntores que são direcionados para evitar problemas causados por correntes de fuga. Estas correntes podem ser causadas por choques elétricos e problemas de isolação na instalação elétrica. Estes dispositivos são chamados de DR (Disjuntor Residual) O funcionamento deste componente baseia-se na soma vetorial das correntes de entrada e de saída da instalação elétrica. Quando uma corrente circula pelo corpo de uma pessoa, causa um desequilíbrio entre as correntes de ida e de volta. Este desequilíbrio é detectado pelo disjuntor residual que desarma interrompendo o fluxo de energia. Por exemplo, se ele for utilizado visando a proteção de pessoas ele deve atuar sobre correntes de fuga de até 30mA. Apesar disso, existem disponíveis no mercado disjuntores que protegem contra correntes de fuga maiores do que 30mA, mas estes não podem ser utilizados na proteção pessoal. Proteção Contra Sobrecarga Atuação Térmica Proteção contra Curto-circuito Atuação Magnética 15
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Proteção apenas para sobrecarga: Reles Térmicos: São construídos para proteção de motores contra sobrecarga, falta de fase e tensão. Seu funcionamento é baseado em dois elementos metálicos, que se dilatam diferentemente provocando modificações no comprimento e forma das lâminas quando aquecidas. Esquematicamente o principio de funcionamento deste dispositivo se basea na diferença que existe na deflexão do bimetal em que falta a fase e nos bimetais que continuam circulando a corrente. Na figura 1 mostra o estado frio dol relé. 17
Na figura 2 mostra o caso de uma sobrecarga trifásica onde os 3 bimetais se desviam igualmente acionando as armaduras A e B de forma simultânea, formando uma unidade com leve diferencial C, que atua sobre o contato abrindo. Este movimento é o mesmo que se realiza nos relés de sobrecarga trifásicos convencionais. Na figura 3 mostra o funcionamento diferencial, considerando que a falta de fase se produz no pólo central. 18
Riscos do choque elétrico: 19
Cores de sinaleiros e botões: 20
Símbolos literais: Para identificação de componentes em esquemas elétricos conforme IEC 113.2 e NBR 5280. 21
Simbologia: 22
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Exercícios 27
Desenhe um Diagrama Principal (de Força) para uma carga trifásica utilizando os dispositivos de segurança necessários. Desenhe um Diagrama de Comando do circuito anterior. 28
Exercícios: Explique o funcionamento do Diagrama Principal e do Diagrama de Comando do circuito anterior, e também a função de cada dispositivo. 29
Exercícios: Desenhe um Diagrama Multifilar para uma carga bifásica. Desenhe um Diagrama Unifilar do circuito anterior. 30
Exercícios: Desenhe um Diagrama Principal (de Força) para uma carga com alimentação DC (corrente continua), sendo a mesma um motor onde teremos acionamento para os dois sentidos (horário e anti-horáro). Neste exercício a inversão de sentido se dará pela inversão da polaridade do Alimentador na carga. Desenhe um Diagrama de Comando do circuito anterior. 31
Exercícios Desenhe um Diagrama de Comando para acionamento do sequenciamento dos motores (partida direta) onde a lógica de funcionamento é dada a seguir: 1- O botão b1 alimenta o motor M1 e o contato NA de K1, dá condições de comandar o motor M2 através do botão b2. 2 - O botão b1 alimenta os motores M1, M2, M3 e o botão b2 comanda o motor M4, que desligará o motor M3 através do contato NF de K4. 32
Exercícios Desenhe um Diagrama de Comando para acionamento do sequenciamento dos motores (partida direta) onde a lógica de funcionamento é dada a seguir: 3- Seja um sistema de enchimento de um silo onde os produtos são transportados por um sistema de esteiras no qual o acionamento é dado por três motores M1, M2, M3. Se um dos motores for desligado, por exemplo, devido à sobrecarga, todos motores, serão desligados. 4 - O botão b1 alimenta os motores M1, M2, M3 e o botão b2 comanda o motor M4, que desligará o motor M2 imediatamente e desliga M1 após 60 segundos. Referências: Site da Siemens, GE, livro Automação Industrial, www.eletricabasica.kit.net, www.cefetsp.br/edu, www.coel.com.br, etc. 33