Comandos Elétricos e Condutores

Comandos elétricos são dispositivos elétricos ou eletrônicos usados para acionar motores elétricos , como também outros equipamentos elétricos. São compostos de uma variedade de peças e elementos como contatores, botões temporizadores, relés térmicos e fusíveis. Uma grande parte das máquinas em oficinas e na industria é acionada por motores elétricos. Para manejar essas máquinas são necessários dispositivos que permitem um controle sobre motores elétricos. Esses dispositivos de controle são, nos casos mais simples , interruptores, também chamados chaves manuais. Para motores de maior potência e para máquinas complexas usam-se comandos elétricos, automáticos, e muitas vezes sofisticados.

Os comandos elétricos permitem um controle sobre o funcionamento das máquinas , evitando, ao mesmo tempo, manejo inadequado pelo usuário e, além disso, dispõe de mecanismos de proteção para a máquina e para o usuário. Melhoram o conforto para manejar máquinas, usando simples botões. Permitem também controle remoto das máquinas. Comandos elétricos eliminam a comutação manual de linhas de alimentação de motores e cargas de alta potência por meio de interruptores de grandes dimensões.

O circuito elétrico mais simples é composto por um gerador (ou fonte), por um receptor (ou carga do circuito) e pelos condutores que os interligam.

O gerador elétrico recebe energia externa (mecânica, química ou luminosa) e energiza eletricamente as cargas de seu interior à medida que as força a se deslocarem todas em direção a um de seus terminais (ou pólos do gerador). Tal movimento continua até o limite da capacidade de energizaçaõ do gerador, quando então o movimento cessa .

Um dos terminais fica então eletricamente energizado em relação ao outro terminal. A energia entregue à cada unidade de carga eletrica (joule por coulomb) é medida em volt –V- e é chamada de tensão ou voltagem – simbolizada por E (para os geradores ) e U (para os circuitos).Às vezes a tensão é simbolizada por V. A tensão é também denominada diferença de potencial elétrico – ddpSe um circuito elétrico externo interliga os terminais do gerador, a energia das cargas elétricas dos terminais do gerador se propaga para as cargas elétricas desse circuito que, energizadas, pôe-se em movimento através do circuito. Pelo fato de colocar as cargas em movimento a tensão do gerador é chamada também força eletromotriz (fem)

À medida que se movem, as cargas transferem ao circuito receptor a energia que receberam no gerador. No receptor essa energia é transformada em outra forma de energia. O citado movimento é a corrente elétrica, e sua intensidade, também chamada amperagem (quantidade de cargas que passam por segundo; coulombs por segundo) –simbolizada por I -, é medida em ampère- A-. A movimentação das cargas é tanto maior quanto mais energia recebem. Ou seja quanto maior for a tensão aplicada maior é a corrente.

A constituição física do circuito de corrente facilita ou dificulta o movimento das cargas. Se os elétrons de valência dos átomos que compôem o circuito estão muito presos ao átomos então o circuito apresenta grande dificuldade à movimentação das cargas. Quanto maior for a quantidade de energia necessária para por em movimento as cargas elétricas do circuito, maior é a chamada resistência elétrica de tal circuito. A movimentação das cargas é portanto menor, quanto maior for a dificuldade ou resistência – R- imposta pelo circuito à passagem das cargas. Para se conseguir a movimentação das cargas é necessária diferença de potencial de valor tanto maior quanto maior for a movimentação desejada e também quanto maior for a resistência do circuito:

U=RI

Tal equação denomina-se lei de Ohm.

A razão entre tensão e corrente tem como unidade o ohm – Ω -

A equação mostrada pode é claro ser reescrita:

I=V/R ou R=V/I

A energia elétrica no receptor pode ser calculada por:

E=VxIxt

Onde:

E é a energia em joules E=VxIxt

V a tensão em volts

I a corrente em ampères

t o tempo em segundos

R é a resistência em ohms, Ω.

A velocidade de transferência ou conversão da energia elétrica por unidade de tempo, - a energia por segundo - é denominada potência elétrica A potência elétrica –P - é medida em watts - W- e pode ser calculada pelo produto da tensão (V) pela corrente (I).

P=VxI

Obs.: Tal fórmula é válida para circuitos onde as variações da tensão provocam proporcionais e simultânea variação da corrente. Alguns circuitos chamados reativos não apresentam tal simultaneidade e par tais circuitos a fórmula acima não pode ser aplicada. Cada receptor tem a função de converter a energia elétrica em um determinado tipo de energia.

Por exemplo:

• Motor elétrico -> mecânica
• Lâmpada -> luminosa
• Bateria em recarga -> química
• Resistores -> térmica

Como não se podem construir condutores práticos com materiais supercondutores (resistência zero) já que isso além de caro necessita de temperatura muito baixa menor que 150 graus celcius negativos, todos os circuitos elétricos apresentam resistência não só no receptor (seria o ideal) como também nos condutores e até no gerador. As cargas perdem energia para transpor a resistência do circuito. Essa energia é convertida em energia térmica, que produz aquecimento. O efeito de aquecimento produzido pela passagem da corrente na resistência se chama efeito joule. O efeito joule é útil nos resistores de aquecimento, mas é muito incoveniente em todos os outros dispositivos. A energia convertida por efeito joule pode ser calculada por 

E=RI2 t

Nos condutores é totalmente indesejável que haja o efeito joule, que se reflete em seu aquecimento e em diminuição da tensão disponível para o receptor. Para reduzir ao máximo a perda de energia, a resistência dos condutores que ligam o gerador ao receptor deve ser a menor possível o que significa que a área de secção transversal deve ser a maior possível. A área de secção transversal (bitola) mínima é calculada em função de dois parâmetros: capacidade de corrente e queda de tensão admissível. A bitola escolhida para o condutor deverá ser tanto maior quanto maior for a corrente e a distância entre o gerador e o receptor.

A escolha da bitola do condutor é denominada dimensionamento do condutor.

O dimensionamento do condutor que servirá a uma instalação deve em primeiro lugar levar em consideração a corrente que deve conduzir; em segundo lugar a queda de tensão admissível no circuito. Os fabricantes de condutores fornecem tabelas com os condutores fabricados identificados pelas suas bitolas e capacidades correspondentes em ampères.

• Pela capacidade de corrente basta procurar na tabela qual bitola suporta a corrente da carga.

A tabela abaixo mostra a capacidade de corrente de fios Pirelli de cobre isolados com pvc, quando instalados unidos à temperatura ambiente de 500 C. Outras condições determinam outros valores de capacidade e devem ser procurados em tabelas dos fabricantes.

• Pela queda de tensão pode-se usar a fórmula a seguir, que fornece a bitola em função da queda de tensão, da corrente e da distância com a fórmulas distintas para sistema monofásico ou CC e para o sistema trifásico:

Deverá ser escolhida a maior entre as bitolas conseguidas por cada método.

Ex.1: Deseja-se alimentar um circuito de iluminação de 6kW (potência elétrica), tensão de 220V, fator de potência 0,8, que se encontra a 200m do gerador. Qual deve ser o condutor para essa função? Considere uma queda admissível de 3%.

R: A corrente no sistema monofásico é calculada por:

O condutor deve ser então o de 50mm2 . Aceitando-se uma queda de tensão um pouco maior poderia ser usado nesse caso o condutor de 35mm2 , que está muito próximo do valor calculado.

Ex2.: Necessita-se escolher o condutor para alimentar um motor trifásico de 30cv, 440V, rendimento 84%, fator de potência 0,85, que dista 80 metros do gerador. Admite-se uma queda de 5%

Solução.

A corrente de um motor trifásico pode ser calculada pela mesma fórmula usada no ex.1, desde que se transforme a potência de cv para watts  multiplicando o valor em cv por 736) e multiplicando a tensão por 3. √ Outra opção é usar a fórmula já modificada, dada a seguir, para usar com a potência em cv e na qual já se encontra o fator √3 para a tensão no denominador.

Nos diagramas a seguir vêm-se circuitos simples, onde o gerador está identificado por G, o receptor por R e os condutores são as linhas que os interligam. A maioria dos circuitos reais não se resume apenas nos componentes do diagrama 1, pois há a necessidade de se dispor de um dispositivo para ligar e desligar o circuito, e isso é conseguido pela adição de uma chave (contato elétrico) em série com o receptor, como se vê no diagrama 2. A chave está identificada por S1 Valores excessivos de corrente provocam aquecimento também excessivo, que pode determinar a destruição tanto do gerador quanto do receptor e condutores. Por isso, para evitar que a corrente atinja valores excessivos, coloca-se, também em série, um elemento que interrompa rápida e automaticamente a corrente caso esta ultrapasse muito o valor estimado como normal para o circuito.

A utilização de chaves e outros dispositivos que permitem ligar e desligar cargas elétricas, nos momentos adequados para que essas cargas desempenhem suas funções se denomina comando elétrico. Além de poder ligar e desligar, é de suma importância proteger e sinalizar o estado de funcionamento das cargas. Os principais dispositivos utilizados no comando, proteção e sinalização elétricos são vistos a seguir.

Os diagramas elétricos podem ser feitos de acordo como o modelo unifilar ou multifilar conforme seu objetivo.

Unifilar > Objetiva mostrar as interligações entre equipamentos sem minúcias quanto aos pontos de conexão existentes nesses equipamentos.

Comando:

O contato tem dois terminais: um deve ser ligado à fonte (ou gerador) e outro ligado à carga (ou receptor). É feito de metal de baixa resistência elétrica para não atrapalhar a passagem de corrente e alta resistência mecânica, de modo a poder ligar e desligar muitos milhares de vezes. A estrutura metálica tem área de secção transversal proporcional à corrente que comandam: quanto maior for a corrente que se deseja comandar, maiores são os contatos. O valor de corrente a ser comandada também influencia na pressão de contato entre as partes móveis do contato: maiores correntes exigem maiores pressões de contato para garantir que a resistência no ponto de contato seja a menor possível.

A separação dos contatos na condição de desligamento deve ser tanto maior quanto maior for a tensão para a qual o contato foi produzido. A velocidade de ligação ou desligamento deve ser a mais alta possível, para evitar o desgaste por arco voltáico, provocado no desligamento quando a carga for indutiva. O contato pode ser do tipo com trava (por exemplo, o tipo alavanca usado nos interruptores de iluminação) e também pode ser do tipo de impulso, com uma posição normal mantida por mola e uma posição contrária mantida apenas enquanto durar o impulso de atuação do contato. Nesse caso se chama fechador ou abridor conforme a posição mantida pela mola.

As botoeiras são chaves elétricas acionadas manualmente que apresentam, geralmente, um contato aberto e outro fechado. De acordo com o tipo de sinal a ser enviado ao comando elétrico, as botoeiras são caracterizadas como pulsadores ou com trava. As botoeiras pulsadores invertem seus contatos mediante o acionamento de um botão e, devido à ação de uma mola, retornam à posição inicial quando cessa o acionamento. Essa botoeira possui um contato aberto, um contato fechado, sendo acionado por um botão pulsador liso e reposicionada por mola.

Enquanto o botão não for acionado, os contatos 11 e 12 permanecem fechados, permitindo a passagem da corrente elétrica, ao mesmo tempo em que os contatos 13 e 14 se mantêm abertos, interrompendo a passagem da corrente. Quando o botão é acionado, os contatos se invertem de forma que o fechado abre e o aberto fecha. Soltando-se o botão, os contatos voltam à posição inicial pela ação da mola de retorno.

Fechador: Também chamado ligador, é mantido aberto por ação de uma mola e se fecha enquanto acionado. Como a mola o mantém aberto é ainda denominado normalmente aberto (ou NA ou do inglês NO). Abridor ou ligador: é mantido fechado por ação de uma mola e se abre enquanto acionado. Como a mola o mantém fechado, é chamado também de normalmente fechado (ou NF, ou do inglês NC).

O contato pode ter diversos tipos de acionamento, como por exemplo, por botão, por pedal, por alavanca, por chave (chave de tranca), por rolete por gatilho, ou ainda por ação do campo magnético de uma bobina (eletroímã), formando neste último caso um conjunto denominado contator magnético ou chave magnética. A seguir estão os símbolos de contatos acionados por botão (os dois à esquerda), e por rolete.

É um dispositivo que tem por função a manobra de abertura ou desligamento dos condutores de uma instalação elétrica. A finalidade principal dessa abertura é a manutenção da instalação desligada. A chave seccionadora deve suportar, com margem de segurança, a tensão e corrente nominais da instalação, isso é normal em todos os contatos elétricos mas nesse caso se exigem melhor margem de segurança. A seccionadora tem, por norma, seu estado -ligada ou desligada- visível externamente com clareza e segurança. Esse dispositivo de comando é construído de modo a ser impossível que se ligue (feche) por vibrações ou choques mecânicos, só podendo portanto ser ligado ou desligado pelos meios apropriados para tais manobras.

No caso de chave seccionadora tripolar, esta deve garantir o desligamento simultâneo das três fases. As seccionadoras podem ser construídas de modo a poder operar:

• Sob carga - então denominada interruptora. A chave é quem desligará a corrente do circuito, sendo por isso dotada de câmara de extinção do arco voltáico que se forma no desligamento e de abertura e fechamento auxiliados por molas para elevar a velocidade das operações.
• Sem carga - neste caso o desligamento da corrente se fará por outro dispositivo, um disjuntor, de modo que a chave só deverá ser aberta com o circuito já sem corrente. Neste caso a seccionadora pode ter uma chave NA auxiliar que deve desliga o disjuntor antes que a operação de abertura da chave seja completada.
• Com operação apenas local.
• Com operação remota, situação na qual sua operação é motorizada.

É formada basicamente por um eletroímã e um conjunto de chaves operado pelo fluxo magnético do eletroímã quando energizado. A seguir vê-se o símbolo de uma chave magnética com a identificação típica das chaves: os terminais do eletroímã são identificados por letras, em geral a1 e a2 ou a e b, e os terminais das chaves são identificados com numeração. O número de chaves do contator é bem variado dependendo do tipo. De acordo com o fim a que se destinam, as chaves do contator recebem denominações específicas:

• Chaves principais: São mais robustas e destinam-se a comandar altos valores de corrente típicos de motores e outras cargas. São sempre do tipo NA. Sua identificação se faz com números unitários de 1 as 6.
• Chaves auxiliares: Bem menos robustas, se prestam a comandar as baixas correntes de funcionamento dos eletroímãs (bobinas) de outras chaves magnéticas, lâmpadas de sinalização ou alarmes sonoros. As chaves auxiliares podem ser do tipo NA ou NF.

A identificação das auxiliares se faz com dezenas de final 3 e 4 para as NA e com 1 e 2 para as dotipo NF. Essas numerações podem aparecer identificando terminais de contatos mesmo que não sejam operados por chave magnética e sim por botão ou rolete por exemplo.

O eletroímã (formado por bobina e entreferro) da chave magnética deve ser ligado à tensão nominal e obedecendo ao tipo: CA ou CC. Um eletroímã feito para operar em CC, se for ligado em CA de valor suficiente para acioná-lo ficará superaquecido no entreferro por causa do alto valor da corrente de Foucaut induzida no entreferro. No caso do eletroímã de CA, o entreferro é laminado para evitar essas correntes e no de CC o entreferro é maciço.

Um eletroímã de CA, caso seja ligado em CC (com mesmo valor de tensão de CA) ficará superaquecido no eletroímã pela alta corrente, já que em CC só haverá resistência enquanto em CA há resistência e reatância indutiva. O eletroímã alimentado por CC gera alto valor de tensão de autoindução e isso provoca suavidade na ligação e um arco voltáico na chave que o comanda, durante o desligamento, bem maior que em CA. Este arco no desligamento exige alguns cuidados para diminuir os seus efeitos destrutivos.

Algumas chaves magnéticas são construídas apenas com contatos de alta potência, quando então se denominam chaves (ou contatores) de potência. Há também chaves magnéticas que só possuem chaves auxiliares sendo por isso chamadas de chaves (ou contatores) auxiliares.

O contator tem diversas aplicações, entre elas:

• Inversão de lógica: usa-se uma chave ou contato NF acionado pelo contator para acionar uma carga e isso provoca uma inversão na lógica de funcionamento da chave ou contato que comanda o eletroímã do contator.
• Multiplicação de contatos: com uma única chave pode-se acionar o contator, que pode ter várias chaves, que ligarão (NA) ou desligarão (NF) os circuitos que estiverem ligados através dessas chaves, permite que uma única chave opere diversos circuitos simultaneamente, como visto no exemplo abaixo onde S1 liga o eletroímã que por sua vez aciona três cargas.
• Ampliação (indireta) da capacidade de corrente de um contato: A corrente do eletroímã é muito menor que a corrente comandada pelos seus contatos, por isso é possível acionar o eletroímã por um contato que só suporta 1A e através dos seus contatos acionar uma carga de 80A, por exemplo.
• Memorização de acionamento: Através de uma das chaves (então chamada chave ou contato de selo ou de auto-retenção) pode-se manter o contator acionado após um acionamento momentâneo da cahve que o acionou .
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