Aula 23 - Segurança Operacional em Máquinas e Equipamentos conforme NR12

Figura 01 - Dispositivos de segurança em máquinas

A crescente conscientização da necessidade de avaliação dos riscos na operação de uma máquina ou equipamento vem fazendo com que os produtos da linha de segurança “safety” tomem uma importante posição dentro do leque de produtos de automação industrial. Estes produtos são regulamentados por normas e são chamados de EPCs e EPIs. 

• EPCs - Equipamentos de Proteção Coletiva e alguns exemplos são: cortina de luz de segurança, botão de emergência, relés de segurança, entre outros. Estes produtos são instalados nas máquinas para proteção dos operadores e outras pessoas que possam ter contato com as máquinas como o encarregado da limpeza do ambiente.
• EPIs – Equipamentos de Proteção Individual, amplamente difundidos no mercado e que são utilizados pelos próprios operadores, como protetores auriculares, óculos de proteção e luvas.

Figura 02 - Itens a serem monitorados em aplicações de segurança em máquinas.

Tem abaixo uma figura para especificação do relé de segurança desejado, dependendo de sua aplicação e de quais componentes serão monitorados. Este itens a serem monitorados juntamente com o risco é que irá definir o modelo de relé de segurança a ser utilizado.

A NR12 tem como objetivo dar mais segurança aos profissionais da área e evitar o risco de acidentes no trabalho. Essa norma estabelece requisitos mínimos para que uma máquina possa entrar em operação com a segurança adequada para o operador.

Figura 03 - Componentes de segurança em máquinas

Uma máquina pode entrar em funcionamento apenas se ela não apresentar nenhum risco à saúde do operador, se for constado algum risco, ele deve ser eliminado. Há algumas proteções que podem ser aplicadas na máquina para garantir a integridade do trabalhador. Esta proteções são realizadas por componentes de seguranças implementados no circuito elétrico.

Os componentes de segurança têm a função de detectar e avaliar os sinais no circuito elétrico de comando, sinais estes que são gerados pela ação do operador junto à máquina. Já a operação de manobra da carga realizada no circuito principal, por exemplo o desligamento de um motor que está fazendo a máquina funcionar, é função dos dispositivos de manobra. A lista abaixo ilustra os componentes mais utilizados de acordo com sua função.

1. Rele de Segurança: O rele de segurança é um dispositivo responsável por monitorar uma função de segurança como parada de emergência, porta de proteção, cortina de luz, proteção de perímetro ou controle com duas mãos. Em caso de perigo, o rele de segurança trabalhará para reduzir o risco a um nível aceitável e quando ocorrer um erro, o relé de segurança iniciará uma resposta segura e confiável. Cada rele de segurança monitora uma função específica e podemos obter o monitoramento total de uma máquina ou planta ao conectá-lo a outros relés de segurança. O rele de segurança é uma maneira simples e eficiente de atender aos padrões de segurança existentes, resultando em operação segura para a equipe e os equipamentos, bem como uma longa vida útil dos mesmo. A redução de riscos deve ser uma prioridade para qualquer negócio, tanto para proteger seus funcionários quanto para reduzir a possibilidade de acidentes dispendiosos ou danos a equipamentos.
2. Cortina de luz de segurança: Cortina de luz é um equipamento de segurança para máquinas operatrizes que produz uma cortina de luz infravermelha e supervisiona a área útil compreendida pela distância entre as unidades: transmissor e receptor. Se essa área for invadida, uma saída de sinal em duplo canal comandará a interrupção da operação da máquina.
3. Comando Bimanual: É o comando feito simultaneamente para evitar acidentes onde não podemos usar barreiras de segurança. O Comando bimanual obriga com que o operador fique sempre com suas mãos em local seguro durante todo o processo da máquina. Além da caixa onde é feito o acionamento simultâneo para o ciclo do funcionamento da maquina, há também um controle simultâneo de segurança de 5 segundos que obriga o operador a ficar com as mãos nas botoeiras em todo o processamento da maquina, evitando com que acidentes aconteçam. As duas botoeiras verdes são localizadas abaixo de plataformas, garantindo assim a proteção das mãos do operador. No centro do Painel encontramos a botoeira Vermelha que representa o botão de emergência, caso haja algum problema no funcionamento da máquina o operador deve acionar o botão de emergência fazendo com que a maquina pare imediatamente
4. Sistemas de Frenagem por disco de ficção: Um eletroímã atua sobre um sistema mecânico que executa a frenagem do motor. A Frenagem por disco de fricção é de construção robusta, com poucas partes móveis que asseguram um perfeito funcionamento com um mínimo de manutenção.
5. Frenagem por injeção de corrente continua no estator do motor: Este sistema de frenagem ocorre  quando interrompemos a alimentação dos terminais. Ao fazemos circular uma conrrente contínua pelo Bobinado do estator, esta funcionará como um eletroímã (campo fixo) que atua sobre o motor, freando-o até que o funcionamento seja interrompido.
6. Chaves de Travamento de Proteção: Para manter os dispositivos de segurança fechados ou atrasar a abertura da proteção são utilizados chaves de travamento de proteção. Eles oferecem um aumento significativo no nível de proteção para a maioria dos tipos de máquinas. Na maioria das chaves de intertravamento, a ação de desbloqueio está condicionada ao recebimento de algum tipo de sinal elétrico.
7. Tapete de Segurança: O tapete de segurança sensível à pressão pode ser usados ​​em conjunto com esteiras de segurança para garantir a segurança de pessoas e aumentar a de outros dispositivos de segurança. Por exemplo, pode-se configurar um conjunto de cortinas de luz para permitir que objetos passem por ele enquanto o tapete de segurança for ativado, permitindo o acesso para carregar ou descarregar uma máquina. Os tapetes de segurança também podem ser usados ​​como medida de segurança independente. Assim como as cortinas de luz, eles podem ser configurados para iniciar um comando de parada quando ativados.
8. Chave Alavanca de Três Posições: Chaves alavanca de três posições podem ser essenciais para solucionar problemas de aplicações onde deve haver movimento somente quando o equipamento estiver sendo operado por uma pessoa. Geralmente possuem a forma de um joystick sensível à pressão que é mantido em uma determinada posição para operar sendo que quando o usuário solta este joystick, ele retornará à posição de parada padrão.
9. Interruptores Magnéticos: Um interruptor magnético é útil em aplicações onde é crucial que uma porta ou escotilha seja fechada ou que dois objetos se interceptem ou estejam alinhados um com o outro. Assim, quando o contato entre os dois sensores é perdido, um sinal de parada de emergência pode ser enviado para o rele de segurança apropriado a fim de impedir com que a máquina opere sem segurança. Os interruptores magnéticos são muito compactos, o que permite fácil posicionamento ou ocultação quando usados ​​em portões ou interruptores. Como não é necessário nenhum contato mecânico para operação, geralmente possuem uma longa vida útil operacional. Água, sujeira e poeira não afetam os interruptores magnéticos, permitindo seu uso em uma variedade de ambientes e condições.
10. Botões de Parada de Emergência: os botões de parada de emergência (também conhecidos como parada de emergência) são usados ​​para parar uma máquina quando ela está em colapso ou se alguém estiver em perigo. Todos os botões de parada de emergência devem ser vermelhos instalados em uma caixa amarela. Alguns botões de parada de emergência também apresentam um cabo de emergência permitindo a interação com a interface de parada, mesmo quando distante do próprio botão.
11. Sensores de Segurança sem Contato: Semelhante a um comutador magnético, um sensor de segurança sem contato é ideal para uso quando é crucial que objetos sejam alinhados, mas quando não precisam estar em contato direto, ao contrário de um comutador magnético. Alguns desses sensores também permitem que vários sensores sejam usados ​​em conjunto, permitindo uma configuração mais precisa quando necessário.
12. Interruptores de Segurança de Intertravamento: Um interruptor de segurança de intertravamento é usado para detectar quando 2 ou mais componentes estão bloqueados juntos e também pode ser usado para mantê-los no lugar até que determinados parâmetros sejam atendidos, como a conclusão de uma operação por exemplo. Isto pode ser conseguido de várias maneiras diferentes, como utilização de travas ou lógicas de programação no caso de um CLP de segurança.
13. CLPS de Segurança: Há Também os CLPS de Segurança para atender os fatores mínimos de segurança em determinadas máquinas e equipamentos conforme diz a norma de segurança NR12. Com os CLPS de segurança podemos comandar diversos tipos de dispositivos como alguns aqui apresentados como Cortina de raio Laser , Comando Biomanual e etc. O CLP pode ser usado conforme a necessidade da máquina. Com o CLP podemos criar projetos de diversos níveis de segurança.  Como os CLPs são sistemas programáveis, eles podem controlar diversos fatores na máquina como flexibilidade, produtividade, diagnóstico, integração, confiabilidade, expansibilidade, etc.

Figura 04 - Categorias de segurança em máquinas

Para definirem-se os tipos de componentes que deverão ser utilizados no projeto de uma máquina para que esta esteja adequada à legislação, deve-se avaliar o grau de risco envolvido na sua operação. 

A norma NBR14153 também é do CB-04 da ABNT, e determina o risco e a categoria de segurança adequada, levando em consideração a gravidade do ferimento que pode ocorrer, a frequência e o tempo que o operador é exposto ao perigo e a possibilidade de evitar-se o perigo, conforme segue: 

• S - Severidade do ferimento: S1 - Lesão leve normalmente reversível ou S2 -Lesão grave normalmente irreversível;
• F – Frequência e tempo de exposição: F1 -  raro a relativamente baixa frequência de exposição ao perigo e/ou baixo tempo de exposição ou F2 - frequente até continuo e/ou tempo de exposição longo ao perigo;
• P – Possibilidade de parada da máquina para evitar o perigo: P1 possível sob condições específicas ou P2 quase nunca possível .

Categorias de segurança referentes ao controle e componentes utilizados:

• Categoria indicada para os pontos selecionados.
• Categoria possível, que exige a adoção de medidas complementares.
• Categoria acima das necessidades determinadas pelos pontos selecionados.

Prevenção de Riscos

Figura 05 - Aplicação de componentes
de segurança em máquinas

Um componente de segurança é necessário se o perigo não  puder ser eliminado com medidas construtivas. Este componente deve ser escolhido de acordo com o potencial de risco restante.
Muitas máquinas exigem componentes não vinculados a proteções mecânicas, como dispositivo bimanual, circuito de liberação, tapetes de segurança e cortinas de luz.
Entretanto, muitas vezes são necessárias proteções móveis. Estas proteções com intertravamento são necessárias nas categorias de segurança 3 e 4.
O termo intertravamento não significa um travamento mecânico como um cadeado ou parafuso, mas sim um dispositivo que evita o funcionamento da máquina com a proteção aberta, por exemplo, chave de segurança.
O circuito de controle para a categoria de segurança 3 ou 4 compreende a grade de proteção, o dispositivo de intertravamento e o circuito de comando com relé de segurança.

© Direitos de autor. 2019: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/10/2019

Aula 22 - Programação do Clic 02 Edit - Ladder

O Controlador Lógico Programável – CLP – nasceu dentro da General Motors, em 1968, devido a grande dificuldade de mudar a lógica de controle dos painéis de comando a cada mudança na linha de montagem. Tais mudanças implicavam altos gastos de tempo e dinheiro.
Sob a liderança do engenheiro Richard Morley, foi preparada uma especificação que refletia as necessidades de muitos usuários de circuitos e relés, não só da indústria automobilística como de toda a indústria manufatureira. Nascia assim um equipamento bastante versátil e de fácil utilização, que vem se aprimorando constantemente, diversificando cada vez mais os setores industriais e suas aplicações.

O CLP foi concebido na indústria para substituir os quadros de relés de um circuito elétrico sequencial ou combinacional para o controle industrial de máquinas, equipamentos ou processos.
Pode considerar-se um sistema automatizado como sendo constituído por dois grupos: a parte operativa e a parte de comando.

As lógicas que compõem o programa interno do CLP são criadas pelo usuário (programador), utilizando um software de programação dedicado, desenvolvido pelo fabricante do equipamento e instalado em um Computador Pessoal (PC).
Vantagens do CLP em relação à circuitos de comandos eletromagnéticos: Menor espaço; Menor consumo de energia elétrica; Reutilizáveis; Programáveis; Maior confiabilidade; Maior flexibilidade; Maior rapidez na elaboração dos projetos; Interfaces de comunicação com outros PLC’s e computadores.

Os primeiros controladores foram introduzidos no início dos anos 60, com o passar do tempo, surgiram no mercado os controladores reprogramáveis, o que ocasionou um passo muito grande para a evolução da automação. Como a aceitação desses equipamentos crescia cada vez mais, houve a necessidade de controladores maiores e mais potentes.

A maioria dos fabricantes respondeu à altura, criando linhas de pequeno porte (50 - 100 pontos de E/S), de médio porte (150 - 500 pontos de E/S) e de grande porte (500 - 4000 pontos de E/S). Geralmente, os modelos não eram compatíveis uns com os outros. Esses problemas foram sanados com a introdução dos protocolos de comunicação abertos por meio de canais de comunicação serial.

Nos anos 90, o mercado se desenvolveu e se tornou ainda mais forte, pois entraram em cena os controladores para microaplicações (menos de 50 pontos de E/S), o que exigiu uma redução de tamanho e de custos por parte dos fabricantes de controladores. 

Hoje, são muito utilizados os conceitos de remotas distribuídas pelo campo (controle distribuído) e uma CPU em uma sala de controle. Esse tipo de controle provém da tecnologia dos sistemas do tipo SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído), muito utilizado ainda hoje pelas indústrias químicas e petroquímicas. Com o avanço das redes de comunicação com velocidades cada vez maiores, existe a possibilidade de os CLPs de diversos fabricantes trocarem informações entre si, e também com outros equipamentos. 

Figura 01 - Clic02

Esta aula tem como intenção dar uma noção inicial do uso de Clic 02, assim como de algumas funções básicas que são realizadas pelo Ladder. Clic 02 Edit é um simulador de CLP da empresa Weg. Através desse programa é possível simular o funcionamento de um CLP usando as linguagens Ladder ou em Diagrama de Blocos.

No CLIC02 além da possibilidade de programação por PC/Notebook também é possível realizar a programação a partir de seu display frontal não necessitando obrigatoriamente de um notebook para isto.
O fato de se tratar de um rele programável e não de um CLP propriamente dito faz com que tenhamos que nos atentar no momento da programação e levar em consideração algumas de suas limitações:

• Possui capacidade de 200 linhas de programação LADDER ou 99 blocos lógicos de função;
• Quando trabalhando com LADDER cada linha de programação suporta no máximo 3 contatos e uma bobina;
• Possibilita a configuração de no máximo 44 pontos de entradas e saídas digitais;

Figura 02 - Tela inicial Clic02

Observe que a programação LADDER via display representa os contatos abertos com letras maiúsculas e os contatos fechado com letras minúsculas, por exemplo: a entrada digital pode der expressa pelo endereço I01 (contato aberto) ou i01 (contato fechado), o mesmo se aplica para os demais contatos.


Para iniciar a utilização do Clic 02 é necessário escolher a linguagem a ser usada. As opções são Ladder e Diagrama de Blocos como na figura 01. Em nosso curso, iremos utilizar apenas o Ladder. Na tela inicial pode-se escolher em ir a Arquivo → Novo → Novo LAD ou clicar no ícone “Novo Documento Ladder”.

Após a abertura da tela a seguir vá em Arquivo → Novo.

A seguir, aparecerá uma tela com diversos tipos de CLP’s existentes, figura 02.

Figura 03 - Escolha do CLP.

Escolha o CLP de acordo com o que você quer simular. Atente principalmente para o número de entradas e saídas do CLP.
Caso for aplicar realmente o programa, escolha exatamente o CLP que você vai usar. Note que todas as informações como alimentação, entradas, saídas, etc, são informadas em especificações. Pressione o botão OK. Agora aparecerá a tela onde é feita a programação.

Ambiente de desenvolvimento

A tela de desenvolvimento possui todas as informações necessárias na própria tela e de fácil acesso. Na figura 03 temos:

(1) Barra de Menu – Contém todas as funções do software.

(2) Barra de Atalhos – Contém as funções principais do programa.

Figura 04 - Ambiente de desenvolvimento.

(3) Área de Memória – Exibe todos os valores dos elementos existentes.

(4) Área de Programação – Área onde é feita a programação.

(5) Capacidade – Número de componentes que podem ainda ser postos no programa.

(6) Componentes – São os elementos usados na programação.

Os componentes de Programação são:

(6.1) I e X : Entradas
(6.2) Q e Y : Saídas
(6.3) M : Memória

(6.4) T : Temporizador
(6.5) C : Contador

(6.6) A : Preenchimento de linha horizontal
(6.7) L : Preenchimento de linha vertical

Figura 05 - Área de Memória.

Barra de Menus / Barra de Atalhos

(1) New – novo arquivo.
(2) Open – abre um arquivo.
(3) Save – grava o arquivo.
(4) Print – imprimir o arquivo.

(5) Print preview – visualizar impressão.

(6) Keypad – versão de simulação como se estivesse com o CLP Real.
(7) Ladder – versão de simulação em que se observa o código Ladder.
(8) Run – executa a simulação.

(9) Quit – para a simulação.

Área de Memória - Nesta área pode-se observar todos os elementos do CLP com seus valores. Quando o valor for 1 a representação é feita através de um asterisco.

Área de Programação - A área de programação é dividida em quadrados. Em cada quadrado é possível colocar apenas um elemento. Na última coluna somente é possível colocar os elementos que receberam um valor como as saídas, memórias, temporizadores e contadores.

Durante a simulação o programa executa lendo o código da esquerda para a direita de cima para baixo.

Uso do Ladder

Figura 06: Exemplo de programação
Ladder com CLP - Clic 02

Exemplo 1 : Contato de Entrada e Saída são elementos principais do CLP. Durante a simulação é possível controlar as entradas pelo Input Status Tool (“Ferramenta de Status de Entrada”). Os elementos possíveis de controle estão nessa janela com os valores On(1) e Off(0).

Para este 1° exemplo façamos como a figura 05.

Observe que ao inserir o I aparece a tela conforme figura 07:

Figura 07  - Configuração de entradas.

As opções de modificação são a escolha do contato (I, X, Q, Y, M, C, T), o número do contato e o tipo do contato (normalmente aberto ou normalmente fechado).

Ao adicionar a saída deverá aparecer a tela conforme figura 08:

Nas saídas há mais opções para a configuração. Neste exemplo poucas opções são habilitadas, temos: o tipo de saída (Y, Q, M, C, T), o número para identificação e o tipo de saída (normal, set e reset que serão vistos mais à frente).
O Software Clic02 Edit inclui um simulador incorporado para testar e eliminar erros dos programas facilmente sem a necessidade de transferir o programa ao controlador. Para ativar o modo de simulação, clique no ícone RUN.
O programa é mostrado em modo simulação, na figura 09, identificando as características significantes disponíveis.
Para simulação execute o programa com o botão Run. Observe que no trecho intermediário a linha ficou verde. Isso indica que o trecho pode conduzir, considerando um esquema elétrico.

Clique para alterar o valor da I1 para 1. Note que o contato I1 ficou verde indicando que há um fluxo de corrente lógica chegando em Q1 e fazendo que

Figura 08 - Configuração de saídas.

o mesmo também fique da cor verde e com valor de 1.
Exercício 01: Modifique em I1 o tipo do contato, para isso o programa deve estar parado e basta dar dois cliques no contato I1 e alterar o valor desejado. Execute o simulador. O que aconteceu?
Em alguns momentos é necessário que se retenha uma saída energizada mesmo que a entrada venha a ser desligada. Há duas maneiras principais para a auto-retenção. A primeira chama-se Selo. A seguir um esquema com o contato de Selo.
Exercício 02: Monte o esquema com o contato de Selo e execute imaginando que I1 é o seu botão de ligar e I2 o de desligar e Q1 quando ativo (1) faz com que um motor funcione. Não esqueça que um botão depois de ser pressionado volta ao seu valor original.
Pressione primeiro o I1 (e volte no valor original) e depois pressione o I2. (Voltando também ao valor original). O que aconteceu?
Outra maneira de retenção é o set e reset nas saídas.
Exercício 03: Monte o esquema anterior, considerando que o primeiro Q1 deve ser escolhido na sua configuração com a opção set, para sua identificação e saída é apresentada com uma seta para cima. Para Q2 escolha o reset. Execute o programa semelhante ao exemplo anterior.

Figura 09: Simulação de programação

Ladder com CLP - Clic 02

Exercício 04: A memória usada é uma área em que o CLP utiliza como um relé interno, ou seja, não se tem acesso como as entradas e saídas ela apenas é usada dentro do CLP.
Controle o valor de I1 e note na 1ª linha que este valor é passado para M1 e na segunda linha M1 passa o valor para Q1.

O arquivo pode ser baixado em: Introdução á programação utilizando o Clic 02 Edit WEG .

O software Clic_02_Edit pode ser baixado em: Clic 02 Edit WEG .

Apostila Automação pode ser baixado em: Automação de processo industriais .

© Direitos de autor. 2019: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/05/2019

Aula 21 - Inversor de frequência

Figura 01 - Inversor
de frequência.

Inversor de frequência é um aparelho eletrônico com a função de controlar a velocidade de um motor elétrico trifásico.

Esse tipo de controlador aciona um motor elétrico e promove a variação da frequência e da tensão que é fornecida a esse motor, dominando a sua velocidade e a potência consumida.

Assim, ele garante que o motor trabalhe em diferentes velocidades, sem a necessidade do uso de meios mecânicos, como polias, válvulas e redutores.

A função de um inversor é variar a frequência da rede que alimenta o motor e, assim, alterar a velocidade de rotação desse motor. Essa mudança de frequência ocorre na faixa de 0,5 a 400 Hertz (Hz).

Uma outra tarefa atribuída a ele é manter o torque constante para não provocar alterações na rotação quando o motor estiver com carga. Sem esse controle, o motor gira em velocidade máxima e fixa.

Com ele, o giro do motor é acelerado ou reduzido, conforme a necessidade, por isso é um dispositivo bastante utilizado no ambiente industrial.

O trabalho de aumentar ou diminuir a velocidade do motor, a fim de atender às exigências da operação, não seria possível utilizando apenas um redutor mecânico.

O inversor de frequência converte o sinal de corrente alternada (CA) da rede elétrica que entra no motor, em corrente contínua (CC) e, em seguida, em CA novamente. Depois desse processo, o sinal CA torna-se pulsado e com largura modulada, permitindo ajuste de sua frequência e tensão e, consequentemente, o controle da velocidade e do torque do motor. Estas etapas são mostradas na figura 01. Sua estrutura nos ajuda a entender melhor o seu funcionamento. 

Figura 02 - Circuito de um inversor de frequência.

Ele se divide em:

• Retificador: formado de ponte retificadora trifásica (retificador de onda completa). Aqui, seis ou mais diodos retificam a tensão de entrada trifásica da rede 60 Hz, e depois fornecem uma saída contínua com ondulação que será corrigida pelo filtro. 
• Filtro: barramento CC que suaviza as ondulações geradas pelo circuito retificador.
• Capacitores: elementos que compõem o filtro. Corrigem as ondulações da tensão, enquanto indutores minimizam as ondulações da corrente.
• Inversores: semicondutores que operam em corte (chave aberta) e saturação (chave fechada) obedecendo a uma lógica previamente estabelecida.

Em outras palavras, um inversor atua sobre a taxa de variação do chaveamento das bases dos transistores e, assim, controla a frequência do sinal trifásico gerado, conformo mostrado na figura 02. Na figura 03 temos a variação da frequência através da variação da velocidades dos pulsos.

Para evitar acionamentos bruscos e preservar o equipamento, o inversor conta com um recurso chamado rampa de aceleração.

Figura 03 - Variação da tensão provocado pela
variação da largura de pulso.

A rampa de aceleração de um inversor de frequência faz com que o motor atinja a velocidade configurada para sua operação em um tempo determinado.

Por exemplo: se a rampa for definida como 10 segundos para uma frequência de 200Hz, o motor de indução irá iniciar seu trabalho em 0Hz e chegará aos 200Hz desejados em 10 segundos.

Sem precisar atuar constantemente em sua velocidade máxima, os motores são menos forçados, o que ajuda a diminuir as despesas com manutenção e substituição de componentes, como correias e correntes.

Para evitar frenagens abruptas, se utiliza a função rampa de desaceleração.

Em muitos projetos, o inversor de frequência é uma das formas mais viáveis para fazer o controle da velocidade de motores elétricos, tanto pelo seu baixo custo quanto pela sua eficiência.

Figura 04 - Modulação PWM de um Inversor de Frequência.

A criação dos inversores potencializou a capacidade dos motores elétricos.

O motor, por sua vez, tem o princípio de funcionamento baseado no campo elétrico girante, que surge quando é alimentado por uma corrente alternada aplicada nos polos desse motor, defasados entre si 120º.

A velocidade na qual o motor trabalha, chamada de velocidade síncrona, é fornecida pelo campo elétrico girante. Ela é determinada em função do número de pólos do motor e em função da frequência que chega na entrada do motor.

Matematicamente falando, a velocidade síncrona (Ns) é o produto de 120 vezes a frequência (f) em Hz, dividido pelo número de pólos (p) do motor:

• Ns = 120.f/p.

Onde: Ns = Velocidade síncrona em RPM; f = Frequência em Hz; p = Número de pólos.

Observe que quanto maior é o valor da frequência que chega ao motor, maior é a velocidade de trabalho. Assim, quanto menor a velocidade, menor será o trabalho do motor.

Inversor de Frequência Escalar - É o tipo de inversor baseado em equações de regime permanente. Sua lógica de controle é a manutenção da relação V/F (Tensão/Frequência) constante.

Esse modelo tem desempenho dinâmico limitado e é empregado em tarefas simples, como o controle da partida e da parada do motor e para manutenção da velocidade em um valor constante.

Podem ser usados em bombas, ventiladores e máquinas simples, que necessitam apenas de variação de velocidade e partidas suaves.

Inversor de Frequência Vetorial - Esse tipo de dispositivo possui um controle mais complexo que os escalares e um desempenho dinâmico maior. Utiliza algoritmos inseridos no software que alteram a relação entre tensão e frequência para ajustar o torque.

Necessita da programação de todos os parâmetros do motor, como: resistências elétricas, indutâncias, correntes nominais do rotor e estator.

São aplicados em elevadores, guinchos e máquinas operatrizes, que demandam variação de velocidade, controle de torque, operações em baixas rotações e alta velocidade de resposta.

O inversor de frequência vetorial é usado em aplicações que exigem grande nível de precisão.

Os dois tipos têm estrutura similar, sendo o escalar dedicado a aplicações simples e o vetorial sensorless para compensação de torque e melhor performance.

Folha de dados da Inversor de frequência CFW08  WEG está disponível  no link: 21_11_02 CFW 08 WEG.

© Direitos de autor. 2015: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 22/10/2021

Aula 20 - Soft Starter

Quando um motor trifásico entra em funcionamento, utilizando sua partida direta, há um aumento significativo no nível de corrente, que é denominada corrente de pico (Ip). Essa corrente pode ser bem elevada, chegando a ser 8 vezes maior que a corrente nominal do motor, podendo prejudicar equipamentos eletrônicos da instalação que sejam sensíveis a variações de tensão e até mesmo prejudicar as bobinas do motor. Assim a utilização de equipamentos diferenciados para controlar a partida pode ser a melhor escolha para a diminuição deste efeito.

Figura 01 - Rampas de corrente no motor em
diferentes sistema de partida.

Para a minimização desta corrente são utilizados métodos que fazem a partida indireta, sendo os principais a partida estrela/triângulo, compensação por autotransformador e a utilização de um soft starter.  As corrente no motor nos diferente métodos de partida são mostrados na figura 01. 

A soft starter é um equipamento eletrônico que é bastante versátil e elimina a aplicação das primeiras formas citadas, pois seus circuitos eletrônicos fazem o papel dos dois métodos.

O funcionamento de um soft starter, se da através de uma ponte tiristorizada (componentes semicondutores), que fazem o chaveamento da tensão para que ela possa ser disponibilizada para o motor de forma crescente, ou seja, irá aumentar gradativamente, garantindo uma partida suave e sem a presença da corrente de pico. Este chaveamento feito pela ponte é controlado através do sistema de controle e disparo, que é um modulo onde é possível realizar as programações desejadas por meio de parâmetros, que são identificados um a um pelo fabricante e disponibilizadas em um manual. Na figura 01 temos o esquema simplificado da ponte e do sistema de controle de um soft starter:

Figura 02 - Soft Starter

Além da diminuição do Ip, este equipamento garante vários outros benefícios quanto ao trabalho do motor trifásico, Sendo eles:

• O processo de desligamento também pode ser feito de forma decrescente.
• Detecção de falta de fase do motor, e funcionamento com apenas duas fases.
• Conjugado de partida;
• Parada por corrente contínua;
• Proteção contra sobrecarga;
• Contenção do nível de corrente.
• Economia de energia.
• Proteção contra sobreaquecimento;

Estas características do soft starter são de grande ajuda quando é necessário impor certas definições diferenciadas para um processo.

É possível se obter uma economia de energia, pelo fato de a maioria desses equipamentos possuírem um circuito que diminui a tensão para aqueles processos onde se utiliza apenas 50% da potência do motor, pois diminui a perda de energia por calor, como também utiliza apenas a energia necessária para tal atividade.

Este equipamento pode ser usado em diversas aplicações, aqui citamos algumas destas utilizações:

• Bombas centrífugas (saneamento, irrigação, petróleo);
• Ventiladores, exaustores e sopradores;
• Compressores de ar e refrigeração;
• Misturadores e aeradores;
• Britadores e moedores;
• Picadores de madeira;
• Refinadores de papel.

Por ser um equipamento diferenciado, o preço de um soft starter varia de marca e tipo de utilização, no mercado há vários fabricantes como a Siemens, Danfoss, WEG, Schneider e outras marcas.

Com estas informações sabe-se que a utilização deste equipamento é muito interessante, visto que contribui com diversas características que além de prevenir contra picos de corrente garante várias funcionalidades, que se aliadas ao processo escolhido, fornecerão mais eficiência, confiabilidade e segurança.

Soft-Starter é um dispositivo eletrônico que controla a rampa de partida e parada de um motor tipo gaiola, pode-se dizer que é uma opção mais simples e econômica dependendo do projeto e seu orçamento para acionamento.

A chave de partida suave possui em cada uma das fases dois tiristores ligados em antiparalelo. Isto significa um tiristor para o semi-ciclo positivo e um tiristor para o semi-ciclo negativo. Através do controle do ângulo de fase, o valor eficaz da tensão do motor é aumentado a partir de uma tensão inicial ajustável ou um torque também ajustável através de diferentes procedimentos de controle sobre a tensão nominal do motor, dentro de um tempo de partida selecionável.

A corrente do motor mantém-se proporcional à tensão aplicada no motor. Com isto, a corrente de partida é reduzida pelo fator da tensão aplicada no motor.

Figura 03 - Rampas de aceleração

O torque mantém-se ao quadrado da tensão aplicada no motor. Com isto, o torque de partida é reduzido na relação quadrada à tensão aplicada no motor.
A programação é realizada através de trimpot e dip switch toda a programação necessária para acionar qualquer tipo de carga. 

Rampa de Tensão: Permite a aceleração e/ou desaceleração suave, através de rampas de tensão. 

Limitação de Corrente: Permite ajustar o limite de corrente durante a partida, de acordo com as necessidades da aplicação. 

Kick Start em Tensão: Permite um pulso inicial de tensão, que aplicado ao motor proporciona um reforço de torque inicial a partida, necessária para a partida de cargas com elevado atrito estático. 

Bypass Incorporado: Minimiza as perdas de potência e a dissipação de calor nos tiristores, proporcionando redução de espaço e contribuindo para economia de energia. 

Folha de dados da Soft Starter SSW 05  WEG está disponível  no link: 21_11_01 SSW 05 WEG.

© Direitos de autor. 2015: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 22/10/2021

Aula 19 - Auto Transformador de comandos elétricos

 Apesar do nome, o autotransformador de partida nada mais é do que um divisor indutivo, tendo características bem diferentes daquelas de um transformador convencional, no que diz respeito ao seu projeto, apesar da semelhança de aspecto, por conter núcleo ferromagnético e enrolamentos e, consequentemente, também apresentar as preocupações com a corrente de magnetização.

Figura 1 – Autotransformador

Entretanto, uma das principais diferenças é que sua operação se dá durante um curto período, somente quando da partida do motor, para depois se tornar inativo no circuito. Com base nisso, o projetista de um autotransformador de partida tem uma boa oportunidade para economizar, com a devida segurança, uma boa quantidade de material condutor dos enrolamentos. Senão, vejamos o caso de um autotransformador de partida com, digamos, derivações de 65%, 80% e 100 % da tensão nominal, e que esses três valores sejam utilizados, durante a partida de um motor de indução. Assim, de início, se energiza o estator do motor com 65 % da tensão nominal, o que faz com que em 35 % do enrolamento do autotransformador circule uma corrente com amplitude de cerca de 65 % da corrente de partida nominal. 

Portanto, ainda alta, pois convém lembrar que a amplitude da corrente de partida nominal é cerca de 7 a 9 vezes a corrente nominal de regime. Então, após alguns segundos, a partir de ajuste feito no circuito de comando, as derivações do autotransformador são alterados para aplicar 80 % da tensão nominal ao estator do motor, o que faz com que corrente de partida já não passe mais em 65 % do enrolamento, mas em apenas 20 % dele.

Figura 2 – Autotransformador
com derivação de 65%.

Entretanto, pelo fato do motor já estar em movimento, essa corrente é menor do que 80 % da corrente nominal de partida, sendo, portanto, considerada mediana. Por fim, após mais alguns segundos, a tensão plena, 100% da nominal, é aplicada ao estator do motor e o autotransformador é retirado de operação, pelo circuito de comando.  As Figuras 2 e 3 permitem visualizar essas mudanças de derivações de 65 % e 80 % com a respectiva divisão da corrente do estator pelos enrolamentos do autotransformador. Figura 2 – Partida de motor de indução com autotransformador de partida – Tensão inicial de 65 % da nominal, com corrente de partida (alta) circulando por apenas 35 % do enrolamento. Figura 3 – Partida de motor de indução com autotransformador de partida – Tensão comutada para 80 % da nominal, fazendo com que uma corrente ainda de partida e mediana circule por 20 % do enrolamento.

Desta forma, se nota que 20 % do enrolamento de cada fase deve ser dimensionado para a circulação de uma considerável corrente durante todo intervalo de tempo de partida, enquanto que 65 % deve ser dimensionado para uma corrente leve, apenas magnetizante, pelo mesmo intervalo de tempo. 15% do enrolamento fica então sujeito a uma elevada corrente, mas por um intervalo de tempo mais curto, ainda.  Obviamente, este comportamento vai permitir subdimensionar os condutores da cada uma das porções do enrolamento, para uma maior densidade de corrente, permitindo um ganho significativo em ternos de material condutor. Invariavelmente, cobre.

Figura 3 – Autotransformador
com derivação de 80%.

Para a correta “dosagem” desse sub dimensionamento, a utilização de software de projeto torna-se cada vez mais e decisiva, permitindo que projetistas dependam menos de uma larga experiência para realizar projetos muito bem adequados e seguros. Ainda assim, o conhecimento da natureza da carga a ser acionada pelo motor também pode ser muito importante, pois definirá o intervalo de tempo de aceleração do motor a, até que ele atinja o regime permanente e o autotransformador saia de operação. Adicionalmente, convém apontar um importante problema inerente aos autotransformadores de partida, que é o evento de cada chaveamento, correspondente à mudança de deriação. Isso porque, devido à natureza indutiva intrínseca aos enrolamentos, a interrupção de sua corrente provoca sobre tensões elevadas, que podem danificar os enrolamentos do autotransformador. Essas sobre tensões, de natureza transitória, provocam uma elevada concentração de campo elétrico nas espiras posicionadas nos extremos de cada enrolamento, que pode danificar o equipamento, definitivamente. Neste caso, é interessante saber que são os enrolamentos contínuos que dão origem a capacitâncias elevadas, que é que predominam na distribuição dessa tensão transitória ao longo dos enrolamentos.

© Direitos de autor. 2016: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 20/08/2023

Aula 18 -Transformador de comandos elétricos

 O Transformador de comando é, basicamente, um dispositivo elétrico utilizado para realizar adaptações nas tensões de comando para controle. A principal função desse item é fornecer variados níveis de tensão para máquinas e equipamentos diversos, além de fornecer a tensão necessária para o funcionamento adequado do equipamento instalado. 

Sendo assim, o transformador de comando pode ser adaptado para adequar suas características ao uso de maquinários diversos, conforme a função realizada. Aplicado em baixas tensões de circuitos de comando, como iluminação, controle, partida de motores, painéis e sinalizações que requerem de uma isolação galvânica, mantendo a frequência de tensão de entrada e saída.

Utilizando um sistema de isolamento, o transformador de comando proporciona maior garantia de segurança para locais com maior circulação de pessoas e proteção ao meio ambiente, pois não existe o risco de combustão, devido às características de produção.

É possível encontrar diversos modelos de transformadores para comandos elétricos no mercado, podendo encontrar modelos monofásicos ou trifásicos, de acordo com a necessidade de cada consumidor.

Com tensões de entrada que variam entre 110V, 220V, 380V e 440V, e variações nas tensões de saída com 110/220V ou 12V e 24V, o transformador de comando pode ser empregado em equipamentos diferentes. Nas situações em que o equipamento seja de 440V, mas o painel é de 220V, o transformador realiza essa conversão, permitindo, assim, uma adaptação em painéis de comando de máquinas e equipamentos, de acordo com as necessidades apresentadas.

Há muitos benefícios em investir nos transformadores para comandos elétricos, pois os transformadores para comandos elétricos são equipamentos eficientes e versáteis que são utilizados para diversas finalidades na indústria.

© Direitos de autor. 2016: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 20/04/2016

Aula 17 - Dispositivo de controle utilizados em comandos elétricos - Reostato

O reostato é um componente elétrico que consegue fazer uma alteração no valor da resistência em um circuito, assim é possível aumentar ou  diminuir o valor da resistência elétrica, com o intuito de se obter vários valores de corrente elétrica. Há dois tipos de reostatos, o de variação contínua e o de variação descontínua.

Reostato de variação contínua

Fiura 01 - Reostato de variação contínua

Neste tipo de reostato, é possível variar o valor resistência continuamente entre dois pontos, desde zero até um valor máximo predeterminado. Ele é basicamente constituído por um material condutor que possui um determinado comprimento e é enrolado varias vezes, onde o comprimento utilizado, influencia no valor da resistência total. Para se obter a variação desta resistência há um cursor, que quando movimentado manualmente sobre o condutor enrolado, consegue obter uma variação de sua resistência, graças a partes do condutor que não são isoladas, o que garante que o cursor ira entrar em contato com diferentes partes obtendo valores diferentes de resistência.

Há vários exemplos práticos para reostatos variáveis, desde os mais simples como a alteração do volume do rádio, a intensidade da luz em uma lâmpada, a regulação da velocidade de um ventilador e até mais potentes como a regulação da corrente de campo de um motor de corrente contínua. O tipo de reostato utilizado em equipamentos de menos potencia é o potenciômetro. E já para a regulação da corrente em motores são utilizados reostatos mais potentes, com uma robustez maior, como o mostrado na foto acima.

Reostato de variação descontínua

Figura 02 - Reostato de variação descontínua

Este tipo de reostato possui um banco de resistores com valores bem determinados, que permitem a associação de resistores em série (para aumentar o valor da resistência) ou em paralelo (para diminuir o valor da resistência).

Em motores de corrente continua o pico da corrente é bastante elevado, então para minimizar o pico desta corrente é utilizado este componente como reostato de partida para que o motor seja acionado gradativamente. Deste modo entrando com a resistência máxima do banco sendo retirada as resistências por etapas, o motor irá partir mais devagar porque a resistência do circuito será alta, sendo a corrente baixa, e de acordo com a diminuição da resistência a corrente ira aumentar aos poucos, assim garantindo que no primeiro passo o motor parta com uma velocidade menor e após a retirada das resistências ele irá aumentar sua velocidade, e assim diminuindo o provável pico de corrente.

© Direitos de autor. 2016: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 20/04/2016

Aula 16 - Relés utilizados em comandos elétricos

Relé temporizador

É possível construir um relé com um dispositivo temporizador que atrasa o acionamento da bobina. Este tipo de relé é conhecido como TDR (time delay relay – relé com atraso de tempo).

A representação do relé temporizado no diagrama elétrico é idêntica ao relé, porém leva internamente, ou próximo à bobina, a denotação TDR ou TR. Há dois tipos de relés temporizados: um deles é conhecido como TON, e o outro, como TOF. Vamos ver a diferença entre os dois.

Relé TON (on delay) - É utilizado em um circuito em que se deseja que a bobina seja acionada após certo tempo (ajustado pelo operador). Nesse exato momento, todos os contatos da bobina, que são do tipo NF, passam a abrir, e os contatos do tipo NA passam a fechar, até que as condições de energização sejam desativadas.

Quando este evento ocorrer, o relé temporizado desligará e seu ajuste de tempo normalizará, zerando o valor da contagem. Este temporizador é muito útil quando precisamos atrasar a ativação de algum equipamento, como, por exemplo, quando partimos um motor de uma máquina. Nesse caso, muitas vezes necessitamos que alguns equipamentos fiquem desligados por um pequeno intervalo de tempo até que o motor chegue à sua velocidade de trabalho.

Relé TOF (off delay) - É utilizado quando necessitamos deixar um equipamento ligado durante certo tempo, mesmo após a condição de ativação ser desligada.

Como exemplo de aplicação podemos citar um sistema de refrigeração em que a ventilação precisa ficar acionada mesmo após a máquina ter sido desligada.

Existem no mercado consumista os mais diversos e variados tipos temporizadores, cada um com um determinado meio de utilização.
As dimensões de quadros podem ser consultadas nos catálogos disponíveis nos links abaixo: 14_09_04 Temporizador COEL AEG_r3.pdf

Relé de Seqüência de Fase

O Relé de Seqüência de Fase destina-se à proteção de sistemas trifásicos contra inversão da seqüência direta das fases (L1-L2-L3). O dispositivo RSF deve ser conectado diretamente à rede a ser monitorada. Seu contato de saída deverá ser utilizado para interromper a operação do motor ou processo a ser protegido.

O relé comutado á a rede com a seqüência das fases ligada corretamente, comuta os contatos para a posição de trabalho quando ocorre à inversão da seqüência das fases ocorrerá a desenergização dos contatos interrompendo sistema.
Aplicação: Protege instalações contra inversão de fase, que compromete o funcionamento de motores, equipamentos ou processos. Seu relé interno comutará, desligando o sistema sob proteção sempre que a rede monitorada estiver com a fase invertida.

Relé Auxiliar

As interfaces de relés auxiliares são utilizados para a proteção tanto das entradas quanto da saídas do CLP, pois assim qualquer imprevisto pode vir a danificar o relé primeiro ao invés da saída do CLP que possui um custo muito maior. 

Utilizando como exemplo um sensor, a saída NA do sensor acionaria a entrada do CLP, porém entre o CLP e o sensor adiciona-se um relé auxiliar que terá a função de proteger a entrada do CLP neste caso o relé poderá ter apenas um contato NA ou 1 Reversível. 

O mesmo aplica-se a saída do CLP, onde pode-se utilizar um relé para como interface para acionamentos de cargas indutivas e/ou cargas eletromagnéticas, contatores de potência, válvulas solenoides, eletroímãs, etc. O relés de interface são projetados para receber 24 V dc fornecidos pelo CLP para operar as bobinas de contatores que trabalham com 220 volts.
Por receber baixa tensão na bobinas as interfaces de relés podem serem utilizadas juntamente com botões de comando para controlar bobinas de contatores de potência cuja tensão da bobina é de 220 volts.
A bobina do relê interface é controlado pelo CLP ao passo que o contato normal aberto do relé garante o acionamento do contator. A comutação da bobina dá origem a sobretensões que têm efeitos adversos sobre os dispositivos eletrônicos, geralmente os relé de interface são equipados com supressores de surtos composto de um diodo, em antiparalelo com a bobina do relé.

Os relês de interface possuem um baixo consumo de energia no contexto dos sistemas eletrônicos. A ligação de limitadores de sobretensão eleva a vida útil de relês acopladores.
Folha de dados de Interfaces de Relés disponível  no link: 14_09_08 Rele de Interface PRZ.pdf

© Direitos de autor. 2016: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 20/04/2016