Conceitos Básicos sobre Contatores para Motores e Sua Aplicação

Aplicações tais como aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC), compressores, bombas, manuseio de materiais e embalagem exigem a implantação e o controle seguro de motores grandes que operam com altas tensões e correntes. O controle desses grandes motores elétricos representa um problema para os projetistas, na medida em que eles devem fornecer isolamento adequado entre o motor e o circuito de controle. Além disso, as altas tensões e correntes podem gerar transientes eletromagnéticos significativos que podem danificar os controles eletrônicos.

Os relés eletromagnéticos oferecem controle remoto com isolamento, mas têm suas próprias limitações. A abertura e o fechamento das conexões de força de um motor de alta potência gera arcos elétricos que desgastam as superfícies de contato do relé, reduzindo a vida útil do contato.

A solução para esse problema é um contator eletromagnético, uma classe especial de relé destinada ao controle de motores. Além de uma construção reforçada e contatos maiores e mais robustos do que os dos relés, eles empregam técnicas de supressão de arco que incluem materiais especiais e fechamento e abertura mais rápidos dos contatos.

Este artigo examina os conceitos básicos dos contatores eletromagnéticos para motores e suas vantagens em relação a outras abordagens de controle de motores. Em seguida, discute como eles são selecionados e aplicados usando exemplos reais de configuração da família Easy TeSys da Schneider Electric.

Como os contatores funcionam

Os contatores eletromagnéticos consistem em um eletroímã construído sobre um núcleo em "E". Especificamente, uma bobina isolada eletricamente é enrolada de forma concêntrica ao redor da parte central do núcleo. A bobina é excitada pela fonte de tensão de controle, que pode ser CA ou CC. Quando a bobina é energizada, a força eletromagnética atrai uma armadura localizada na extremidade aberta do núcleo (Figura 1).

Figura 1: um diagrama funcional simplificado de um contator mostrando-o tanto no estado desenergizado quanto no energizado. (Fonte da imagem: Art Pini)

Os contatos elétricos são acoplados mecanicamente à armadura. A disposição dos contatos varia conforme o modelo do contator: podem ser normalmente abertos (NA) ou uma combinação de normalmente abertos e normalmente fechados (NF). Pode haver múltiplos contatos isolados. Por exemplo, um contator trifásico terá três conjuntos de contatos de potência, um para cada fase. Quando a armadura atraca, os contatos NF abrem e os contatos NA fecham. Além disso, muitos contatores incluem um conjunto auxiliar de contatos de menor potência que são usados para monitorar o estado do contator, energizado ou desenergizado.

Os materiais do contato são escolhidos por sua alta resistência, excelente condutividade elétrica e resistência aos efeitos do arco e da oxidação. A geometria do contato é projetada para lidar com os níveis de potência pretendidos e para suprimir os arcos.

Todos os elementos do contator estão contidos em um gabinete, que isola eletricamente os contatos, ao mesmo tempo em que fornece um método simples de conexão da alimentação, carga e fiação da bobina. O gabinete também fornece suporte de montagem, que pode ser na forma de painel ou montagem em trilho DIN (Figura 2).

Figura 2: exemplos de gabinetes típicos dos contatores; montagem em painel (esquerda) e montagem em trilho DIN (direita). (Fonte da imagem: Schneider Electric)

Os contatores Easy TeSys (série DPE) da Schneider Electric são alojados em um gabinete compacto de apenas 45 milímetros (mm) de largura e podem ser montados em painel ou em trilho DIN. O gabinete tem uma classificação de proteção contra ingresso IP20, indicando proteção para os dedos. Todos os contatores da série incluem um contato auxiliar normalmente aberto. Essa série de contatores trifásicos tem certificação UL/CSA com valores nominais até 32 amperes, 20 cavalos a 480 volts CA (HP/480 VCA) e 25 HP/600 VCA, com uma variedade de tensões de excitação da bobina de controle (Tabela 1).

Tabela 1: exemplos selecionados da série de contatores Easy TeSys DPE da Schneider Electric mostram a variedade de opções de correntes operacionais e tensões de bobina de controle que a linha fornece. (Fonte da tabela: Art Pini)

Esses dispositivos oferecem uma vida útil operacional de aproximadamente 1 milhão de operações elétricas. Os contatores Easy TeSys são adequados para aplicações descritas nas categorias de utilização especificadas na norma IEC 60947. As correntes nominais dos contatores individuais dependem da categoria de utilização. Por exemplo, a categoria AC-1 descreve aplicações onde a carga é não indutiva ou apenas ligeiramente indutiva, como um forno a resistência. Essas aplicações têm principalmente cargas resistivas, que apresentam menos problemas com tensões e correntes transitórias.

A categoria AC-3 abrange aplicações para motores de indução tipo gaiola de esquilo em que o motor é ligado e, às vezes, a energia pode ser removida para parar o motor. Os motores são equipamentos indutivos, e as operações de partida e parada resultam em transientes indutivos que colocam um maior estresse sobre o contator.

As aplicações na categoria AC-4 colocam maior estresse sobre o contator. Essa categoria abrange motores de indução tipo gaiola de esquilo e motores tipo anel deslizante sujeitos a frenagem por corrente reversa e jogging ou avanço. Jogging ou avanço é "a aplicação rápida e repetida de potência para dar partida a um motor em descanso com o objetivo de realizar pequenos movimentos do motor". Jogging geralmente se refere à partida de um motor com pulsos curtos de potência com tensão total. Da mesma forma, avanço se refere a partir um motor com pulsos curtos com tensão reduzida. As múltiplas aplicações de potência geram o mais alto nível de estresse sobre o contator.

Combinar um contator Easy TeSys DPE específico com um motor ou aplicação similar de alta potência tem por referência principal a corrente que está sendo controlada. O catálogo Easy TeSys da Schneider Electric contém ajudas para seleção com base na potência do motor, categoria de utilização e vida útil operacional requerida (Figura 3).

Figura 3: o guia de seleção Easy TeSys DPE para motores da categoria de utilização AC-3 com base na potência do motor e na vida operacional desejada do contator. (Fonte da imagem: Schneider Electric)

A Figura 3 mostra um dos três guias de seleção relacionados à categoria de utilização do dispositivo que está sendo controlado. É para a categoria de utilização AC-3, basicamente um motor que pode ser parado com pouca frequência. Quando o motor é parado, a corrente é igual à corrente operacional. Como exemplo, considere dimensionar um contator Easy TeSys DPE para um motor de 5,5 quilowatts (kW) trifásico operando a 400 volts com uma corrente operacional de 11 A, em que a duração operacional desejada é de dois milhões de ciclos. Partindo da linha de tensão de 400 volts, o projetista precisa localizar 5,5 kW e, a partir daí, projetar uma linha para cima até cruzar a linha de dois milhões de operações. A opção do modelo DPE mais próxima (em azul) é a DPE 18.

Um exemplo de uma categoria de utilização AC-4, em que o motor é parado e reiniciado com frequência, lida com correntes maiores em casos piores. Considere um motor trifásico de 5,5 kW trabalhando a 400 volts com uma corrente operacional de 11 A em uma aplicação AC-4 na qual ele é desenergizado enquanto o motor está parado. A vida operacional desejada é de 300.000 operações.

A corrente de partida em repouso para esse motor é de seis vezes a corrente operacional, exigindo um contator dimensionado para um nível de corrente mais alto (Figura 4).

Figura 4: o guia de seleção Easy TeSys DPE para a categoria de utilização AC-4. Observe que os piores consumos de corrente podem ser muito maiores devido à possibilidade de retirada da alimentação do motor enquanto ele está parado. (Fonte da imagem: Schneider Electric)

Para encontrar o contator recomendado, comece com a corrente de partida em repouso de 66 A, que é seis vezes a corrente operacional de 11 A. Projetando para cima a partir do eixo da corrente até cruzar a linha representando 0,3 milhões de operações. A opção de produto mais próxima é a DPE32.

Os contatores da série Easy TeSys DPE cobrem as configurações e aplicações mais comuns de motores, tais como transportadores, máquinas de embalagem, bombas, compressores, aquecimento e ventilação, ar condicionado, refrigeração e muito mais.

A família Easy TeSys também inclui uma série de relés de sobrecarga térmica complementares projetados para proteger circuitos e motores CA contra sobrecarga, falta de fase, tempos de partida prolongados e condições de rotor em repouso. Esses relés monitoram a corrente do motor e, quando a corrente excede o limite de corrente definido, os contatos abrem e param o motor. Existem quinze modelos diferentes, e cada um tem uma faixa de níveis de corrente de disparo regulável. Os modelos de proteção contra sobrecarga são compatíveis com os contatores Easy TeSys DPE09 até DPE38 selecionados. Eles se conectam diretamente aos terminais inferiores dos contatores trifásicos usando os terminais de fixação por parafuso do contator. O conjunto tem uma largura comum de 45 mm e pode ser montado sobre trilho DIN ou parafusado a um painel usando a montagem do contator DPE (Figura 5).

Figura 5: o relé de proteção contra sobrecarga é montado diretamente sob o contator DPE e é preso usando os terminais de fixação por parafuso do contator. (Fonte da imagem: Schneider Electric)

O relé de sobrecarga térmica Easy TeSys DPER32, dimensionado para 32 A/690 volts, tem uma faixa de ajuste de disparo térmico de 23–32 A, classe de disparo 10 (com uma sobrecarga de seis vezes o nível predefinido, o protetor de sobrecarga disparará em 10 segundos), para proteção de motores trifásicos de 15 kW em 400 volts. É um dispositivo diferencial com detecção de falta de fase e desbalanceamento de carga. Possui um indicador de ajuste térmico, um seletor de reset manual/automático, um seletor de teste para a simulação de um disparo, botões de reset e parada, um indicador tipo bandeira e dois contatos auxiliares (1 NA + 1 NF) para sinalização de falha. As configurações do usuário são protegidas por uma tampa transparente que pode ser travada. Toda a família de protetores de sobrecarga térmica é certificada sob múltiplas normas, incluindo IEC, UL e CUL.

Conclusão

Os projetistas de aplicações para motores com altas tensões e correntes de operação precisam de uma maneira confiável para isolar os circuitos de controle associados e protegê-los da radiação eletromagnética. Os contatores Easy TeSys DPE tripolares juntamente com os relés de sobrecarga térmica Easy TeSys DPER, são projetados para comutar e proteger os casos mais comuns de uso de motores. A ampla variedade de modelos que cobrem vários níveis de corrente e tensão facilita a configuração de acordo com as exigências de uma aplicação específica.