APOSTILA DE TSA - 2° TMPT E 2° TMPN - 1° SEM. 2012 - ETEC FERNANDO PRESTES – prof. J. Antonio Hidráulica, Pneumática, Noções de Comandos Elétricos, Eletropneumatica e Eletrohidraulica 1 SUMÁRIO: Assunto Noções básicas de hidráulica Lei de Pascal Vantagens do acionamento hidráulico Fluidos Bombas Cavitação Reservatório Pressão Instrumentos indicadores Escoamento Acumulador de Pressão Hidráulico Pneumática Características do ar comprimido Transformação de temperatura Produção de ar comprimido Reservatório de ar comprimido Tubulações e conexões Unidade de conservação Elementos de trabalho Elementos de comando e regulagem Representação de seqüência de movimentos Esquemas de comando Conversão pneumática de sinais Noções de Comandos e Equipamentos elétricos Equipamentos de saída de sinal Componentes elétricos de Proteção Componentes eletromecânicos de manobra Diagramas de comando e simbologias Conversor de frequencia Motores elétricos Transformador elétrico Circuitos pneumáticos típicos Circuitos eletropneumáticos Circuitos hidráulicos Exemplos de circuitos práticos Simbologias hidráulica, pneumática e elétrica Formulas Técnicas e Tabelas para cálculos e Dimensionamentos pg 03 03 04 04 05 05 09 10 11 11 13 14 14 15 16 19 20 21 22 24 29 30 31 31 31 37 43 45 49 49 50 52 56 61 67 62 85 2 1 - Noções Básicas de Hidráulica 1. Hidráulica: utiliza um líquido confinado (óleo/água) para transmitir movimento multiplicando forças. Para ganhar em força, perde-se em deslocamento. Pelo fato de usar líquido praticamente incompressível, a transmissão de movimentos é instantânea. 1.1. Lei de Pascal: Pascal: se aplicarmos uma força em uma área (rolha) em líquido confinado, o resultado será uma pressão igual em todas as direções. F = Força (Kgf) P = Pressão (Kgf/cm²) Área da Circunferência: A = 0,7854 x d² 3 A = Área (cm²) 1.2. Vantagens do acionamento hidráulico: - Velocidade variável – através da válvula reguladora de fluxo; - Reversibilidade – através da válvula direcional; - Parada instantânea – através da válvula direcional; - Proteção contra sobre carga – através da válvula de segurança ou limitadora de pressão; - Dimensões reduzidas 1.3. Fluido É definido como sendo qualquer líquido ou gás. Entretanto, em hidráulica, refere-se ao líquido utilizado como meio de transmitir energia (óleo ou água). 1.3.1. Funções do fluido hidráulico: - Transmitir energia; - Lubrificar peças móveis; - Vedar folga entre essas peças móveis; - Resfriar ou dissipar calor; - Limpar o sistema. 1.3.2. Principais fluidos hidráulicos: - Água (com aditivo); - Óleos minerais; - Fluidos sintéticos; - Fluidos resistentes ao fogo (emulsões de glicol em água, soluções de glicol em água e fluidos sintéticos não aquosos). 1.3.3. Viscosidade Cinematica: é a característica mais importante a ser observada na escolha de um fluido hidráulico. Pode ser definida como sendo a medida de resistência do fluido ao se escoar, ou seja, é a medida inversa à da fluidez. Se um fluido escoa facilmente, sua 4 viscosidade é baixa e pode-se dizer que o fluido é fino ou lhe falta corpo. Um fluido que escoa com dificuldade tem alta viscosidade. Neste caso, diz-se que é grosso ou tem bastante corpo. Quanto maior for a temperatura de trabalho de um óleo, menor será sua viscosidade, ou seja, a viscosidade é inversamente proporcional à temperatura de trabalho. Os seguintes limites são considerados: • Viscosidade de trabalho otimizada em relação à eficiência, economia e segurança υotim = 20-40 mm2/s. • A temperatura padrão de trabalho para operação de um sistema hidráulico é entre 30°C e 60°C, -30°C é a menor e +90°C é a maior temperatura limite, temperatura a qual nunca deve ser excedida. Óleos minerais são oferecidos em diferentes classes de viscosidade cinemática (VG, grau de viscosidade). O número característico descreve a viscosidade nominal em mm2/s (cSt - Centstokes) a 40°C. 1.4. Bomba Hidráulica É utilizada nos circuitos hidráulicos para converter energia mecânica em energia hidráulica. Ela é responsável em criar fluxo de fluido para o sistema. A bomba hidráulica não gera pressão. A pressão só criada quando houver restrição à passagem de fluxo. Motor elétrico: converte energia elétrica em movimento mecânico rotativo. Acoplamento: transfere movimento mecânico rotativo do motor para a bomba. Bomba hidráulica: converte movimento mecânico rotativo em fluxo hidráulico. Reservatório: armazena o fluido hidráulico. 1.4.1. Cavitação Cavitação: é à entrada de ar, pela tubulação de entrada de óleo para a bomba, para o sistema hidráulico. Pode ser provocada por filtro entupido ou até nível de óleo baixo no reservatório. A cavitação deixa o sistema trabalhando irregularmente e a bomba barulhenta. Quando as bolhas de ar passar por zonas de depressão; implodem e provocam ondas de 5 choque, desgaste, corrosão e até mesmo destroem pedaços dos rotores, carcaças e tubulações. 1.4.2. Classificação das bombas: 1.4.2.1 1.4.2.1 Bombas hidrodinâmicas: são bombas de deslocamento não positivo, usadas para transferir fluido e cuja única resistência é criada pelo peso do fluido e pelo atrito. Por isso, são raramente utilizadas em circuitos hidráulicos, pois quando aumenta a resistência à passagem de fluido, reduz o seu deslocamento. 1.4.2.2 Bombas hidrostáticas: são bombas de deslocamento positivo, que fornecem determinada quantidade de fluido a cada rotação ou ciclo. Como nas bombas hidrostáticas a saída do fluido independe da pressão, com exceção de perdas ou vazamentos, praticamente todas as bombas necessárias para transmitir força hidráulica em equipamentos industriais, em maquinaria de construção e em aviação, são do tipo hidrostática. Os tipos de bombas hidrostáticas mais comuns encontradas são: de engrenagens, de engrenagens internas, de lóbulo, tipo gerator, de palhetas balanceadas e não balanceadas, de pistão radial e axial. 6 Bomba de Palhetas Bomba de Lóbulo 7 Bomba de Engrenagens CAMPO DE EMPREGO DAS BOMBAS 1.4.2.3 Deslocamento: é o volume de líquido transferido durante uma rotação da bomba e é equivalente ao volume de uma câmara, multiplicado pelo número de câmaras que passam pelo pórtico de saída da bomba durante uma rotação. Tipicamente, as bombas de pistão têm uma eficiência volumétrica inicial que alcança 90%. Os equipamentos de palheta e engrenagem têm uma eficiência volumétrica que varia de 85% a 95%. 8 1.5. Reservatório O reservatório ou tanque é utilizado para o armazenamento do fluido hidráulico; contribui para a troca de calor e a decantação das partículas contaminantes. Devido a estas tarefas o reservatório deverá ter a sua capacidade determinada pela equação abaixo: CR = (3 a 5QB) + V Onde: CR = Volume do reservatório (l) QB = Vazão máxima de trabalho (l/min) V = Volume lado da haste dos cilindros hidráulicos (l) 9 1.5.1 – Recomendações para os filtros de fluido hidraulico: - Filtros para linha de sucção (interno ao tanque) – 74 à 150 Microns - Filtros para linha de sucção (externo ao tanque) – 3 à 238 Microns - Filtros para linha de retorno – 5 à 40 Microns - Filtros para linha de pressão – 3 a 40 Microns 1.6. Pressão: Podemos definir como sendo a restrição à passagem do fluxo, ou ainda como a força exercida por unidade de superfície. 1.6.1. Pressão absoluta: é a soma da pressão atmosférica mais a sobrepressão (aquela indicada pelo manômetro). 1.6.2. especifica:: também chamada de sobrepressão 1.6.2. Pressão relativa ou especifica (aquela indicada pelo manômetro), não está incluída a pressão atmosférica. 1.6.3. 1.6. 3. Pressão atmosférica: é a pressão exercida por uma coluna de mercúrio (Hg) de 76 cm de altura, a 0ºC de temperatura, ao nível do mar (barômetro de Torricelli). 1.6.4. Unidades de pressão mais utilizadas nas indústrias: atm, bar, kgf/cm² e PSI (Libras por polegada quadrada) 1.6.5. Para cálculo aproximado: 1atm=1bar =1kgf/cm²=1kp/cm²=14,7 PSI 10 1.7. Instrumentos indicadores: Os instrumentos indicadores mais utilizados em hidráulica e também em pneumática são: manômetro, vacuômetro e o termômetro. 1.7.2. Vacuômetro: instrumento utilizado para indicar vácuo (ausência total ou parcial de ar). 1.7.3. Termômetro: instrumento utilizado para indicar temperatura. 1.8. Escoamento As moléculas de um fluido que se movimentam em tubulações atritam-se umas às outras e com as paredes da tubulação, provocando perdas de forças. A velocidade de fluxo recomendada no sistema óleo hidráulica pode ser: 11 1.9. Fluxo em série e em paralelo 1.9.1. Fluxo em paralelo Uma característica peculiar a todos os líquidos é o fato de que eles sempre procuram os caminhos que oferecem menor resistência. Assim, quando houver duas vias de fluxo em paralelo, cada qual com resistência diferente, a pressão só aumenta o necessário e o fluxo procura sempre a via mais fácil. 1.9.2. Fluxo em série 12 1.9.3 Acumuladores Hidráulicos São dispositivos auxiliares que armazenam energia para desempenhar funções suplementares aos equipamentos e sistemas automatizados quando necessário. A energia acumulada em forma de pressão (energia potencial) e retornada ao sistema para atender as seguintes aplicações: - Manter estável o nível de pressão do sistema - Servir de fonte de suprimento emergencial - Absorver choques provocados por equipamentos do sistema Em processos de prensagem, laminação ou de fixação, evita que a interrupção do suprimento de óleo prejudique a finalização de um processo produtivo. Um acumulador, numa emergência, poderá manter a pressão do sistema. O volume do acumulador é muitas vezes usado para completar o ciclo da maquina. Mantém a pressão em uma parte do sistema enquanto a bomba estiver suprindo o fluxo pressurizado na outra parte. Mantém a pressão do sistema, compensando a perda de pressão ocorrida por vazamento ou aumento de pressão causada pela expansão térmica. Quando a demanda do sistema é maior do que a bomba pode suprir, a energia potencial acumulada no acumulador pode ser usada para prover o fluxo. Absorver os choques dos sistemas. O choque pode desenvolver-se em um sistema pela inércia de uma carga ligada a um cilindro ou motor hidráulico, ou pode ser causado pela inércia do fluido quando o fluxo do sistema é bloqueado subitamente, ou mudar de direção quando uma válvula de controle direcional é acionada rapidamente. 13 1.10. Composição de um Circuito Hidráulico: 2 – Pneumática Pneumática 2. Pneumática é a ciência que estuda as propriedades físicas do ar e de outros gases. 2.1. Pneumática Utiliza ar sobre pressão (ar comprimido) para transmitir movimento mecânico (linear ou rotativo) multiplicando forças. 2.1.1. Ar – compressível. 2.1.2. Óleo/água – incompressível. 2.1.3. Ar comprimido – ar atmosférico com volume reduzido. 2.2. Características do ar comprimido: 2.2.1. Vantagens: 14 Volume Temperatura Construção Segurança contra sobrecarga Transporte Segurança Velocidade Armazenagem Limpeza Regulagem 2.2.2. Desvantagens: Preparação Custo Compressibilidade Escape ruidoso/desperdício Potência 2.3 Propriedades físicas dos gases: 2.3.1. Ar: o ar pode ser comprimido ou expandido, dependendo da variação da temperatura, pressão e do volume. 2.3.2 Características físicas de desempenho do ar comprimido comprimido:: As características físicas de desempenho do ar comprimido são determinadas por: - Temperatura - Volume - Pressão - Volume do fluxo - Características do fluxo As correlações são descritas como seguem: - Características de temperatura temperatura--volume volume--pressão A temperatura especifica a condição física de um objeto. Essa característica é indicada em Graus centígrados (ºC) ou convertida em kelvin (K). T[K] = t [ºC] + 273 Se a temperatura é aumentada para um volume constante (transformação isocórica), conseqüentemente a pressão se eleva. p0 : p1 = T0 : T1 Se o volume é diminuído para uma temperatura constante (transformação isotérmica), conseqüentemente a pressão aumenta. p0 x V0 = p1 x V1 Se a temperatura é aumentada em pressão constante (transformação isobárica), conseqüentemente o volume aumenta. V0 : V1 = T0 : T1 15 2.3.3 Transformação de temperatura: Para cálculos realizados nas propriedades dos gases, a escala de temperatura utilizada é a Kelvin por se tratar de uma escala absoluta. 3 - Produção do ar comprimido 3. Compressores: São máquinas ou equipamentos responsáveis por admitir ou sugar o ar da atmosfera, comprimi-lo e enviá-lo para um reservatório que o armazenará. 3.1. Tipos de compressores: 16 17 3.1.1. Central de Ar Comprimido 3.2. Critérios para a escolha de um compressor: 3.2.1. Volume fornecido: teórico e efetivo. 3.2.3. Pressão: de regime ou de trabalho. 3.2.4. Acionamento: motor elétrico ou de explosão (gasolina, álcool ou diesel) 1pcm = 0,029 m3/min = 1,7 m3/h 1psi = 0,7 bar = 0,7 kgf/cm2 = 6,9kPa 18 3.2.5. Regulagem: 3.2.5.1. De marcha em vazio: - regulagem por descarga – atingindo a regulagem máxima, o ar escapa livremente por uma válvula; - regulagem por fechamento – atingindo a regulagem, fecha-se o lado da sucção; - regulagem por garras – usada em compressores de êmbolo – atingindo a Regulagem máxima, algumas garras mantém as válvulas de sucção abertas. 3.2.5.2. Regulagem de carga parcial: - regulagem na rotação; - regulagem por estrangulamento. 3.2.5.3. Regulagem intermitente: quando o compressor atinge a pressão máxima, o motor é desligado e quando atinge a pressão mínima o motor é ligado. 3.2.6 Refrigeração: a refrigeração de um compressor poderá ser feita por: água – utilizando um trocador de calor; e por ar – dissipando o calor através de palhetas. 3.3. Reservatório de ar comprimido : Não faz parte obrigatoriamente do compressor tendo as seguintes funções: - estabilizar a distribuição do ar comprimido; - eliminar oscilações de pressão na rede; - separar parte da umidade existente no ar; - garantir reserva de ar. 19 3.3.1 Tamanho do reservatório depende: - do volume de ar fornecido pelo compressor; - do consumo de ar; - da rede de distribuição; - da regulagem do compressor; - da diferença de pressão na rede. O dimensionamento do seu volume é muitas vezes feito com regras práticas. Uma delas é: Volume do reservatório em m3 = (1/10) a (1/6) da vazão do compressor em m3/min. 4 - Tubulações e conexões 4.1. Escolha do diâmetro de uma tubulação: O diâmetro de uma tubulação da rede de ar comprimido deve ser escolhido de maneira que a queda de pressão não ultrapasse 0,1 bar, bar mesmo se houver um crescente consumo de ar. Quanto maior for a queda de pressão, menor será a rentabilidade e a capacidade do sistema. 4.2. Considerações para o dimensionamento da tubulação: - volume corrente (vazão); - comprimento da rede; - queda de pressão admissível; - pressão de trabalho; - número de partes de estrangulamento na rede. Observação: considerar comprimento de reserva reserva para futuras instalações. 4.3. Tipos de rede de distribuição: primária e secundária. 4.3.1. Tipos de redes primárias de distribuição de ar: - rede de circuito aberta; - rede de circuito fechada; - rede de circuito combinada. 20 4.4. Critérios para montar uma rede de distribuição: - as tubulações devem ter um declive entre 1 e 2% do seu comprimento no sentido do fluxo; - sempre que possível, manter a rede em circuito fechado que permite uma distribuição mais uniforme da pressão; - retirar a rede secundária da parte superior da primária. 5. Unidade de conservação: Partículas de pó ou ferrugem e umidade que se condensam nas tubulações podem ocasionar falhas ou avarias nas válvulas, por isso perto do local de consumo é colocada uma unidade de conservação (LUBREFIL) que é composta de: - filtro de ar comprimido; - regulador de pressão; - lubrificador de ar comprimido. 21 OBSERVAÇÃO: O lubrificador acrescenta ao ar comprimido uma fina névoa de óleo que irá se depositar nas válvulas e cilindros, proporcionando a esses elementos a necessária lubrificação (Oleo Mineral SAE 10 ou ISO VG 32, ISO VG46 ). 6.0 Elementos de trabalho A função de um elemento de trabalho é a de converter a energia hidráulica ou pneumática em movimento. São classificados em: 6.1. Atuadores lineares A função de um atuador linear é a de converter a energia hidráulica ou pneumática em movimento linear multiplicando forças. São classificados em: 6.1.1. Atuador linear de simples ação ou simples efeito: Realiza trabalho em um só sentido. 6.1.2. Atuador linear de dupla ação ou duplo efeito: Realiza trabalho nos dois sentidos, tanto no avanço quanto no retorno. Também conhecido como atuador diferencial, pois a força de avanço é maior que a força de retorno. 22 6.1.3. Atuador linear tipo telescópico: É composto por várias hastes. 6.2. Atuadores rotativos : A função do atuador rotativo é a de converter a energia hidráulica ou pneumática em movimento rotativo, multiplicando força. 23 7. Elementos de comando e de regulagem: 7.1. Elementos de comando 7.1.1. Válvulas direcionais A função de uma válvula direcional é a de direcionar o sentido de fluxo atendendo à necessidade do circuito. 24 São caracterizadas por: - número de vias; - número de posições; - posição de repouso; - tipo de acionamento (comando); - tipo de retorno (para a posição de descanso); - vazão. Um dos símbolos mais importantes é aquele usado para representar válvulas e, principalmente, as válvulas direcionais. Uma válvula pode assumir varias posições, dependendo do estado em que se encontra: não acionada, acionada para a direita, acionada para a esquerda etc. As válvulas direcionais são classificadas de acordo com o numero de orifícios para passagem do fluxo de ar ou óleo (vias) e pelo numero de posições que ela pode assumir. Cada posição da válvula é simbolizada por um quadrado e o número de quadrados indica o número de posições ou estados que ela pode assumir. válvulas de uma, duas ou três posições No interior do quadrado, representam-se as passagens que estão abertas, permitindo o fluxo de fluido, e as que estão fechadas. Quando um orifício da válvula se comunica com outro, permitindo a passagem de fluido, essa passagem e representada por uma seta. As vias são identificadas por letras maiúsculas ou por números: As vias quando são fechadas são indicadas por um TR aço horizontal. As ligações externas com as vias são indicadas por traços curtos. 25 (a) Vias fechadas; b) vias em comunicação; c) Ligações externas com as vias; d) válvula com duas posições e três vias. O orifício 1 esta bloqueado e o orifício 2 esta em comunicação com o orifício 3. A posição de repouso é aquela que a válvula assume quando não é acionada. A posição de partida é aquela que a válvula assume quando montada no sistema e recebe a pressão da rede e ainda, se houver a ligação elétrica. 7.1.2. Válvula de retenção A válvula de retenção é usada para permitir a passagem do fluido num determinado sentido e fazer seu bloqueio no sentido oposto. 26 7.1.3. Válvula de escape rápido Essa válvula é colocada diretamente no cilindro ou o mais próximo dele, com a finalidade de aumentar a velocidade do êmbolo. 7.1.4. Válvula alternadora (função lógica “OU”) Essa válvula é empregada quando há necessidade de enviar sinais de lugares diferentes a um ponto comum de comando. 7.1.5. Válvula de simultaneidade (elemento lógico “E”) Empregam-se essa válvula, principalmente, em comando de bloqueio, comandos de segurança e funções de controle em combinações lógicas. 7.2. Elementos de regulagem 7.2.1. Válvula reguladora de fluxo Emprega-se essa válvula para a regulagem da velocidade em atuadores. 27 7.2.2. Válvula de retardo A válvula de retardo é empregada quando há necessidade, num circuito pneumático, de um espaço de tempo entre uma e outra operação em um ciclo de operações. 7.2.3. Válvula de seqüência Essa válvula é utilizada em comandos pneumáticos quando há necessidade de uma pressão determinada para o processo de comando (comando em dependência da pressão e comandos seqüenciais). 7.3. Válvula limitadora de pressão A finalidade dessa válvula é limitar a pressão de trabalho a um determinado valor ajustado. 28 7.4. Válvula redutora de pressão A válvula redutora de pressão tem a função de manter constante a pressão de saída, mesmo havendo variação da pressão de entrada, que deverá ser sempre maior. 8. Representação de seqüência de movimentos Quando a instalação hidráulica ou pneumática realiza várias operações, possuindo vários cilindros e/ou motores, é importante que o técnico de manutenção tenha a seu dispor os esquemas de comando e seqüência para montar ou reparar o equipamento. Esses esquemas permitirão realizar um estudo para localizar o defeito e com isso ganhar-se tempo na manutenção. Existem várias formas de representar esta seqüência de trabalho, tais como: - relação em seqüência cronológica; - tabela; - setas ou símbolos; - diagramas. 8.1. Relação cronológica Essa relação trata da descrição dos fatos na ordem exata dos acontecimentos. Por exemplo: - o cilindro A avança e eleva os pacotes; - o cilindro B empurra os pacotes no transportador II; - o cilindro A desce; - o cilindro B retorna. 8.2. Tabela 29 Para representar a seqüência de trabalho de uma instalação em uma tabela, devem-se dispor, em colunas, os passos de trabalho e os movimentos dos cilindros. Por exemplo: 8.3. Setas ou símbolos As setas ou símbolos oferecem um tipo de representação bem simplificada. Por exemplo: Avanço Retorno A → ou B → ou A ← ou B ← ou → ou + ← ou + + - 8.4. Diagrama de movimento Esse diagrama representa o estado de comutação dos elementos de comando. 8.5. Esquemas de commando 30 9. Conversão pneumática de sinais Pressostato: também conhecidos como sensores de pressão, são chaves elétricas acionadas por um piloto hidráulico ou pneumático. Os pressostatos são montados em linhas de pressão hidráulica e ou pneumáticas e registram tanto o acréscimo como a queda de pressão nessas linhas, invertendo seus contatos toda vez em que a pressão do óleo ou ar comprimido ultrapassar o valor ajustado na mola de reposição. 10. Noções de Comandos e Equipamentos elétricos 10.1 Equipamentos de entrada de sinais 10.1.1 Interruptor 31 Elemento de comutação acionado manualmente com, pelo menos, duas posições de comutação, e que permanece em cada uma das posições após o acionamento. 10.1.2. Botoeira Botões de comando Os botões de comando, ou botoeiras, são equipamentos de comandos elétricos com a finalidade de enviar um sinal elétrico para o acionamento de um equipamento ou interrupção de um de comando. O acionamento dos botões de comando deve ser feito sempre por um operador. A foto a seguir ilustra alguns modelos de botões de impulso. Quanto à forma de acionamento do botão, temos dois tipos de botões de comando: de impulso e com retenção. O botão de impulso muda a posição de seus contatos no momento do acionamento, porém ao ser desacionado, seus contatos voltam à posição de origem. Enquanto que os botões de retenção mantêm o contato na nova posição e para voltar à posição de origem é necessário um novo acionamento no sentido contrário. A seguir são apresentados a simbologia dos botões de impulso e com retenção. O acionamento desses botões pode ocorrer de várias formas; pulsador simples, pulsador tipo cogumelo, comutador simples e comutador por chave. Segue as fotos desses tipos de acionamentos. 32 Quanto aos elementos de contatos, são possíveis uma série de combinações, de acordo com cada fabricante. Segue abaixo as combinações mais comuns de contatos. 10.1.3. Chave fim de curso e Sinalizadores As chaves fim-de-curso são elementos de comando com a finalidade de enviar sinais ao comando elétrico de um determinado sistema. Esse tipo de equipamento é acionado por elementos de máquinas que compõe um sistema industrial. A função principal deste componente é “avisar” o comando que determinada situação foi alcançada, como por exemplo, uma parte móvel da máquina chegou numa determinada posição. Fonte: Catálogo Siemens 33 Quanto aos elementos de contatos, são possíveis algumas combinações de acordo com o fabricante. Sinalizadores Os sinalizadores são equipamentos de comandos elétricos com a finalidade de sinalizar uma ocorrência ou status de um equipamento ou máquina. Os sinalizadores são fabricados de diversas cores e formas. Os mais comuns são os sonoros e luminosos. A norma define as cores e as condições que o sinalizador está alertando. A tabela a seguir ilustra essa descrição. 10.2. Equipamento para processamento de sinais 10.2.1. Contator de potência Contator é um dispositivo eletromecânico com a finalidade de abrir ou fechar circuitos. O acionamento deste dispositivo é feito 34 eletromagneticamente. Esse equipamento é projetado para uma elevada freqüência de operação. O contator tem duas funções básicas em comandos elétricos; lógica de contatos e acionamento de motores. Para o acionamento de motores, os contatos são abertos ou fechados simultaneamente, energizando ou desernegizando o motor. Outro dado importante do contator é a categoria de emprego. A tabela a seguir apresenta algumas categorias de emprego. Fonte: Catálogo Siemens 35 Esse tipo de contator possui os contatos principais, que vão alimentar o motor e contatos auxiliares, normalmente 2NA e 2NF, para algum tipo de ligação de comando ou sinalização. Para especificar um contator, alguns dados são imprescindíveis: tensão nominal da bobina, número de contatos principais e auxiliares e os dados de trabalho da carga; tensão nominal, freqüência nominal e corrente nominal. Ao executar um projeto de comandos elétricos a partir dos dados da carga, utilizando o catálogo do fabricante, especifica-se o contator. Por exemplo, o contator de potência 3TF40 da Siemens tem a seguinte especificação de catálogo. 10.2.2 Contator Contator auxiliar: auxiliar: é utilizado para montar a lógica de acionamento do comando e também para aumentar o número dos contatos auxiliares dos contatores de potência, quando ligado em paralelo, ou sendo alimentado por um contato aberto do contator de potência. Seu contato tem baixa capacidade de corrente elétrica, pois nesses contatos vai passar a corrente das bobinas dos contatores que serão acionados. Para especificar um contator auxiliar é necessário que se tenha um catálogo de fabricante para obter os dados de quantidade de contatos, fusível de proteção e dimensões, conforme o modelo. A seguir são apresentados os dados de um catálogo. 36 10.2 10.2.3 Relé de tempo Elemento de comutação temporizado, com retardo de fechamento ou de abertura. Os temporizadores, também conhecidos como relés de tempo, são dispositivos elétricos utilizados em circuitos de comando com a função de causar o acionamento de um determinado componente após um tempo predeterminado. Para partida de motores em estrela-triângulo existe um modelo específico de relé temporizador. 11. 11. COMPONENTES ELÉTRICOS DE PROTEÇÃO 11.1 Industriais 11.1 Fusíveis Indu striais Fusível industrial é um componente elétrico de proteção, com a função de interromper a circulação da corrente elétrica num circuito, mediante curto-circuito ou sobrecarga de longa duração. Os fusíveis industriais se dividem em dois modelos: Fusíveis NH e Fusíveis Diazed. São especificados conforme a necessidade e tipo de circuito que vão proteger. 37 Especificações técnicas Para a especificação desses componentes num determinado circuito são necessários os seguintes dados: Corrente nominal, tensão nominal e capacidade de interrupção. Tipos de fusíveis industriais Os fusíveis industriais são fabricados em dois tipos, conforme o tempo de atuação; Ação Rápida ou Ação Retardada. Os Fusíveis de Ação Rápida são utilizados onde a corrente do circuito em todos os momentos é inferior ao valor da corrente nominal do circuito e qualquer sobrecorrente deve ser interrompida imediatamente, como por exemplo, circuitos eletrônicos e resistivos. Já os Fusíveis de Ação Retardada Retardada, ardada quando submetidos a uma sobrecorrente só vão atuar se essa sobrecorrente prevalecer por alguns segundos. Esse tipo de fusível é recomendado para proteção de circuitos sujeitos a sobrecargas periódicas, como por exemplo, circuitos com motores e capacitores. Desta forma, os fusíveis industriais são utilizados somente como dispositivos de proteção contra curtocurto-circuito nas redes dos circuitos elétricos industriais. Fusível Diazed Os fusíveis Diazed são construídos com corpo cilíndrico como se pode ver na foto abaixo. Para facilitar a identificação da corrente nominal do fusível, quando em operação em um circuito, o indicador de queima apresenta uma cor que define sua corrente nominal. A tabela a seguir apresenta a cores normalizadas e as respectivas correntes. A fusão do elo-fusível de um diazed ocorre em função dos valores de corrente e tempo de circulação. O gráfico a seguir ilustra a curva característica desse componente com esses valores para os fusíveis da WEG. 38 Fusível NH Os fusíveis NH têm sua forma construtiva conforme foto a seguir. Para a utilização e conexão do fusível ao circuito é necessário a utilização da base. Para a manipulação do fusível utiliza-se o punho. Fonte: Catálogo Siemens Da mesma forma que ocorre com os fusíveis tipos diazed, os fusíveis NH obedecem a uma curva característica traçada pelo fabricante para a fusão do elo fusível. 39 12.2 Relé de proteção de falta de fase O relé de proteção de falta de fase é um equipamento de proteção para um sistema de comandos elétricos industriais trifásicos, pois qualquer falha na alimentação, queda de fase e neutro ou assimetria entre fases, esse relé aciona o comando dando um sinal elétrico à lógica de relés. A seguir é apresentado a foto de um relé de proteção de falta de fase. Fonte: Catálogo Siemens A preocupação que se tem com relação à falta de fase num sistema elétrico trifásico é que dependendo das cargas instaladas, a falta de uma fase pode causar grandes prejuízos para a empresa. 11.3 11.3 Relé Térmico Térmico Como já se sabe, a função dos fusíveis industriais não é proteger o motor contra sobrecarga é apenas contra curto-circuito, logo de nada adianta o fusível nesses casos de sobrecarga no motor. Para evitar esse tipo de problema em instalações de sistemas com motores, será necessário a instalação de um componente chamado relé térmico nos circuito de comando dos motores elétricos. Eles serão os protetores dos motores elétricos contra as sobrecargas. As principais vantagens na utilização dos relés térmicos são: • Proteção do circuito contra correntes acima dos valores predeterminados; • Não desarma com corrente de pico na partida de motores; • Sinaliza o desarme; • Permite a utilização de contatos NA e NF para sinalização e comando. Normalmente o relé térmico é equipado com um conjunto de contatos com 1NA+1NF, botão de rearme manual para travamento automático (azul), botão de teste-desliga (vermelho), indicador visual de disparo por sobrecarga (verde). A foto a seguir ilustra esses acessórios. 40 Todo fabricante apresenta a curva característica do componente. A seguir uma curva média característica de disparo de um relé térmico. Em circuitos trifásicos, é utilizado um conjunto de três bimetálicos para proteção de todas as fases. O esquema a seguir ilustra um relé térmico. Os relés são acoplados aos contatores e devem ser especificado utilizando-se um catálogo de fabricante. A sua especificação é feita 41 conforme o modelo do contator e a faixa de corrente que esse relé deve proteger. Segue a foto de um conjunto. Fonte: Catálogo Siemens É muito importante, antes de rearmar um relé térmico, descobrir qual foi o motivo causador do seu desarme no circuito elétrico. 11.4 11.4 Relés Temporizadores Os temporizadores, também conhecidos como relés de tempo, são dispositivos elétricos utilizados em circuitos de comando com a função de causar o acionamento de um determinado componente após um tempo predeterminado. Esse dispositivo tem várias utilidades nos circuitos de comandos, tais como; temporização em lógicas de comandos, partidas seqüenciais de motores elétricos, sistemas de partida de motores e muitas outras utilidades. Para partida de motores em estrela-triângulo existe um modelo específico de relé temporizador. 12. 12. COMPONENTES ELETROMECANICOS DE MANOBRA DE MOTORES ELETRICOS 12.1 Chaves seccionadoras manuais Chaves seccionadoras manuais são componentes eletromecânicos, utilizados para manobras de motores elétricos. Através de um sistema mecânico acionado manualmente pelo operador, contatos elétricos mudam de posição, desligando ou comutando o posicionamento desses contatos. Desta forma, é possível ligar e desligar um motor, inverter o sentido de rotação, mudar a velocidade e até mesmo criar um sistema de partida. A foto abaixo ilustra uma chave seccionadora manual. 42 Seu funcionamento mecânico está baseado na utilização de cames acionados por um sistema rotativo. Quando o operador aciona o manípulo esses cames acionam os contatos elétricos mudando suas posições. Especificações técnicas: técnicas: Para a especificação de uma chave seccionadora num determinado circuito são necessários os seguintes dados: Corrente nominal, tensão nominal de serviço, tensão de isolação e tipo de operação. Quanto ao tipo de operação, esse dado determina se a chave seccionadora opera com carga ou a vazio. Tipos de chaves seccionadoras: seccionadoras: As chaves seccionadoras podem ser divididas basicamente em dois tipos: • Chave seccionadora com carga; • Chave seccionadora sem carga. A chave seccionadora com carga tem seu mecanismo e contatos elétricos projetados para uma interrupção de linha sem ou com uma circulação de corrente elétrica. Esse tipo de chave é equipado com um dispositivo chamado “câmara de extinção de arco voltaico”e as molas que impulsionam o mecanismo no momento da manobra são projetadas para proporcionar uma alta velocidade de comutação. O outro tipo, chave seccionadora sem carga, foi projetada e especificada para operar sem carga, ou seja, sem a circulação de uma corrente elétrica nos seus contatos. Neste caso o tempo de comutação dos contatos depende da velocidade que o operador impõe no momento da manobra. 12.2 12.2 Chave reversora para motor monofásico A chave reversora para motor monofásico tem como funções básicas; ligar/desligar e inverter o sentido de rotação do motor monofásico. Essa chave possui três posições; desligada, esquerda e direita. Na posição desligado todos os contatos estão abertos não permitindo uma circulação de corrente elétrica no motor. 12.3 12.3 Chave reversora para motor trifásico A chave reversora para motor trifásico tem como funções básicas, ligar/desligar e inverter o sentido de rotação do motor trifásico. Essa chave possui três posições; desligada, esquerda e direita. 43 Na posição desligado todos os contatos estão abertos não permitindo uma circulação de corrente elétrica no motor. 12.4 estrela--triângulo 12.4 Chave reversora estrela A chave reversora estrela-triângulo, tem como funções básicas; ligar/desligar alimentar o motor nas ligações estrela ou triângulo. Essa chave possui três posições; desligada, estrela e triângulo. Na posição desligado todos os contatos estão abertos não permitindo uma circulação de corrente elétrica no motor. 12.5 12.5 Chave comutadora para ligação Dahlander A chave comutadora para ligação Dahlander é utilizada em motores com esse tipo de ligação, normalmente chamados; motor Dahlander. Essa chave tem como funções básicas, ligar/desligar alimentar o motor na ligação triângulo ou na ligação duplo-estrela. Desta forma é possível obter duas velocidades com o mesmo motor elétrico por meio de comutação de pólos. Essa chave possui três posições; desligada, baixa velocidade e alta velocidade. Na posição desligado todos os contatos estão abertos não permitindo uma circulação de corrente elétrica no motor. 12.6 Disjuntor Termomagnético O disjunto termomagnético possui a função de proteção e, eventualmente, de chave. Interrompe a passagem de corrente ao ocorrer uma sobrecarga ou curto-circuito. Define-se sobrecarga como uma corrente superior a corrente nominal que durante um período prolongado pode danificar o cabo condutor e/ou equipamento. Esta proteção baseiase no princípio da dilatação de duas lâminas de metais distintos, portanto, com coeficientes de dilatação diferentes. Uma pequena sobrecarga faz o sistema de lâminas deformar-se (efeito térmico) sob o calor desligando o circuito. Figura 10 : Princípio de proteção para sobrecarga A proteção contra curto-circuito se dá através de dispositivo magnético, desligando o circuito quase que instantaneamente (curva de resposta do dispositivo). 44 Os disjuntores podem ser : monopolares, bipolares e tripolares. Algumas vantagens : religável, não precisa de elemento de reposição, pode eventualmente ser utilizado como chave e comando. Figura 11 : Símbolos elétricos do disjuntor 13. Diagramas de comandos e Simbologia 13.1 – Diagramas de comandos Existem vários tipos de esquemas elétricos ou formas de representações de sistemas elétricos industriais. Diagramas de comando são esquemas elétricos com a finalidade de ilustrar um sistema elétrico industrial de forma padronizada e de fácil interpretação de qualquer usuário, na instalação e manutenção desse sistema. O diagrama de comando permite a interpretação de um sistema industrial, pois: • demonstra a seqüência de funcionamento do circuito; • representa os componentes e funções; • permite uma rápida localização dos componentes. O diagrama de comando mais utilizado é o diagrama funcional, pois esse diagrama representa os sistemas elétricos industriais de forma prática com fácil compreensão. Nesse tipo de diagrama, o comando lógico é separado da parte de acionamento e são chamados de “Diagrama de Comando” e “Diagrama Principal”. A seguir é apresentado um exemplo de diagrama de comando funcional. 45 O diagrama principal pode ser representado também de forma unifilar. O esquema a seguir ilustra os dois casos; diagrama multifilar e unifilar do mesmo circuito principal. 46 13.2 13.2 Simbologia Elétrica A seguir serão apresentados os principais símbolos gráficos utilizados nos diagramas de comandos elétricos. A identificação dos contatos dos relés e contatores são feita por meio de números que indicam a função e a posição do contato. Os contatos dos contatores de potência que alimentam a carga, contatos principais (três), têm a identificação feita da seguinte forma; entrada de força números ímpares e saída dos contatos para a carga, números pares. A figura a seguir ilustra essa identificação. Os contatos de comando, ou seja, os contatos dos contatores auxiliar e contatos auxiliares dos contatores de potência são identificados da seguinte forma: São identificados por dois números, sendo que; • o primeiro número (dezena) tanto na entrada como na saída indica a seqüência do contato, ou seja, se o contator auxiliar tem quatro 47 contatos, o primeiro será número “1”, o segundo número “2” e assim por diante. • o segundo número (unidade) identifica se o contato é fechado NF, números “1” e “2” sendo o “1” entrada e “2” saída, ou se o contato é aberto NA, números “3” e “4”, sendo “3” entrada e “4” saída. Esse descritivo pode ser observado no esquema que segue. 13.3 13.3 Localização dos contatos Em comandos mais complexos, a localização dos contatos dos contatores e relés são identificados logo abaixo do componente com o número da linha em que os contatos estão localizados. Além da localização, a identificação dos contatos é feita em colunas “A” para contatos abertos (NA) e “F” para contatos fechados (NF). O esquema abaixo ilustra essa localização. 48 14 Conversores de Frequencia Os conversores de freqüência (também conhecidos como inversores) se diferenciam dos dispositivos de partida de motores porque estes últimos somente são capazes de alimentar o motor com a freqüência nominal da rede. Por outro lado, os inversores podem controlar a velocidade de um motor de corrente alternada trifásico entre zero e dez vezes a velocidade nominal do mesmo. Estes valores de velocidade mínima e máxima geralmente são limitados pelas características mecânicas e construtivas do motor a ser controlado. O principio de funcionamento dos inversores tem como base alimentar o motor com uma corrente de freqüência variável, por exemplo: entre 0 e 600 Hz, e desta forma ajustar a velocidade de rotação do eixo ao valor desejado. Um motor de dois pólos conectado a uma rede de 380 V CA 60 Hz gira aproximadamente a 3600 RPM se o inversor entregar uma freqüência de saída de 30 Hz, o motor girara com a metade da velocidade. O inversor também se encarregara de regular, junto com a freqüência, o valor eficaz da tensão de saída para manter constante a corrente entregue ao motor. E, desta forma, contar com o torque nominal do motor em uma ampla faixa de velocidades. Por isso, os inversores são ideais para controlar bombas, ventiladores, compressores, esteiras, maquinas de embalagem, bem como para aplicações simples de posicionamento. E importante ter em conta que os motores novos podem ser controlados por um inversor de maneira excelente e eficaz, enquanto os motores antigos podem apresentar problemas de isolamento depois de alguns meses de trabalho satisfatório. Micromaster - Siemens 15 Motores Elétricos O motor elétrico e composto basicamente de um rotor (parte móvel) e um estator (parte fixa), os quais são formados por pacotes de chapas de ferro silício com ranhuras, onde se alojam as bobinas. Entre elas será produzida uma reação eletromagnética que transformara a energia elétrica absorvida da rede em energia mecânica na ponta do eixo, necessária para movimentar a carga. Em um motor de corrente alternada, o rotor é composto por hastes de cobre ou liga de alumínio unidas em 49 suas extremidades, dai o nome de rotor em curto-circuito ou de gaiola de esquilo como e conhecido. Os motores podem ser monofásicos ou trifásicos. Os primeiros são conectados a uma rede monofásica (dois cabos) e habitualmente são usados em residências e pequenos comércios. Produzem um campo magnético pulsante, por isso tem vibrações, sendo que não podem ser fabricados para grandes potencias, pois não tem torque de partida e precisam de um capacitor para dar partida. Os motores trifásicos são projetados para serem conectados a redes trifásicas (três cabos), e são universalmente utilizados nas indústrias, edifícios e grandes instalações. O motor trifásico produz um campo magnético giratório. Por isso funciona sem vibrações e possui um elevado torque de partida. Normalmente tem seis terminais de conexão. São fabricados até para potencias muito elevadas. Corte de um motor de indução trifasico 16. 16. Transformador Elétrico A ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) define o TRANSFORMADOR como: Um dispositivo que por meio da indução eletromagnética, transfere energia elétrica de um ou mais circuitos (primário) para outro ou outros circuitos (secundário), usando a MESMA freqüência, mas, geralmente, com tensões e intensidades de correntes DIFERENTES. Então, o é um CONVERSOR de energia eletromagnética, cuja operação pode ser explicada em termos do comportamento de um circuito magnético excitado por uma corrente alternada. APLICAÇÕES: • ALTERAÇÃO de níveis de TENSÃO e CORRENTE entre dois circuitos. Ex.: Sistema de energia elétrica. 50 • ISOLAMENTO para CORRENTE CONTÍNUA entre circuitos, mantendo a continuidade para corrente alternada. • CASAMENTO de IMPEDÂNCIAS em circuitos eletrônicos (permite obter a máxima transferência de potência). • MEDIÇÃO (transformador de potencial – TP e Transformador de corrente – TC). O transformador básico é formado por duas bobinas isoladas eletricamente, enroladas em torno de um núcleo de ferro silício. Transformador elétrico símbolos Na figura tem-se que: - φ : Vp: Vs: Ip: Is: Np: fluxo magnético tensão primária (primário do transformador) tensão secundária (secundário do transformador) corrente primária corrente secundária número de espiras do primário Vale a relação: a = Vp/Vs = Np/Ns onde a é a relação de tensão ou relação de espiras. Para a>1 é transformador abaixador; a<1 transformador elevador 51 17. Montagens Típicas de Circuitos 17.1. Comando pneumático básico direto: 17.2. Comando em série: 52 17.3. Comando em paralelo: 17.4. Comando básico indireto com simples piloto positivo: 53 17.5. Comando básico indireto com duplo piloto positivo: 54 17.6. Comando de ciclo único com retorno automático: 55 17.8. Comando eletropneumático básico com cilindro de simples ação: 17.9. Comando em série: 56 17.10. Comando em paralelo: 17.11. Comando com válvula de impulso: 57 17.12. Comando de auto-retenção: 58 17.13. Comando com relé de tempo: 59 17.14 auto--retenção 17.14. .14. Circuito seqüencial com comando de auto 60 17.15. Circuito hidráulico básico linear: 17.16. Circuito hidráulico básico rotativo: 61 17.17. Circuito hidráulico com controle de velocidade: 17.18. Circuito hidráulico com controle de velocidade: 62 17.19. Circuito hidráulico com aproximação rápida, avanço controlado e retorno rápido: 17.20. Circuito hidráulico em seqüência: 63 17.21. Circuito com contrabalanço: 64 17.22. Circuito hidráulico em seqüência com pressão reduzida para a primeira operação: 65 17.23. Circuito hidráulico em seqüência com velocidade controlada na segunda operação: 66 17.3 Circuitos práticos 17.3.1 – Hidraulico 67 17.3.2 - Pneumático 68 69 17.3.3 – Pneumátíco e eletropneumático 70 Solução eletropneumatica 71 18.0 18.0 SIMBOLOGIA HIDRAULICA E PNEUMATICA 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 19. 19. FORMULAS TÉCNICAS PARA DIMENSIONAMENTOS: 19.1 19.1 – SISTEMA HIDRAULICO 19.1.1 – Torque e Potencia Motor Hidraulico 19.1.2 19.1.2 Cilindros e Sistemas Hidraulicos 85 19.1.3 19.1.3 Calculo da Força e Volume deslocado em Cilindro Hidraulico: Hidraulico: 19.1.4 19.1.4 Nomograma para calculo do Diametro Interno de tubulação hidraulica industrial ndustrial:: 86 19.2 19.2 – SISTEMAS PNEUMATI PNEUMATICOS 19.2.1 – Clindros Pneumáticos Ftav = Força de avanço teorica Fa = Força de atrito Consumo de ar num ciclo QA = (π (π.D2/4) . l . (PS + Patm)/ Patm QR = π.(D2-d2)/4 . l . (PS + Patm)/ Patm Patm = Pressão Atmosferica - (kgf/cm2) D = Diamêtro do Embolo - (cm) d = Diamêtro da Haste - (cm) Ps = Pressão de Serviço - (kgf/cm2) l = Numero de ciclos do pistão/min x curso do pistão - (cm/min) QA = Vazão no avanço - (lpm); QR = Vazão no retorno – (lpm) 87 19.2.2 19.2.2 - Tabela de CConsumo onsumo de ar e Força Efetiva 88 19.2.3 – Motores Pneumaticos Potencia e Toque: Cada motor tem uma curva, na qual se pode ler o momento torsor e a potência de acordo com o número de revoluções. Quando o motor está parado, sem ar, e quando gira sem carga no eixo (regime de potência livre), não gera potência. A potência máxima se ganha normalmente quando o eixo gira na metade do número de revoluções máximo admissível. No regime de potência livre, o momento torsor é zero e, quando se começa a frear, o momento aumenta normalmente em forma linear até que pare. O motor pode permanecer parado com as palhetas em diferentes posições, porém é impossível conhecer de imediato o momento torsor ao iniciar suas revoluções. O gráfico indica, sem restrições, o momento e potência mínimos em um início de partida de um motor de palhetas. . 89 19.2. 19.2.4 .2.4 - Nomograma para calculo do Diâmetro Interno de Rede de Ar Comprimido 90 19.3 19.3 Dispositivos de controle dos motores elétrico 19.3.1 Esquema de Partida Direta de Motor Indução Trifásico 91 19.3.2 estrela--triangulo de Motor Indução Trifásico 19.3.2 Esquema de Partida estrela 92 19. cargas: 19.3.3 3.3 Guia de seleção do tipo de motor para diferentes cargas: 93 19. 19.3.4 – CARACTERISTICAS TECNICAS MOTORES ELETRICOS TRIFASICOS – 4 POLOS * Motores com sobrelevação de temperatura ΔT de 105K. 1) Para obter a corrente em 380V, multiplicar por 0,577. Em 440V, multiplicar por 0,5. 2) Os valores apresentados estão sujeitos à alteração sem aviso prévio. 3) Carcaças 63 e 71: 220/380V ou 440V (ligação estrela) 94 19. 19.3.5 Tabela - Equações para determinar a corrente nominal (A) para motores de corrente contínua e alternada (monofásicos e trifásicos), a partir potência nominal e aparente, fornecida em CV ou kW. 19.4 19.4 OBSERVAÇÕES: 1 – OS PROJETOS ELETRICOS ALÉM DE SEREM EXECUTADOS CONFORME AS NORMAS ESPECIFICAS PERTINENTES DEVEM SE ORIENTAR PELOS CRITÉRIOS ESTABELECIDOS NA NORMA REGULAMENTARORA NR 10. 2 – OS PROJETOS DE EQUIPAMENTOS E VASOS DE PRESSÃO ALÉM DE SEREM EXECUTADOS CONFORME AS NORMAS ESPECIFICAS PERTINENTES DEVEM SE ORIENTAR PELOS CRITÉRIOS ESTABELECIDOS PELA NORMA REGULAMENTADORA NR 13. 20. 20. BIBLIOGRAFIA: Apostila Controle Eletrohidraulico e Eletropneumático – IFSC Manual M2001-1 BR – Tecnologia Hidráulica Industrial – PARKER Apostila de Automação Escola Tec. Estadual Republica – Depto. Mecânica Apostila Comandos Elétricos – DLB MAGCE Catálogos de Motores e Componentes elétricos - WEG e SIEMENS Manual Tecnologia Eletropneumática Industrial Parker Apostila M1001 BR – Tecnologia Pneumática Industrial Parker Tecnologia Ar Comprimido Bosh Coletanea de Formulas Hidraulicas – Rexroth 95