Como selecionar e aplicar contatores eletromecânicos em motores CA trifásicos para trabalho pesado

Os engenheiros encarregados da comutação com isolação de tensões e correntes relativamente altas, utilizando um pequeno sinal de tensão, normalmente recorrem a relés. Um interruptor convencional de baixa tensão ativa o relé que, por sua vez, liga a alimentação de alta potência. Os relés eletromecânicos (EMRs) são de baixo custo e podem lidar com tensões relativamente altas, enquanto os relés de estado sólido (SSRs) eliminam o desgaste e o arco voltaico do contato.

Entretanto, quando se trata de comutação frequente de várias centenas de volts e dezenas de amperes (e acima), ambos os tipos são desafiados. O arco voltaico nessas cargas elevadas desgasta rapidamente os contatos do EMR, enquanto as correntes de fuga nos SSRs causam superaquecimento. Os projetistas precisam de uma opção alternativa para estas aplicações de alta demanda.

O contator eletromecânico (EMC), menos conhecido, oferece um substituto resistente para os relés. Os dispositivos são de tecnologia comprovada e prontamente disponíveis de muitos fornecedores respeitáveis. Como há dezenas de opções, o processo de seleção logo se torna confuso sem uma visão detalhada do funcionamento do EMC.

Este artigo explica brevemente a diferença entre EMRs e contatores, como os contatores operam, e depois se concentra em como uma determinada aplicação influencia a escolha do produto como o primeiro passo para um projeto bem sucedido. As escolhas de projeto serão ilustradas por referência aos contatores de potência da Siemens série SIRIUS 3RT usados em uma implementação de motor elétrico IE3.

A diferença entre relés eletromecânicos e contatores

Como é exposto à corrente total do circuito quando fechado, o uso de um interruptor para ligar e desligar um dispositivo de alta potência, como um grande motor trifásico, é impraticável. O interruptor forma arcos perigosos ao ligar e sobreaquece em operação. A solução é usar um circuito de baixa potência, ligado e desligado por um interruptor convencional, para acionar o circuito de alta potência. Este é o propósito do EMR.

Os EMRs usam uma bobina que é energizada pelo circuito de baixa potência para criar um campo magnético que então fornece um impulso a um núcleo móvel que por sua vez abre ou fecha os contatos (normalmente fechados (NF) ou normalmente abertos (NA)). Os EMRs podem comutar uma carga CA ou CC até o seu dimensionamento máximo. Os principais benefícios dos EMRs são baixo custo e isolação garantida em qualquer tensão aplicada abaixo do dimensionamento dielétrico do dispositivo. (Veja, "Como utilizar relés de estado sólido especiais e de baixo ruído para limitar a interferência eletromagnética e atender a padrões críticos").

Entretanto, há um limite para a potência que um EMR pode suportar. Quando a carga é, por exemplo, um motor trifásico desenvolvendo mais de alguns quilowatts (kW), a comutação usando um EMR gera um arco excessivo e desgasta rapidamente o relé. A alternativa é o EMC, um equivalente industrial robusto e resistente de um relé, projetado para comutar de forma confiável cargas elevadas durante dezenas de milhões de ciclos (Figura 1).

Figura 1: Os contatores eletromecânicos substituem os relés em aplicações de comutação para trabalho pesado. (Fonte da imagem: Siemens)

Os EMCs podem ser conectados com segurança a dispositivos de alta demanda de corrente e são normalmente projetados com características para controlar e suprimir o arco produzido ao comutar sob uma carga pesada. Os dispositivos utilizam a mesma ativação de bobina energizada / núcleo móvel que os relés e são quase exclusivamente equipados com contatos NA, embora estejam disponíveis contatos NF. Os contatos NA garantem que quando a energia para o EMC é retirada, os contatos comutam para abrir, cortando o fornecimento para o dispositivo de corrente elevada. Os dispositivos apresentam um ou vários pares de contatos, também chamados de pólos.

Seleção do EMC

É relativamente simples decidir sobre a escolha de um EMC em vez de um EMR. Embora os EMCs sejam mais caros, eles são a única opção para aplicações de alta carga. Uma vez determinado que é necessário um EMC, a seleção do melhor EMC para o trabalho é mais difícil. O melhor lugar para começar é determinar a corrente de pico da carga (também referida como corrente de plena (sigla FLA em inglês)) requerida na tensão operacional da aplicação. Isto então determinará a capacidade de corrente de carga do contator necessário.

No caso de um motor trifásico, por exemplo, o fabricante normalmente especifica a tensão operacional e o FLA na ficha técnica. Mas se essa informação não estiver disponível, então o engenheiro pode se referir a recursos como a tabela do National Electrical Code (NEC) dos EUA, que detalha o FLA para uma gama de motores trifásicos de potência nominal e tensão de entrada. Os motores são categorizados de acordo com as classificações de motores da Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC). Por exemplo, um motor trifásico de 375 watts com uma tensão operacional de 110 volts tem um FLA de 4,4 amperes (A), e um motor de 1,1 kW com uma tensão operacional de 220 volts tem um FLA de 6 A.

Em seguida, o engenheiro deve determinar a tensão de controle necessária para o EMC. Esta pode ser a mesma tensão usada para alimentar o motor associado, mas muitas vezes uma voltagem mais baixa é usada por razões de segurança. As tensões de controle do EMC normalmente estão sempre abaixo de 250 volts CA.

Em seguida, deve-se considerar como o motor funcionará na aplicação. Por exemplo, duas aplicações diferentes podem utilizar um motor trifásico com as mesmas especificações. Mas uma aplicação que requer que o motor esteja ligado ou desligado por longos períodos precisa de um EMC diferente do que aquele que é frequentemente ligado e desligado. Este último estará sujeito a cargas de corrente repetitivas e, portanto, precisará ser um produto mais robusto.

As categorias de utilização IEC ou "códigos" são um bom guia para escolher o EMC correto para uma determinada aplicação. Por exemplo, se o EMC tem código "AC-3", ele é adequado para motores elétricos "gaiola de esquilo" (um tipo comum de motor elétrico de indução) em aplicações onde o motor é ligado e desligado regularmente, enquanto "AC-20" é adequado para conectar e desconectar cargas sob condições de corrente zero. Embora um EMC especificado incorretamente com código IEC possa funcionar em uma determinada aplicação, é provável que tenha um tempo de vida muito mais curto do que um codificado corretamente.

Os códigos IEC também são úteis para levar em conta o tipo de carga resistiva ou indutiva, pois isso também tem uma influência significativa na escolha do EMC. Por exemplo, motores elétricos são cargas indutivas, enquanto um aquecedor apresenta uma carga resistiva.

Também é importante considerar quantos pólos podem ser necessários em um único EMC e se eles devem ser NA ou NF. Por exemplo, uma aplicação pode exigir três pólos usando contatores NA para cada fase de um motor elétrico, e um par NF adicional para acender um LED indicando que o motor está energizado, mas não está girando.

Além disso, como os EMCs frequentemente conduzem tensões e correntes relativamente altas, também é importante garantir que o dimensionamento da isolação do dispositivo cumpra com todos os critérios de segurança da aplicação.

Como os motores consomem uma proporção significativa da energia elétrica gerada, os Estados Unidos e a União Européia aprovaram legislação para garantir que eles operem da maneira mais eficiente possível. Os níveis de eficiência energética da UE são expressos em classes de eficiência energética internacional (IE) (Figura 2). Sob a regulamentação atual, os motores devem atingir o nível IE2 (alta eficiência), IE3 (eficiência premium) ou IE4 (eficiência super premium), dependendo de sua potência nominal e outras características. O EMC tem um impacto na eficiência do motor elétrico, portanto, se o sistema de controle for destinado ao uso na UE, é importante que ele seja projetado para a classe de eficiência apropriada do IE. Nos Estados Unidos, os motores devem obedecer ao programa de eficiência premium da National Electrical Manufacturers Association (NEMA), que exige o cumprimento de normas como as especificadas para o IE3. Os requisitos na Austrália são similares aos dos EUA.

Figura 2: Os requisitos de eficiência do IE para motores elétricos mostram como as melhorias de eficiência são maiores para motores de menor potência: Os motores IE1 e IE2 não são mais permitidos sob os regulamentos dos EUA e da UE. (Fonte da imagem: Siemens)

Produtos comerciais

Há uma ampla gama de EMCs de alta qualidade disponíveis para quase todas as aplicações de alta carga. Por exemplo, a linha Siemens Sirius 3RT2 de EMCs demonstra a capacidade dos produtos contemporâneos para comutação de motores elétricos e outras aplicações. Os dispositivos foram projetados para alta confiabilidade operacional, alta confiabilidade de contato, operação a altas temperaturas e longa vida útil. Estes contatores de potência podem ser usados a até 60 °C sem degradação — mesmo quando montados lado a lado. A linha inclui EMCs categorizados para operação AC-1 (cargas não indutivas ou ligeiramente indutivas, como aquecedores), AC-3 (motores elétricos do tipo gaiola de esquilo que comutam muitas vezes) e AC-4 (motores elétricos do tipo gaiola de esquilo: partida, conexão, avanço). Todos os produtos SIRIUS 3RT2 são projetados para a operação de motores IE3 e IE4.

O 3RT20152AP611AA0 da linha SIRIUS 3RT2 é um EMC tripolar NA com contatores de tamanho S00 e é codificado para aplicações AC-3. A tensão de alimentação de controle é de 220 a 240 volts CA. Apresenta uma tensão de saída de 400 ou 690 volts, e uma corrente máxima de 7 A a 400 volts ou 4,9 A a 690 volts para uma potência nominal máxima de 3 kW a 400 volts ou 4 kW a 690 volts. Os contatos fecham em menos de 35 milissegundos (ms) e abrem em menos de 14 ms. Tem uma frequência máxima de comutação sob carga de 750 ciclos por hora. A vida útil é de 30 milhões de ciclos com uma taxa de falha de uma vez por 100 milhões. Ao usar este EMC, o FLA para um motor trifásico acoplado é de 4,8 A para um motor de 480 volts e 6,1 A para um motor de 600 volts; isso é suficiente para alimentar um motor de 2,2 kW (480 volts) ou um motor de 3,7 kW (600 volts) (Figura 3).

Figura 3: O EMR 3RT20152AP611AA0 apresenta três pólos que são NA, o que o torna uma configuração adequada para a comutação de um motor trifásico. (Fonte da imagem: Siemens)

No outro extremo da linha SIRIUS está o 3RT20261AP60. Este também é um EMC tripolar NA e codificado para aplicações AC-3, mas com contatores de tamanho S0. A tensão de alimentação de controle é de 220 a 240 volts CA. O dispositivo apresenta uma tensão de saída de 400 ou 690 volts e uma corrente máxima de 25 A a 400 volts, ou 13 A a 690 volts para uma potência nominal máxima de 11 kW em ambas as tensões de saída. O FLA para um motor trifásico acoplado é de 21 A para um motor de 480 volts e 22 A para um motor de 600 volts; isso é suficiente para alimentar um motor de 11,2 kW (480 volts) ou um motor de 14,9 kW (600 volts).

Os EMCs SIRIUS 3RT2 da Siemens são adequados para uma gama de aplicações, mas são otimizados para comutar motores IE3 ou NEMA em conformidade com a eficiência premium. Parte desta conformidade exige que o EMC seja uma parte eficiente do sistema de controle do motor. Para atender a esta exigência, os EMCs são projetados com características tais como ímãs permanentes para reduzir o consumo de energia da bobina e controle eletrônico da bobina. Isto permite que a potência de retenção (usada para manter o contator fechado) seja reduzida ao mínimo. A perda de energia intrínseca dos EMCs foi reduzida em 92 % em comparação com os dispositivos anteriores.

Por exemplo, o contator de potência 3RT20171BB41 — que pode comutar motores trifásicos entre 2,2 kW e 7,5 kW dependendo da tensão de saída do EMC — apresenta uma perda de 1,2 watts por pólo para uma perda total de 3,6 watts ao fornecer potência total a um motor elétrico.

Usando um EMC para partir um motor IE3

Um trem de acionamento do motor compreende vários componentes para garantir uma operação segura e confiável. Por exemplo, uma configuração abrangente poderia incluir os seguintes componentes:

• Dispositivo de proteção (por exemplo, um dispositivo de partida do motor e/ou relé de sobrecarga)
• Unidade de partida (por exemplo, um EMC)
• Controlador (por exemplo, um sistema de gerenciamento de motores)
• Unidade de controle (por exemplo, um conversor de frequência)
• Motor elétrico
• Caixa de engrenagem
• Cabeamento
• Máquina acionada

Os EMCs SIRIUS 3RT2 foram projetados como dispositivos modulares que são montados em um trilho DIN (ou são aparafusados no lugar) junto com os outros componentes. Os EMCs foram projetados para se encaixarem com módulos da mesma família, para criar a seção de controle desejada do trem de acionamento do motor (Figura 4). O projeto modular ajuda a limitar a quantidade de fiação necessária no gabinete, e as conexões são feitas através de contatos com mola, de modo que não são necessárias ferramentas especiais.

Figura 4: A série SIRIUS 3RT2 são dispositivos modulares que facilitam a implementação de um sistema de controle do motor. Aqui, um EMR 3RT20171BB41 — que é comutado com um sinal de 24 volts CC — é usado com um dispositivo de proteção e um relé de sobrecarga para controlar um motor de esteira transportadora. (Fonte da imagem: Siemens)

Desde que o EMC tenha sido cuidadosamente selecionado, ele se torna um elemento plug-and-play do sistema de controle. Os contatores de potência 3RT2 foram otimizados para comutar motores elétricos IE3 na faixa de 1 a 15 kW e podem ser usados sem restrições adicionais para aplicações de partida direta na linha e de inversão. Há, entretanto, algumas considerações importantes de projeto para engenheiros mais familiarizados com os motores elétricos IE2 do que com os tipos IE3 quando se utiliza o EMCs 3RT2. As características que afetam o projeto do sistema de controle para motores IE3 incluem correntes mais baixas, maior taxa da corrente de partida e maior corrente de irrupção (Figura 5).

Figura 5: A corrente de irrupção, partida e nominal do motor são parâmetros-chave a serem considerados ao selecionar um EMC para um motor CA trifásico. (Fonte da imagem: Siemens)

A chave para o aumento da eficiência dos motores elétricos IE3 é a redução das correntes do motor. Entretanto, o IE3 não especifica um aumento linear na eficiência em toda a faixa de potência do motor elétrico. Em vez disso, exige que a eficiência dos motores elétricos de menor potência aumente muito mais quando comparados com os tipos IE2 do que as unidades de maior potência (ver Figura 2 acima). Isso significa que, para motores elétricos de menor potência, a corrente nominal do motor foi consideravelmente reduzida em comparação com o tipo IE2. Observe que a potência equivalente é mantida aumentando a tensão de operação.

O lado negativo da corrente nominal reduzida é um aumento na relação de corrente de partida (corrente de partida/corrente nominal) para os motores mais eficientes. Isso ocorre porque embora a corrente de partida para um motor IE3 seja menor, a diferença entre motores IE2 e IE3 de igual potência não é tão pronunciada para a corrente de partida quanto para a corrente nominal. Para motores com menor eficiência energética, a relação de corrente de partida é maior do que para alternativas de maior potência.

O impacto do aumento da taxa de corrente de partida é um aumento da corrente de irrupção. A corrente de irrupção é essencialmente um evento de compensação dinâmica que resulta de fatores como a conexão de uma carga indutiva (como um motor), e efeitos transitórios de corrente dinâmica e de saturação nos núcleos laminados do motor. A corrente de irrupção, que pode ser até cinco vezes maior que o FLA, pode danificar o motor e outros sistemas (Figura 6).

Figura 6: A corrente de irrupção é maior para motores mais eficientes, e é maior para unidades de menor potência. O projeto apropriado do sistema de controle pode mitigar os efeitos. (Fonte da imagem: Siemens)

Junto com outros componentes de controle modular, os EMCs 3RT2 podem ser usados em um sistema de partida estrela-triângulo ("YΔ") para limitar a corrente de irrupção. Ao ligar o motor usando toda a tensão da linha através dos enrolamentos em Y da unidade, cerca de 58 % da tensão da linha atinge cada fase do motor, baixando a corrente e mantendo o pico da irrupção para baixo. Quando o motor atinge sua velocidade nominal, a operação muda para o modo Δ, momento em que a tensão total é aplicada (sem perigo de qualquer corrente de irrupção) a cada fase e o motor pode produzir potência total.

Esta disposição exige um relé de sobrecarga localizado diretamente no cabo de alimentação do motor U1, V1, W1 (Figura 7). Isto assegura que a proteção contra sobrecarga seja eficaz para os três EMCs. A implementação completa requer o relé e três EMCs 3RT2.

Figura 7: Circuito YΔ composto por um relé de sobrecarga no cabo de alimentação do motor e três EMCs para comutar a energia durante a partida do motor. (Fonte da imagem: Siemens.)

Em operação, a parte Y da sequência é acionada pelo fechamento conjunto dos EMCs K1 e K3. Após um tempo predefinido (a cerca de 80 % da velocidade total do motor), um temporizador aciona K3 para abrir e K2 para fechar e iniciar a parte triângulo para aplicar toda a potência ao motor.

Conclusão

Ao comutar cargas de alta potência como motores CA trifásicos, os EMCs são a alternativa recomendada para os EMRs. Os EMCs são projetados para alta confiabilidade, comutando dezenas de milhões de operações. Os dispositivos estão disponíveis para uma ampla gama de saídas de motores que variam de poucos a centenas de quilowatts.

Como mostrado, os EMCs SIRIUS 3RT2 da Siemens são adequados para comutar motores CA trifásicos de 2 a 25 kW, e seu projeto modular garante facilidade de instalação em sistemas de controle. Embora os EMCs SIRIUS sejam relativamente simples de instalar, deve-se ter cuidado com a implementação do sistema de controle para evitar danos ao motor devido a corrente de irrupção excessiva.