Executar a instalação de motores elétricos (UC00668)

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Introdução

Esta sebenta ensina a instalar, ligar, proteger, ensaiar e diagnosticar motores elétricos em instalações de baixa tensão. O objetivo não é projetar o motor nem a instalação, é fazer bem o trabalho do técnico no terreno: ler o esquema, escolher o método de arranque adequado à máquina, executar as ligações de potência, comando e sinalização, configurar um variador de velocidade, verificar que a instalação cumpre as regras e perceber porque é que um motor não arranca, aquece ou dispara.

O percurso segue o trabalho real. Primeiro, a linguagem (esquemas, símbolos, marcação de bornes) e as ferramentas (instrumentos de medida e EPI). Depois, os motores (trifásicos, monofásicos, de corrente contínua) e a aparelhagem que os comanda e protege. Seguem-se os métodos de arranque (direto, inversão, estrela-triângulo, arrancador progressivo), a regulação de velocidade com variadores de frequência, as proteções de pessoas e de equipamentos, os procedimentos de instalação e substituição, as medições de funcionamento e o diagnóstico de avarias. Em todas as fases contam as normas e regulamentos de baixa tensão, as regras de segurança e saúde no trabalho e a proteção do ambiente.

Objetivos de aprendizagem (referencial): executar a instalação de motores de corrente alternada trifásicos e monofásicos; executar a instalação de motores de corrente contínua; instalar e configurar variadores de velocidade; diagnosticar e ensaiar motores elétricos.

Critérios de desempenho (referencial): adequar o método de arranque às características da máquina; cumprir os procedimentos definidos; adequar as ligações de comando e os parâmetros dos variadores eletrónicos de velocidade; cumprir as normas e regulamentos aplicáveis a instalações elétricas de baixa tensão; cumprir as normas de proteção ambiental e de segurança e saúde no trabalho.

Uma regra atravessa tudo o que se segue: nenhum trabalho numa instalação elétrica começa sem a instalação estar seccionada, bloqueada e verificada sem tensão. Os capítulos repetem esta ideia de propósito.

1. Esquemas e representação de circuitos de potência, comando e sinalização

Todo o trabalho de instalação parte de um esquema. Um técnico que não lê esquemas liga o que "lhe parece" e, com sorte, funciona. Um técnico que os lê liga o que está projetado, deteta incoerências antes de energizar e diagnostica avarias seguindo o desenho em vez de adivinhar.

Esquemas unifilares e multifilares

• Esquema unifilar: representa os três condutores de um circuito trifásico por uma única linha, com traços oblíquos a indicar o número de condutores. Serve para ver a estrutura da instalação (quadro, disjuntor, contactor, motor) e as características de cada elemento (calibres, secções, comprimentos). Não permite ligar nada, falta-lhe o detalhe das fases.
• Esquema multifilar (ou de ligações): desenha todos os condutores, as marcações dos bornes e as ligações. É o esquema de execução e de diagnóstico.
• Esquema funcional (ou de princípio): organiza o circuito de comando por ordem de funcionamento, em duas linhas verticais de alimentação (por exemplo, L1 e N, ou 24 V e 0 V) com os receptores em baixo e os contactos em cima. Lê-se de cima para baixo e da esquerda para a direita.
• Esquema de implantação: mostra onde cada aparelho está fisicamente (no quadro, na máquina, no campo).

Um bom dossiê de instalação tem os três tipos coerentes entre si. Se não tem, o primeiro trabalho é reconciliá-los antes de ligar.

Circuito de potência, de comando e de sinalização

Um acionamento de motor divide-se em três circuitos com funções diferentes:

A separação é importante por duas razões. A primeira é segurança: o comando a baixa tensão (24 V) reduz o risco de choque do operador que carrega nos botões. A segunda é diagnóstico: sabendo que o comando é independente da potência, procura-se a avaria no circuito certo.

Simbologia e designação dos aparelhos

Os símbolos seguem as convenções internacionais de esquemas elétricos, e as letras de designação identificam o tipo de aparelho:

Marcação dos bornes dos aparelhos

A marcação dos bornes é uma linguagem que permite saber, sem abrir o manual, o que cada terminal faz.

• Contactos principais de potência de um contactor: 1/L1-2/T1, 3/L2-4/T2, 5/L3-6/T3 (entradas ímpares em cima, saídas pares em baixo).
• Bobine do contactor: A1 e A2.
• Contactos auxiliares: dois algarismos. O primeiro é o número de ordem do contacto no aparelho, o segundo indica a função: 1-2 normalmente fechado (NF), 3-4 normalmente aberto (NA). Assim, 13-14 é o primeiro contacto NA e 21-22 o segundo contacto NF.
• Relé térmico: 95-96 (contacto NF, vai em série no comando) e 97-98 (contacto NA, para sinalização do defeito).
• Temporizador: terminal comum 15, com 16 (NF) e 18 (NA) depois de temporizado; bobine A1-A2.

Quando se lê "13-14 de KM1 em paralelo com o botão de marcha", sabe-se que é o contacto auxiliar NA do contactor KM1 a fazer a retenção (selo): depois de o botão soltar, o próprio contactor mantém-se ligado.

Cores e identificação dos condutores

Nos condutores de instalações, o condutor de proteção é verde-amarelo, o neutro azul-claro e as fases usam, habitualmente, castanho, preto e cinzento. Nos circuitos de comando é comum identificar cada fio com a marca do esquema (por exemplo, 11, 12, 13...), com manguitos numerados nas duas extremidades. Etiquetar os fios não é luxo: é o que permite diagnosticar uma avaria dois anos depois.

Exemplo resolvido · Ler um circuito de comando com retenção

Considere o esquema funcional de comando de um motor com retenção: em série estão F2 (relé térmico, 95-96), S1 (botão de paragem, NF), depois o ramo S2 (botão de marcha, NA) em paralelo com KM1 (13-14), e por fim a bobine KM1 (A1-A2).

1. Em repouso, nenhum contacto NA está fechado: a bobine não recebe corrente.
2. Carrega-se em S2: o circuito fecha por S2, a bobine KM1 energiza-se, os contactos principais do contactor fecham e o motor arranca. O contacto auxiliar 13-14 de KM1 fecha.
3. Solta-se S2: o ramo de S2 abre, mas o contacto 13-14 de KM1 continua fechado e mantém a bobine ligada. É a retenção.
4. Carrega-se em S1: o contacto NF abre, a bobine perde alimentação, KM1 desliga e 13-14 abre. Para voltar a ligar é preciso carregar de novo em S2.
5. Se o relé térmico dispara, o seu contacto 95-96 abre e o efeito é o mesmo de S1: o motor para e não volta a arrancar sozinho quando o térmico rearma.

Porque é que S1 é NF e S2 é NA? Porque assim, se um fio do botão de paragem se soltar, o circuito abre e o motor para (falha segura). Se o botão de paragem fosse NA, um fio solto deixaria o motor sem forma de ser parado.

2. Instrumentos de medida, verificação e ferramentas de eletricista

O técnico que instala motores trabalha com quatro grupos de instrumentos: os que verificam a ausência de tensão, os que medem grandezas de funcionamento, os que verificam a segurança da instalação e os que medem grandezas mecânicas e térmicas.

Verificação de ausência de tensão

Antes de tocar em qualquer condutor, verifica-se que não há tensão, com um detetor de tensão de dois polos (do tipo caneta bipolar com lâmpadas ou ecrã), e não com o multímetro nem com uma "caneta de fase" de um só polo.

• O detetor deve ser testado num ponto com tensão conhecida antes e depois da verificação (princípio "testar, verificar, testar"), para garantir que não avariou.
• Verifica-se entre todos os pares de condutores (L1-L2, L2-L3, L1-L3) e entre cada um e a terra (L1-PE, L2-PE, L3-PE), e também o neutro.
• A verificação de ausência de tensão faz-se depois de seccionar e bloquear e é a terceira dos cinco passos de segurança (capítulo 6), seguida, quando aplicável, de ligar à terra e em curto-circuito e de proteger as partes ativas vizinhas. Só depois destes passos se começa o trabalho.

Instrumentos de medida de funcionamento

A categoria de medição indica onde na instalação o aparelho pode ser usado em segurança: quanto mais próximo da origem da instalação (quadro geral, contador), maior a energia disponível numa avaria e mais alta a categoria exigida. Um multímetro de categoria baixa, usado num quadro geral, pode explodir num curto-circuito.

Instrumentos de verificação da segurança da instalação

• Megaohmímetro (medidor de resistência de isolamento): aplica uma tensão contínua elevada (500 V CC para circuitos até 500 V e 1000 V CC acima de 500 V, por exemplo num motor ligado em estrela a 690 V) entre condutores e entre condutores e terra, e mede a resistência de isolamento em megaohm. O regulamento fixa, por escalão de tensão, a tensão de ensaio e o valor mínimo aceitável, e o fabricante do motor indica o seu. Só se usa com o circuito sem tensão e com tudo o que seja eletrónica sensível desligado (variadores, arrancadores, autómatos), porque a tensão de ensaio os destrói.
• Medidor de resistência de terra (ou de impedância do lacete de defeito): verifica se a ligação à terra cumpre as condições de proteção da instalação.
• Ohmímetro de baixa resistência (micro-ohmímetro): mede a continuidade dos condutores de proteção e das ligações equipotenciais.
• Testador de disjuntores diferenciais: verifica o tempo e a corrente de disparo dos dispositivos diferenciais.

Ferramentas de eletricista

• Chaves de fendas, de bocas e de caixa isoladas (identificadas para trabalhos sob tensão até 1000 V CA, quando for o caso), com o aperto adequado nos bornes.
• Chave dinamométrica para apertar bornes e ligações de potência ao binário indicado pelo fabricante. Um aperto insuficiente aquece e carboniza o borne, um aperto excessivo parte-o.
• Alicates de corte, de descarnar, de crimpagem (com a matriz adequada à terminação) e de bicos.
• Terminais (de olhal, de forquilha, tubulares) e cravadores, para que nenhum fio fino fique solto no borne.
• Ferramentas elétricas de furação e fixação (berbequim, aparafusadora, rebitador) para fixar quadros, calhas e suportes, usadas com óculos e, quando houver pó, proteção respiratória.
• Instrumentos de alinhamento (relógio comparador, régua e calibres de folgas, ou equipamento laser) para acoplar motores a máquinas.

Exemplo resolvido · Escolher o instrumento certo

Cada situação pede um instrumento diferente.

1. Saber se um motor trifásico a trabalhar consome o que a placa diz. Pinça amperimétrica num condutor de cada fase, a comparar com a corrente nominal da placa.
2. Saber se há tensão num borne antes de lhe tocar. Detetor de dois polos, testado antes e depois num ponto com tensão conhecida.
3. Saber se o enrolamento absorveu humidade durante o inverno. Megaohmímetro a 500 V, com o motor desligado e isolado dos cabos de alimentação.
4. Saber se o condutor de terra liga mesmo o motor ao quadro. Ohmímetro de baixa resistência, com a instalação sem tensão.
5. Saber a que velocidade roda o veio. Tacómetro.

3. Tipos de motores elétricos e critérios de seleção

Um motor elétrico converte energia elétrica em energia mecânica de rotação. Quase todo o trabalho de instalação se resume a ligar corretamente o motor certo, de forma que acelere, trabalhe e seja protegido.

Classificação dos motores

O motor assíncrono de gaiola, trifásico, é de longe o mais instalado na indústria. Os variadores de frequência modernos tornaram-no também regulável em velocidade, o que reduziu muito o uso dos motores de corrente contínua nas aplicações novas. Os de corrente contínua continuam, porém, a existir em instalações antigas e em aplicações específicas, e o técnico tem de saber ligá-los e mantê-los.

Constituição de um motor assíncrono

• Estator: parte fixa, com o núcleo de chapas e os enrolamentos ligados à rede. Cria o campo magnético girante.
• Rotor: parte móvel, montada no veio. Em gaiola, é um conjunto de barras curto-circuitadas.
• Rolamentos: apoiam o veio, a principal peça de desgaste e causa de ruído e avaria mecânica.
• Ventilador e tampa: arrefecem o motor (autoventilação, em geral).
• Caixa de terminais: onde se ligam os cabos de alimentação e onde estão as pontes de ligação.
• Placa de características: a identidade do motor (capítulo 4).

Critérios de seleção de motores

Selecionar um motor é cruzar três conjuntos de requisitos:

1. A carga: potência mecânica necessária, binário de arranque e de funcionamento, velocidade, regime de funcionamento (contínuo, intermitente), inércia da carga, número de arranques por hora.
2. A alimentação: tensão e frequência da rede, trifásica ou monofásica, limites da corrente de arranque que a instalação aceita.
3. O ambiente: temperatura (referência habitual de 40 °C), altitude (referência até 1000 m), poeiras, humidade, atmosfera corrosiva ou explosiva, que determinam o grau de proteção IP, a classe de isolamento e a necessidade de proteções especiais.

Critérios de seleção de controladores de velocidade

A escolha do controlador depende do que a aplicação exige:

• Só arrancar e parar, sem regular: arranque direto, estrela-triângulo ou arrancador progressivo (consoante a corrente de arranque aceitável e o conforto mecânico).
• Regular a velocidade em carga de binário constante (transportadores) ou variável (bombas e ventiladores, onde a poupança de energia é maior): variador de frequência.
• Binário elevado a velocidade quase nula ou controlo muito preciso: variador de frequência com controlo vetorial, ou acionamento de corrente contínua, ou servo.

Um ventilador ou uma bomba centrífuga, com binário que cresce com o quadrado da velocidade, tem poupanças de energia muito grandes quando se reduz a velocidade em vez de estrangular uma válvula, razão pela qual o variador é a escolha mais frequente nestas aplicações.

Exemplo resolvido · Escolher motor e controlador para uma bomba

Uma bomba centrífuga de circulação de água necessita de 5,5 kW no ponto de funcionamento, em regime contínuo, num local interior seco, com rede de 400 V. O caudal vai variar ao longo do dia.

1. Potência: motor de 5,5 kW (ou 7,5 kW se o ponto de funcionamento tiver margem a pedir). Escolhe-se 5,5 kW porque está calculado com o ponto real.
2. Velocidade: bombas deste tipo são frequentemente de 2 polos (3000 rpm síncronas) ou 4 polos (1500 rpm), conforme o fabricante da bomba. Segue-se o da bomba.
3. Regime: S1.
4. Ambiente: interior seco, IP55 é mais do que suficiente.
5. Controlador: o caudal varia, a carga é de binário quadrático, a poupança de energia justifica um variador de frequência, com sensor de pressão ou de caudal como realimentação.
6. Eficiência: classe IE3 ou superior, porque o motor trabalha muitas horas por ano.

4. Motores assíncronos trifásicos: características, placa de terminais e convenções

O campo magnético girante e a velocidade

Três enrolamentos desfasados 120° no espaço, alimentados por três correntes desfasadas 120° no tempo, criam um campo magnético girante cuja velocidade (a velocidade de sincronismo) depende só da frequência e do número de pares de polos:

n_s = 60 · f / p (rpm)

O rotor nunca atinge a velocidade de sincronismo, porque é a diferença de velocidade que induz as correntes no rotor e produz binário. A diferença, em percentagem, é o escorregamento:

s = (n_s - n) / n_s

Em motores de potência média, o escorregamento a plena carga anda tipicamente entre 2 % e 6 %. Com a carga a crescer, o escorregamento cresce e a velocidade desce ligeiramente.

Potência, rendimento, fator de potência e binário

• Potência elétrica absorvida da rede: P_abs = √3 · U · I · cos φ (U tensão composta entre fases, I corrente de linha).
• Potência mecânica útil no veio, a que vem na placa: P_n = P_abs · η, com η o rendimento.
• Binário no veio: M = P / ω = 9550 · P(kW) / n(rpm), em N·m.

A corrente nominal de um motor calcula-se, então, por I = P_n / (η · √3 · U · cos φ), com a potência em watt.

Exemplo resolvido · Corrente, escorregamento e binário

Motor trifásico de 11 kW, 400 V, 4 polos, 1465 rpm, η = 0,91, cos φ = 0,85.

1. Velocidade de sincronismo: p = 2, n_s = 60 × 50 / 2 = 1500 rpm.
2. Escorregamento: s = (1500 - 1465) / 1500 = 35 / 1500 = 2,33 %.
3. Corrente nominal: I = 11 000 / (0,91 × 1,732 × 400 × 0,85) = 11 000 / 535,9 ≈ 20,5 A.
4. Binário nominal: M = 9550 × 11 / 1465 ≈ 71,7 N·m.
5. Frequência das correntes no rotor: f_r = s · f = 0,0233 × 50 ≈ 1,2 Hz. É por isso que o rotor, em funcionamento normal, "vê" o campo girar muito devagar.

A placa de características

A placa de características é o documento mais importante do motor. Contém, por exemplo:

A leitura da placa é o primeiro passo de qualquer instalação. As duas tensões da placa (por exemplo, 230/400 V ou 400/690 V) são as duas redes a que o motor pode ser ligado: à mais baixa liga-se em triângulo (Δ), à mais alta em estrela (Y). O que não muda é o enrolamento: recebe sempre a mesma tensão, que é a mais baixa das duas (230 V numa placa 230/400 V, 400 V numa placa 400/690 V). Mudar as pontes não muda a tensão do enrolamento, muda a rede que o motor aceita.

A placa de terminais e a marcação dos bornes

A caixa de terminais tem seis bornes (para os três enrolamentos) e três ou mais pontes. A marcação segue a convenção internacional:

• Enrolamento da fase 1: U1 (início) e U2 (fim).
• Enrolamento da fase 2: V1 e V2.
• Enrolamento da fase 3: W1 e W2.
• Terminal de terra: símbolo de terra (⏚), com o condutor verde-amarelo.

Na caixa de terminais, os bornes estão dispostos em duas filas, de modo que as pontes verticais ou horizontais façam as ligações sem cruzar condutores:

Fila de cima:    W2   U2   V2
Fila de baixo:   U1   V1   W1

• Ligação em triângulo (Δ): pontes verticais, que ligam W2-U1, U2-V1 e V2-W1. Os três cabos da rede ligam-se a U1, V1, W1.
• Ligação em estrela (Y): ponte horizontal que liga entre si W2, U2 e V2 (o ponto neutro da estrela). Os três cabos da rede ligam-se a U1, V1, W1.

Em qualquer das duas ligações, a rede liga sempre a U1, V1 e W1. O que muda são as pontes.

Qual a ligação para cada rede

Em Portugal, a rede trifásica de distribuição em baixa tensão é de 400 V entre fases (230 V entre fase e neutro). Por isso, um motor 230/400 V liga-se em estrela e um motor 400/690 V liga-se em triângulo. É esta última que permite arranque estrela-triângulo na rede de 400 V.

Sentido de rotação

O sentido de rotação depende da sequência de fases. Trocar duas fases quaisquer na alimentação inverte o sentido. Não se trocam as pontes da caixa de terminais para inverter o sentido, trocam-se dois condutores de alimentação.

Exemplo resolvido · Escolher a ligação e calcular as correntes

Um motor com a placa 400/690 V Δ/Y, 7,5 kW, 14,3 / 8,3 A, 1455 rpm, cos φ 0,84 vai ser ligado a uma rede de 400 V.

1. Ligação: a tensão de 400 V entre fases tem de ser aplicada a cada enrolamento, logo triângulo (Δ).
2. Pontes: três pontes verticais (W2-U1, U2-V1, V2-W1); cabos da rede em U1, V1, W1, mais o condutor de terra.
3. Corrente de linha: 14,3 A (a primeira corrente da placa, correspondente ao triângulo).
4. Corrente em cada enrolamento: 14,3 / √3 ≈ 8,3 A, o que explica que a segunda corrente da placa (8,3 A, em estrela a 690 V) seja igual. Cada enrolamento tem a mesma tensão (400 V) e a mesma corrente (8,3 A) nas duas ligações possíveis.
5. Verificação do binário: M = 9550 × 7,5 / 1455 ≈ 49,2 N·m.

Características de arranque e efeitos na rede

Um motor assíncrono de gaiola, ligado diretamente à rede, absorve no arranque uma corrente de 5 a 8 vezes a nominal (a corrente de arranque), durante o tempo da aceleração. O binário de arranque é geralmente 1,5 a 2,5 vezes o nominal. Esta corrente provoca quedas de tensão na instalação e pode ser limitada pelo operador da rede, nas potências elevadas, o que justifica os métodos de arranque que se estudam adiante.

5. Motores de corrente alternada monofásica: características, placa de terminais e arranque

Porque é que o motor monofásico não arranca sozinho

Uma só fase alimenta um enrolamento que cria um campo pulsante (que se limita a crescer, inverter e diminuir no mesmo eixo), e não um campo girante. Um campo pulsante não produz binário de arranque. Se o rotor já estiver a rodar, continua a rodar, mas a partir do repouso não arranca. Para criar o arranque é necessário um segundo enrolamento (auxiliar), desfasado no espaço e alimentado por uma corrente desfasada no tempo, que simule um campo girante.

Tipos de motor monofásico

O condensador faz avançar a corrente no enrolamento auxiliar, de modo que as duas correntes ficam desfasadas aproximadamente 90° e o conjunto cria um campo próximo do girante. O interruptor centrífugo (ou relé de arranque) corta o enrolamento de arranque quando o motor atinge cerca de 70 a 80 % da velocidade nominal.

Placa de terminais e convenções

Num motor monofásico há dois enrolamentos, o principal e o auxiliar:

• Enrolamento principal: U1 e U2 (nos motores mais antigos, também aparece como A-B ou 1-2).
• Enrolamento auxiliar: Z1 e Z2.
• Condensador: ligado em série com o enrolamento auxiliar (placa de terminais com bornes para o condensador, ou exterior ao motor).

Os motores monofásicos de condensador têm a caixa de terminais com pontes, que permitem mudar o sentido de rotação: inverte-se a ligação do enrolamento auxiliar em relação ao principal (troca-se Z1 com Z2). Inverter os condutores de alimentação (fase e neutro) não muda o sentido, porque é a ligação relativa entre enrolamentos que decide para que lado o campo gira.

Tipos de arranque do motor monofásico

1. Arranque direto: o motor liga-se à rede por um interruptor ou contactor, em motores de pequena potência, em geral até cerca de 1,5 a 2 kW, onde a corrente de arranque é aceitável.
2. Arranque com condensador de arranque: um condensador eletrolítico (para serviço intermitente) é ligado em série com o auxiliar durante a aceleração e é depois desligado por interruptor centrífugo ou relé de corrente ou de tensão.
3. Arranque com condensador permanente: um condensador de papel ou de polipropileno (adequado a serviço contínuo), dimensionado para o ponto de funcionamento, que fica sempre ligado.
4. Arranque com dois condensadores: combinação dos dois anteriores, para motores de maior exigência.

O condensador de funcionamento tem uma capacidade em microfarad (µF) e uma tensão nominal indicadas na placa ou no próprio condensador. Ao trocar um condensador, mantêm-se a capacidade (dentro da tolerância) e a tensão nominal, ou superior. Um condensador de capacidade menor reduz o binário e aquece o motor, e um condensador de tensão nominal inferior pode rebentar.

Exemplo resolvido · Corrente e condensador de um motor monofásico

Motor monofásico de 1,1 kW, 230 V, 50 Hz, η = 0,75, cos φ = 0,90, com condensador permanente de 25 µF / 450 V.

1. Corrente nominal: I = P / (η · U · cos φ) = 1100 / (0,75 × 230 × 0,90) = 1100 / 155,25 ≈ 7,1 A.
2. Reatância do condensador: X_c = 1 / (2π · f · C) = 1 / (314,16 × 25 × 10⁻⁶) ≈ 127 Ω.
3. Potência reativa do condensador: Q = U² · 2π · f · C = 230² × 314,16 × 25 × 10⁻⁶ ≈ 415 var.
4. Tensão nominal do condensador: 450 V, acima dos 230 V de alimentação, mas é necessária porque, no enrolamento auxiliar, a tensão aos terminais do condensador sobe acima da da rede.

Diagnóstico associado: se este motor "zumbe" mas não arranca, e roda se lhe derem um empurrão no veio, o sintoma clássico é condensador avariado (aberto ou com capacidade muito reduzida). Mede-se a capacidade com um capacímetro (ou com o multímetro com essa função), com o condensador descarregado e desligado.

Exemplo resolvido · Inverter o sentido de um motor monofásico de condensador

Um motor de portão de garagem fecha quando devia abrir. A caixa de terminais tem as pontes L1, L2 e condensador.

1. Corta-se, bloqueia-se e verifica-se a ausência de tensão.
2. Identifica-se o enrolamento auxiliar (com o condensador em série) e o principal.
3. Troca-se a ligação do enrolamento auxiliar (Z1 passa para onde estava Z2 e vice-versa), de acordo com o esquema da caixa de terminais.
4. Fecha-se a caixa, repõe-se a tensão, testa-se o sentido e regulam-se os fins de curso.

6. Aparelhagem de comando, potência, proteção, corte e seccionamento

Os aparelhos de um arranque de motor

Um arranque de motor comum é uma cadeia de aparelhos, cada um com a sua função:

O contactor

O contactor é um interruptor comandado por eletroíman. Quando a bobine (A1-A2) é alimentada, o núcleo atrai a armadura e fecham os contactos principais (1-2, 3-4, 5-6) e mudam os auxiliares. Quando a bobine perde alimentação, uma mola reabre-os.

• Contactos principais: dimensionados para a corrente do motor e para a categoria de utilização. AC-3 é a categoria de utilização para o arranque e a paragem de motores de gaiola; AC-1 para cargas pouco indutivas (aquecimento).
• Contactos auxiliares: para o comando e a sinalização, de baixa corrente.
• Bobine: a tensão da bobine (24 V, 230 V, 400 V CA ou CC) tem de coincidir com a tensão do circuito de comando.

A seleção do contactor faz-se pela corrente nominal do motor em AC-3, pela tensão e pela frequência de manobras. Num circuito de inversão ou de estrela-triângulo, os contactores são vários e dimensionam-se segundo a corrente que cada um transporta.

O relé térmico e o disjuntor-motor

O relé térmico tem três lâminas bimetálicas, aquecidas pela corrente de cada fase. Se a corrente for excessiva durante o tempo suficiente, as lâminas deformam-se e abrem o contacto 95-96 (que está em série com a bobine do contactor), desligando o motor.

• Regulação: o botão de regulação do relé fixa-se na corrente nominal do motor (valor da placa para a ligação em uso).
• Classe de disparo (10, 10A, 20, 30): indica o tempo máximo de disparo a 7,2 vezes a corrente regulada (classe 10, até 10 s; classe 20, até 20 s). Motores de arranque longo (inércia alta) pedem classe 20 ou 30, para o relé não disparar durante a aceleração.
• Sensibilidade a falta de fase: os relés térmicos de qualidade têm diferencial que dispara mais depressa quando uma fase falta.
• Rearme: manual ou automático. Em máquinas, o rearme manual é o que evita um arranque inesperado.

O disjuntor-motor (ou disjuntor magnetotérmico para motor) integra, no mesmo aparelho, a proteção térmica regulável e a proteção magnética (curto-circuito), e funciona também como interruptor de comando manual e de seccionamento local.

Em instalações com variador, não se usa o relé térmico externo da mesma forma, porque o próprio variador tem proteção térmica eletrónica do motor, configurada com a corrente nominal da placa.

Corte e seccionamento

Os termos têm significados distintos e não se confundem:

• Seccionamento: operação que isola um circuito de todas as fontes de alimentação, com garantia de que não se restabelece por acaso. Serve trabalhos sem tensão. O aparelho de seccionamento tem distância de isolamento adequada e indicação fiável do estado aberto, e deve poder ser bloqueado em aberto com cadeado.
• Corte para manutenção mecânica: desliga o motor para trabalhos em partes móveis, com bloqueio, junto da máquina.
• Corte de emergência: paragem rápida em caso de perigo, por botão de emergência (cogumelo vermelho sobre fundo amarelo, com retenção).
• Comando funcional: ligar e desligar em serviço normal, pelos contactores.

Num motor de maquinagem, é comum haver, junto ao motor, um interruptor de manutenção (ou de proximidade) que permite ao técnico seccionar e bloquear o motor à vista, sem ter de ir ao quadro, que pode ficar longe.

Os cinco passos de segurança para trabalhar sem tensão, que se aplicam de forma sequencial, são: seccionar completamente, bloquear contra religação (cadeado e etiqueta), verificar a ausência de tensão (com o detetor de dois polos, testado antes e depois), ligar à terra e em curto-circuito quando aplicável ao nível de tensão e à instalação, e proteger de partes ativas vizinhas que permaneçam com tensão.

Sinalização de funcionamento e de defeito

A sinalização informa o operador e quem faz manutenção. Há convenções de cores para lâmpadas e botões:

O circuito de sinalização é alimentado por contactos auxiliares: o NA de KM1 (13-14) acende o verde "em marcha"; o NA do relé térmico (97-98) acende o vermelho "defeito". Num variador, a saída de relé programável pode ser configurada para indicar "defeito" ou "em marcha".

Exemplo resolvido · Dimensionar aparelhagem de um arranque direto

Motor de 11 kW, 400 V, I_n = 20,5 A, η = 0,91, cos φ = 0,85.

1. Seccionador (Q1): calibre ≥ 20,5 A, com seccionamento e possibilidade de cadeado. Escolhe-se de 25 A ou 32 A, com categoria de utilização adequada a motores.
2. Proteção contra curto-circuitos (F1): fusíveis do tipo aM de 25 A (ou um disjuntor magnético regulado acima da corrente de arranque, para que o arranque não dispare a proteção).
3. Contactor (KM1): categoria AC-3, corrente nominal ≥ 20,5 A. Escolhe-se de 25 A (para uma margem de vida de contactos, escolher o imediatamente superior ao calibre calculado).
4. Relé térmico (F2): gama que inclua 20,5 A (por exemplo, 18 a 25 A), regulado a 20,5 A.
5. Bobine com tensão do comando (24 V ou 230 V).
6. Condutores: capítulo 11.

7. Arranque de motores trifásicos: direto, inversão e estrela-triângulo

Arranque direto

No arranque direto, o motor liga-se à tensão plena da rede por um contactor (ou disjuntor-motor). É a solução mais simples e barata.

• Vantagens: um único contactor, simples de ligar e de diagnosticar, binário de arranque máximo.
• Desvantagens: corrente de arranque de 5 a 8 vezes a nominal, com queda de tensão na instalação, esforço mecânico brusco nas transmissões (correias, acoplamentos, redutores).
• Quando usar: motores de pequena e média potência, onde a rede suporta a corrente de arranque e a máquina suporta o binário de arranque.

Esquema de potência do arranque direto: L1, L2, L3 → Q1 (seccionador) → F1 (curto-circuito) → KM1 (contactor) → F2 (relé térmico) → M1 (U1, V1, W1), mais o condutor de proteção (PE) ligado à carcaça. O circuito de comando é o da retenção descrito no capítulo 1.

Inversão do sentido de rotação

Para inverter o sentido, trocam-se duas fases na alimentação do motor. Usam-se dois contactores: KM1 (sentido direto) e KM2 (sentido inverso), com duas fases trocadas em KM2.

• Esquema de potência: KM1 liga L1-L2-L3 a U1-V1-W1; KM2 liga L1-L2-L3 a W1-V1-U1 (L1 vai para W1, L3 vai para U1; L2 fica em V1), ou seja, duas fases trocadas.
• Intertravamento: KM1 e KM2 nunca podem estar ligados ao mesmo tempo, porque criariam um curto-circuito entre fases nas bornes de entrada. Há duas proteções: o intertravamento elétrico (contacto NF de KM1 em série com a bobine de KM2 e vice-versa) e, quando o aparelho o permite, o intertravamento mecânico (bloco que impede fisicamente os dois contactores de fecharem).
• Comando: dois botões de marcha (S2 direta, S3 inversa) e um botão de paragem (S1). Para inverter o sentido com o motor em marcha, é prática prudente parar primeiro e esperar que o motor pare, para evitar esforços mecânicos e picos de corrente.

Estrela-triângulo

O arranque estrela-triângulo reduz a corrente e o binário de arranque ao ligar o motor primeiro em estrela e, depois da aceleração, em triângulo.

Princípio: em estrela, cada enrolamento recebe √3 vezes menos tensão (400 V / √3 = 231 V). Como corrente e binário dependem da tensão, a corrente de linha de arranque cai para um terço da corrente do arranque direto, e o binário de arranque também para um terço.

Condição: o motor tem de poder trabalhar em triângulo à tensão da rede. Numa rede de 400 V, isto significa um motor com placa 400/690 V Δ/Y. Um motor 230/400 V, que em 400 V trabalha em estrela, não pode ser arrancado em estrela-triângulo numa rede de 400 V: em triângulo cada enrolamento ficaria com 400 V, cerca de 1,7 vezes a sua tensão nominal de 230 V, e queimaria.

Aparelhagem: três contactores, um temporizador e um relé térmico.

Sequência de funcionamento:

1. Carrega-se em marcha: ligam KM1 e KM2 (e o temporizador KT1 começa a contar). Motor em estrela.
2. Passado o tempo regulado (o motor atingiu cerca de 80 a 90 % da velocidade), KM2 desliga.
3. Segue-se uma pausa breve (algumas dezenas de milissegundos), para o arco de KM2 se extinguir.
4. KM3 liga. Motor em triângulo com tensão plena, em funcionamento normal. KM1 mantém-se ligado.

Intertravamento: KM2 e KM3 nunca podem estar ligados em simultâneo, porque fecham em curto-circuito as três fases da rede através do triângulo e da estrela. O intertravamento faz-se com contactos NF de KM2 em série com KM3 e de KM3 em série com KM2, e com intertravamento mecânico entre os dois.

Dimensionamento (para a corrente de linha I_n em triângulo):

• KM1 e KM3 transportam, cada um, a corrente de cada enrolamento, ou seja, 0,58 × I_n (I_n / √3): em cada fase, a corrente de linha divide-se por dois caminhos, um por KM1 (para U1, V1, W1) e outro por KM3 (para W2, U2, V2), e cada um leva a corrente de um só enrolamento.
• KM2 transporta a corrente da estrela, 0,33 × I_n, e só durante alguns segundos, no arranque.
• Relé térmico: se estiver em série com cada enrolamento (depois de KM1), regula-se a 0,58 × I_n; se estiver a montante dos três contactores, regula-se a I_n.

Limitações: o binário de arranque é só um terço do do arranque direto, por isso o método só serve máquinas que arrancam quase sem carga (ventiladores pequenos, bombas, máquinas-ferramenta). Máquinas com binário resistente alto ao arranque (compressores em carga, trituradores) não aceleram em estrela. Além disso, há um segundo pico de corrente na passagem a triângulo, se o motor ainda não estiver perto da velocidade nominal. O motor necessita de seis cabos (ou de um cabo de seis condutores) entre o quadro e a caixa de terminais.

Exemplo resolvido · Estrela-triângulo para um motor de 11 kW

Motor 400/690 V Δ/Y, 11 kW, I_n = 20,5 A em triângulo a 400 V, corrente de arranque direto = 7 × I_n.

1. Arranque direto: I_a = 7 × 20,5 ≈ 144 A.
2. Estrela: a corrente de linha desce para 144 / 3 ≈ 48 A, e o binário de arranque para um terço.
3. Corrente por enrolamento em triângulo: 20,5 / √3 = 11,8 A. Em estrela, a corrente de linha é igual à do enrolamento: com 231 V por enrolamento, é 11,8 / √3 = 6,8 A, um terço dos 20,5 A, o que confirma o resultado do passo 2.
4. Contactores: KM1 e KM3 para 0,58 × 20,5 ≈ 11,9 A; KM2 para 0,33 × 20,5 ≈ 6,8 A. Na prática, usa-se o calibre normalizado imediatamente acima (por exemplo, 12 A ou 18 A em AC-3), e é comum usar três contactores iguais.
5. Relé térmico em série com o enrolamento: regulado a 11,9 A.
6. Temporizador: regulado para o motor atingir cerca de 80 a 90 % da velocidade, medido no primeiro ensaio, e depois fixado; para um ventilador de baixa inércia, alguns segundos; para uma carga de inércia elevada, mais.

Exemplo resolvido · Porque é que dispara o disjuntor na passagem a triângulo?

Numa bomba com arranque estrela-triângulo, o disjuntor dispara sempre na passagem de estrela a triângulo.

1. Hipótese 1: o temporizador está regulado para um tempo demasiado curto, e o motor ainda está muito abaixo da velocidade nominal, de modo que a passagem a triângulo cria um pico de corrente (quase igual ao de um arranque direto).
2. Hipótese 2: KM2 e KM3 estão em curto-circuito por falta de intertravamento ou de pausa de transição.
3. Teste: aumentar o tempo do temporizador e observar a corrente com a pinça. Se o pico desaparecer, era o tempo.
4. Se o pico se mantém com tempo longo, verificar o intertravamento e a ligação dos bornes (U1-W2, V1-U2, W1-V2).

8. Arrancadores progressivos

O que é e como funciona

Um arrancador progressivo (soft starter) liga o motor à rede através de tirístores montados em oposição, em cada fase. O ângulo de condução dos tirístores aumenta gradualmente durante uma rampa, e a tensão no motor sobe suavemente, desde um valor inicial até à tensão plena. Com a tensão a subir devagar, a corrente de arranque limita-se e o binário aumenta sem saltos.

Binário e tensão: o binário de um motor assíncrono varia com o quadrado da tensão. Reduzir a tensão inicial para 50 % reduz o binário inicial para 25 % do valor do arranque direto.

Barramento de potência e de comando

Num arrancador progressivo há dois circuitos distintos:

• Potência: as fases L1, L2, L3 entram nos bornes de entrada do arrancador e as saídas T1, T2, T3 seguem para o motor (U1, V1, W1). Quando o motor atinge a velocidade plena, um contactor de bypass (interno ou externo) curto-circuita os tirístores, para evitar o aquecimento e as perdas em regime.
• Comando: bornes para marcha/paragem (entradas digitais), alimentação do comando (24 V ou 230 V), saídas de relé (fim de rampa, defeito) e, por vezes, entrada de sensores.

Em alternativa à ligação em série com a linha, existe a ligação "dentro do triângulo" (seis fios), em que o arrancador fica em série com cada enrolamento e só transporta 0,58 × I_n, permitindo um aparelho menor, ao preço de seis cabos para o motor.

Regulações principais

Quando usar e limitações

• Vantagens: arranque e paragem suaves, sem estrelas e triângulos; um aparelho compacto; menos esforço mecânico (correias, redutores, tubagens); corrente de arranque limitada; paragem suave em bombas.
• Limitações: não regula a velocidade em serviço; o binário de arranque é reduzido (não serve cargas de binário resistente alto); dissipa calor durante o arranque, com limite de arranques por hora; gera harmónicos durante a rampa; não se ligam condensadores de compensação à saída; não inverte o sentido de rotação (se necessário, usa-se um inversor à parte, com o arrancador desligado durante a comutação).

Exemplo resolvido · Arrancador progressivo de uma bomba

Bomba de 11 kW (I_n = 20,5 A, I_a direto = 7 × I_n), com arranque que provoca golpe de aríete na tubagem.

1. Objetivo: limitar a corrente a 3 × I_n (61,5 A) e fazer a paragem suave.
2. Relação de tensões: como a corrente é proporcional à tensão, a tensão inicial é 3 / 7 ≈ 43 % da nominal.
3. Binário inicial: proporcional ao quadrado da tensão, (0,43)² ≈ 18 % do binário de arranque direto. Numa bomba centrífuga, que arranca com pouco binário resistente, é suficiente.
4. Rampa de aceleração: 8 a 10 s. Limite de corrente: 3 × I_n.
5. Rampa de desaceleração: 10 s, para a pressão descer devagar e evitar o golpe de aríete.
6. Proteção: sobrecarga eletrónica regulada a 20,5 A, classe 10.
7. Bypass: ativar ao fim da rampa.

9. Regulação de velocidade e variadores de frequência

Como se regula a velocidade de um motor assíncrono

Da fórmula n_s = 60 · f / p resulta que a velocidade se pode alterar de três maneiras: mudando o número de pares de polos, variando o escorregamento ou variando a frequência.

O variador de frequência: constituição

Um variador de frequência (conversor de frequência) converte a tensão da rede, de tensão e frequência fixas, numa tensão trifásica de tensão e frequência variáveis para o motor. Tem três andares:

1. Retificador: converte a tensão alternada da rede em tensão contínua.
2. Barramento de corrente contínua: condensadores (e por vezes uma bobine) que alisam a tensão contínua. Mantêm tensão perigosa durante vários minutos depois de desligado.
3. Inversor: transístores de potência (IGBT) que comutam a alta frequência, produzindo, por modulação de largura de impulsos (PWM), uma tensão alternada trifásica de frequência e amplitude reguláveis.

Em complemento, há um andar de frenagem (transístor e resistência de frenagem) para dissipar a energia devolvida pelo motor em desacelerações rápidas, uma placa de comando (entradas e saídas, ecrã, comunicações), um filtro de compatibilidade eletromagnética (EMC) e proteções (sobrecorrente, sobretensão, subtensão, sobreaquecimento, curto-circuito).

Tipos e modos de controlo

• Controlo escalar (V/f): mantém a relação tensão/frequência constante, para manter o fluxo constante no motor. É simples, barato, e basta para bombas, ventiladores e transportadores comuns.
• Controlo vetorial sem sensor (sensorless): modela o motor para controlar separadamente fluxo e binário, com melhor resposta e mais binário a baixa velocidade.
• Controlo vetorial com realimentação (encoder) e controlo direto de binário: para exigências elevadas de precisão e dinâmica (guinchos, bobinadoras).
• Alimentação: variadores com entrada monofásica 230 V e saída trifásica (potências baixas), ou com entrada trifásica 400 V e saída trifásica.

Comportamento do motor com o variador

• Abaixo da frequência nominal (50 Hz), com V/f constante, o fluxo mantém-se e o motor dá binário constante. A potência cresce com a velocidade.
• Acima de 50 Hz, a tensão já não pode subir (está no máximo, igual à da rede). O fluxo diminui (enfraquecimento de campo) e o binário disponível cai com 1/f, com potência constante. Só se justifica com motor e carga previstos para essas velocidades, porque a força centrífuga e os rolamentos têm limites.
• A baixa velocidade, o ventilador montado no veio refrigera menos e o motor aquece mais. Em funcionamento prolongado a baixa velocidade com binário elevado, é preciso servoventilação (ventilador independente) ou sobredimensionar o motor.

Regras de instalação

A instalação de um variador tem regras próprias, mais exigentes do que a de um contactor:

• Cabo de alimentação do motor blindado (ou em calha metálica contínua), com a blindagem ligada à terra nas duas extremidades (ligação de 360° ao variador e ao motor), o mais curto possível. Isto limita as perturbações radiadas.
• Separar cabos de potência de cabos de comando e de sinal (distância, ou cruzamento a 90°), e usar cabos de sinal blindados nas entradas analógicas.
• Ligar à terra corretamente o variador, a blindagem e o motor, com ligações curtas e de grande secção. Os variadores originam correntes de fuga para a terra, que devem ser consideradas na escolha dos dispositivos diferenciais. O tipo do diferencial diz a forma da corrente de defeito que ele deteta: o tipo A serve para cargas eletrónicas monofásicas, o tipo F inclui variadores de entrada monofásica e o tipo B deteta também corrente contínua lisa e usa-se, salvo indicação do fabricante, com variadores de entrada trifásica. O tipo não é a sensibilidade (I_Δn, por exemplo 30 ou 300 mA), que é outro parâmetro e se escolhe para não disparar com as fugas e para cumprir R_A × I_Δn ≤ 50 V. O fabricante do variador indica o tipo e a sensibilidade.
• Nunca ligar nem desligar contactores entre o variador e o motor com o motor a trabalhar, salvo previsão do fabricante, porque as manobras na saída danificam os transístores.
• Respeitar o tempo de espera depois de desligar a alimentação, antes de abrir a tampa (os condensadores do barramento mantêm tensão), conforme o fabricante.
• Ventilação e temperatura: respeitar as distâncias de montagem e a temperatura ambiente, aplicando redução de potência (derating) quando necessário.
• Bobines de linha ou de saída e filtros, quando o fabricante os recomende (cabos de motor longos, vários motores em paralelo).
• Proteções a montante: seccionador, proteção contra curto-circuito dimensionada pelo catálogo do variador.
• Entradas e saídas de comando: entradas digitais (marcha, paragem, sentido, velocidades fixas), entradas analógicas (0 a 10 V ou 4 a 20 mA para a referência de velocidade), saídas de relé (em marcha, defeito) e saídas analógicas (corrente do motor, frequência).

Configuração inicial (parametrização básica)

Cada fabricante organiza os parâmetros de forma diferente, mas a sequência lógica é a mesma:

1. Verificar a cablagem sem tensão: potência (L1, L2, L3 à entrada; U, V, W à saída), terra, comando.
2. Alimentar o variador, com o motor desligado ou em segurança, e repor os parâmetros de fábrica quando o aparelho já tenha estado em serviço.
3. Introduzir os dados da placa do motor: tensão, corrente nominal, frequência, velocidade nominal, potência e fator de potência.
4. Executar a identificação automática do motor (autotuning), se existir, para o variador medir a resistência e a indutância do motor.
5. Definir a origem do comando (botões nos bornes, teclado, comunicação) e da referência de velocidade (potenciómetro, 0-10 V, 4-20 mA, teclado, rede).
6. Regular as rampas: tempo de aceleração e de desaceleração (definidos como o tempo para ir de 0 à frequência nominal, ou à máxima).
7. Definir os limites: frequência mínima e máxima, limite de corrente, proteção térmica do motor.
8. Testar com frequência baixa: verificar o sentido de rotação (se estiver ao contrário, trocam-se duas fases de saída ou muda-se o parâmetro de sentido) e a ausência de ruído anómalo.
9. Subir gradualmente a frequência, medir a corrente e comparar com a da placa.
10. Guardar os parâmetros (cópia de segurança) e registar as regulações no dossiê.

Exemplo resolvido · Variador num transportador

Um transportador de rolos, com tambor de 0,25 m de diâmetro, é acionado por um motor de 4 polos (1440 rpm nominais a 50 Hz) através de um redutor 1:10. Pretende-se uma velocidade da banda de 1,2 m/s.

1. Velocidade à saída do redutor: v = π · D · n / 60, logo n_saída = 60 · v / (π · D) = 60 × 1,2 / (π × 0,25) ≈ 91,7 rpm.
2. Velocidade do motor: n_motor = 91,7 × 10 ≈ 917 rpm.
3. Velocidade de sincronismo (somando o escorregamento de cerca de 60 rpm, que é 1500 - 1440): 917 + 60 ≈ 977 rpm.
4. Frequência: f = n_s · p / 60 = 977 × 2 / 60 ≈ 32,6 Hz (cerca de 33 Hz).
5. Tensão com V/f constante: 400 V / 50 Hz = 8 V/Hz, logo 8 × 32,6 ≈ 261 V à saída.
6. Rampa: com 10 s de 0 a 50 Hz (5 Hz/s), chegar a 32,6 Hz leva 6,5 s.
7. Verificação: a 50 Hz o motor roda a 1440 rpm, a saída do redutor a 144 rpm e a banda a v = π × 0,25 × 144 / 60 ≈ 1,88 m/s. A velocidade pretendida é cerca de 64 % da máxima, o que bate certo com 32,6 / 50 ≈ 65 %.

Exemplo resolvido · Frequência e tensão com V/f constante

Um motor 230/400 V, ligado em estrela a uma rede de 400 V / 50 Hz, é alimentado por um variador com V/f constante.

• A 30 Hz: tensão = 8 × 30 = 240 V; velocidade de sincronismo (4 polos) = 60 × 30 / 2 = 900 rpm. A plena carga, o escorregamento em rpm mantém-se (cerca de 60 rpm num motor de 1440 rpm a 50 Hz), logo a velocidade real é de cerca de 840 rpm. Com carga parcial o escorregamento é menor e a velocidade fica mais perto dos 900 rpm.
• A 60 Hz: o variador só dá 400 V (a tensão máxima), pelo que a relação V/f desce a 6,7 V/Hz e o binário disponível desce para 50/60 = 83 % do nominal. A velocidade de sincronismo é de 1800 rpm.

10. Motores de corrente contínua: características e instalação

Princípio e constituição

Um motor de corrente contínua tem um estator que cria um campo magnético fixo (por enrolamento de excitação ou por ímanes permanentes) e um rotor (induzido) com enrolamentos alimentados por escovas e coletor (comutador). A comutação mecânica inverte a corrente nas bobines do induzido no momento certo, de modo que o binário tenha sempre o mesmo sentido.

As duas equações fundamentais:

• Força contraeletromotriz: E = k · Φ · n, proporcional ao fluxo e à velocidade.
• Tensão do induzido: U = E + R_a · I_a.

Logo, n = (U - R_a · I_a) / (k · Φ). A velocidade controla-se pela tensão do induzido (abaixo da velocidade nominal) e pelo fluxo (acima dela, com enfraquecimento de campo). O binário é proporcional a Φ · I_a.

Tipos de excitação

Bornes e convenções

A marcação habitual dos bornes de uma máquina de corrente contínua é: A1-A2 para o induzido, E1-E2 para o enrolamento de excitação em derivação, D1-D2 para o enrolamento de excitação em série e F1-F2 para a excitação independente. Confirma-se sempre na placa e na caixa de terminais.

Arranque, inversão e regulação

• Arranque: com o rotor parado, E = 0 e a corrente do induzido seria U / R_a, muito elevada. É obrigatório limitar a corrente de arranque, com resistências de arranque em série com o induzido (retiradas por etapas) ou, hoje, com um conversor eletrónico que sobe a tensão gradualmente.
• Inversão do sentido: inverte-se a polaridade do induzido ou a polaridade da excitação, nunca as duas ao mesmo tempo (que dá o mesmo sentido).
• Regulação: por tensão do induzido (binário constante) e por redução do fluxo (potência constante, acima da nominal), geralmente com conversores a tirístores (retificadores controlados) alimentados pela rede, ou a transístores (choppers) em baixa tensão.
• Perda de excitação: num motor de excitação em derivação ou independente, se a corrente de excitação desaparecer com o motor em marcha, o fluxo cai quase a zero e a velocidade sobe perigosamente, enquanto a corrente do induzido dispara. Todos os acionamentos têm proteção de perda de campo. No motor série, nunca se acopla a uma carga que possa desligar-se, nem se faz funcionar em vazio.

Procedimentos de instalação e manutenção

• Verificar escovas (comprimento mínimo, pressão das molas, assentamento), coletor (superfície lisa, sem queimaduras, sem pó de carvão condutor entre lâminas) e rolamentos.
• Verificar o isolamento do induzido e da excitação com o megaohmímetro, com o motor desligado e as escovas levantadas, se necessário.
• Respeitar a polaridade e a sequência de ligação do esquema.
• Instalar a proteção contra sobrecarga e a proteção de perda de campo, e a ventilação forçada quando o motor trabalhe a baixa velocidade com muito binário.
• O pó das escovas é condutor e acumula-se no interior: aspirar, não soprar com ar comprimido para dentro da máquina.

Exemplo resolvido · Arranque e velocidade de um motor de corrente contínua

Motor de excitação independente, 220 V, R_a = 0,5 Ω, a trabalhar com I_a = 20 A e 1500 rpm.

1. Força contraeletromotriz em carga: E = U - R_a · I_a = 220 - 0,5 × 20 = 210 V.
2. Corrente de arranque direto: I_a = U / R_a = 220 / 0,5 = 440 A, ou seja, 22 vezes a nominal. Inaceitável.
3. Resistência de arranque para limitar a 2 × I_n = 40 A: R_total = 220 / 40 = 5,5 Ω, logo R_arranque = 5,5 - 0,5 = 5,0 Ω, a ser retirada por etapas à medida que o motor acelera.
4. Velocidade com 110 V no induzido e a mesma corrente (fluxo constante): E' = 110 - 10 = 100 V; n' = 1500 × 100 / 210 ≈ 714 rpm.
5. Inversão: trocam-se os condutores do induzido (A1 e A2), mantendo a excitação.

11. Ligação à terra e proteções: pessoas, sobreintensidades, curto-circuitos e sobretensões

Proteção de pessoas: contactos diretos e indiretos

• Contacto direto: contacto de uma pessoa com uma parte normalmente sob tensão (um borne, um condutor). Evita-se com isolamento das partes ativas, invólucros e barreiras (por exemplo, a tampa da caixa de terminais e o quadro fechado), afastamento e, como proteção complementar, dispositivos diferenciais de alta sensibilidade (30 mA) em circuitos de tomadas.
• Contacto indireto: contacto com uma massa (a carcaça metálica do motor) que ficou sob tensão por falha de isolamento. Evita-se com ligação das massas à terra e corte automático da alimentação num tempo suficientemente curto, e com ligações equipotenciais.

Ligação à terra: princípios

A ligação à terra liga as massas ao solo através de um elétrodo de terra (e do condutor de proteção). Quando ocorre uma falha de isolamento e a carcaça fica sob tensão, circula corrente de defeito pelo condutor de proteção e pela terra, que faz disparar o dispositivo de proteção. Sem terra, a carcaça fica a 230 V e passa a ser um perigo à espera de ser tocado.

Os regimes de neutro definem a forma como a instalação se liga à terra:

Nas instalações de baixa tensão alimentadas pela rede pública de distribuição, o regime TT é o mais comum em Portugal.

Condição de proteção no regime TT

Para que a proteção funcione, a resistência da terra de proteção R_A tem de ser tal que a tensão de contacto não ultrapasse a tensão limite convencional (U_L = 50 V, em condições normais), quando circula a corrente que faz disparar o diferencial (I_Δn):

R_A × I_Δn ≤ 50 V

Uma terra com 85 Ω satisfaz a condição com um diferencial de 300 mA e de 500 mA. Uma terra com 230 Ω já só a satisfaz com 100 mA (500 Ω de limite) ou 30 mA.

Condutor de proteção

O condutor de proteção (PE), verde-amarelo, liga a carcaça do motor ao barramento de terra do quadro. A sua secção é, por regra habitual, igual à dos condutores de fase até 16 mm², de 16 mm² para fases entre 16 e 35 mm², e metade da secção da fase acima de 35 mm². O condutor de proteção nunca é interrompido por aparelhos de corte.

Num variador, a ligação de terra é duplamente importante: a carcaça do motor, a blindagem do cabo e a do variador têm de estar ligadas à terra com ligações curtas e fortes.

Proteção contra sobreintensidades

Há dois tipos de sobreintensidade, com proteções distintas:

• Sobrecarga: corrente acima da nominal durante tempo prolongado, por excesso de carga mecânica, falta de fase ou ventilação deficiente. Protege-se com relé térmico, disjuntor-motor, proteção eletrónica do variador ou do arrancador, ou sondas térmicas no enrolamento (PTC, PT100).
• Curto-circuito: corrente muito elevada (centenas ou milhares de ampere) por falha de isolamento entre condutores. Protege-se com fusíveis (gG, aM) ou disjuntor magnético, que cortam em milissegundos.

Para proteção do condutor (cabo), as condições clássicas são: I_b ≤ I_n ≤ I_z e I_2 ≤ 1,45 × I_z, em que I_b é a corrente de serviço, I_n a corrente nominal da proteção, I_z a corrente admissível do condutor e I_2 a corrente que assegura o disparo da proteção no tempo convencional.

A proteção contra curto-circuito tem de ter poder de corte igual ou superior à corrente de curto-circuito presumida no ponto de instalação.

Nos arranques de motores, a coordenação entre proteção de curto-circuito, contactor e relé térmico determina o que acontece depois de um curto-circuito. Na coordenação do tipo 1, após um curto-circuito o contactor e o relé podem ficar inutilizados, desde que não haja perigo para pessoas. Na coordenação do tipo 2, o contactor e o relé ficam utilizáveis (admite-se apenas soldadura ligeira dos contactos). O catálogo do fabricante indica as combinações ensaiadas.

Proteção contra sobretensões

Uma sobretensão é uma tensão acima do valor admitido, normalmente de curta duração e muito elevada. Tem duas origens principais:

• Atmosférica: descargas de raio na rede ou perto da instalação, que se propagam pelos cabos até ao quadro.
• De manobra: criada pela própria instalação ao cortar cargas indutivas (a bobine de um contactor, um motor, um transformador), porque a corrente numa bobine não se anula de repente e a tensão sobe para a manter. Num acionamento com variador, cabos de motor longos originam sobretensões nos enrolamentos do motor.

Efeitos: perfuração do isolamento dos enrolamentos, destruição de eletrónica (variadores, autómatos, fontes), envelhecimento acelerado e avarias aparentemente sem causa. Os danos nem sempre aparecem logo: um isolamento fragilizado pode ceder semanas depois.

Defesa, em camadas:

1. Descarregadores de sobretensões (DST) no quadro, coordenados entre si quando há mais do que um escalão. Um DST é caracterizado pelo seu nível de proteção (U_p), a tensão máxima que deixa passar. Para proteger um equipamento, o U_p tem de ficar abaixo da tensão de impulso que o equipamento suporta (indicada no catálogo), com margem.
2. Ligação de terra curta e direta: os condutores de ligação do DST têm indutância, e durante a descarga cada metro soma tensão ao U_p. A tensão que chega ao equipamento é, aproximadamente, U_p + L · di/dt, com L a indutância dos cabos de ligação.
3. Supressores nas bobines dos contactores e relés (RC, varistor, díodo), que absorvem a energia da bobine ao cortar. O díodo, em bobines de corrente contínua, é eficaz mas atrasa a abertura do contactor.
4. Filtros de saída (bobines ou filtros dv/dt) nos acionamentos com cabo de motor longo.
5. Equipotencialidade e blindagens bem ligadas, para que as correntes de descarga não passem por onde não devem.

O DST é a última linha de defesa, não a única: a primeira é uma boa ligação à terra e uma instalação organizada.

Exemplo resolvido · A ligação do descarregador

Um variador, que suporta impulsos de 2,5 kV, é protegido por um DST com U_p = 1,5 kV. Admite-se uma corrente de descarga de 5 kA com frente de subida de 8 µs e uma indutância de cerca de 1 µH por metro de cabo de ligação.

1. Taxa de variação da corrente: di/dt = 5000 A / 8 µs = 625 A/µs.
2. Queda no cabo por metro: ΔU = L · di/dt = 1 µH × 625 A/µs = 625 V por metro.
3. Ligação de 1,0 m: tensão no variador = 1,5 + 0,625 ≈ 2,1 kV, inferior a 2,5 kV. O variador fica protegido.
4. Ligação de 2,5 m: ΔU = 2,5 × 625 ≈ 1,56 kV; tensão no variador = 1,5 + 1,56 ≈ 3,1 kV, superior a 2,5 kV. O variador não fica protegido, apesar do DST estar bem escolhido.
5. Conclusão: encurtar a ligação e instalar o DST o mais perto possível do equipamento que protege.

Sinais de defeito e rearme

A proteção térmica abre o circuito de comando (95-96); o disparo deve ficar sinalizado (lâmpada vermelha, relé de defeito) e o rearme só se faz depois de se encontrar a causa. Rearmar repetidamente um térmico, sem investigar, é o caminho mais curto para queimar um motor.

Critérios de seleção de dispositivos de proteção

Exemplo resolvido · Proteger e cablar o motor de 11 kW

Motor de 11 kW, 400 V, I_n = 20,5 A, cos φ = 0,85, arranque direto, a 40 m do quadro, regime TT.

1. Corrente de serviço: I_b = 20,5 A.
2. Proteção de curto-circuito: fusíveis aM de 25 A, ou disjuntor-motor com térmico regulável 18-25 A e magnético fixo.
3. Relé térmico: gama 18-25 A, regulado a 20,5 A.
4. Secção do cabo (valores hipotéticos, para ilustrar o método): se a tabela aplicável ao modo de instalação der 21 A para 2,5 mm² e 28 A para 4 mm², aplicando um fator de agrupamento de 0,8 obtêm-se 16,8 A e 22,4 A. Só os 4 mm² satisfazem a condição de sobrecarga, I_b ≤ I_r ≤ I_z, com I_r a regulação do relé térmico: 20,5 ≤ 20,5 ≤ 22,4. O fusível aM de 25 A não protege contra sobrecarga (essa função é do relé térmico) e cobre apenas o curto-circuito. Consulta-se sempre a tabela do regulamento.
5. Queda de tensão: R = ρ · L / S = 0,0225 × 40 / 4 = 0,225 Ω por condutor; ΔU = √3 × I × R × cos φ = 1,732 × 20,5 × 0,225 × 0,85 ≈ 6,8 V, ou 1,7 % de 400 V, a comparar com o limite de queda de tensão que as RTIEBT fixam para o circuito (consulta-se o valor aplicável, na redação em vigor).
6. Terra e diferencial: em TT, com diferencial de 300 mA, a resistência de terra tem de ser ≤ 167 Ω. Mede-se e regista-se. O condutor de proteção é de 4 mm² (a mesma secção da fase).

12. Procedimentos de instalação e substituição de motores

Preparação do trabalho

Antes de pegar numa ferramenta:

1. Ler o dossiê: esquema, placa do motor, manual do equipamento e ordem de trabalho.
2. Avaliar os riscos com o responsável: elétrico, mecânico (partes em rotação, cargas suspensas), térmico (superfícies quentes), ruído, trabalho em altura ou em espaço confinado.
3. Reunir ferramentas, instrumentos, EPI, material de bloqueio, peças e consumíveis (terminais, bucins, fita, massa de lubrificação).
4. Planear a paragem com a produção: quem é informado, quanto tempo demora, quem autoriza.

Seccionar, bloquear e verificar

Antes de qualquer intervenção, aplica-se a sequência de segurança do capítulo 6: seccionar, bloquear com cadeado e etiqueta pessoal (cada técnico tem o seu cadeado), verificar a ausência de tensão com detetor de dois polos testado antes e depois, e proteger partes ativas próximas. Num motor com variador, esperar o tempo de descarga do barramento. E ainda: imobilizar mecanicamente a máquina, porque um ventilador ou uma bomba podem rodar pelo fluxo do fluido (um motor assim a rodar pode gerar tensão aos terminais).

Instalar um motor novo

1. Verificar a placa e a compatibilidade: tensão, ligação (Δ ou Y), potência, velocidade, forma construtiva, IP, classe de isolamento.
2. Verificar o motor à chegada: veio a rodar livremente, sem danos de transporte; resistência de isolamento (megaohmímetro a 500 V) dentro do valor aceitável, e secar o motor, se necessário, quando esteve armazenado em ambiente húmido.
3. Fixar o motor na base, que deve ser plana, rígida e nivelada, com os parafusos apertados ao binário certo e, se necessário, calços.
4. Alinhar o motor com a máquina: alinhamento angular e paralelo do acoplamento (relógio comparador ou laser). Um desalinhamento causa vibração, ruído e desgaste dos rolamentos. Para transmissão por correias, alinhar as polias e tensionar conforme a tabela da correia; tensão excessiva danifica os rolamentos.
5. Montar proteções em acoplamentos, correias e partes móveis.
6. Ligar os cabos: bucins adequados ao diâmetro do cabo e ao IP, laços de gotejamento (o cabo faz uma curva antes de entrar na caixa, para a água escorrer), terminais adequados, pontes de ligação na caixa de terminais segundo a rede (Δ ou Y), aperto com chave dinamométrica, condutor de proteção ligado ao terminal de terra do motor.
7. Fechar a caixa com junta em bom estado, sem prender cabos; a perda de IP começa numa junta torcida.
8. Ensaio do sentido de rotação: de preferência com o motor desacoplado, dá-se um breve impulso e vê-se o sentido; corrige-se trocando duas fases.
9. Acoplar, regular o relé térmico à corrente da placa, repor o seccionamento e arrancar.
10. Medir corrente, tensão e temperatura em funcionamento, comparar com a placa e registar.

Substituir um motor existente

A substituição é um dos trabalhos mais comuns e mais cheios de armadilhas.

1. Seccionar, bloquear e verificar (como acima).
2. Documentar antes de desligar: fotografar a caixa de terminais e as ligações, etiquetar cada condutor, anotar o sentido de rotação e a placa antiga.
3. Desligar os cabos de potência, deixando o condutor de proteção para o fim: é o último a desligar e, na montagem, o primeiro a ligar.
4. Libertar o motor (parafusos, calços): marcar a posição dos calços para manter o alinhamento.
5. Içar o motor com olhais de elevação e meios adequados, nunca à mão se for pesado.
6. Comparar o motor novo com o antigo: altura de eixo, distância dos furos de fixação, diâmetro e comprimento do veio, flange, potência, polos, tensão.
7. Selecionar o motor equivalente: se a mesma gama não existir, mantém-se a altura de eixo, a forma construtiva e o número de polos; potência igual ou superior.
8. Instalar como um motor novo (passos de 3 a 10).
9. Atenção ao rendimento e à velocidade: um motor de maior eficiência (IE3 no lugar de IE1) tem menor escorregamento, logo roda um pouco mais depressa. Numa bomba ou ventilador, em que a potência varia com o cubo da velocidade, um aumento de 1,5 % na velocidade aumenta a potência absorvida cerca de 4,6 % e pode fazer disparar o térmico. Verifica-se a corrente e, se necessário, ajusta-se a velocidade (poleias ou variador).

Manutenção da ligação de motores

A manutenção das ligações é preventiva e simples:

• Reaperto periódico dos bornes (as ligações afrouxam com ciclos térmicos e vibração).
• Inspeção de terminais, pontes e condutores: descoloração, cheiro a queimado, isolamento fendido.
• Limpeza da caixa de terminais, verificação de juntas e bucins.
• Termografia das ligações em carga: um borne mal apertado aquece mais do que os vizinhos.
• Medição periódica do isolamento e da corrente, com registo e comparação das tendências.
• Rolamentos: lubrificar segundo o tipo e a quantidade recomendados (excesso de massa é tão mau como falta).

Exemplo resolvido · Substituir um motor 230/400 V por um 400/690 V

Um motor de 4 kW 230/400 V Δ/Y, num ventilador, avariou, e só há em armazém um motor equivalente de 4 kW 400/690 V Δ/Y, da mesma altura de eixo e forma construtiva. Rede de 400 V.

1. Ligação do motor antigo: 230/400 V em rede de 400 V → estrela.
2. Ligação do motor novo: 400/690 V em rede de 400 V → triângulo. As pontes mudam de horizontal para vertical.
3. Corrente: a placa do novo motor tem a corrente de 400 V em triângulo; o relé térmico regula-se para esse valor.
4. Método de arranque: com arranque direto ou variador, o novo motor serve com as pontes em triângulo. Se o circuito fosse de estrela-triângulo, só um motor 400/690 V seria compatível, pelo que se confirma no esquema qual o método existente antes de ligar.
5. Verificar a velocidade (polos, escorregamento) e a forma construtiva. Registar a alteração no dossiê.

13. Medições de funcionamento de motores elétricos

As medições dizem se o motor trabalha dentro do que a placa promete e permitem detetar problemas antes de se transformarem em avaria.

Que medir, com que instrumento e que comparar

Resistência de isolamento: como medir e interpretar

1. Desligar e verificar ausência de tensão; desligar os cabos do motor (e variador, arrancadores, sondas eletrónicas).
2. Ligar o megaohmímetro entre cada enrolamento e a carcaça (terra), e entre enrolamentos, com 500 V CC (circuitos até 500 V; acima de 500 V, por exemplo um motor ligado em estrela a 690 V, usa-se 1000 V CC).
3. Ler o valor depois de cerca de um minuto de aplicação da tensão.
4. Descarregar o enrolamento (curto-circuito à terra) depois da medição, porque a tensão aplicada deixa carga acumulada.
5. Interpretar: o valor mínimo é o do fabricante e do regulamento (na redação em vigor). Como regra prática adotada neste curso, valores de poucos megaohm ou menos pedem investigação (secagem, limpeza) e abaixo de 1 MΩ não se liga o motor. Importa também a tendência: uma descida progressiva entre medições anuais indica envelhecimento.

Desequilíbrio de tensões e correntes

Pequenos desequilíbrios de tensão provocam desequilíbrios muito maiores nas correntes (da ordem de seis a dez vezes mais, em percentagem), com aquecimento, binário reduzido e vibração. O desequilíbrio calcula-se como o maior desvio em relação à média, dividido pela média.

Exemplo resolvido · Desequilíbrio de tensões e correntes

Medidas num motor de 11 kW: tensões entre fases 402 V, 398 V e 380 V; correntes 20,1 A, 20,4 A e 27,0 A.

1. Média das tensões: (402 + 398 + 380) / 3 = 393,3 V.
2. Maior desvio: 393,3 - 380 = 13,3 V.
3. Desequilíbrio de tensões: 13,3 / 393,3 ≈ 3,4 %, elevado.
4. Média das correntes: (20,1 + 20,4 + 27,0) / 3 = 22,5 A.
5. Maior desvio: 27,0 - 22,5 = 4,5 A, logo desequilíbrio de correntes de 4,5 / 22,5 = 20 %, cerca de seis vezes o desequilíbrio de tensões, como seria de esperar.
6. Conclusão: o problema está na alimentação (uma fase com tensão mais baixa, por exemplo, por mau contacto num borne do contactor ou do seccionador), e não no motor. Procede-se, sem tensão, ao reaperto e à inspeção dos bornes e contactos nessa fase, e voltam a medir-se as tensões.

Exemplo resolvido · Medir resistência dos enrolamentos

Um motor com ligação em estrela, medida com os cabos desligados e as pontes retiradas: U1-U2 = 1,52 Ω; V1-V2 = 1,50 Ω; W1-W2 = 2,90 Ω.

1. U e V são semelhantes, W é quase o dobro.
2. Uma diferença desta ordem não é aceitável: indica mau contacto (ponte ou borne W solto ou oxidado) ou enrolamento parcialmente interrompido.
3. Verifica-se primeiro a ligação (aperto e oxidação dos bornes). Se, depois de corrigida, a medição se mantiver, o enrolamento está avariado e o motor tem de ser rebobinado ou substituído.

14. Procedimentos e técnicas de deteção e resolução de avarias

O método

Diagnosticar não é substituir peças até funcionar. É um raciocínio por etapas:

1. Recolher informação: o que aconteceu, quando, em que condições (arrancou? Estava a trabalhar? Houve cheiro, fumo, ruído, pancada, corte de energia, trabalhos recentes?). Perguntar ao operador.
2. Observar com segurança: estado do quadro, sinalização, disparos, cheiro, aspeto dos cabos e da caixa de terminais.
3. Colocar hipóteses: da mais simples e barata à mais complicada.
4. Testar com medições, por divisão: dividir o circuito ao meio e ver de que lado está o problema (chega tensão ao contactor? chega ao motor?).
5. Reparar a causa, não só o sintoma.
6. Verificar o funcionamento completo, ensaiar e registar o que se encontrou e fez.

Onde procurar: comando, potência ou mecânica

Sintomas, causas prováveis e verificações

Falta de fase (monofasagem)

Quando um motor trifásico perde uma fase, continua a rodar se estiver em carga (e não arranca se estiver parado), mas as correntes nas outras duas fases sobem muito e o motor aquece em poucos minutos. O relé térmico com sensibilidade à falta de fase protege. Procura-se a causa: fusível fundido, contacto do contactor queimado, borne solto, cabo cortado. Substituir só o fusível sem procurar a causa repete a avaria.

Avarias em circuitos de potência, de comando e de sinalização

• Potência: contactos principais queimados ou colados (comparar com o novo; trocar o jogo completo), bornes soltos e carbonizados, cabos de isolamento danificado.
• Comando: botões com contactos sujos ou partidos, bobines queimadas (verificar a tensão e a resistência da bobine; uma bobine em curto aquece e queima), fins de curso desajustados, intertravamentos esquecidos, temporizadores avariados.
• Sinalização: lâmpadas fundidas, contactos auxiliares sem alimentação, saídas de relé do variador mal configuradas.

Resolução e verificação

Depois da reparação, repetir as medições (tensões, correntes, isolamento), ensaiar o funcionamento em todas as condições (arranque, paragem, emergência, sentido), repor proteções e registar a intervenção (data, avaria, causa, ação, valores medidos). O registo é o que permite perceber, mais tarde, que o mesmo motor falha de seis em seis meses pela mesma razão.

Exemplo resolvido · Motor que não arranca

Um motor trifásico de uma bomba não arranca. O contactor fecha (ouve-se o "clac") mas o motor só zumbe.

1. O contactor fecha, logo o comando está bem. Concentra-se a procura na potência e no motor.
2. Seccionar, bloquear e verificar ausência de tensão antes de tocar em qualquer coisa.
3. Repor tensão em segurança e medir tensões nos bornes do motor: L2-L3 = 399 V; L1-L2 ≈ 205 V; L1-L3 ≈ 196 V. As duas leituras que envolvem L1 são baixas e próximas de metade da tensão composta: falta a fase L1 à saída (o borne de L1 só recebe a tensão que volta pelos enrolamentos do motor).
4. Medir à entrada do contactor: as três fases estão presentes. Logo, o problema está entre a entrada e a saída do contactor (um contacto principal queimado).
5. Seccionar e bloquear de novo; sem tensão e com a bobine sem alimentação, mede-se a continuidade de cada polo de potência, premindo a armadura do contactor à mão para fechar os contactos: um polo está aberto.
6. Reparação: ainda sem tensão, substituir o jogo de contactos (ou o contactor) e apertar os bornes; só depois repor a tensão, ensaiar e medir as correntes (as três devem ser semelhantes e próximas da placa).
7. Registo no dossiê e recomendação para a manutenção preventiva.

Exemplo resolvido · Isolamento baixo depois de lavagem

Um motor, depois de uma lavagem com jato de água na oficina, dispara o diferencial. Megaohmímetro a 500 V: 0,3 MΩ.

1. Valor muito inferior ao mínimo: humidade nos enrolamentos.
2. Não ligar o motor. Seccionar, bloquear com cadeado e etiqueta e verificar a ausência de tensão com detetor de dois polos, testado antes e depois. Só depois abrir a caixa de terminais, retirar a água acumulada e verificar a junta e o bucim.
3. Secar o motor (estufa à temperatura adequada, ou aquecimento controlado do enrolamento segundo as indicações do fabricante).
4. Repetir a medição a intervalos; quando o valor estabilizar acima do mínimo, ligar.
5. Prevenir: mudar o procedimento de limpeza (nada de jato direto sobre motores) e verificar o IP.

15. Regulamentação, segurança, proteção individual e ambiente

Regras técnicas e competências de intervenção do técnico

As instalações elétricas de baixa tensão em Portugal regem-se pelas Regras Técnicas das Instalações Elétricas de Baixa Tensão (RTIEBT), na redação em vigor, e pelas normas técnicas a que remetem. O regulamento fixa princípios e regras de projeto, execução, verificação e exploração: proteção de pessoas e bens, escolha de materiais, secções de condutores, proteções, ligações à terra, verificações antes de entrar em serviço. As entidades competentes (a Direção-Geral de Energia e Geologia e as entidades inspetoras reconhecidas) fiscalizam e inspecionam as instalações.

As competências de intervenção do técnico são definidas pela legislação em vigor: a execução e a manutenção de instalações elétricas exigem habilitação adequada (profissional ou da empresa), e há trabalhos que ficam fora do que um técnico de instalações em baixa tensão pode fazer (projeto de certas instalações, instalações de média e alta tensão, instalações em atmosferas explosivas, entre outros), que têm de ser feitos por quem tem a habilitação e a formação para eles. Saber até onde vão as competências próprias faz parte da profissionalidade.

Antes de entrar em serviço, a instalação é verificada (inspeção visual e ensaios: continuidade dos condutores de proteção, resistência de isolamento, terra, funcionamento dos dispositivos diferenciais, polaridade e sequência de fases), e os resultados ficam no dossiê da instalação.

Diretiva Máquinas

A legislação europeia sobre máquinas estabelece os requisitos essenciais de segurança e de saúde que as máquinas colocadas no mercado europeu têm de cumprir. A Diretiva Máquinas (Diretiva 2006/42/CE) aplica-se às máquinas colocadas no mercado até 19 de janeiro de 2027; a partir de 20 de janeiro de 2027 aplica-se o Regulamento (UE) 2023/1230, que mantém os requisitos essenciais de segurança e acrescenta, por exemplo, requisitos de cibersegurança. Como o equipamento instalado hoje continua em uso depois dessa data, convém conhecer os dois textos. O fabricante deve garantir a conformidade, elaborar a documentação técnica, emitir a declaração de conformidade e apor a marcação CE, e fornecer instruções em português.

Para o técnico de instalação de motores, o que interessa é:

• O equipamento elétrico de uma máquina deve ter seccionamento, paragem de emergência com a cor e a função certas, proteção contra arranque inesperado, proteção contra contactos e comandos claros.
• As partes móveis (acoplamentos, correias, ventiladores) têm de ter proteções fixas ou móveis com bloqueio.
• Alterar significativamente uma máquina (adicionar variador, mudar o comando de segurança) pode obrigar a reavaliar a conformidade.
• As categorias de paragem vêm da norma EN 60204-1 (equipamento elétrico de máquinas), e não da própria diretiva: 0 (corte imediato da alimentação), 1 (paragem controlada e depois corte) e 2 (paragem controlada com a alimentação mantida). A paragem de emergência é sempre de categoria 0 ou 1; a categoria 2 aplica-se só a paragens operacionais. A escolha entre 0 e 1 depende do risco e da máquina.

Equipamentos de proteção individual (EPI): regras de utilização

O EPI é a última barreira, depois de eliminar ou reduzir o risco na origem. Cada EPI tem de ser adequado ao risco, ao utilizador e à tarefa, e estar em bom estado.

Para trabalhos elétricos, retiram-se objetos metálicos (anéis, relógios, pulseiras, correntes) e usam-se ferramentas isoladas. Os EPI não substituem o seccionamento e a verificação de ausência de tensão.

Segurança e saúde no trabalho

Os principais riscos da instalação de motores e como se previnem:

A legislação de segurança e saúde no trabalho em vigor atribui deveres ao empregador (avaliação de riscos, formação, equipamentos) e ao trabalhador (cumprir os procedimentos, usar os EPI, comunicar perigos). Quem deteta uma situação de perigo grave e iminente tem o dever de a comunicar e o direito de se afastar do risco.

Proteção do ambiente

• Resíduos de equipamentos elétricos e eletrónicos: motores, variadores, contactores e cabos fora de uso não vão para o lixo comum. Encaminham-se para circuitos de recolha e reciclagem. O cobre e o aço de um motor têm valor de reciclagem elevado.
• Óleos e massas lubrificantes usados, e panos e embalagens contaminados, são resíduos perigosos: guardam-se em recipientes próprios, identificados, e são entregues a operadores de gestão de resíduos licenciados.
• Pó de escovas, isolantes degradados e solventes seguem o mesmo princípio.
• Separar os resíduos na origem (metais, plásticos, cabos, embalagens, resíduos perigosos).
• Eficiência energética: escolher motores de classes de eficiência superiores e usar variadores onde fizer sentido reduz o consumo de eletricidade e as emissões associadas, o que é também uma forma de proteção ambiental.
• Evitar derrames durante a substituição de motores com lubrificação, e ter material absorvente à mão.

Exemplo resolvido · Plano de trabalho para substituir um motor

Substituição de um motor de 15 kW num ventilador de extração.

1. Preparação: ler o dossiê, definir o horário da paragem com a produção, reunir material e EPI.
2. Avaliação de risco: elétrico, mecânico (peso, rotação do ventilador), térmico.
3. Seccionar no quadro, bloquear com cadeado pessoal e etiqueta, verificar ausência de tensão nos bornes com detetor de dois polos testado antes e depois.
4. Imobilizar o ventilador (o fluxo de ar pode fazê-lo girar).
5. Documentar: fotografias, etiquetas, sentido de rotação, placa antiga.
6. Desligar, libertar e içar o motor com olhais e talha, a pares.
7. Instalar, alinhar, ligar, ensaiar o sentido desacoplado, acoplar, regular o térmico.
8. Medir corrente, tensão, temperatura, isolamento; registar.
9. Destino do motor antigo: encaminhar para reciclagem, óleos e panos para os resíduos perigosos.
10. Retirar os cadeados pela ordem inversa, informar a produção, arrancar com vigilância.

Erros comuns

• Trabalhar sem seccionar, bloquear e verificar a ausência de tensão com detetor de dois polos testado antes e depois.
• Ligar o motor em Δ ou em Y sem ler a placa e queimar o enrolamento por tensão a mais.
• Arrancar em estrela-triângulo um motor 230/400 V numa rede de 400 V: em triângulo ficaria com tensão a mais.
• Esquecer o intertravamento entre KM1 e KM2 (inversão) ou entre KM2 e KM3 (estrela-triângulo), criando curto-circuito.
• Regular o relé térmico para um valor "folgado", deixando o motor sem proteção.
• Rearmar o térmico repetidas vezes sem procurar a causa.
• Inverter os condutores de alimentação de um monofásico para mudar o sentido: o que decide é a ligação do enrolamento auxiliar.
• Trocar um condensador por outro de capacidade ou tensão diferentes.
• Ligar o megaohmímetro com o variador ou o arrancador ligados: destrói a eletrónica.
• Pinça amperimétrica a abraçar dois condutores: lê zero.
• Usar o multímetro em vez do detetor de dois polos para verificar a ausência de tensão: na escala errada, com o fusível interno fundido ou com uma ponteira partida, mostra 0 V num condutor em tensão.
• Cabo de motor sem blindagem ou blindagem mal ligada num variador, com perturbações em toda a instalação.
• Contactores na saída do variador a comutar com o motor em marcha.
• Abrir um variador logo depois de desligar, sem esperar a descarga do barramento.
• Inverter polaridade do induzido e da excitação ao mesmo tempo num motor de corrente contínua, e esperar mudança de sentido.
• Ligar um motor de corrente contínua sem limitar a corrente de arranque.
• Ignorar a terra, ou medir a terra e não a registar.
• Substituir um motor por um de eficiência superior sem verificar o aumento de velocidade e de corrente numa bomba ou ventilador.
• Substituir apenas o fusível depois de uma falta de fase, sem procurar a causa.
• Largar óleos e panos contaminados no lixo comum.
• Ligar o descarregador de sobretensões com cabos compridos, de modo que a tensão no equipamento suba acima do que ele suporta.
• Escolher o tipo de diferencial só pela sensibilidade, sem olhar à forma da corrente de fuga do variador.

Glossário

• Alinhamento: posição relativa de dois veios acoplados, que deve ser angular e paralelamente correta.
• Arrancador progressivo: aparelho de tirístores que faz subir a tensão no motor durante uma rampa.
• Autotuning: identificação automática dos parâmetros do motor feita pelo variador.
• Binário (M): esforço de rotação no veio, em N·m.
• Bypass: contactor que curto-circuita os tirístores do arrancador no fim da rampa.
• Categoria de utilização (AC-3): classe de funcionamento de um contactor, para motores de gaiola.
• Contactor: interruptor de potência comandado por eletroíman.
• Contacto direto: contacto com partes normalmente sob tensão.
• Contacto indireto: contacto com massas que ficaram sob tensão por falha de isolamento.
• Corrente de arranque: corrente absorvida no arranque, 5 a 8 vezes a nominal.
• Derating: redução de potência do variador por temperatura ou altitude.
• Descarregador de sobretensões (DST): aparelho que limita as sobretensões e escoa a corrente da descarga para a terra.
• Disjuntor-motor: aparelho com proteção magnética e térmica regulável para motores.
• Dahlander: motor de duas velocidades por comutação do número de polos.
• Escorregamento: diferença relativa entre a velocidade de sincronismo e a do rotor.
• Estator: parte fixa do motor, com os enrolamentos de alimentação.
• Estrela-triângulo: método de arranque que liga o motor primeiro em Y e depois em Δ.
• Excitação: produção do campo magnético do motor de corrente contínua.
• Força contraeletromotriz: tensão induzida no induzido pela rotação.
• IGBT: transístor de potência usado no inversor do variador.
• Intertravamento: dispositivo elétrico ou mecânico que impede dois contactores de ligarem ao mesmo tempo.
• Isolamento (resistência de): resistência entre condutores e entre condutores e terra, medida em megaohm.
• Massa: parte condutora acessível de um aparelho, que pode ficar sob tensão em caso de defeito.
• Megaohmímetro: instrumento que mede a resistência de isolamento.
• PE: condutor de proteção, verde-amarelo.
• PWM: modulação de largura de impulsos.
• Placa de características: identificação do motor, com tensões, correntes, potência e velocidade.
• Placa de terminais: caixa com seis bornes, U1-U2, V1-V2 e W1-W2.
• Relé térmico: aparelho de bimetais que protege contra sobrecargas.
• Tipo de diferencial (A, F, B): forma da corrente de defeito que o diferencial deteta; não se confunde com a sensibilidade.
• Retenção (selo): contacto auxiliar que mantém o contactor ligado depois de soltar o botão de marcha.
• Rotor em gaiola: rotor de barras curto-circuitadas.
• Seccionamento: isolamento completo de um circuito, bloqueável, para trabalhos sem tensão.
• Sobrecarga: corrente acima da nominal durante tempo prolongado.
• Sobretensão: tensão acima do valor admitido, de origem atmosférica ou de manobra.
• Nível de proteção (U_p): tensão máxima que um descarregador de sobretensões deixa passar.
• Terra (ligação à): ligação das massas ao solo através do elétrodo de terra.
• Variador de frequência: conversor que alimenta o motor com tensão e frequência variáveis.
• V/f: relação tensão/frequência, mantida constante no controlo escalar.
• Velocidade de sincronismo: velocidade do campo girante, n_s = 60 · f / p.

Síntese

Instalar motores elétricos é um trabalho com fio condutor claro: ler o esquema e a placa, escolher o motor e o método de arranque adequados à máquina e à rede, ligar corretamente a potência (triângulo ou estrela, inversão por troca de duas fases), o comando (retenção, intertravamentos, sinalização) e as proteções (curto-circuito, sobrecarga, terra, sobretensões). O arranque direto é o mais simples mas pede muita corrente; o estrela-triângulo reduz a corrente e o binário a um terço e exige um motor que trabalhe em triângulo à tensão da rede; o arrancador progressivo sobe a tensão por rampa; o variador de frequência regula a velocidade e exige instalação cuidada (blindagem, terra, parametrização com a placa do motor, rampas). Os motores de corrente contínua pedem limitação da corrente de arranque e proteção contra perda de excitação. Antes de energizar, mede-se (isolamento, continuidade, resistência de terra) e, depois, verifica-se o funcionamento (tensões, correntes, velocidade, temperatura). Quando há avaria, diagnostica-se com método, dividindo o circuito e medindo, e regista-se o que se fez. Em todas as fases, aplicam-se as RTIEBT, a Diretiva Máquinas quando for o caso, os EPI, as regras de segurança e saúde no trabalho e a proteção do ambiente. A regra de ouro mantém-se: seccionar, bloquear, verificar a ausência de tensão e só depois trabalhar.

Exercícios resolvidos

1. Um motor tem a placa 230/400 V Δ/Y. A rede é de 400 V entre fases. Como se liga?

Resolução: cada enrolamento suporta 230 V. Em 400 V entre fases, a ligação em estrela põe 400 / √3 = 231 V em cada enrolamento. Liga-se, portanto, em estrela (Y), com a ponte horizontal W2-U2-V2 e a rede em U1, V1, W1.

2. Um motor 400/690 V Δ/Y, de 11 kW, vai ser arrancado em estrela-triângulo numa rede de 400 V. Quais as correntes de arranque, se a corrente nominal for 20,5 A e o arranque direto absorver 7 × I_n?

Resolução: arranque direto: 7 × 20,5 ≈ 144 A. Em estrela, a corrente de linha desce a um terço: 144 / 3 ≈ 48 A. O binário de arranque desce também a um terço.

3. Que contactores e que regulação do relé térmico se usam num arranque estrela-triângulo de um motor de 15 kW com I_n = 27,4 A em triângulo a 400 V?

Resolução: KM1 e KM3: 0,58 × 27,4 ≈ 15,9 A. KM2: 0,33 × 27,4 ≈ 9,0 A. Relé térmico em série com os enrolamentos: regulado a 15,9 A; se estivesse à entrada, regulava-se a 27,4 A.

4. Um motor com 4 polos funciona a 1470 rpm em 50 Hz. Qual é o escorregamento?

Resolução: n_s = 60 × 50 / 2 = 1500 rpm; s = (1500 - 1470) / 1500 = 30 / 1500 = 2 %.

5. Um arrancador progressivo deve limitar a corrente a 3 × I_n, quando o arranque direto seria 6,5 × I_n. Que tensão inicial e que binário inicial resultam?

Resolução: tensão: 3 / 6,5 ≈ 46 %. Binário: (0,46)² ≈ 21 % do binário de arranque direto.

6. Um variador alimenta um motor de 4 polos a 40 Hz. Qual é a velocidade de sincronismo e qual a tensão de saída, com V/f constante a 400 V / 50 Hz?

Resolução: n_s = 60 × 40 / 2 = 1200 rpm. Tensão: 8 V/Hz × 40 = 320 V.

7. Um motor de corrente contínua de 220 V tem R_a = 0,4 Ω. Qual a corrente de arranque direto e que resistência de arranque limita a corrente a 50 A?

Resolução: arranque direto: 220 / 0,4 = 550 A. Para 50 A: R_total = 220 / 50 = 4,4 Ω; R_arranque = 4,4 - 0,4 = 4,0 Ω.

8. Numa instalação TT, o diferencial é de 300 mA e a resistência de terra medida é de 190 Ω. A instalação cumpre a condição de proteção?

Resolução: R_A × I_Δn = 190 × 0,3 = 57 V, superior a 50 V. Não cumpre. O limite seria 167 Ω. Melhora-se a terra (mais elétrodos) ou usa-se um diferencial de 100 mA (limite de 500 Ω).

9. Um motor monofásico zumbe e não arranca, mas roda se lhe dão um empurrão no veio. Qual é a suspeita principal e como se confirma?

Resolução: condensador de arranque ou de funcionamento avariado (aberto ou com capacidade reduzida). Com o motor sem tensão e o condensador descarregado e desligado, mede-se a capacidade e compara-se com o valor da placa.

10. Ao medir um motor trifásico, as correntes são 14,8 A, 15,0 A e 19,4 A, com tensões equilibradas. Qual é a conclusão?

Resolução: média = 16,4 A; desvio máximo = 3,0 A; desequilíbrio ≈ 18 %. Com tensões equilibradas, o problema está no motor (enrolamento com espiras em curto ou resistência diferente numa fase) ou na ligação do motor (mau contacto). Medem-se as resistências dos enrolamentos e verifica-se o aperto dos bornes.

11. Porque é que não se usa o megaohmímetro com o variador ligado ao motor?

Resolução: a tensão de ensaio (500 V CC) é aplicada a condutores ligados à eletrónica de potência, e destrói os semicondutores do variador. Desligam-se os cabos do motor do variador antes de medir o isolamento.

12. Qual a ordem das cinco etapas de segurança antes de trabalhar num motor?

Resolução: seccionar, bloquear contra religação, verificar a ausência de tensão (testando o detetor antes e depois), ligar à terra e em curto-circuito quando aplicável, proteger de partes ativas vizinhas.

13. Um variador suporta impulsos de 2,5 kV e está protegido por um DST com U_p = 1,5 kV. Com 5 kA de descarga e frente de 8 µs, e 1 µH por metro de cabo, qual é o comprimento máximo da ligação para o variador ficar protegido?

Resolução: di/dt = 5000 / 8 = 625 A/µs, logo 625 V por metro. A margem disponível é 2,5 - 1,5 = 1,0 kV = 1000 V, pelo que o comprimento máximo é 1000 / 625 = 1,6 m. Acima disso, a tensão no variador excede os 2,5 kV.