Circuitos electromecânicos

Introdução

Esta UC é o coração da automação clássica industrial — montar, ler e diagnosticar circuitos que combinam componentes electromecânicos (relés, contactores, botoeiras, sensores) para controlar máquinas (especialmente motores). Apesar dos PLCs terem substituído a lógica de relés discreta em muitas aplicações, comando físico de potência continua a usar contactores; e em manutenção encontram-se ainda hoje milhões de circuitos com lógica electromecânica.

Pré-requisitos: UC02864 (Segurança), UC02924-UC02925 (CC/CA), UC02928 (Desenho).

1. Componentes electromecânicos

1.1 Família

1.2 História e evolução

1900-1980: indústria controlada por lógica de relés — milhares de relés ligados em armários enormes. Edifícios inteiros para sistemas Ferrovia, telefonia.

1968+: PLC inventado (General Motors) — substitui lógica discreta por programação. Mais compacto, flexível, manutível.

Hoje: comando de motores (potência real) continua a usar contactores — é a forma fiável de comutar centenas de amperes. Mas a lógica vive no PLC.

Em manutenção encontras: - Máquinas novas: PLC + contactores. - Máquinas antigas: lógica de relés/contactores puramente electromecânica. - Híbridos: PLC controlando contactores, mas com lógica de segurança em paralelo cablada.

2. Relés

2.1 Estrutura

       Bobina (entrada de comando)
          │
        ─⏠─
          │
     Contactos:
       NO (Normally Open)
       NC (Normally Closed)
       SPDT (1 entrada, 2 saídas; alterna)
       DPDT (dupla)

Quando a bobina é energizada (corrente passa), o electroíman puxa armadura que muda o estado dos contactos: - NO fecha (passa a conduzir). - NC abre (deixa de conduzir).

2.2 Tipos

• Sub-miniatura — placa PCB; 1-2 A.
• Industrial socketed — base soquete; 5-15 A; substituível rapidamente.
• Relé de potência — 20-40 A.
• Relé estado sólido (SSR) — sem partes móveis; semicondutores; comutação silenciosa e rápida.
• Reed — contacto em ampola de vidro; raro hoje.
• Latching (biestable) — mantém estado após pulso (sem corrente contínua na bobina).

2.3 Especificações

• Tensão da bobina: 5V, 12V, 24V DC; 110V, 230V AC.
• Corrente nominal dos contactos: 1A, 5A, 10A, 16A, 30A.
• Tensão dos contactos: 24V DC, 250V AC, 380V AC.
• Vida: 100 000 a 10 milhões de operações.

Datasheet do fabricante (Finder, Schneider, Omron) tem tudo.

3. Contactores

3.1 Diferenças do relé

• Maior: cargas industriais (até centenas de amperes).
• Contactos principais (potência) + contactos auxiliares (comando).
• Bobina alimentada por comando 24V ou 230V.
• Mecânica robusta (10 milhões ciclos mecânicos).
• Selecção baseada em norma IEC 60947 com categorias de utilização.

3.2 Anatomia

       Bobina A1-A2 (24V ou 230V)
            │
       ─────⏠─────
       │     │     │
      1-2   3-4   5-6     Contactos principais (potência)
       │     │     │
                          Contactos auxiliares:
                            13-14 (NO)
                            21-22 (NC)
                          Mais auxiliares por adição (LADN10, LADN20, etc.)

Numeração padronizada IEC 60947.

3.3 Categorias de utilização

Exemplo: contactor Schneider LC1D09 — AC3 = 9A → motor 4 kW @ 400V.

Em catálogo aparecem kW por tensão: - LC1D09: 4 kW @ 400V, 2,2 kW @ 230V.

3.4 Selecção

Para escolher contactor: 1. Tipo de carga (AC1, AC3...). 2. Potência ou corrente do motor. 3. Tensão da bobina (24V comando ou 230V directo). 4. Contactos auxiliares necessários para o comando. 5. Marca/fornecedor preferido.

Tabelas de fabricantes (Schneider TeSys, ABB ContacTes) cruzam directamente "motor X kW @ Y V → contactor Z".

4. Relé térmico

4.1 Função

Protege motor de sobrecarga — corrente acima da nominal durante muito tempo (motor a forçar carga, encravamento, sub-tensão...).

4.2 Princípio

Lâmina bimetálica ou sensor electrónico no caminho da corrente do motor. Aquece com I × t. Se I_motor > I_calibrado durante tempo suficiente → contacto NC abre → corta comando do contactor → motor pára.

4.3 Curva de disparo

Curva tempo × corrente "inversa": - 100% I_nominal: não dispara (operação normal). - 110%: dispara em ~horas. - 150%: dispara em ~10 minutos. - 600%: dispara em ~10 segundos.

Suporta o pico de arranque (5-7× nominal por 1-2 segundos) sem disparar.

4.4 Configuração

Roda calibração na frente do relé térmico, ajustar para a corrente nominal do motor (escrita na chapa do motor).

Exemplo: motor 4 kW 400V tem I_nom ≈ 8,5 A. Configurar relé térmico para 8,5 A.

Classes: - Classe 10: dispara em 10s a 600% (padrão). - Classe 20: mais lento (para arranques pesados). - Classe 30: muito lento (raro).

4.5 Conjunto protecção motor

Rede → Disjuntor magnetotérmico → Contactor → Relé térmico → Motor
        (curto-circuito)            (comutação)  (sobrecarga)

Ou usando disjuntor motor protector integrado (Schneider GV2 / ABB MS) que combina disjuntor + relé térmico num único componente — solução moderna e compacta.

5. Arranque de motores

5.1 Arranque directo

Mais simples e mais comum (~70% das instalações).

Potência:
L1 ── F1 ── QF1.1 ── KM1.1 ── F_t.1 ── U
L2 ── F2 ── QF1.2 ── KM1.2 ── F_t.2 ── V    Motor
L3 ── F3 ── QF1.3 ── KM1.3 ── F_t.3 ── W
PE ─────────────────────────────────── PE

Comando 24V:
+24V ── S0(NC) ── F_t.aux ── S1(NO) ──┬── KM1.A1
                                        │
                                        └── KM1.aux NO (auto-retenção)

                            KM1.A2 ── 0V

Vantagens: - Simples, barato, fiável. - Pouca cablagem. - Pouco mantém.

Desvantagens: - Pico de corrente no arranque: 5-7× I_nominal. - Pode disparar disjuntor a montante. - Pode causar quedas de tensão na rede. - Stress mecânico (binário pico).

Aplicação: motores até 7,5 kW; rede robusta; cargas leves no arranque.

5.2 Inversão de marcha

Trocar 2 das 3 fases inverte sentido de rotação do motor 3F.

2 contactores (KM_F forward + KM_R reverse), cada um com cablagem própria das fases.

Inter-bloqueio crítico: nunca ambos fechados (curto-circuito entre 2 fases).

Comando (com inter-bloqueio):

Forward:
+24V ── S0 ── KM_R.NC ── S_F(NO) ──┬── KM_F.A1
                                     │
                                     └── KM_F.aux NO

Reverse:
+24V ── S0 ── KM_F.NC ── S_R(NO) ──┬── KM_R.A1
                                     │
                                     └── KM_R.aux NO

KM_F.A2 e KM_R.A2 ── 0V

Operação: parar primeiro com S0, depois premir direcção desejada. Direct switching entre F e R não é permitido (não há lógica para fazer paragem intermédia automaticamente).

Reforço: inter-bloqueio mecânico — alavanca física entre KM_F e KM_R impede mecanicamente ambos fecharem.

5.3 Estrela-triângulo (Y-Δ)

Reduz pico de corrente arranque de 5-7× para 2-3×.

Princípio: motor 3F com bobinas dimensionadas para 400V por bobina (configuração triângulo). Em arranque, ligá-lo em estrela → cada bobina recebe 230V (= 400/√3) → corrente arranque reduzida. Após acelerar → comuta para triângulo → 400V por bobina → potência nominal.

3 contactores: - KM1 — principal (sempre ligado durante operação). - KM_Y — estrela (ligado nos primeiros 3-10 segundos). - KM_D — triângulo (substitui KM_Y após arranque).

Temporizador KT (3-10s, configurável) controla a transição.

Sequência: 1. Premir start. 2. KM1 + KM_Y activam → motor em estrela. 3. Após T (KT): KM_Y desactiva, pequeno intervalo de transição (~50 ms), KM_D activa → motor em triângulo (operação normal).

Aplicação: motores 7,5-30+ kW; redes onde pico arranque é problema; cargas com inércia (ventiladores, bombas).

Limitação: durante arranque em Y, motor só tem 1/3 do binário nominal — não funciona se carga arranca pesada.

Hoje em dia substituído por: arranque suave electrónico (soft-start) ou variador de frequência (VFD).

5.4 Outros arranques

• Arranque por resistências — adicionar resistências em série com motor durante arranque; retirar progressivamente.
• Arranque por auto-transformador — fornece tensão reduzida durante arranque.
• Soft-start electrónico — variador electrónico controla tensão de arranque suavemente.
• VFD (Variador de Frequência) — controlo total da velocidade durante toda a operação. Padrão moderno.

6. Temporizadores

6.1 Tipos

On-delay (Timer-NO): temporiza antes de fechar contacto após energizar a bobina. - Estado inicial: contacto aberto. - Energiza bobina → conta tempo T → contacto fecha. - Desenergiza → contacto abre imediatamente.

Off-delay (Timer-OFF): mantém contacto X tempo após desenergizar. - Energiza → contacto fecha imediatamente. - Desenergiza → conta T → contacto abre.

Pulse (Timer-PULSE): fecha contacto por X tempo após energizar; depois abre automaticamente.

Cyclic (Timer-CYC): liga/desliga ciclicamente com X tempo on, Y off.

6.2 Aplicações

• Estrela-triângulo — on-delay para comutar Y→D.
• Sequenciamento de máquinas — passar de uma fase à seguinte após tempo.
• Iluminação temporizada — corredores, escadas.
• Refrigeração após desligar — ventilador continua X minutos para arrefecer motor.

6.3 Em PLC

Em automação moderna, temporizadores são funções de software no PLC. Mas em sistemas pequenos sem PLC, relé temporizador físico (Crouzet, Finder) é mais barato e fiável.

7. Sensores

7.1 Tipos

7.2 Saídas

Mecânicas (NO/NC) — contactos físicos como num relé. Usado em fim-de-curso.

Electrónicas (PNP/NPN): - PNP: sensor "fornece" +24V à carga quando activo. - NPN: sensor "puxa" para 0V quando activo.

Em PLC moderno: tipicamente PNP (corrente saindo do sensor para a entrada do PLC).

7.3 Aplicações no comando

Paragem de emergência por fim-de-curso:

+24V ── S0 ── B_fim_curso(NC) ── S1 ──┬── KM1.A1
                                        │
                                        └── KM1.aux NO

Se o sensor B detecta peça em posição limite (sobrecurso),
contacto NC abre → KM1 desactiva → motor pára imediatamente.

Sensores são olhos da automação electromecânica.

8. Esquemas funcionais e GRAFCET

8.1 Diagrama funcional

Mostra sequência de funções numa máquina:

[Início] → [Carregar peça] → [Furação] → [Saída] → [Descarregar] → [Volta]

Cada passo dispara o seguinte com confirmação por sensor.

8.2 GRAFCET (IEC 60848)

Norma para diagramas sequenciais. Combina: - Estados (rectângulos) com acções. - Transições (linhas) com condições.

    ┌───┐
    │ 1 │  Estado inicial (espera)
    └─┬─┘
      │ "premiu START"
      │
    ┌───┐
    │ 2 │  Carregar peça
    └─┬─┘ Acção: KM_carregar activo
      │
      │ "B_peça_em_posição = 1"
      │
    ┌───┐
    │ 3 │  Furar
    └─┬─┘ Acção: KM_motor_furo activo
      │
      │ "B_fim_furo = 1"
      │
    ...

Cada estado tem acções; transições têm condições (sensores, tempos).

8.3 Implementação

GRAFCET pode ser implementado: - Cablado com relés (complexo para muitos estados). - PLC — directamente programável em Ladder ou Sequencial.

Em projecto moderno: desenhar GRAFCET → programar em PLC.

9. Diagnóstico em campo

9.1 Multímetro

• V DC 24V no comando — verificar alimentação.
• Continuidade em contactos quando suposto fechado.
• Resistência da bobina (200-2000 Ω típico) — ∞ = bobina partida.

9.2 Sintomas comuns

9.3 Manutenção preventiva

• Inspecção visual periódica do quadro.
• Limpeza (pó, sujidade).
• Verificar aperto de bornes (afrouxam com vibração térmica).
• Substituir contactores ao atingir 70% da vida nominal.
• Calibração anual de relés térmicos.
• Termografia para detectar pontos quentes (mau contacto, sobrecarga).

10. Liga a outras UCs

• UC02864 — segurança eléctrica em qualquer trabalho.
• UC02928 — esquemas que estamos a implementar.
• UC02925 — base trifásico de motores.
• UC02867 — manutenção dos componentes.
• UC02940 — PLC substitui lógica electromecânica em comando.

11. Conclusão

Circuitos electromecânicos são o músculo da automação industrial. Mesmo na era do PLC, contactores continuam a comutar a potência real para os motores. Saber montar, ler, diagnosticar sistemas com relés/contactores é competência essencial.

Pratica com montagem real em quadros didácticos — não basta ler esquemas.

Apêndice A · Cheat sheet

Componentes:
  K = relé / contactor
  KT = relé temporizador
  Q = disjuntor
  F = fusível
  S = comutador / botoeira
  M = motor
  B = sensor

Categorias contactor:
  AC1 = resistivo, I_nominal
  AC3 = motor padrão
  AC4 = motor jogging, reduzir 50%

Arranque motor:
  Directo: < 7,5 kW
  Estrela-triângulo: 7,5-30 kW (reduz pico 5-7× para 2-3×)
  Soft-start: alternativa moderna
  VFD: total controlo, padrão moderno

Inter-bloqueio inversão:
  KM_R.NC em série com KM_F.A1
  KM_F.NC em série com KM_R.A1
  Sem isto: curto-circuito entre fases na inversão.

Apêndice B · Recursos

• Schneider TeSys — catálogo contactores e arrancadores.
• ABB ContacTes — equivalente.
• Finder, Omron — relés industriais.
• IEC 60947 — norma componentes baixa tensão.
• IEC 60848 — GRAFCET.
• Norma RTIEBT — Portugal.