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Revista O Setor Elétrico


Atitude Editorial

 

 

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Relés e contatores

Edição 45, Outubro de 2009

Por Lívia Cunha

Os relés eletromagnéticos e contatores têm funções semelhantes, mas, com características próprias, se diferem em comportamento e aplicação. Conheça mais sobre eles e suas peculiaridades nesta radiografia.

Para falar de relés e contatores, que são os equipamentos radiografados dessa edição, é necessário retornarmos cerca de 180 anos na história das invenções elétricas. Relés eletromagnéticos e contatores têm origem nos estudos de eletroímãs e campos eletromagnéticos das primeiras décadas do século XIX. São equipamentos eletromecânicos que funcionam à base da excitação elétrica de seus componentes.

O Dicionário Brasileiro de Eletricidade classifica contator como um dispositivo mecânico de manobra de operação não manual, que tem uma única posição de repouso e é capaz de estabelecer, conduzir e interromper correntes em condições normais do circuito. Enquanto isso, relé é um dispositivo elétrico que tem como objetivo produzir modificações súbitas e predeterminadas em um ou mais circuitos elétricos de saída, quando certas condições são satisfeitas nos circuitos de entrada que controlam os dispositivos.

Entre os anos de 1820 e 1830, o cientista norte-americano Joseph Henry estudava a ação dos eletroímãs, dispositivos que utilizam correntes elétricas para gerar campos magnéticos, a exemplo dos campos existentes nos ímãs naturais, quando, simultaneamente a Michael Faraday, descobriu o fenômeno da indução eletromagnética. Faraday, entretanto, ficou com o crédito pela descoberta. Como consequência dos estudos, a Henry foi creditada a invenção do primeiro relé eletromagnético.

Os estudos sobre eletroímãs que confluíram na criação de relés e contatores por Henry e outros cientistas foram continuidade das pesquisas realizadas pelo físico dinamarquês Hans Christian Oersted, quem descobriu que eletricidade e magnetismo estavam intimamente ligados. Oersted percebeu que correntes elétricas poderiam criar campos magnéticos, constituindo as bases do eletromagnetismo. O funcionamento de diversos equipamentos importantes para as nossas instalações atuais, como relés, contatores, geradores, motores, é baseado nesse fenômeno físico.

Apesar de Joseph Henry ser considerado o criador do relé eletromagnético, foi só quase 50 anos após sua morte, em 1878, que esse dispositivo passou a ser utilizado em larga escala. O uso comercial do relé foi iniciado pelo inventor americano Samuel Morse com a criação do telégrafo, em 1937. O equipamento, um sistema de comunicação e transmissão de informação gráfica a longa distância, utilizava um eletroímã para funcionar, como o desenvolvido por Joseph. “Este foi o primeiro relé eletromecânico, que foi utilizado durante muitos anos e é largamente utilizado até hoje”, relata o engenheiro eletricista e diretor comercial da Finder Componentes, Juarez Guerra.

A esse relé eletromagnético é dado o nome popular de “tudo ou nada”. A partir da metade do século XX, influenciado pelo desenvolvimento tecnológico, começaram a surgir outros tipos de relés no mercado elétrico. Na década de 1950, apareceram os relés de estado sólido, também chamados de SSR. Diferente dos eletromecânicos, que têm contatos que se movimentam durante a operação do relé, o que naturalmente reduz a vida útil do dispositivo pelo desgaste das peças, o relé de estado sólido é um dispositivo eletrônico que não tem partes móveis para funcionar, utiliza elementos da elétrica, eletrônica, ótica dos materiais semicondutores e dos componentes elétricos.

Poucos anos depois, em 1954, o italiano Piero Giordanino criou o relé de impulso, também conhecido como telerruptor ou relé de passo, uma variação do relé eletromecânico. Este dispositivo, muito utilizado em instalações residenciais e comerciais, permite uma programação variável de atuação do equipamento, feita por meio de cames – peça mecânica semelhante a uma roda dentada –, tem até dois contatos e pode realizar diferentes sequências de acionamento, de acordo com a programação.

Os relés são classificados quanto à tecnologia empregada na sua construção. Os eletromecânicos, por exemplo, são chamados relés de primeira geração. Nas décadas de 1950 e 1960 foram desenvolvidos os primeiros relés da chamada segunda geração. O engenheiro eletricista e professor doutor da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (Poli/USP) José Antônio Jardini conta que foi nesse período que “os relés começaram a ser feitos com eletrônica, mas fazendo as mesmas coisas que um eletromecânico fazia. Foi quando surgiram os relés da segunda geração”. Esses dispositivos utilizavam eletrônica analógica como princípio de funcionamento, quando surgiram os SSR.

Nas décadas de 1980 e 1990 surgiram os relés digitais, chamados de terceira geração, que trabalham com microcomputadores e, por meio desses, analisam os sinais e as informações digitais para fazer a manobra de um circuito.

O engenheiro eletricista e consultor Hilton Moreno conta que “há um avanço no uso cada vez mais acentuado de relés eletrônicos em substituição aos eletromecânicos”. Por isso, esses dispositivos são a principal tendência para o mercado de relés. O engenheiro eletricista Hamilton Nicoletti, do Controle de Qualidade da Pextron, comenta que “os relés digitais hoje produzidos oferecem grandes vantagens se comparados aos relés eletromecânicos, possibilitam coordenação do sistema de proteção e melhor sensibilidade devido os ajustes melhores e mais precisos que essa tecnologia proporciona”.

Os avanços tecnológicos que os relés sofreram foram sentidos também pelos contatores. Inicialmente eletromecânicos, depois vieram os SSR e mais recentemente os eletrônicos. Os dois produtos radiografados nessa edição têm funcionamento semelhante e estrutura parecida, mas são equipamentos distintos. Apesar de serem originalmente dispositivos eletromecânicos, que tem a função de comandar a manobra de circuitos, a operação dos dois é distinta.

Hilton Moreno explica que “ambos atuam no circuito em que estão instalados, abrindo e fechando cargas. Mas, enquanto o contator atua basicamente pelo princípio eletromagnético, embora existam contatores de estado sólido também, o relé pode atuar por eletromagnetismo, calor (relés térmicos), luz (relés fotoelétricos), movimento (relés de presença), etc. É praticamente como se o contator fosse um exemplo de relé eletromagnético, enquanto que existem diversos relés que atuam por outros princípios”.

Tanto relés quanto contatores são dispositivos de manobra de cargas, construídos e certificados a partir de normas específicas para cada um deles. Juarez Guerra, da Finder, ressalta alguns outros pontos de diferenciação desses dois dispositivos elétricos: “basicamente um contator tem a função de chaveamento de cargas importantes, já os relés são destinados à multiplicação de sinais”.

 

Relés

 

O relé é um dispositivo elétrico destinado a produzir modificações súbitas e predeterminadas em um ou mais circuitos elétricos de saída, quando alcançadas determinadas condições no circuito de entrada, que controla o dispositivo. Assim, o relé não possui a função de interromper o circuito principal, mas sim de fazer atuar o seu sistema de manobra.

Esse equipamento, quando ligado a uma instalação, tem como função permitir o funcionamento de outros aparelhos conectados ao mesmo ou em outro circuito elétrico que estejam ligados ao relé, devido a uma alteração nas condições do equipamento pela passagem da corrente elétrica. Funciona como uma chave automática comutadora que atua pela alteração de algumas variáveis predeterminadas como temperatura, corrente elétrica, ar e campo magnético.

Os relés eletromecânicos são utilizados para controlar o fluxo de correntes e são comumente aplicados em instalações industriais de baixa tensão. Apesar disso, Nicoletti, da Pextron, ressalta que “existem relés para baixa, média e alta tensão e que é necessário especificar”.

Os relés podem ser encontrados em automação predial, em sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, em máquinas e equipamentos em geral. Como esses equipamentos são componentes construtivos de manobras de motores, é por meio destes que os relés estão presentes em outros ambientes como residências, comércios e automóveis, atuando no controle de circuitos elétricos, permitindo a ligação, o desligamento ou a alteração do circuito dependendo de sua ligação.

Com funcionamento simples, mas de vital importância para a atuação dos equipamentos elétricos, os relés eletromecânicos, baseados no princípio eletromagnético, são compostos, de modo geral, por um eletroímã, em forma de bobina; uma armadura metálica, que possa ser atraída pelo campo magnético criado pelo eletroímã; uma mola e um conjunto de contatos elétricos, que serão abertos, fechados ou comutados, conforme a configuração de cada relé. Quando a corrente elétrica percorre a bobina e dá origem a um campo magnético, a armadura é atraída por essa força que altera a posição dos contatos, abrindo, fechando ou comutando, dependendo da posição e do tipo de relé, fazendo o dispositivo atuar. Quando a corrente da bobina é interrompida, o campo magnético se anula e os contatos, pela ação da mola, retornam à posição original.

A bobina é o principal componente do relé porque a operação do relé só acontece se o campo magnético for gerado em torno dela, com a ação de passagem da corrente elétrica, quando o relé é energizado. Quando o campo é formado, os contatos móveis alteram seu estado inicial, que são, em geral, normalmente abertos ou normalmente fechados. É comum ainda que os relés contenham invólucros protetores em volta do conjunto de componentes dos dispositivos.

Além de funcionar como um interruptor eletromecânico que faz a ligação e o desligamento de dispositivos elétricos, um relé pode ser ligado a dois circuitos diferentes e fazer a comutação de cargas de um para o outro. Em geral, os relés são usados para retransmissão de sinais, especialmente os eletromecânicos, que podem ter de um a oito contatos. “Já os relés de estado sólido não possuem contatos, conduzem a corrente em função de um sinal (tensão) na sua entrada”, comenta Guerra.

Princípio construtivo de um relé de sobrecarga bimetálica

Tipos

 

Além de serem eletromagnéticos, de estado sólido ou digitais, os relés podem funcionar devido a diferentes componentes e assumir, assim, diversos tipos construtivos, mesmo entre os formatos mais tradicionais, no caso dos eletromecânicos. Além disso, o número de contatos pode variar bastante. Os tipos mais comuns de relés são os eletromagnéticos, cujo sistema de funcionamento já foi explicado.

O engenheiro e gerente de marketing de produto da Siemens, Olimpio Correa, relata que os relés podem ser do tipo que atuam em sobrecorrente (de sobrecarga ou de curtocircuito) ou relés que atuam diante de uma variação inadmissível de tensão. Segundo ele, “os relés de sobrecarga, por razões construtivas, podem ser térmicos (quando atuam em função do efeito Joule sobre sensores bimetálicos) ou eletrônicos (podendo assumir adicionalmente outras funções, como supervisão dos termistores – componentes semicondutores – ou da corrente de fuga)”.

A exemplo dos outros tipos, os relés podem ser construídos com princípio de atuação térmica, pneumática ou de impulso. Nesse caso, outras variáveis são responsáveis pela operação do dispositivo. No relé térmico, como citado por Correa, ao invés de a ação do campo magnético ser a responsável pela operação do aparelho, é a temperatura que o faz. Quando uma determinada temperatura predefinida é atingida, o relé dispara. Essa elevação térmica pode ser provocada, por exemplo, por uma corrente de sobrecarga ou de curto-circuito.

Nesse tipo de dispositivo, o elemento sensor da temperatura é uma lâmina bimetálica, composta por dois ou mais metais trefilados com diferentes coeficientes de dilatação. Quando os metais são aquecidos, eles dilatam de maneira diferente entre si, provocando uma deformação entre as lâminas. Essa deformação faz com que o bimetal seja curvado, os contatos móveis alteram suas posições iniciais e o relé atua.

Já no pneumático, sua operação é provocada pelo esgotamento do ar, também em um dado período de tempo, existente no ambiente em que o relé se encontra. Para que o equipamento opere com o escoamento do ar são utilizados temporizadores para controle ambiente.

Existem ainda os relés de impulso que são uma variação de um relé eletromagnético. Com o mesmo funcionamento de um dispositivo eletromecânico, o de impulso não necessita que bobina fique sempre energizada para mudar o estado de seus contatos. Para isso, o equipamento precisa de apenas um pulso de tensão, pois não é o campo magnético que faz com que os contatos permaneçam comutados, mas sim a catraca mecânica.

O engenheiro Juarez Guerra explica que as principais aplicações de relés de impulso, que este ano completa 55 anos de invenção, são em instalações de uso comercial e residencial. “A aplicação de relés de impulso em outros países em especial na Europa é muito grande. Aqui no Brasil estamos iniciando a aplicação deste produto principalmente em sistemas de automação ou pré-automação residencial.”

 

Componentes

 

Os relés são formados basicamente de um eletroímã, uma armadura, uma mola e um conjunto de contatos elétricos. A composição, os materiais utilizados e a forma construtiva desses elementos determinam a eficiência e a atuação do dispositivo. A bobina do relé, por exemplo, é enrolada com um fio esmaltado. A espessura do fio e o número de são características de cada relé. De forma geral, nos relés mais sensíveis, nos quais circulam correntes elétricas baixas, existem milhares de espiras de fios esmaltados muito finos.

A armadura, por sua vez, deve ser de um material metálico que possa ser atraído pelo campo magnético gerado pela corrente. Em geral, são utilizados materiais ferromagnéticos flexíveis. Nela, podem ser acopladas articulações e molas para garantir mobilidade à peça. Enquanto isso, os contatos, que variam de número e disposição de acordo com a aplicação do relé, devem ser de materiais condutores resistentes para suportarem possíveis altas correntes. É comum a utilização de materiais como cobre, prata e tungstênio.

“O dimensionamento correto de todos os componentes, material utilizado, como cobre, elastômeros de qualidade, núcleo de ferro de boa qualidade, assim como material do contato (que podem ser entre outras, de prata níquel ou prata mais oxido de cádmio) garantem uma boa performance do relé”, explica Guerra.

Esses contatos podem ser de algumas formas diferentes, garantindo aos relés diversas configurações, que podem ser divididos em três grupos de contatos: contato NA ou normalmente aberto; contato NF ou normalmente fechado; e contato comum ou central, também chamado de contato C.

Relés que têm contatos NA são aqueles em que os contatos estão abertos, ou seja, desligados, quando a bobina não está energizada. No momento em que a corrente elétrica começa a percorrer a bobina, os contatos se fecham e o relé começa a operar. A utilização de dispositivos com contatos normalmente abertos é feita quando se quer ligar uma carga externa a partir da energização da bobina.

Os normalmente fechados, ao contrário, têm seus contatos fechados, ou seja, ligados, quando o relé está desenergizado. Quando a bobina recebe corrente elétrica, os contatos se abrem e interrompem a circulação de corrente pela carga externa. Usa-se esse tipo de relé para desligar uma carga externa ao fazer uma corrente percorrer a bobina do relé.

O central, ou C, é o contato comum dos relés. No momento em que o contato NA fecha, e a circulação de corrente por ele é interrompida, é com o C que se estabelece a condução elétrica, da mesma forma pode ser feito com o NF. Esse tipo de contato é comum aos normalmente fechados e normalmente abertos, por isso, contato C.

Esquema construtivo de um relé eletromecâmico

Vantagens

 

Cada dispositivo elétrico deve ser aplicado em uma instalação dimensionada para ele, levando em conta as características e as peculiaridades de cada circuito. Mas, em termos gerais, existem algumas vantagens em utilizar relés ao invés de outros equipamentos elétricos com ação semelhante. Uma dessas é que eles podem ser energizados com correntes muito pequenas, comparada à corrente que o circuito controlado utiliza nominalmente. Dessa forma, eles são utilizados para controlar correntes elétricas de grande intensidade usando uma pequena corrente elétrica. Isso é importante porque em muitas aplicações o valor de corrente circulante é tão alto que o controle com outros tipos de dispositivos elétricos ficaria. Essa característica permite que circuitos de altas correntes sejam controlados diretamente.

Um relé permite ainda que seja acionado mais de um circuito ao mesmo tempo com um único sinal. Entre outras características do dispositivo, pode-se destacar que os sinais de saída são isolados e independentes dos sinais de entrada; a tensão da bobina pode ser diferente, muito menor que a dos contatos; além de poder controlar sinais de corrente contínua por meio de tensão alternada, assim como o inverso.

CONTATORES

 

Como um dispositivo mecânico de manobra, o contator pode estabelecer, conduzir e interromper correntes elétricas em condições normais de cargas como motores, iluminação, banco de capacitores, resistências e circuitos auxiliares, etc. Assim, a partir de um circuito de comando, ele faz o controle de cargas em um circuito de potência.

“O contator é o dispositivo de manobra mais utilizado na indústria e nas instalações elétricas prediais, sejam públicas ou privadas. É um dispositivo de manobra que permite, por exemplo, a partida direta de motores assíncronos trifásicos, suportando uma corrente de partida várias vezes maior que a designada”, conta Olimpio Correa.

Assim como os relés, estes também são chaves originalmente eletromagnéticas que, com o processo de evolução tecnológica que a área técnica experimentou em meados do século passado, desenvolvendo e aprimorando a eletrônica, passaram a ser fabricados também com sistema de funcionamento eletrônico, como no caso do contator de estado sólido, por exemplo.

Os contatores são constituídos para realizarem um elevado número de manobras em corrente nominal. Esse número, para contatores mecânicos, varia conforme o tipo de carga ligada ao dispositivo, especialmente devido aos efeitos de arco sobre as peças de contato durante a operação e ao desgaste dos contatos.

Visão de corte de um contador de potência

Funcionamento e componentes

 

Os contatores também são divididos em eletromecânicos e eletrônicos. Compostos por contatos móveis, os eletromecânicos podem ser divididos em dois tipos principais: os contatores auxiliares e os de potência, classificação relacionada à disposição de seus contatos no dispositivo. O primeiro é utilizado para ligar e desligar circuitos de comando, sinalização, controle, interface com processadores eletrônicos, etc., enquanto o de potência é usado como chave de ligação e desligamento de motores e outras cargas elétricas.

Olimpio Correa, da Siemens, relata que “os contatos principais são a parte mais delicada do contator e são construídos com ligas de prata especiais. Dessa forma, garante-se não somente uma manobra efetiva, mas também uma vida útil muito elevada, evitando que os contatos se grudem ou se destruam durante seu funcionamento normal”.

O funcionamento padrão dos contatores dá-se da seguinte forma: quando a bobina eletromagnética é energizada, forma-se um campo magnético que se concentra na parte fixa do dispositivo e atrai o núcleo móvel, onde estão localizados os contatos móveis, que, por consequência, também são deslocados. O comando da bobina é feito por meio de uma botoeira com duas posições, que tem seus elementos ligados à bobina. A velocidade de fechamento dos contatos é uma junção da força proveniente da bobina e da força mecânica das molas de separação que atuam em sentido contrário. As molas de compressão são também as responsáveis pela velocidade de abertura do circuito, quando a alimentação da bobina cessa.

Os contatos principais tem como função estabelecer e interromper correntes elétricas de motores e chavear cargas resistivas ou capacitivas. No contato são utilizadas placas de prata. Enquanto isso, os contatos auxiliares são utilizados para comutar circuitos auxiliares de comando, sinalização e intertravamento elétrico. Esses contatos podem ser normalmente aberto, ou NA, ou normalmente fechado, chamado de NF, assim como nos relés.

Os componentes do contator ficam alojados no interior da carcaça que é constituída de duas partes simétricas (tipo macho e fêmea), unidas por meio de grampos, e, normalmente, fabricadas a partir de plásticos de engenheira. No Brasil, esses equipamentos, desde seus componentes até sua montagem, são elaborados conforme a norma ABNT NBR IEC 60947-4-1:2008 - Dispositivo de manobra e controle de baixa tensão - Parte 4-1: Contatores e partidas de motores - Contatores e partidas de motores eletromecânicos.

As vantagens de utilização de contatores ficam por conta do comando à distância, do elevado número de manobras, da grande vida útil mecânica, do pequeno espaço para montagem e da tensão de operação de 85% a 110% da tensão nominal prevista para contator. Mas assim como qualquer outro dispositivo elétrico, sua seleção para uma dada instalação deve levar em conta as particularidades do circuito. Para especificar um contator, é preciso considerar a corrente nominal do dispositivo, a tensão e a frequência da rede, a tensão e frequência de acionamento e a quantidade de contatos auxiliares, fazendo uma previsão de que como o contator irá operar.


55 anos do relé de impulso

 

“Empregamos então muita energia e, naturalmente, um considerável período de estudo e projeto”, Piero Giordanino, relatando o período anterior à invenção do relé de impulso.

O relé de impulso, também chamado de telerruptor ou relé de passo, foi criado em 1954 pelo italiano Piero Giordanino, presidente da Finder Componentes. Neste ano, completa 55 anos de criação. Desde o lançamento do produto, entretanto, o equipamento teve sua construção muito alterada da original, apesar de manter o princípio de funcionamento.

Giordanino, em entrevista à revista O Setor Elétrico, contou que, nesses 55 anos, “aconteceu uma evolução e uma mudança total no nível tecnológico. Os relés atuais Série 20, 26 e 27 são completamente diferentes dos relés que construímos com as primeiras patentes. Surgiram muitas melhorias ditadas no progresso da tecnologia, da exigência dos usuários, do surgimento de novas normas e homologações”.

O relé de impulso tem o mesmo princípio de funcionamento de um relé eletromecânico, porém, não precisa que sua bobina fique sempre energizada para mudar o estado de seus contatos. Para que essa mudança aconteça ele utiliza apenas um pulso de tensão. Isso é possível porque não é o campo magnético que faz com que os contatos permaneçam comutados, mas sim a catraca mecânica do dispositivo. Além disso, permite uma programação variável de operação. Com até dois contatos, pode operar tanto em corrente contínua quanto em alternada.

O diferencial que o relé de impulso trouxe à área de instalações elétricas na metade do século XX foi ter um “novo tipo de circuito, com ligação comum interna (jumper), e uma mudança mecânica dos componentes internos do relé através de uma mola”, relata Giordanino. “Este tipo de inovação mecânica substituiu os velhos relés que possuíam o mecanismo acionado por gravidade”, conta. Assim, “os instaladores e eletricistas também passaram a usufruir da grande vantagem de poder instalar o relé em qualquer posição (primeiramente o funcionamento por ‘gravidade’ obrigava o instalador a posicionar o relé verticalmente).”

Apesar do lançamento do produto na década de 1950, Piero comenta que o conceito do relé de impulso já existia antes disso. Mas só depois de muito tempo de estudo e projeto, o protótipo ganhou forma. Logo no ano do lançamento do relé já foram iniciados projetos para melhorar o equipamento apresentado. Por isso, o fato de o produto final ser diferente do original é encarado como um processo de evolução natural.

E sse tipo de relé é muito utilizado no setor civil, em instalações comerciais e residenciais, em circuitos de iluminação. Podem ser empregados em outros campos, como em alarmes e acionamento de bombas. Além disso, Giordanino ressalta que, como “não são produtos para uso tipicamente industrial e então, para qualquer aplicação devem-se respeitar os dados reportados em catálogo”.

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