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Como Funciona a Tecnologia a Rele

2018-05-26T16:41:47+00:00 By |Categories: Automação Industrial|0 Comentários

O rele eletromecânico é usado como um módulo de interface entre periféricos de processo e equipamentos de controle, sinalização e regulagem para adequação de nível e de potência. Basicamente, o rele eletromagnético se divide em dois grupos principais, rele monoestável e biestáveis.

No rele de corrente contínua ou alternada monoestável, os contatos retornam automaticamente à posição de descanso após desligamento da excitação. Já no rele biestável, os contatos permanecem na posição de ligação momentânea, após desligamento da corrente de excitação.

Os dados documentados de rele se baseiam nas condições de teste e critérios de concepção conforme IEC 61810. Na montagem de relés em bases de trilhos DIN ou em placas de circuito impresso podem surgir dados divergentes e eventualmente limitados pois o rele pode possuir uma grande variedade de parâmetros tais como:

  • duração de ligação
  • corrente de carga
  • tensão de entrada
  • disposição de montagem estanque
  • dissipação de calor para o ambiente, bem como o layout em aplicações de placa de circuito impresso.

rele de interface eletromecanico estrutura

1 – Lado de Excitação

Ligações de Entrada e Tipos de Tensão

Dependendo do rele aplicado e do tipo de tensão de controle, existem várias ligações de entrada. Em caso de utilização de rele de tensão alternada (entrada CA), o circuito de entrada se restringe geralmente a uma indicação óptica do estado de ligação. Caso não haja nenhuma outra indicação, a frequência da tensão de controle é de 50/60 Hz.

rele AC montagem basica de rele com entrada ac

Figura – Montagem básica de rele com entrada AC

Com uma entrada CC (corrente contínua), o diodo de freewheeling é acrescentado como o elemento de ligação mais importante. Ele limita as tensões de desligamento indutivas que surgem na bobina a um valor de aprox. 0,7 V, que é inócuo para o sistema eletrônico de comando conectado.

Uma vez que o diodo de freewheeling cumpre sua função apenas com conexão de tensão com polaridade correta, é ligado no circuito de entrada mais um diodo de proteção contra inversão de polaridade.

rele cc montagem basica de rele com entrada dc

Figura – Montagem básica de rele com entrada CC

Para operação com tensões contínuas ou alternadas é ligado um retificador de ponte ao circuito de entrada. Os diodos adotam
simultaneamente o mesmo sentido, a função de supressão e de proteção contra inversão de polaridade. A tensão de desligamento da bobina é limitada a aprox. 1,4 V

Para proteção da ligação de entrada contra sobretensões, independente do tipo, é ligado ainda um varistor antes do retificador de ponte.

rele cc / ca montagem basica de rele com entrada cc ca

Figura – Montagem básica de rele com entrada CC / CA

Relés remanescentes biestáveis com enrolamento duplo são operados exclusivamente com tensão contínua. No lado de excitação, estes tipos de rele são equipados com três conexões para bobina. Além da conexão conjunta, existe uma respectiva conexão para “set” e uma conexão para “reset” e estas são controladas apenas com impulsos breves. Assim, os relés praticamente não se aquecem. Não é permitido o controle simultâneo de ambas as entradas de comando.

O rele biestável se distingue entre tipos com ligação negativa (N) e com ligação positiva (P), de acordo com a polaridade dos diodos supressores e de proteção contra inversão de polarização.

rele biestável montagem basica de rele com entrada biestavel 400x416

Faixa de tensão de operação

A temperatura ambiente que predomina no local de aplicação tem influência decisiva sobre alguns dos parâmetros operacionais do releCom o aumento da temperatura ambiente, se elevam as tensões de acionamento e desacionamento devido ao aquecimento do enrolamento da bobina. Ao mesmo tempo se reduz a tensão de bobina máxima permitida, de modo que a área de trabalho útil é restringida.

O próximo diagrama exibe o comportamento principal da tensão de operação em função da temperatura ambiente onde:

I: Tensão máxima permitida com 100% de duração de ligação (ED) e manutenção da temperatura limite da bobina

II: Corrente de arranque mínima

Tensões e correntes parasitas no lado da bobina

A operação segura de um rele pode ser perturbada por tensões parasitas indutivas ou capacitivas, que se acoplam em cabos de
alimentação compridos da bobina do rele. Se a tensão acoplada for maior que a tensão de desacionamento requerida na “norma de relé” IEC 61810-1, então, em casos extremos, o relé não poderá mais rearmar.

rele curva evolucao tensao rele

Figura – Evolução básica da tensão operacional de um rele.

A tensão de desacionamento no relé DC é de ≥ 0,05 x UN e no relé AC é de ≥ 0,15 x UN.

As mesmas interferências podem surgir se um rele com potência de entrada baixa for acionado por um módulo eletrônico com saída de tensão alternada de RC. A corrente de fuga típica de tais elementos RC, geralmente de alguns mA, fornece potência de controle suficiente para que o relé ligado a jusante não acione ou nem possa ser desacionado.

O nível de interferência de tensões parasitas existentes pode ser reduzido com a ajuda de uma ligação paralela de um elemento RC à bobina de rele. Mediante esta medida, a tensão parasita é submetida a uma carga adicional capacitiva e falha.

rele supressor rele supressor

Figura – Elemento supressor RC externo contra acoplamentos de tensão

Para o dimensionamento do elemento RC se recomendam os seguintes valores:

– R = 100 até 220 Ω
– C = 220 até 470 nF

2 – Lado de Contato, Materiais de Contato

A diversidade de aplicações em várias áreas da indústria torna necessária a adaptação dos relés a várias tarefas, mediante a seleção do material apropriado para o contato.

Os valores de tensão, corrente e potência são importantes para a qualificação dos materiais de contato. Outros critérios são:

  • resistência de contato,
  • resistência à corrosão,
  • migração de material,
  • tendência à soldagem,
  • influências químicas.

Estes critérios ajudam na alocação de vários materiais de contato, na maioria dos casos ligas de metais preciosos, às áreas de aplicação apropriadas. 

Circuito de proteção de contato

Cada consumidor elétrico representa um misto de cargas ôhmicas, capacitivas e indutivas. e durante a ligação destas cargas pode ocorrer uma carga mais ou menos grande para o contato de ligação e um circuito de proteção de contato adequado pode reduzir esta carga.

Dado que, na prática, são predominantemente usados consumidores com grande percentagem indutiva, como contatores, válvulas magnéticas, motores etc., estes serão tratados detalhadamente abaixo. Devido à energia armazenada na bobina, ocorrem picos de tensão com valores até alguns milhares de volts durante o desligamento.

No contato ligado, estas tensões elevadas provocam um arco voltaico, que pode destruir o contato mediante a evaporação e a
migração de material. Com isso, se reduz consideravelmente a vida útil elétrica. Em casos extremos, o rele pode falhar com tensão contínua e arco voltaico logo no primeiro ciclo de comutação.

Para suprimir a ocorrência do arco voltaico deve ser utilizado um circuito de proteção. Com dimensionamento perfeito se pode obter quase os mesmos ciclos de comutação que na carga ôhmica

Basicamente existem diversas possibilidades para instalação de um circuito efetivo:

  1. ligação do contato,
  2. ligação do consumidor,
  3. combinação de ambas as ligações.

rele ligacao do contato

Em princípio, a proteção deve ser instalada onde houver uma fonte de interferência. Portanto, a ligação do consumidor deve ter prioridade em relação à ligação do contato. Os seguintes pontos atuam de maneira vantajosa na ligação do consumidor:

  1. No desligamento, a ligação somente é sobrecarregada com a tensão de indução. Contrariamente a isso, na ligação de contato há a soma da tensão de operação e tensão de indução.
  2. Com contato aberto, a carga é isolada galvanicamente da tensão de operação.
  3. Não é possível um acionamento ou “prisão” da carga devido a correntes operacionais indesejadas de, p. ex., elementos RC.
  4. Picos criados no desligamento da carga não podem ser acoplados em cabos de comando paralelos.

Atualmente, a maioria das válvulas magnéticas são conectadas através de conectores de encaixe de válvula, que também podem ser fornecidos com LED e componentes com limitação de tensão de indução. Conectores de encaixe de válvula com elemento RC, varistor ou diodo Zener frequentemente não eliminam o arco voltaico e servem apenas para cumprimento da legislação EMC. Apenas os conectores de encaixe de válvula com diodo de freewheeling 1N4007 integrado eliminam o arco voltaico de forma ráPIDa e segura e aumentam a vida útil do relé com um fator de 5 a 10.

Ligação de Pequenas Potências

Pequenas potências devem ser processadas sobretudo em aplicações, nas quais os sinais devem ser encaminhados para as entradas de comando (p. ex. de um CLP). Com estas cargas em faixa de potência baixa, não surge nenhuma faísca de comutação (arco voltaico) nos contatos. A par do efeito de limpeza já existente devido ao atrito entre contatos, esta faísca de comutação assume nos contatos de potência a função de perturbar as camadas externas não condutivas que se formam nas superfícies de contato.

As camadas externas geralmente são produtos de oxidação ou de sulfatação dos materiais de contato prata (Ag) ou ligas de prata, como prata-níquel (AgNi) ou óxido de estanho (AgSnO). A resistência de contato pode, assim, ser bastante elevada em curto espaço de tempo, de modo que não seja mais possível a ligação confiável com pequenas cargas.

Devido a estas propriedades, os materiais de contato de potência mencionados não estão em questão para aplicações de pequena potência. Sobretudo devido às resistências de contato baixas e constantes mesmo com cargas menores e à insensibilidade ao ar ambiente com enxofre, o ouro (Au) se impôs como material de contato para essas áreas de aplicação.

Para potências menores e segurança de contato ainda maior, é aplicado o rele de contato duplo com contato de ouro. Devido às molas de contato ranhuradas, neste formato surgem dois pontos de contatos paralelos com resistências de contato
ainda menores e segurança de contato nitidamente mais elevada.

Ligação de Grandes Potências

Alguns pontos importantes também devem ser considerados nos processos de ligação de grandes potências, com os contatos
de potência disponíveis de prata (Ag) ou prata com óxido de estanho (AgSnO). Importante ressaltar que d
eve ser feita uma distinção básica entre a ligação de correntes contínuas e alternadas. Então vejamos:

Ligação de Grandes Cargas de Corrente Alternada

Ao ligar grandes cargas de corrente alternada, o rele pode basicamente ser operado até os dados máximos correspondentes da tensão, corrente e potência de comutação. O arco voltaico criado durante o desligamento depende da corrente, da tensão e da posição de fases. Por norma, este arco voltaico de desligamento desaparece sozinho na próxima passagem neutra da corrente de carga. Em aplicações com carga indutiva, deve-se prever um circuito de proteção eficiente e caso contrário, deve-se contar com uma vida útil claramente menor.

Ligação de Grandes Cargas de Corrente Contínua

Em comparação com a máxima corrente alternada permitida, o rele de comutação tradicional pode desligar apenas correntes contínuas relativamente pequenas, pois falta a passagem neutra com extinção automática. Além disso, este valor máximo de corrente contínua depende muito da tensão de comutação e é determinado, entre outros, pelas circunstâncias construtivas, como distância de contato e velocidade de abertura de contato.

Os valores de corrente e tensão correspondentes estão documentados pelos fabricantes de relés em curvas de arco voltaico e de limite de carga. Uma carga de corrente contínua indutiva não atenuada reduz ainda mais os valores indicados para correntes ligáveis. A energia armazenada na indutância pode provocar um arco voltaico, que reencaminha a corrente através dos contatos abertos.

Com um circuito de proteção de contato eficiente, preferencialmente diodos de freewheeling do tipo 1N4007, se podem conseguir aumentos de vida útil de fator 5 a 10 perante cargas indutivas sem ligação ou com ligação desfavorável. Se for necessário ligar cargas de corrente contínua mais elevadas ou aumentar a vida útil elétrica, podem ser conectados em série vários contatos de um rele e como alternativa, se pode aplicar também o relé de estado sólido com saída de tensão contínua.

Ligação de Lâmpadas e Cargas Capacitivas

Independentemente do tipo de tensão, todos os tipos de lâmpadas, bem como cargas com percentual capacitivo, representam
exigências extremas aos contatos de ligação. No momento de ligação, portanto precisamente na fase dinâmica de impacto mecânico do rele, surgem picos de corrente com energia máxima, que atingem frequentemente 10 A, e não raramente até mais de 100 A e fundem o contato. Aqui, uma solução especialmente otimizada são os “relés de carga de lâmpada”, que suportam picos de ligação.

3 – Lado do Comando do Rele

Como módulo de interface para a adaptação entre periféricos de processo e equipamentos de controle, sinalização e regulagem, existe o rele de estado sólido adequado para diferentes níveis de tensão e potência. O elemento de rele de
estado sólido que se encontra efetivamente no módulo está determinado para uma faixa de tensão limitada. O consumo de corrente do lado de entrada oscila conforme a formação do circuito e o nível de tensão.

Geralmente, está previsto um circuito de entrada apropriado para realizar todas as tensões entre 5 V e 230 V necessárias para aplicações industriais. Nesse caso, é fundamental distinguir entre uma entrada para tensão contínua e alternada.

Entrada CC

A adaptação a diferentes níveis de tensão é feita através do complemento com um sistema eletrônico especialmente adaptado à faixa de tensão pretendida. Na maior parte dos módulos, um diodo de proteção contra inversão de polaridade assegura uma proteção segura contra destruição em caso de acoplamento de tensão de comando errada. Os filtros especialmente adaptados asseguram uma supressão confiável de impulsos de interferência que possam surgir.

Entrada CA

Como pré-requisito para um funcionamento seguro, o elemento de rele de estado sólido necessita de uma tensão de controle estável. Na entrada AC, essa tensão é atingida através da pré-conexão de um retificador e condensador contra sobretensão. Após a retificação ocorre, por princípio, a formação do circuito da entrada CC.

Por norma, a frequência de comutação se encontra abaixo de metade da frequência de rede. Uma frequência de comutação mais elevada pode não ser alcançada, devido ao condensador contra sobretensão. A consequência é uma interligação permanente.

4 – Lado de carga

Dependendo do caso de aplicação e do tipo de carga são apresentados diferentes requisitos à saída de relé de estado sólido. Aqui são determinantes a:

  • amplificação de potência,
  • adaptação à tensão de comutação e corrente de comutação (CA/CC) e
  • proteção contra curto-circuito.

Para estes casos de utilização diferentes, o elemento de rele de estado sólido tem de estar preparado também do lado de saída com um outro sistema eletrônico.

Saída CC

Para atingir a potência de saída necessária, o elemento de rele de estado sólido é complementado por um ou mais níveis de semicondutor.  No entanto, o usuário deve considerar no local os bornes de conexão da saída apenas como conexões de chave convencionais. Apenas tem de ser impreterivelmente respeitada a polaridade predefinida.  Na seleção do relé de estado sólido apropriado, a prática demonstrou que se deve proceder de acordo com os seguintes critérios:

  1. Faixa de tensão de operação (p. ex. 12 … 60 V CC) Indicação da tensão mínima ou máxima a ser ligada. O cumprimento do valor inferior é necessário para um funcionamento seguro. O valor superior não pode ser ultrapassado para proteção do transistor de saída.
  2. Corrente contínua máxima (p. ex. 1 A) Este valor indica a corrente máxima contínua. Um excesso permanente desse valor provoca a destruição do semicondutor de saída. Deve também ser tida em conta a dependência da corrente de saída da temperatura ambiente do relé de estado sólido. Por isso, nos relés de estado sólido de potência é normalmente indicada uma curva de redução de carga. Ela exibe a corrente de carga máxima em função da temperatura ambiente.
  3. Desligamento de saída. A saída de 2 condutores deve ser equivalente a um contato mecânico. Apenas a polaridade das conexões está predefinida e tem de ser considerada.

A saída de 3 condutores tem ligação de potencial e, para um funcionamento seguro, requer a conexão de ambos os potenciais da fonte de tensão do lado da saída. Em estado desligado é estabelecida uma relação fixa com a massa (potencial negativo). Além disso, esse circuito de saída proporciona a vantagem de uma resistência interna quase constante.

Saída CA

Para a ativação de equipamentos de comutação e comando de tensão alternada, é conectado um semicondutor para tensão alternada (TRIAC ou tiristor) a jusante do elemento de rele de estado sólido. Como na saída CC, também aqui devem ser particularmente tidas em conta a faixa máxima de tensão de operação e a corrente de carga contínua máxima em função da temperatura ambiente. Adicionalmente, nas saídas CA é decisiva a tensão inversa de pico máxima do TRIAC (p. ex. 600 V). Para efeitos de proteção contra destruição, ela não pode ser ultrapassada mesmo com oscilações de tensão ou picos de tensão parasita.

Referências para Rele:

Formado em Engenharia Elétrica pela UNESP (Universidade Estadual Paulista) com Pós Graduação MBA em Gestão de Projetos pela FVG (Fundação Getúlio Vargas) e certificação internacional em Gestão de Projetos pelo PMI (Project Management Institute). Também possui certificação Green Belt em Lean Six Sigma. Atuou na implantação dos pilares de Engenharia de Confiabilidade Operacional e Gestão de Ativos Industriais em grandes empresas como Votorantim Metais (CBA) e Votorantim Cimentos. Como Gerente de Projetos pela Siemens e Citisystems, coordenou vários projetos de automação e redução de custos em empresas como Usiminas, JBS Friboi, Metso, Taesa, Cemig, Aisin, Johnson Controls, Tecsis, Parmalat, entre outras. Possui experiência na implementação de ferramentas Lean Manufacturing em empresas como: Faurecia, ASBG, Aisin Automotive, Honda, Unicharm e Flextronics. Atualmente é Diretor de Projetos na empresa Citisystems e membro do Conselho de Administração da Inova, organização gestora do Parque Tecnológico de Sorocaba.