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”.
1º Passo:
2º Passo:
3º Passo:
4º Passo:
5º Passo:
