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Sistema automático de proteção para bombas de recalque

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Academic year: 2021

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UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL

DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

MAICON JOSÉ RIGOLI

SISTEMA AUTOMÁTICO DE PROTEÇÃO PARA BOMBAS DE RECALQUE

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MAICON JOSÉ RIGOLI

SISTEMA AUTOMÁTICO DE PROTEÇÃO PARA BOMBAS DE RECALQUE

Projeto de pesquisa apresentado como requisito para aprovação na disciplina de Trabalho de Conclusão de curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul.

Orientador: Prof. Me Mauro Fonseca Rodrigues

Ijuí 2020

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Agradeço a Deus, pela realização dessa conquista e por iluminar o meu caminho para poder alcançar os meus objetivos.

Agradeço a minha família, que me orientou e ajudou desde o começo e todo o amor, carinho e força concedidos.

Agradeço a minha namorada e seus familiares pela paciência e apoio nas horas difíceis, por toda a ajuda concedida para que fosse possível a realização desta conquista.

Agradeço meus amigos que me apoiaram e estiveram comigo mesmo nas muitas vezes que deixei de estar com eles para priorizar a faculdade.

Agradeço aos meus colegas de trabalho que me ajudaram e me incentivaram para o desenvolvimento deste trabalho.

A todos os professores da Unijuí pelo aprendizado e por repassarem seus conhecimentos, principalmente ao meu orientador Mauro Fonseca Rodrigues pelo apoio e orientação.

Agradeço aqueles que de forma direta ou indireta também contribuíram e fizeram parte desta conquista. Muito obrigado!

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Rigoli, Maicon josé. SISTEMA AUTOMÁTICO DE PROTEÇÃO PARA BOMBAS DE

RECALQUE. 2020. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica,

Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2020.

Este trabalho de conclusão de curso apresenta o desenvolvimento de um sistema de proteção automático para bombas de recalque. Analisando o funcionamento do bombeamento atual e as proteções existentes, constata-se que há necessidade de uma defesa mais eficiente, que abrange todas as possíveis falhas que possam danificar o motor, bomba e encanamento. Para isto foi estudado todo o processo atual e, posteriormente, projetado e criado um protótipo que monitora a bomba e interage com as proteções existentes atualmente no mercado. Para comprovar sua funcionalidade foram feitas simulações e testes reais, apresentando os resultados obtidos nos mesmos. Por fim, foi realizado um levantamento dos custos para sua montagem e custos para manutenção devido a falhas que ocorrem em sistemas desse tipo.

Palavras-chave: Instrumentação eletrônica. Microprocessadores. Engenharia Elétrica.

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Rigoli, Maicon josé. SISTEMA AUTOMÁTICO DE PROTEÇÃO PARA BOMBAS DE

RECALQUE. 2020. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica,

Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2020.

This graduation work presents the development of an automatic protection system for booster pumps. An analysis of the current pumping operation and the existing protections shows that there is a need for a more efficient defense, which covers all possible failures that could damage the engine, pump and plumbing. To this end, the entire current process was studied and a prototype was subsequently designed and created to monitor the pump and interact with the protections currently on the market. To prove its functionality, real simulations and tests were made, presenting the results obtained in them. Finally, a survey was carried out of the costs for its assembly and costs for maintenance due to failures that occur in systems of this type.

Keywords: Electronic instrumentation. Microprocessors. Electrical Engineering. Analog Electronics. Signal analysis.

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Figura 1 - Bomba centrifuga. ... 12

Figura 2 - Rotor fechado, Semiaberto e Aberto. ... 13

Figura 3- Motor monofásico. ... 17

Figura 4 - Bobina monofásica, e constituição das três bobinas no estator. ... 18

Figura 5 - Motor trifásico. ... 18

Figura 6 - Circuito de potência e de comando ... 19

Figura 7- Relé de tempo ... 21

Figura 8 - Acionamento x Tempo. ... 21

Figura 9 - Chave contator ... 22

Figura 10 - Composição da chave contator. ... 23

Figura 11 - Posições da bóia. ... 24

Figura 12 - Relé de sobrecarga. ... 25

Figura 13 - Relé de falta de fase. ... 26

Figura 14 - Sistema interno do disjuntor. ... 27

Figura 15 - Fusível. ... 28

Figura 16 - Representação do acionamento do motor de uma bomba. ... 36

Figura 17 - Representação do protótipo do sistema proposto. ... 37

Figura 18 - Fluxograma do programa. ... 39

Figura 19 - Fluxograma da estrutura de funcionamento de todo sistema. ... 41

Figura 20 - Protótipo do sistema de proteção. ... 43

Figura 21 - Inicio do teste na bomba de recalque com multímetro. ... 44

Figura 22 - Curva da temperatura x tempo de uma bomba sem fluido. ... 45

Figura 23 - Montagem prática do sistema de proteção. ... 46

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Quadro 1- Identificação dos botões segundo normas IEC 60073 / VDE 0199. ... 20 Quadro 2 - Custo com componentes do protótipo. ... 48 Quadro 3 - Custo aproximado com peças da bomba. ... 49

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ca – Corrente alternada

CC – Corrente contínua CV – Cavalo-vapor

F.E.M – Força eletromotriz V – Volts

A – Amperes mA – Miliampere μA – Microampere Ω – ohom

RPM – Rotações por minuto s – segundos

ms – Milissegundos D – Diazed

NH – Niederspannungs Hochleistungs Cº – Celsius

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ... 10

2 EMBASAMENTO TEÓRICO ... 11

2.1 BOMBAS ... 11

2.1.1 Escorvar a bomba e falhas ... 13

2.1.2 Cavitação ... 14

2.2 MÁQUINASELÉTRICAS(MOTORES) ... 14

2.2.1 Motores Monofásicos... 15 2.2.2 Motores Trifásicos ... 17 2.3 COMANDOSELÉTRICOS ... 19 2.3.1 Dispositivos de comando ... 19 2.3.1.1 Botoeiras ... 19 2.3.1.2 Relés de tempo ... 20

2.3.1.3 Contatores (Chave eletromagnética) ... 22

2.3.1.4 Chave de nível tipo Boia ... 23

2.3.2 Dispositivos de proteção ... 24

2.3.2.1 Relés de sobrecarga (térmico) ... 24

2.3.2.2 Relés protetores ... 25 2.3.2.3 Disjuntor termomagnético ... 26 2.3.2.4 Fusível ... 27 2.4 SENSORESETRANSDUTORES ... 28 2.5 MICROCONTROLADOR... 29 2.6 METODOLOGIA ... 30 3 PROJETO E SIMULAÇÃO ... 31 3.1 DETALHE DO PROBLEMA... 31 3.2 SOLUÇÃO PROPOSTA ... 32 3.3 DIMENSIONAMENTO ... 33 3.4 SIMULAÇÃO ... 35 4 APLICAÇÃO PRÁTICA ... 40

4.1 DESCRIÇÃO DA OPERAÇÃO DO PROJETO ... 40

4.2 MONTAGEM E TESTE DO PROTÓTIPO ... 42

5 LEVANTAMENTO DE CUSTOS E CONSTRUÇÃO ... 48

5.1 RESULTADOS ... 50

6 CONCLUSÃO ... 52

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1 INTRODUÇÃO

A automação pode ser caracterizada como um sistema que através de comandos programados realiza determinada atividade, podendo ser sem a interferência humana, sempre com o objetivo de otimizar processos de diferentes setores da economia. Os ramos da automação que mais se destacam na área de engenharia elétrica são a automação industrial e a automação residencial.

São muitas as possibilidades a serem seguidas, porém, tendo em vista a necessidade que será apresentada, o estudo do sistema proposto será voltado à automação dos sistemas existentes de proteção e na eletrônica com a aquisição dos sinais, com a proposta de solucionar um problema cotidiano, sendo este, as possíveis falhas que ocorrem em sistemas de bombeamento de fluidos, tendo em vista que existe uma carência de proteção, já que os dispositivos existentes não abrigam por completo as necessidades da bomba.

Na montagem elétrica atual a bomba é acionada e desacionada por um contator e este, por sua vez, é controlado normalmente por duas chaves de nível elétricas, tipo boia ou relé de nível. Com o desgaste do tempo principalmente as chaves boia tendem a estragar, podendo abrir seu circuito interno ou fechar. Quando acontece de fechar o circuito da boia, a mesma manda acionar o contator e em muitos casos a bomba de recalque transporta toda a água do reservatório inferior e acaba trabalhando sem água, quando isto ocorre, na parte de recalque da bomba esquenta e acaba por danificar toda a tubulação e a sua estrutura de recalque podendo levar à queima da bomba.

A proteção destes sistemas de bombeamento é composta por um contator e um relé de sobrecarga, estes são acionados ao haver alguma anomalia na rede ou trancamento do sistema de recalque por alguma falha mecânica, onde o relé sofre uma sobrecorrente e comanda o contator a desacionar o sistema para proteção da bomba e do circuito em que ele está inserido (Macintyre, Bombas e Instalações de Bombeamento, 1997).

A bomba ao trabalhar sem ou com pouca água causa um superaquecimento em sua parte interna, podendo até trancar e, ainda danificar suas peças internas causando vibração e ruído, além de um consumo maior de energia elétrica. A solução normalmente é escorvar a bomba, verificando se existe algum vazamento ou peça estragada (PROCEL INDÚSTRIA, 2009). Porém, o superaquecimento é percebido quando ocorre à falta de água, o que pode demorar um tempo, necessitando assim uma manutenção na bomba. O tempo que a bomba

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trabalha superaquecida é o que causa os maiores danos e transtornos citados acima, logo este trabalho procura estabelecer uma solução para este acontecimento.

São muitas as utilidades da bomba de recalque, como em sistemas de incêndio, bombas para lavagem, irrigação e tantas outras utilidades, estando todas sujeitas a falhas em seu uso, o que torna necessário e relevante o projeto aqui proposto.

A solução apresentada é capaz de proteger todos os sistemas de bombeamento usados atualmente, podendo ser inserido em novos projetos implantados ou ainda, ser inserido nos existentes. Não se trata de um sistema de proteção único, pois trabalhará juntamente com os já existentes, na necessidade de uma proteção mais eficaz, antecipando falhas, reduzindo custos e incômodos.

1.1 OBJETIVO GERAL

Desenvolver um protótipo de um sistema capaz de trabalhar com as proteções já existentes para bombas de recalque para a que a mesma não trabalhe sem ou pouca água, tornando-o mais eficaz e antecipando falhas, reduzindo custos e incômodos.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

 Revisar a bibliografia sobre dispositivos eletrônicos e aquisição de sinais;

 Revisar a bibliografia sobre equipamentos de proteção;

 Realização de um protótipo do projeto;

 Realização de testes do protótipo;

 Levantamento dos custos para implementação.

2 EMBASAMENTO TEÓRICO

O embasamento teórico será feito através de uma revisão bibliográfica das principais partes relacionadas ao trabalho, com o intuito de estabelecer uma base confiável para posteriormente à realização do protótipo do sistema de proteção para bombas.

2.1 BOMBAS

A máquina responsável por transferir energia para um fluído, datada antes de cristo, rodas de água com conchas, noras, usadas na Ásia e na África (1000.a.C.), bomba de parafuso de Arquimedes (250.a.C.), que ainda é fabricada para misturas líquido-sólido. São consideradas bombas máquinas que fornecem líquidos (White, 2011).

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As bombas podem ser definidas como máquinas geratrizes que possuem a finalidade de deslocar um liquido por escoamento, essa maquina transforma a energia mecânica em energia de pressão/cinética, podendo ser classificadas como:

● Bombas de deslocamento positivo. ● Turbobombas.

● Bombas especiais.

São especificadas pelo modo como é feita a transformação do trabalho em energia hidráulica (Macintyre, Bombas e Instalações de Bombeamento, 1997).

Neste trabalho será tratado apenas das Turbobombas, mais especificamente da bomba centrífuga que é a mais utilizada comumente, movida por motores elétricos, como pode ser vista na figura 1.

Figura 1 - Bomba centrifuga.

Fonte: (Franklin Electric Indústria de Motobombas S.A. , 2018)

As Turbobombas caracterizam-se por possuir um órgão rotatório chamado rotor, que acelerado imprime essa velocidade para o líquido a ser transportado (Macintyre, 1997). O rotor pode ser:

● Fechado (figura 2): é um disco com pás e uma coroa circular presa. Nestas pás, onde líquidos sem substâncias em suspensão passam por ele.

● Aberto e Semiaberto (figura 2): é um disco com pás, porém não possui a coroa, em sua construção as pás ficam muito perto da parte frontal da bomba, onde entra os líquidos podendo ter substâncias em suspensão como areia e lama.

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Figura 2 - Rotor fechado, Semiaberto e Aberto.

Fonte: (Schneider Motobombas, 2006)

2.1.1 Escorvar a bomba e falhas

A escorva é um processo de preparação para seu funcionamento. Neste processo o ar que está na tubulação deve ser retirado e o líquido a ser bombeado ocupa este espaço. Caso permanecer na caixa do rotor da bomba, a mesma pode não funcionar ou não atingir a vazão e altura manométrica especificada. Apesar de o rotor estar girando, não consegue bombear o fluido, acarretando um consumo de energia desnecessário (PROCEL INDÚSTRIA, 2009).As peças dentro da bomba necessitam da lubrificação para seu bom funcionamento. caso a bomba trabalhe a seco, as peças podem travar (PROCEL INDÚSTRIA, 2009).

Alguns procedimentos são usados para evitar que após feito a escorva, a bomba fique sem água, como por exemplo, a utilização de válvulas de pé, as quais impedem que o líquido que está na tubulação retorne para o reservatório, esvaziando assim a linha de sucção, quando a bomba é desligada. Porém com o tempo pode haver o desgaste desta peça e o líquido retornar totalmente ao reservatório, com isso bomba trabalha a seco. (PROCEL INDÚSTRIA, 2009).

O selo mecânico faz parte das vedações internas das bombas recalque, evitando o vazamento da água do interior da bomba para a parte externa, caso o mesmo trabalhe com pouca água ou a seco, o mesmo superaquece o que causa a sua danificação, permitindo que após o restabelecimento de água na bomba a água vaze para a parte externa dela, podendo o vazamento escoar para a parte do motor, consequentemente seus rolamentos serão molhados causando vibrações e ruídos, e uma sobrecarga no motor elétrico devido o mesmo estar empenado (PROCEL INDÚSTRIA, 2009).

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Como visto acima o fato da bomba trabalhar a seco ou com pouca água causa danos a bomba e ao motor, podendo ser consequentes os problemas, iniciados com a falta de líquido na bomba.

2.1.2 Cavitação

Nas turbomáquinas ocorrem inevitavelmente rarefações no líquido transportado, ou seja, uma pressão interna gerada pelas peças móveis no liquido. Caso a pressão absoluta baixe até atingir a pressão do vapor no líquido na temperatura em que este se encontra, inicia-se um processo de vaporização, formando bolhas ou cavidades no interior do qual o líquido se vaporiza. Essas bolhas provocam no material um desgaste nas peças internas da bomba, causando erosão na superfície interna da bomba e principalmente no rotor desta.

O processo de cavitação está associado há um mau dimensionamento da bomba para o transporte, como também em casos onde o nível dinâmico do reservatório diminua e mesmo escorvada há uma altura superior há 7 ou 8 (depende da bomba) metros na sucção, causa as bolhas internas. Bombas que transportam líquido para grandes distâncias necessitam de uma pressão contra na sua saída para trabalhar normalmente, estas quando usadas para outras situações acabam sofrendo com a cavitação.

A temperatura sobe devido aos fatores da vaporização aquecendo a bomba (Macintyre, Bombas e Instalações de Bombeamento, 1997).

O protótipo do sistema de proteção proposto compara a temperatura da caixa do rotor com a da tubulação circulando o fluido, sendo em que está assim o processo de cavitação não se estenderia por um tempo elevado, pois o sistema reconheceria a diferença de temperatura e desligaria o comando da mesma, evitando um maior desgaste e danificação desta.

2.2 MÁQUINAS ELÉTRICAS (MOTORES)

Os motores são máquinas elétricas que transformam energia elétrica em mecânica. O mais utilizado é o motor de indução, devido ao baixo custo, simplicidade de comando e robustez, é muito versátil podendo ser utilizada nas mais diversas cargas (WEG, 2019).

Os tipos mais comuns de motores são:

● Motores de corrente contínua: possuem um custo mais elevado, além de necessitar de uma fonte ou dispositivo que possibilite a alimentação em corrente contínua. Podem trabalhar em variadas velocidades como também trabalham sobre controle com grande precisão. São

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utilizados em casos específicos, o que torna os custos de sua instalação e manutenção mais elevados (WEG, 2019).

● Motor síncrono: possui velocidade fixa, utilizado normalmente em grandes potências principalmente onde se deseja uma velocidade, também possui um custo elevado (WEG, 2019).

● Motor de indução: é o tipo de máquina mais utilizada, sendo adequada para quase todas as máquinas, pois é de grande simplicidade construtiva e é muito robusta, sua velocidade varia ligeiramente com a carga aplicada em seu eixo, e pode ser controlada com inversores de frequência (WEG, 2019).

2.2.1 Motores Monofásicos

Segundo Chapman (2013) os motores monofásicos de indução não são muito vantajosos, pois possuem apenas uma fase no enrolamento do estator e o campo magnético não gira. Primeiro ele pulsa forte e após mais fraco, na mesma direção. Por não possuir campo magnético o motor monofásico não tem conjugado de partida.

Os motores monofásicos foram construídos no final da década de 1880 início de 1890, e tiveram grandes problemas para se desenvolver devido ao fato de não possuir partida direta, e também, quanto ao sistema de potência na época era em corrente alternada (CA), monofásico em 133Hz, tornando impossível o seu desenvolvimento na época (Chapman, 2013).

Existem duas teorias sobre por que um conjugado é induzido no rotor, uma é a teoria do duplo campo girante, a outra é a do campo cruzado, as quais foram criadas devido ao fato de quando o rotor começa a girar um conjugado induzido é produzido nele. Vamos tratar sucintamente abaixo:

Teoria do duplo campo girante: a teoria diz que um campo magnético pulsante estacionário pode ser decomposto em dois campos magnéticos girantes, possuindo o mesmo módulo, mas girando em sentidos opostos. O motor responde diferentemente para cada um, mas o conjugado será a soma dos conjugados dos dois campos magnéticos (Chapman, 2013).

Teoria do campo cruzado: a teoria diz que o motor após ser levado até sua velocidade de rotação por meio externo, as tensões são induzidas nas barras do rotor, elas produzem um fluxo de corrente no rotor, com a elevada reatância acaba por atrasar a corrente em quase 90° em relação a tensão. Como a velocidade está perto da velocidade

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síncrona, a defasagem da corrente produz um deslocamento próximo aos 90° entre o plano da tensão de pico do rotor e o plano de corrente de pico. O campo magnético do rotor é menor que o do campo magnético do estator próximo dos 90° tanto no espaço quanto no tempo, com isto o somatório dos campos magnéticos produz um conjugado líquido resultante no sentido do movimento inicial, e este conjugado o manterá (Chapman, 2013).

Segundo Carvalho (2011), o motor monofásico é constituído por dois bobinados, o principal e o auxiliar. O enrolamento principal é o do trabalho do motor que mantém o motor em funcionamento após a partida, possui fio mais grosso que o auxiliar e possui muitas espiras. Já o enrolamento auxiliar é responsável pela partida do motor, ele proporciona o torque inicial necessário para mover o motor e tirá-lo da inércia, possui secção do fio menor que a do trabalho.

Os motores monofásicos geralmente possuem um torque limitado, pois depende do ângulo de defasagem e para aumentar o torque é necessário aumentar o ângulo de defasagem das correntes, para isso é necessário aumentar o ângulo de defasagem entre os enrolamentos auxiliar e de trabalho. Faz-se necessário a instalação de um capacitor eletrolítico e uma chave centrífuga que retira do sistema o capacitor após a partida, a reatância capacitiva anula parte da indutiva e reduz o ângulo da corrente do auxiliar. Faz-se necessário este sistema para utilização desses motores, por exemplo, em bombas de recalque, pois necessita de um torque de partida mais elevado (CARVALHO, 2011).

Apesar de algumas limitações dos motores monofásicos, é muito utilizado nas residências, pois trabalham apenas com uma fase, sua partida depende da sua utilização, possuindo algumas variações, algumas sem a necessidade do capacitor eletrolítico, podemos observar na figura 3.

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Figura 3- Motor monofásico.

Fonte: (Paraiso das Bombas , 2018)

2.2.2 Motores Trifásicos

Os motores trifásicos, também conhecidos por motor assíncrono ou de indução, seu princípio de funcionamento está baseado na criação de um campo magnético rotativo, este campo surge a partir da aplicação de tensão alternada no estator. Ele induz no rotor uma força eletromotriz (f.e.m), que por sua vez cria seu próprio campo magnético girante, quando este tenta se alinhar com o campo do estator, produz o movimento de rotação, sempre com uma velocidade menor que a velocidade síncrona do motor (Chapman, 2013).

Segundo WEG (2019), quando uma bobina é percorrida por uma corrente elétrica, esta gera um campo magnético, os motores trifásicos são constituídos por três grupos de bobinas monofásicas defasadas entre si em 120º, como pode ser visto na figura 4.

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Figura 4 - Bobina monofásica, e constituição das três bobinas no estator.

Fonte: (WEG, 2019)

Quando alimentado por correntes trifásicas, cria-se um campo girante no estator, como se fosse apenas um único par de polos, com intensidade constante. Com este campo girante, cria-se uma indução nas barras do rotor que são curto-circuitadas gerando correntes, como consequência a isto, um campo com polaridade oposta a do campo do estator é criada. Como os campos opostos se atraem, o campo do rotor tenta acompanhar o campo do estator, desenvolvendo no rotor um conjugado fazendo com que gire o eixo do motor (WEG, 2019).

São muito utilizados na indústria, e em variadas cargas, são constituídos basicamente por duas partes, o rotor e o estator, necessitando de uma alimentação trifásica, não precisa de um sistema externo para a partida como o sistema monofásico (figura 5).

Figura 5 - Motor trifásico.

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2.3 COMANDOS ELÉTRICOS

Os dispositivos de comando possuem a função de sinalizar, proteger e regular todo tipo de sistema de acionamento. Comumente são utilizados em motores de indução, sendo responsáveis por sua proteção e o bom funcionamento das máquinas. Os comandos elétricos são representados normalmente por dois circuitos, um de potência e outro de comando (figura 6), (ALMEIDA SOUTO, 2004).

Figura 6 - Circuito de potência e de comando

Fonte: (SILVA DE SOUZA, 2009)

2.3.1 Dispositivos de comando

Os dispositivos de comando são elementos de comutação com a função de permitir ou não a passagem de corrente elétrica entre os pontos de um circuito (ALMEIDA SOUTO, 2004). Os tipos mais corriqueiros são os botões de comando, relés de tempo, contatores e chave bóia.

2.3.1.1 Botoeiras

As botoeiras são chaves elétricas que são acionadas manualmente, possuindo normalmente um contato aberto e outro fechado. Depende do tipo de sinal que se deseja

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enviar, podendo ser caracterizadas como pulsadores ou com trava. As botoeiras pulsadoras quando acionadas invertem seus contatos onde o aberto fecha e o fechado abre, devido a ação de uma mola, retornam ao seu estado inicial quando é cessado o acionamento (WEG INDÚSTRIAS S.A.).

Os botões são identificados segundo as normas do quadro 1.

Quadro 1- Identificação dos botões segundo normas IEC 60073 / VDE 0199.

Fonte: (WEG INDÚSTRIAS S.A.)

2.3.1.2 Relés de tempo

Os relés de tempo como o da figura 7, são dispositivos eletrônicos que permitem o ajuste de tempo para a comutação de um sinal de acordo com sua função. Possui uma elevada precisão, repetibilidade e imunidade a ruídos, possui uma faixa de variação de tempo de 0.1 segundos a 30 minutos (WEG INDÚSTRIAS S.A.).

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Figura 7- Relé de tempo

Fonte:(WEG INDÚSTRIAS S.A.)

Os relés podem ser utilizados de algumas formas, como no comando de retardo na energização, onde após o tempo estipulado, atuam as chaves internas do relé, ou na desenergização, onde as chaves internas são acionadas imediatamente e após o tempo alocado ele retorna a posição de repouso original (SILVA DE SOUZA, 2009). Essa característica acionamento x tempo pode ser vista na figura 8.

Figura 8 - Acionamento x Tempo.

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2.3.1.3 Contatores (Chave eletromagnética)

É um dispositivo de operação eletromagnética, figura 9, que possui uma única posição em repouso, é capaz de conduzir e interromper correntes em condições normais e sobrecarga do circuito, sendo constituída basicamente por contatos, núcleo, bobina, molas e carcaça (WEG INDÚSTRIAS S.A.).

Figura 9 - Chave contator

Fonte : (WEG INDÚSTRIAS S.A, 2019.)

O contato principal no estado fechado é responsável por conduzir a corrente no circuito, com o principal objetivo de estabelecer a passagem de corrente em motores elétricos, podendo ser usado para outras funções como cargas resistivas. Já os contatos auxiliares são utilizados para comando, intertravamento, sinalização, entre outras, podem ser do tipo normalmente fechado (NF), ou normalmente aberto (NA) como o sistema dos relés de tempo (WEG INDÚSTRIAS S.A.).

O acionamento dos contatores em corrente alternada (CA), é feita através da alimentação da bobina, que cria um campo magnético, este por sua vez atrai a parte móvel dos contatos. Após a desenergização da bobina, os contatos voltam a sua posição original através de uma mola de compressão (WEG INDÚSTRIAS S.A.).

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Figura 10 - Composição da chave contator.

Fonte: (WEG INDÚSTRIAS S.A., 2019)

2.3.1.4 Chave de nível tipo Boia

A chave de nível tipo boia é basicamente um interruptor, onde sua função é controlar o nível, muito utilizada em caixas de água ou poços e reservatórios. Seu acionamento pode acontecer em duas situações: nível baixo ou nível alto; como pode ser visto na figura 11 (SABER ELÉTRICA, 2015).

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Figura 11 - Posições da bóia.

Fonte: (SCHAK, 2013)

Na aplicação em edificações, por exemplo, devem ser ligadas duas chaves de nível em série, no circuito lógico do comando ela deve ser ligada junto à chave magnética, fazendo com que atue quando o reservatório estiver vazio, desligando a bomba e dando a possibilidade de acionar quando o reservatório inferior tiver água (SABER ELÉTRICA, 2015).

2.3.2 Dispositivos de proteção

Segundo Almeida Souto (2004), os dispositivos de proteção são os elementos responsáveis por interromper a passagem de corrente elétrica em condições anormais, como curto-circuito, sobrecarga, baixa tensão, falta de fase, ou reversão de fase.

2.3.2.1 Relés de sobrecarga (térmico)

Os relés de sobrecarga são usados para proteção, figura 12, responsáveis pelo desligamento de motores antes que os mesmos queimem. É responsável pela proteção contra sobrecargas das cargas elétricas, como também dos condutores e dos outros dispositivos de manobra. O relé bem dimensionado pode proteger contra falta de fase, pois quando há uma falta de fase, as correntes do motor aumentam consideravelmente. Ele possui em sua estrutura, contatos auxiliares que podem trabalhar em conjunto com o sistema, desde o seu funcionamento normal de acionar e desacionar o contator, até a função de atuar no disparo de alarmes quando ocorre um problema no circuito. Este dispositivo de

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proteção e dimensionamento a partir da corrente de trabalho do motor, evita que o motor trabalhe com uma corrente elevada por muito tempo, impedindo assim a danificação de seus enrolamentos e seus isolantes. A temperatura elevada nos enrolamentos do motor diminui sua vida útil (WEG INDÚSTRIAS S.A.).

Figura 12 - Relé de sobrecarga.

Fonte: (WEG INDÚSTRIAS S.A.)

O princípio de funcionamento do relé baseia-se na dilatação de duas laminas metálicas, com coeficientes de dilatação diferentes, são sobrepostas, quando aquecidas uma se alonga mais do que a outra, acionando assim os contatos auxiliares, o que provoca o desacionamento de algum circuito e/ou acionamento de outro sistema do circuito (SILVA DE SOUZA, 2009).

Com o funcionamento normal do motor, ocorre uma dilatação nas lâminas, porém, não o suficiente para o desarme. Com o aumento da temperatura, além da regulada, ocorre o deslocamento da alavanca de desarme, o deslocamento da uma lâmina em relação a outra provocando o desarme mecanicamente (WEG INDÚSTRIAS S.A.).

2.3.2.2 Relés protetores

São dispositivos eletrônicos que protegem sistemas trifásicos contra falta de fase, ou falta de neutro, figura 13. Protegem também contra a inversão de sequência de fase, ou ambas as funções juntas, quando acontece alguma anomalia da rede o dispositivo irá comutar sua saída, interrompendo assim o funcionamento do motor, ou do sistema onde se esta utilizando (WEG INDÚSTRIAS S.A.).

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Figura 13 - Relé de falta de fase.

Fonte: (WEG INDÚSTRIAS S.A.)

Os relés de sequência de fase são muito importantes, em sistemas onde não pode se inverter a rotação de um motor, pois ele não possibilita que o mesmo seja acionado caso a sequência de entrada do dispositivo não estiver correta, em casos como bombas de recalque é muito importante, pois a mesma trabalhando em rotação contrária não toca água, e pode começar aquecer sua estrutura da bomba e posteriormente a do motor.

2.3.2.3 Disjuntor termomagnético

Segundo Almeida Souto (2004), os disjuntores termomagnéticos têm a função de proteção e de chave. Ele possui a função de proteger contra sobrecarga e curto-circuito. Sua proteção em sobrecarga ocorre para correntes superiores as nominais do mesmo, é acionada em um período prolongado onde pode ocorrer à danificação do cabo e/ou equipamento, essa proteção é baseada na dilatação de dois materiais metálicos, com coeficientes de dilatação diferentes, onde a deformação pelo calor faz com que ocorra o desligamento do circuito. Já a proteção para curto-circuito, se da através do dispositivo magnético, desligando o circuito instantaneamente.

Alguns disjuntores possuem disparo livre, ou seja, ainda que o mesmo esteja travado externamente, ele é disparado internamente protegendo o circuito. Possui um dispositivo de corte ultrarrápido, onde a separação dos contatos acontece em menos de 1ms.

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O arco elétrico diminui consideravelmente, pois os disjuntores possuem uma câmera de extinção de arco (SILVA DE SOUZA, 2009).

Pode-se observar na, figura 14, o sistema interno de proteção do disjuntor.

Figura 14 - Sistema interno do disjuntor.

Fonte: (SILVA DE SOUZA, 2009)

De acordo com Silva de Souza (2009), os contatos dos disjuntores são construídos com o emprego de ligas a base de prata, com uma elevada segurança contra a colagem dos contatos aumentando a durabilidade elétrica. Os disjuntores são especificados através de algumas grandezas bem definidas, como: tensão de isolamento, tensão nominal, corrente nominal, capacidade de interrupção e tipo de acionamento.

2.3.2.4 Fusível

É um dos elementos mais tradicionais para proteção de curto circuito de sistemas elétricos. Sua operação é baseada na fusão do elemento fusível, que basicamente é um condutor de pequena secção transversal que possui uma resistência maior do que a dos outros condutores, ocasionando um aquecimento maior quando a corrente passa por ele (WEG INDÚSTRIAS S.A.).

O elemento fusível citado acima pode ser um fio ou uma lâmina, figura 15, sendo esta geralmente de cobre, prata, estanho, chumbo ou liga que fica no interior de um corpo de porcelana ou esteatita. Possui um indicador para a verificação caso o mesmo tenha

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operado, em seu interior os fusíveis contem um material granulado geralmente areia de quartzo, com a função de extintor (WEG INDÚSTRIAS S.A.).

Figura 15 - Fusível.

Fonte: (WEG INDÚSTRIAS S.A.)

A atuação do fusível deve-se ao efeito joule, quando submetido há uma elevação de corrente no circuito onde está inserido, os mais utilizados são do tipo ‘D’ ou ‘NH’ (SILVA DE SOUZA, 2009).

Os fusíveis do tipo ‘D’ Diazed, são recomendados tanto para o uso residencial quanto industrial, construídos, normalmente com correntes de 2 a 63 ampères (A), com capacidade de ruptura de 50 kA e tensão de 500 volts (V) (WEG INDÚSTRIAS S.A.).

Os fusíveis do tipo ‘NH’, são recomendados para uso industrial, com capacidade de corrente de 4 a 630 A, capacidade de ruptura de 120kA, com tensão máxima de 500 V, recomendado seu manuseio apenas por profissionais qualificados (WEG INDÚSTRIAS S.A.).

2.4 SENSORES E TRANSDUTORES

São dispositivos para medição de variáveis físicas em sistemas genéricos, onde a informação é transmitida na forma elétrica (BALBINOT & BRUSAMARELLO, 2006/2014).

Pode-se se dizer que sensor é um conversor de energia. Não importa o que será medido sempre haverá uma troca de energia entre o objeto e o sensor, esta troca pode ser para ambos os sentidos, a energia pode sair do objeto para o sensor ou o contrário, o que

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interfere diretamente no sinal que sai do sensor podendo ser positivo ou negativo. O sensor é considerado a parte sensitiva do transdutor (BALBINOT & BRUSAMARELLO, 2006/2014).

O transdutor é o dispositivo que converte o sinal de uma forma física para outra forma física correspondente. O transdutor pode ser de entrada (sinal físico/sinal elétrico) ou de saída (sinal elétrico/ display ou atuador). O transdutor de entrada é utilizado na obtenção do sinal, e o de saída é usado para gerar movimento, ou executar uma ação e são chamados de atuadores (BALBINOT & BRUSAMARELLO, 2006/2014).

Para melhor entendimento e organização, os sensores podem ser classificados pela necessidade de uma fonte de alimentação, sendo assim podem ser classificados em passivos e ativos (BALBINOT & BRUSAMARELLO, 2006/2014).

Sensor passivo: este tipo de sensor não necessita de energia, ao receber um estímulo externo acaba por gerar um sinal elétrico. Podemos entender seu funcionamento, tendo em vista que a potência de saída do sistema tem origem em sua entrada, alguns exemplos deste tipo de sensor são os termopares e piezoeléctricos (BALBINOT & BRUSAMARELLO, 2006/2014).

Sensor ativo: este tipo de sensor necessita de uma fonte externa de energia para seu funcionamento chamada de sinal de excitação. Este sinal é modificado pelo sensor, desta forma é produzido o sinal de saída, ele adiciona energia ao ambiente de medida para o seu processo de medição. A potência de saída em maior parte é da alimentação auxiliar, assim a entrada apenas controla a saída, alguns exemplos deste tipo de sensor são os termistores e extensômetro de resistência elétrica (BALBINOT & BRUSAMARELLO, 2006/2014). 2.5 MICROCONTROLADOR

Para Souza (2006), o microcontrolador é um “pequeno” componente eletrônico, dotado de “inteligência” programável, utilizado no controle dos processos lógicos. O controle dos processos refere-se aos periféricos controlados por ele, como LEDs, botões, relés, sensores diversos entre outros. São chamados de controle lógico pois, trata-se das ações que devem ser executadas, dependendo do estado dos periféricos, podem ser de entrada e/ou saída.

O microcontrolador é programável, pois toda lógica citada acima é gravada dentro do componente. Uma vez programado, toda vez que o mesmo for alimentado o programa será executado. Pode-se dizer que a “inteligência” do componente refere-se à Unidade

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Lógica Aritmética (ULA), pois é ela que faz todas as operações lógicas e matemáticas serem executadas, quanto melhor for a ULA maior é a capacidade de processamento (SOUZA, 2006).

Anteriormente foi chamado de “pequeno” o microcontrolador, pois em uma única pastilha de silício encapsulada (também chamada de CI ou CHIP), estão todos os componentes necessários para o controle, isto é, memória de programa, memória de dados, portas de entrada e/ou saída paralela, timers, contadores, comunicação serial, PWMs, entre outros (SOUZA, 2006).

2.6 METODOLOGIA

A metodologia deste trabalho é baseada na construção de um protótipo de um sistema de proteção para bombas, onde este será instalado em sistemas existentes ou novos melhorando a eficiência dos sistemas, evitando assim o superaquecimento na caixa do rotor.

O método cientifico é um conjunto de processos ou operações mentais que devemos empregar na investigação, sabendo disso o método utilizado neste trabalho é classificado como dedutivo, momento em que sugere uma análise geral para o particular, formando uma cadeia de raciocínio decrescente, desta forma pretende-se chegar a uma ferramenta capaz de proteger a bomba quando a mesma trabalha sem água (FREITAS & PRODANOV, 2013).

Este estudo é caracterizado como de natureza aplicada, em que se gera conhecimento para aplicações práticas. O objetivo do estudo pode ser classificado como exploratório, na qual visa proporcionar uma maior familiaridade com o problema, tornando-o explicito ou construindo hipóteses sobre o assunto (FREITAS & PRODANOV, 2013).

O procedimento técnico da pesquisa é classificado nesta parte inicial como de pesquisa bibliográfica, onde é feito o estudo de materiais publicados, das partes que irão compor o trabalho final (FREITAS & PRODANOV, 2013).

Outro procedimento empregado neste trabalho será a pesquisa experimental, onde é selecionado um objetivo de estudo, onde seleciona as variáveis e definem-se as formas de controle e de observação dos efeitos (FREITAS & PRODANOV, 2013).

Na parte pratica será feito a montagem de uma estrutura para a realização dos ensaios e medições para comprovar a eficácia do projeto proposto.

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3 PROJETO E SIMULAÇÃO

3.1 DETALHE DO PROBLEMA

Ao observar a manutenção de máquinas elétricas pode-se detectar as falhas que as levam à danificação, tanto de forma elétrica quanto mecânica, muitas vezes que são causadas pela falta ou ineficiência dos dispositivos de proteção empregados. Sendo assim, ao observar as falhas comuns apresentadas por bombas de recalque observa-se que, mesmo com os atuais dispositivos de proteção, elas podem vir a danificar, seja por defeitos não programados, como exemplo o não fechamento de uma válvula de pé, devido ao desgaste do tempo ou mesmo por uma impureza que fica em sua estrutura.

Outro exemplo que pode ser citado são as falhas humanas, causadas pela falta de conhecimento ou mesmo por descuido, onde o indivíduo fecha algum registro da tubulação, onde está localizada a bomba, e a mesma entra em funcionamento, ocasionando sobrecarga elétrica ou mecânica, ou, ainda, ambas.

Problemas como o nível dinâmico de um reservatório também podem ser citados, em sistemas que a bomba necessita fazer a sucção do fluido que está abaixo dela. Em períodos onde o nível da água baixa, a bomba não possui força para fazer a sucção o que causa um processo chamado de cavitação, ou seja, no mesmo lugar que a bomba trabalha normalmente pode acontecer uma falha.

As bombas, em sua grande maioria, trabalham de forma automática, onde são ligadas e desligadas através de contatores, que por sua vez são comandados por chaves de nível, que com o seu constante uso acabam por danificar. Ao danificar existem duas possibilidades que acontecem com sua estrutura interior: uma é a simples abertura do circuito, o que apenas encerra a passagem de corrente; a outra é o fechamento deste circuito, o que causa o acionamento da bomba, que por sua vez faz com que a bomba trabalhe até retirar toda água do reservatório e depois continua sem o fluido.

As falhas citadas acima são apenas alguns exemplos possíveis e não programados que não são detectados pelos dispositivos de proteção citados anteriormente neste trabalho. Com o intuito de tornar o sistema de proteção para bombas mais eficaz torna-se necessário um dispositivo que atenda tal carência e proteja efetivamente a bomba.

Ao ocorrer qualquer tipo de falha, esse evento gera uma paralisação no sistema, podendo ocasionar dificuldades em sistemas de abastecimento de água, despoluição e deixar pessoas desassistidas com algum fluido indispensável na sua área.

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3.2 SOLUÇÃO PROPOSTA

Ao analisar as falhas citadas acima, pode-se afirmar que existe uma necessidade de proteção para bombas de recalque, onde junto com os dispositivos de proteção já existentes torne o sistema mais eficiente.

Existe no mercado dispositivos que conseguem proteger algumas das falhas citadas anteriormente, porém de forma superficial, como é o caso dos relés de subcorrente, pouco utilizado, mas que traria a solução para os casos em que a bomba trabalharia sem água, pois devido a características dessa máquina elétrica, ao trabalhar sem carga, a corrente do motor diminui, e o relé detectaria e desligaria o sistema.

Em soft-starters também existe este controle de corrente, justamente para o acionamento de bombas, protegendo contra cavitação (WEG INDÚSTRIAS S.A., 2019). O que há em comum entre os dois dispositivos citados é o custo elevado para a aplicação, e os mesmos não conseguem proteger de forma total, pois em casos de recirculação do fluido, por obstrução da passagem, que pode ser causado devido ao fechamento de um registro, ou mesmo o trancamento de uma válvula de retenção, haveria falha e a proteção não acionaria. Ambos os casos o sistema se reinicia após um tempo e restabelece novamente o funcionamento, porém, como o defeito pode perdurar, o acionamento e desacionamento diversas vezes acaba por danificar o motor e a bomba.

Com isto, o sistema de proteção proposto tem como função englobar uma solução para ambas as situações possíveis de falha. Ao conhecer o funcionamento da bomba, pode observar que existe algo em comum entre as falhas, que é o aquecimento na caixa do rotor, para ambas as situações citadas anteriormente acontece um superaquecimento, onde ele danifica internamente as partes mecânicas, podendo levar danos até mesmo ao motor, danificando a isolação interna do mesmo. Também, a bomba ao trabalhar por longos períodos sem transportar o fluido causa um desperdício de energia.

Desta forma a solução vislumbrada para tal resolução, seria um sistema que monitorasse a temperatura da caixa do rotor, e comparasse com a da tubulação, tendo em vista que com a passagem de fluido por ambos, estas devem ser muito próximas. Assim caso o sistema detectasse uma diferença de temperatura entre os dois sensores colocados na caixa e na tubulação, desligaria a bomba, assim se manteria até ser resetado. Desta forma, mesmo a temperatura se restabelecendo, a bomba não ficaria tentando acionar.

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Para qualquer das situações de falha, é importante que o sistema não restabeleça sem uma verificação da estrutura em que está a bomba. Pois, o mesmo ao ser acionado indica uma falha que deve ser investigada e tratada para que se possa restabelecer o transporte do fluido.

3.3 DIMENSIONAMENTO

Para a realização da proposta de proteção, será necessário entender alguns aspectos que compõem o sistema de bombeamento. Deve-se entender que para o funcionamento de uma bomba de recalque, o mínimo recomendado para o acionamento, é uma chave magnética e um relé de sobrecarga, sendo comandados por chave de nível (normalmente do tipo boia), outros adereços do quadro são relativos à aplicação e investimento que se deseja, como é o caso de fusíveis, acionamentos, falta de fase, entre outros. Estas são as proteções que estão em uso, como também as que serão dimensionadas. Desta forma o sistema proposto deve interagir com ela.

Sendo assim os principais componentes para a realização do protótipo de forma a atender os requisitos necessários são listados na sequência.

❖ LM 35

O LM 35 é um sensor de precisão em centìgrados e possui uma tensão de saída anlógica, sua faixa de medição é de -55°C a + 150°C, tendo um precisão de +- 0,5°C; sua tensão de saída é de 10 mV/°C, podendo ser conectado diretamente em qualquer microcontrolador (NOVA ELETRONICA, 2014).

O sensor não necessita de qualquer calibração externa para fornecer com exatidão, valores de temperatura com variações de 0,25ºC até 0,75°C dentro da faixa de -55°C a + 150°C. Possui uma saída com baixa inpedância, tensão linear e calibração inerente precisa, sua interface de leitura é simples e o custo do sistema como um todo seja baixo. Este sensor possui alimentação simples ou simétrica. Ele drena do sistema apenas 60 uA (Baú da Eletrônica, 2020).

❖ PIC 16F877A

Para realização do projeto o PIC escolhido foi o da família 16F, especificamente o PIC 16F877A, pois este é de valor comercial baixo possuindo ampla utilização.

O PIC escolhido é desenvolvido pela empresa Microchip, uma das maiores empresas de tecnologia do mundo. Ele é comumente utilizado no desenvolvimento de pequenos projetos eletrônicos no controle de sensores e componentes.

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● Especificações:

● Microcontrolador: PIC16F877A ● Tensão de operação: 5 V

● Tensão de alimentação máxima: 5,5 V ● Entradas e saídas digitais: 33

● Corrente de saída: 25 mA ● Memoria Flash: 14,3 kB ● Memória SRAM: 368 bytes ● Memória EEPROM: 256 bytes ● Velocidade do clock: 0-20 MHZ ❖ RELÉ

Os relés são fundamentais em manobras de cargas elétricas, pois permitem as lógicas de comando, como também separa o circuito de potência e comando. Normalmente são construídos com cinco terminais, os contatos (1) e (2) correspondem à alimentação da bobina de excitação. O terminal (3), é o de entrada, e os terminais (4) e (5), correspondem aos contatos normalmente fechado (NF) e normalmente aberto (NA).

Sua alimentação pode ser de 5, 12 ou 24 VCC, enquanto seus terminais podem trabalhar com 110 Vca ou 220Vca (SILVA DE SOUZA, 2009).

❖ TRANSISTOR (BC 337)

O transistor é um dispositivo semicondutor de três camadas, geralmente composto por silício ou germânio. Utilizado em processos de amplificação e produção de sinais e em operações de chaveamento, eles são criados na união de três materiais semicondutores obtidos na adição de impurezas, podendo ser do tipo P ou do tipo N, os mais utilizados são do tipo PNP e NPN. Especificamente neste trabalho ele será empregado como chave o transistor BC 337, do tipo NPN, pois atende a necessidade do trabalho.

❖ LINGUAGEM C

A linguagem C foi criada por Dennis Ritchie em 1972, ela consiste em uma linguagem de nível intermediário entre o Assembly e as linguagens de alto nível. É uma linguagem de programação genérica criada para ser tão rápida e eficiente quanto à linguagem Assembly e tão lógica e estruturada quanto às linguagens de alto nível (PEREIRA, 2003).

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Da mesma forma que as linguagens de alto nível, C utiliza a filosofia de programação estruturada, onde são divididos em módulos ou estruturas independentes entre si com o objetivo de realizar uma determinada tarefa. A programação estruturada permite uma construção mais simples e clara do software de aplicação, permitindo programações mais complexas (PEREIRA, 2003).

O desenvolvimento em C permite uma grande velocidade de criação de novos projetos, devido as facilidades de programação oferecidas pela linguagem e sua portabilidade, permitindo adaptar programas de um sistema para outro. Sua utilização permite que o programador preocupa-se mais com a programação da aplicação em si, pois o compilador assume para si tarefas como controle e localização das variáveis, operações matemáticas e lógicas etc. (PEREIRA, 2003).

3.4 SIMULAÇÃO

Para melhor compreensão do trabalho proposto, foi realizado a simulação nos programas CADe SIMU 3.0 e Proteus 8.

Inicialmente pode ser visto na figura 16, a representação do acionamento do motor de uma bomba, realizado com o programa CADe SIMU 3.0.

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Figura 16 - Representação do acionamento do motor de uma bomba.

Fonte: Autor

A imagem acima representa um sistema muito utilizado nos acionamentos de máquinas elétricas trifásicas. Com uma partida direta, sendo acionado de forma manual (M), ou automático (A) por uma boia, com um disjuntor para manobra (Q), uma chave magnética (K1) que aciona o motor, e um relé térmico (F1) para proteção de sobrecarga. Na imagem foi representado por um botão a boia que comanda um contato, como forma de ilustrar sua função real. Da mesma forma o relé que faz parte do sistema de proteção proposto neste trabalho.

O relé terá a mesma função do contato do relé térmico, abrindo o circuito caso haja uma anormalidade no funcionamento da bomba. O protótipo deve interagir com os sistemas de proteção existentes, por isso está inserido no circuito de comando.

A representação do protótipo foi feita com o auxílio do simulador Proteus. Nele foi feito a simulação de como ficará o circuito do sistema de proteção automático para bombas de recalque, figura 17.

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Figura 17 - Representação do protótipo do sistema proposto.

Fonte: Autor

Como pode ser visto na imagem acima, o relé que aciona a bobina da chave magnética que estará inicialmente em estado normalmente fechado (NF), da mesma forma que representado na simulação anterior, porém seu funcionamento que anteriormente era representado por um botão, agora pode se entender que ele será comandado pelo microcontrolador.

Devido ao fato do microcontrolador utilizado suportar uma corrente muito baixa, torna-se necessário o uso de um transistor para o acionamento do relé, onde ele fará a função de uma chave. Mas para poder utilizá-lo como tal, é necessário calcular o resistor de base para que o transistor entre em saturação, sabendo que a resistência da bobina do relé é de 60 Ω, a tensão de alimentação é de 5 V e o ganho hfe = 100 (datasheet do transistor). Desta forma foi realizado os seguintes cálculos:

𝐼𝑐 = 5 − 0,7 60 = 71,66 𝑚𝐴 (1) 𝐼𝑏 = 𝐼𝑐 ℎ𝑓𝑒= 71,66 100 = 716,6 𝜇𝐴 (2)

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𝑅𝑏 = 5 − 0,7 716,6𝜇= 6 𝐾𝛺 (3) Onde: Ic – corrente no coletor; Ib – corrente de base; Rb – resistor de base;

Assim sendo, é garantindo que o transistor entre em operação na região da saturação para funcionamento como chave eletrônica. Para evitar a queima dos componentes no acionamento do circuito foi utilizado um diodo roda livre, em paralelo com o relé cuja função é evitar a corrente inversa da bobina ao abrir o circuito com o transistor (BOYLESTAD, 2018).

Também é importante observar na figura 17, a existência de um LED vermelho no pino RB2 e um alarme no relé, que será utilizado como uma sinalização indicando que o sistema entrou em operação.

Será utilizado um cristal de 4 MHz, que atende as necessidades de leitura, além de dois sensores LM 35 que farão o monitoramento da temperatura. Por conseguinte, com a programação do PIC16F877A, ele receberá as informações dos sensores pelas suas portas analógicas AN0 e AN1, caso a temperatura do primeiro seja superior a 60% da temperatura do segundo LM 35, ele irá definir como nível lógico alto os pin RB1, RB2, por consequência, alimentando o relé e acionando a sinalização respectivamente.

Para a programação do microcontrolador foi utilizado o programa mikroC. Para a representação desta foi feito um fluxograma do programa idealizado, na figura 18:

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Figura 18 - Fluxograma do programa.

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Como já citado anteriormente, é de grande importância que o sistema não reestabeleça de forma automática, pois é necessária uma revisão na estrutura do sistema de bombeamento. Isto posto, após conferir o que pode ter ocasionado à falha, o indivíduo aciona o botão que está na alimentação do microcontrolador, reiniciando a programação.

4 APLICAÇÃO PRÁTICA

4.1 DESCRIÇÃO DA OPERAÇÃO DO PROJETO

O sistema de proteção automático para bombas de recalque funcionará da seguinte maneira: será instalado na tubulação onde está a máquina elétrica, nele chegará um cabo PP 4x1,5 mm², sendo dois destes condutores fase e neutro para a alimentação do sistema, a fase será compartilhada com o relé, onde ficará no pino comum, os condutores restantes serão retorno para a alimentação da chave magnética que comanda o motor e o alarme de sinalização. Inicialmente o relé terá o comportamento de um contato normalmente fechado, apenas permitindo a passagem entre ele como visto na figura 16.

Para uma efetividade na operação é importante que instalação e funcionamento sejam de fácil compreensão. Como já citado, será utilizado dois sensores LM 35, estes farão o monitoramento da temperatura a todo o momento, onde um deles fará o papel de referência, assim este será fixado na tubulação da bomba onde servirá como base para a temperatura desejada de funcionamento do transporte de fluido. Por sua vez, o segundo sensor será fixado na caixa do rotor, o mais próximo possível da localização do selo-mecânico, sendo o selo a vedação interna dentro da caixa do rotor, o sensor estará na parte externa respectiva a essa posição, pois durante o funcionamento da bomba esta é a localização onde a temperatura subirá rapidamente devido ao atrito do funcionamento. Como no transporte correto do fluido, a substância transportada que passa pela caixa do rotor faz o arrefecimento destas partes internas, mantém-se a temperatura próxima à presente na tubulação. Não havendo um líquido ou nas situações descritas anteriormente neste trabalho, a temperatura na caixa se elevará, sendo assim, o segundo sensor irá fazer esta leitura e comparar com a de referência, caso esta ultrapasse 60% da leitura do primeiro sensor, imediatamente o microcontrolador reconhecerá esta diferença e acionará o pino RB1, colocando em nível lógico alto sua saída. Então, saturando o transistor e acionando o relé que irá sair do seu estado normalmente fechado, passará para normalmente aberto, assim retirando a alimentação da chave magnética e desligando a bomba.

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Outro pino que será acionado será o RB2, passando para nível lógico alto, estes terão a função de sinalizar que ocorreu um problema no funcionamento do bombeamento, neste trabalho representado por um LED vermelho e uma sirene para alarme, sendo estes as sinalizações luminosa e sonora respectivamente.

Após ser acionado o sistema de proteção, este deve manter o circuito aberto mesmo que a temperatura diminua da condição proposta, pois como já citado, em sua grande maioria o acionamento das bombas é realizado de forma automática e, caso o sistema reinicia-se após a diminuição da temperatura a falha perduraria por um longo período, tornando-o ineficaz.

Para melhor entendimento pode-se observar no fluxograma abaixo o funcionamento de todo sistema, na Figura 19:

Figura 19 - Fluxograma da estrutura de funcionamento de todo sistema.

Fonte: Autor

Os fluxogramas são elementos gráficos utilizados para estabelecer uma sequência de operação para o cumprimento de uma determinada tarefa (PEREIRA, 2003).

Pode-se observar na figura 19, a realização de uma sequência de operações para a tarefa do funcionamento da bomba de forma correta. Onde se inicia com a condição

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‘bomba está funcionando’, caso esteja, corresponderá à tarefa ‘sistema está funcionando corretamente?’, ou seja não há problemas no bombeamento pois estará trabalhando normalmente. Caso a condição inicial não seja atendida, deve-se haver verificações em todo sistema, onde a primeira é, a verificação da condição ‘o sistema está alimentado corretamente?’, se a resposta for não, deve-se verificar a rede, fazer as adequações e ligar novamente a bomba, se a resposta desta condição for sim, então é passado para a próxima condição que é ‘ o relé térmico está acionado?’, se sim, deve-se verificar o motor e bomba se há alguma obstrução ou defeito interno antes de religar o sistema. Da mesma forma se a condição inicial não foi atendida e respectivamente nem uma das outras são responsáveis pelo não funcionamento do sistema, restará apenas mais uma possível que é ‘ o sistema de proteção para bombas de recalque está acionado?’, com a resposta sendo sim, deve-se verificar todo o bombeamento, buscando as possíveis falhas para o aquecimento elevado na caixa do rotor.

Após todas as aferições, a bomba trabalhará normalmente, não havendo outras opções para uma parada.

4.2 MONTAGEM E TESTE DO PROTÓTIPO

Com a simulação do protótipo em funcionamento, iniciou-se o processo de montagem e testes. Primeiramente foi montado em uma protoboard, onde foi feito os testes iniciais garantindo o funcionamento da programação no microcontrolador. Por ser um sistema simples e com poucos componentes não houve problemas em seu funcionamento.

Sendo assim, a montagem do protótipo foi feita em uma placa furada de fenolite como pode ser observado na figura 20.

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Figura 20 - Protótipo do sistema de proteção.

Fonte: Autor

Antes de fazer os testes práticos com protótipo foi feito a simulação na prática da falta de líquido no interior da bomba, monitorando o aumento da temperatura em um curto tempo, desta forma representando e comprovando a necessidade de uma nova proteção. Para isso, utiliza-se um multímetro da fluke, que possui um sensor de temperatura, e uma bomba de 3 cv trifásica da marca Dancor. O sensor foi fixado o mais próximo do selo mecânico no exterior da bomba, e foi feito manualmente o registro das leituras a cada 30 segundos, tal instalação pode ser visualizada na figura 21.

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Figura 21 - Inicio do teste na bomba de recalque com multímetro.

Fonte: Autor

Para não danificar estruturalmente a bomba, foi realizado em um curto período e com temperatura inicial de 21,5 Cº, como se vislumbra no gráfico da Figura 22.

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Figura 22 - Curva da temperatura x tempo de uma bomba sem fluido.

Fonte: Autor

Como pode ser observado, em poucos minutos há uma elevação considerável de temperatura. Assim, constatando a necessidade de proteção, pois como já citado anteriormente o bombeamento trabalha normalmente de forma automática, ou seja, a tendência é que este gráfico continuasse a crescer até essa elevação danificar de forma permanente a estrutura da bomba. Mesmo sendo tão significativa essa elevação em pouco tempo, em uma bomba com a caixa do rotor de ferro fundido (muito utilizada), esta característica seria ainda maior, pois a conduziria melhor que a bomba do teste. Todavia, o tipo mais afetado pela elevação é este por ser de fibra, onde a temperatura atingiria um valor de ruptura de suas propriedades construtivas, deformando de forma irreversível.

Na curva 1, pode-se observar que caso a proteção proposta neste trabalho estivesse inserida seria acionada em aproximadamente 3 minutos, desta forma não acarretando qualquer forma de prejuízo à bomba e ao motor. Para bombeamentos onde há parada do transporte de fluido, é essencial este sistema, onde trará confiabilidade e poderá evitar prejuízos e transtornos. Como é o caso da hidroponia, onde algumas horas acarretaria uma perda significativa na produção, uma vez causada pelo tempo em que a bomba trabalharia sem transportar os nutrientes para planta, como também o tempo em que demoraria para ser feito o conserto da mesma e colocada em funcionamento.

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Portanto, para determinar a confiabilidade do projeto aqui proposto, foi montado o protótipo na bomba mostrando como ele seria instalado em situações reais, figura 23.

Figura 23 - Montagem prática do sistema de proteção.

Fonte: Autor

Como já citado anteriormente ele ficará preso na tubulação da bomba, onde chegará sua alimentação, e um fio de retorno que comandará a chave magnética. Para a representação da simulação da figura 16, os testes foram feitos como uma chave de nível tipo bóia, que como na imagem 23 está sendo acionada.

A temperatura inicial no dia do teste foi de 18,9Cº, após ser acionado o motor, ele se manteve ligado por 3,5 minutos. Após este tempo a proteção acionou, como pode ser visto na figura 24.

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Figura 24 - Sistema de proteção acionado.

Fonte: Autor

As imagens acima são ilustrativas do sistema real, o quadro de comando foi utilizado aberto para mostrar as ligações internas.

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5 LEVANTAMENTO DE CUSTOS E CONSTRUÇÃO

Como o sistema aqui proposto, poderá interagir com qualquer tipo de acionamento e comandos existentes, será feito o levantamento dos custos apenas do protótipo, e não das outras proteções.

Os custos apresentados referem-se exclusivamente ao protótipo, já que podem variar, como por exemplo, ao sistema de alerta aqui proposto ser um LED ou mesmo o microcontrolador utilizado ser um pic 16F877A, pode haver modificações dependendo da necessidade. Pode-se optar por outra família de pic, onde não seria necessário o uso de um cristal oscilador externo.

Do mesmo modo, não será orçado o cabo que alimenta o protótipo, pois este valor deve variar conforme a distância em que o quadro de comando da bomba está da mesma. Então, pode-se observar no quadro 2, os custos relativos aos componentes utilizados para montagem deste.

Quadro 2 - Custo com componentes do protótipo.

Componente Valor unitário (R$) Quantidade Valor total (R$)

Pic 16F877A 25,90 1 25,90

Fonte chaveada 12,00 1 12,00

Relé 3,90 1 3,90

Sensor de temperatura LM35 9,90 2 19,80 Placa furada de fenolite 9,00 1 9,00

Outros 3,00 x 3,00

Caixa plástica 25,90 1 22,00

Sirene para alarme 24,90 1 24,90

Frete 25,60 1 25,60

Custo total x x 146,10

Fonte: Autor

Os valores orçados podem variar com a quantidade de componentes comprados ou mesmo com modificações no circuito. Tendo este valor como base, pode-se estipular um valor para sua venda. Estipulou-se um valor de R$ 230,00, tal valor, não estaria incluso a instalação no local. Os valores dos componentes utilizados foram retirados da loja online, Baú da Eletrônica. Ou, ainda, fornecer esse dispositivo como uma possibilidade de estender a garantia de instalação.

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Para melhor entender a necessidade desta proteção em relação ao custo/benefício realiza-se uma pesquisa sobre as peças que seriam danificadas da bomba utilizada nos testes, como se observa no quadro 3:

Quadro 3 - Custo aproximado com peças da bomba.

Componente Valor unitário (R$) Quantidade Valor total (R$) Intermediaria externa 97,90 1 97,90 Intermediária interna 101,90 1 101,90 Selo mecânico 20,00 1 20,00 Mão de obra 100,00 x 100,00 Custo total x x 319,80 Fonte: Autor

Os valores foram retirados de diferentes vendedores do Mercado livre, a mão de obra é referente a uma empresa de Ijuí que presta manutenção em bombas elétricas; os valores são aproximados, podendo ser ainda mais altos caso haja mais componentes mecânicos da bomba danificados, como rotor, rolamentos ou enrolamentos do motor. Salienta-se que, não foi orçado o frete para a compra destas peças.

O custo/benefício também pode ser pensado em outras situações, como o prejuízo da bomba estar parada, sendo relativo à função que ela desempenha. Em hidroponias ou irrigação, os transtornos e custos devido à falha e parada da bomba podem ser ainda maiores que os estimados anteriormente. Cabe lembrar que a inserção deste projeto com microcontrolador associado traz a possibilidade de manter o monitoramento constante do sistema a partir de implementação de algoritmo específico.

Como citado anteriormente neste trabalho, existe no mercado sistemas que protegem algumas das falhas, como é o caso de soft-starters possui a função subcorrente imediata, onde é ajustado o mínimo de valor de corrente, é utilizada para cargas que não possam trabalhar a vazio (WEG INDÚSTRIAS S.A., 2019). Porém o seu valor é mais elevado justamente por possuir uma série de benefícios para acionamento e proteções internas, o modelo que possui a possibilidade pré-ajuste de corrente é o SSW06. Sendo encontrada por valores acima de R$ 2000,00.

Ao comparar com o sistema projetado, a soft-starter possui um custo elevado, mesmo assim ela não protege por completo. Apesar de possuir outros benefícios, ela não pode atender as necessidades descritas neste trabalho para tornar confiável os sistemas de bombeamentos.

Referências

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