RELATÓRIO SISTEMAS ELÉTRICOS UTILIZANDO LÓGICAS DE CONTROLE

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RELATÓRIO DE AULA PRÁTICA
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA – U.F.S.C. BLU3403
INTRODUÇÃO A SISTEMAS ELÉTRICOS UTILIZANDO LÓGICAS DE CONTROLE
Francine de Oliveira Costa e Marcela Reis da Silva
Departamento de Engenharias
Leonardo Mejia Rincon
Blumenau – 2017.2
IDENTIFICAÇÃO
Relatório o Nº 1
Título: Introdução a sistemas elétricos utilizando lógicas de controle
Nome das alunas: Francine de Oliveira Costa e Marcela Reis da Silva
RESUMO SOBRE O TEMA DA AULA PRÁTICA
Esta aula prática teve como objetivo conhecer o software Fluidsim, projetar e simular alguns sistemas elétricos neste simulador, utilizando switches e atuadores disponíveis. Além disso, também foi abordado neste laboratório, como realizar três tipos de emenda em cabos flexíveis. E também, algumas questões básicas sobre a norma NBR5410.
INTRODUÇÃO
Para um melhor entendimento de sistemas automatizados é necessário compreender os tipos de componentes e comandos elétricos e suas lógicas de controle, segue abaixo:
São componentes elétricos:
Chave sem Retenção ou Impulso: este tipo de chave só́ permanece acionado mediante aplicação de uma força externa. Cessada a força, o dispositivo volta à situação anterior. Construtivamente, pode ter contatos normalmente abertos (NA) ou normalmente fechados (NF), conforme Figura 1. 
Figura 1: Switches normalmente aberto e fechado
Fonte: PETRUZELLA, Frank D.Eletrotécnica I.
Chave com Retenção ou Trava: uma vez acionado, seu retorno à situação anterior acontece somente através de um novo acionamento.
Figura 2: Switches NA e NF com retenção
 
Fonte: PETRUZELLA, Frank D.Eletrotécnica I.
Indicador Visual - Lâmpada. Aciona quando uma corrente elétrica passa por ela, conforme figura 3.
Figura 3: Lâmpada
Fonte: PETRUZELLA, Frank D.Eletrotécnica I.
Chave Seletora: essa chave apresenta um ponto de contato comum C, conforme a Figura 4
Figura 4: Chave seletora
.
Fonte: PETRUZELLA, Frank D.Eletrotécnica I.
Relé: é uma chave impulso acionada pelo campo magnético. A Figura 5 apresenta a estrutura física de um relé e seu símbolo elétrico.
Figura 5: Relé
Fonte: PETRUZELLA, Frank D.Eletrotécnica I.
Os relés podem possuir efeito memória, ou seja, a retenção de sinais elétricos, conforme Figura 6. Ao acionar a chave S1, a bobina K é energizada, fechando os dois contatos K, e ascendendo a lâmpada L. Retirando a força, a chave abre, mas a lâmpada continua acesa devido à retenção do sinal. A lâmpada permanece acesa até o acionamento da chave S2. Quando isso acontece, a bobina do relé K é desenergizada, abrindo os contatos K e desligando a lâmpada.
Figura 6: Sistema com memória de sinal
Fonte: PETRUZELLA, Frank D.Eletrotécnica I.
As lógicas de controle utilizam o sistema binário, que só́ assume dois estados lógicos e opostos, 0 (desligado) e 1 (ligado). A tabela-verdade onde são colocadas as opções possíveis das variáveis de entrada e seus resultados. Abaixo segue as funções e suas combinações:
 
 Sim – Identidade: nesta função a lâmpada acende (L = 1) se a chave estiver acionada (S = 1), e deve permanecer apagada (L = 0) quando a chave estiver desativada (S = 0), conforme a fig. 7.
Figura 7: Sim - Identidade
Fonte: PETRUZELLA, Frank D.Eletrotécnica I.
 Não - Inversa : a saída será́ o inverso da entrada.
Figura 8: Não - Inversa
Fonte: PETRUZELLA, Frank D.Eletrotécnica I.
E (AND) - Associação Série: a lâmpada acende (L = 1) se, e somente se, as chaves S1 e S2 estiverem acionadas, conforme figura 9.
Figura 9: E (AND) - Associação Série
Fonte: PETRUZELLA, Frank D.Eletrotécnica I.
OU (OR) - Associação Paralela: a lâmpada acende (L=1) se a chave S1, ou a chave S2, ou ambas estiverem acionadas, conforme a figura 10.
Figura 10: OU (OR) - Associação Paralela
Fonte: PETRUZELLA, Frank D.Eletrotécnica I.
 OU Exclusivo (XOR): Nesta função a lâmpada acende (L = 1) quando a chave S1 estiver acionada (S1 = 1) e a chave S2 não estiver acionada (S2 = 0), ou vice-versa, conforme figura 11.
Figura 11: OU Exclusivo (XOR)
Fonte: PETRUZELLA, Frank D.Eletrotécnica I.
MATERIAIS UTILIZADOS E DESCREVER COMO FOI FEITO O APARATO EXPERIMENTAL
Para este experimento, primeiramente alguns exercícios envolvendo esquemas elétricos foram projetados e simulados no software Fluidsim. O objetivo desses exercícios era aprender quais são os tipos de switches e atuadores disponíveis no simulador, e como estes funcionam. As figuras 12, 13, 14 e 15, a seguir, representam os sistemas elétricos disponíveis nos exercícios de 1 até 4, e que deveriam ser replicados no simulador.
Figura 12: Esquema elétrico da questão 1
Fonte: Elaborado pelas autoras.
Figura 13: Esquema elétrico da questão 2
Fonte: Elaborado pelas autoras.
Figura 14: Esquema elétrico utilizado na questão 3
Fonte: Elaborado pelas autoras.
Figura 15: Esquema elétrico utilizado no exercício 4
Fonte: Elaborado pelas autoras.
Já as figuras 16, 17 e 18 representam os esquemas elétricos que deveriam ser desenvolvidos nas questões 5, 6 e 7, respectivamente, com base nos requisitos de cada questão.
Figura 16: Esquema elétrico desenvolvido para a questão 5
Fonte: Elaborado pelas autoras.
Figura 17: Esquema elétrico elaborado para a questão 6
Fonte: Elaborado pelas autoras.
Figura 18: Esquema elétrico construído para o exercício 7
Fonte: Elaborado pelas autoras.
Para a questão 8, foi realizada uma consulta sobre a norma NBR5410, e também, sobre as tabelas AWG (American Wire Gauge), buscando aprender o que são, para que servem e também alguns exemplos.
Já para a questão 9, foi realizada uma pesquisa para definir qual a diferença entre fios rígidos e cabos flexíveis.
Para a questão 10, o professor ensinou como fazer 3 tipos diferentes de emenda elétrica, sendo estas: prolongamento, derivação e rabo de rato. Em seguida, os integrantes de cada grupo deveriam replicar as 3 emendas mostradas pelo professor. Em seguida, definir qual é a importância das emendas elétricas.
Por último, na questão 11, deveria ser feita uma consulta sobre emendas elétricas usando conectores, como Torção, derivação, Wago, entre outros.
RESULTADOS OBTIDOS
Questão 1
Na figura 12, todos os botões utilizados são operados manualmente, ou seja, precisam ser pressionados por uma pessoa para serem ativados ou desativados. O primeiro botão, da esquerda para a direita, é um botão normalmente aberto, sua posição inicial é com o seu contato aberto, ou seja, não permite a passagem de corrente elétrica, e consequentemente, não acende a luz que está ligada a ele. Além disso, este é um botão do tipo não retentivo, ou seja, o contato deste dispositivo só permanece fechado enquanto o mesmo for pressionado. Então, enquanto este é pressionado, a lâmpada acende, entretanto, ao ser solto, a lâmpada apaga.
Assim como o primeiro botão, o segundo também é normalmente aberto, porém, este segundo é um botão retentivo. Um botão retentivo é um botão que ao ser pressionado, troca o estado do seu contato, e este estado permanece o mesmo até que o botão seja pressionado novamente. Portanto, inicialmente a luz permanece apagada. Ao se pressionar o botão, e mesmo se a pessoa soltar o botão, a luz permanece acesa, e só será apagada caso o botão seja pressionado novamente.
O terceiro botão, ainda da esquerda para a direita, trata-se de um botão normalmente fechado, portanto, seu estado inicial é ativado (contato fechado), e a lâmpada que está ligada em série está inicialmente acesa. Este botão é não retentivo, ou seja, a lâmpada só pode ser apagada enquanto a pessoa permanecer pressionando o botão. Ao soltar o botão, a lâmpada volta a acender.
Já o quarto botão é do tipo normalmente fechado, e retentivo. Isso quer dizer que a lâmpada está inicialmente acesa, e só será apagada depois que o botão for pressionado. Ao pressionar o botão, o estado da lâmpada muda, independentementede a pessoa ficar segurando ou não o botão.
Questão 2
Para esta questão, foi utilizado o esquema elétrico mostrado na figura 13. Este esquema possui 2 switches manuais de 2 posições, e 4 lâmpadas, sendo que cada chave está acoplada com um par de lâmpadas. A característica desse tipo de chave é que ao pressionar o botão, o contato abre um circuito e ao mesmo tempo fecha outro. Neste caso, com a chave seletora não é possível apagar todas as lâmpadas ao mesmo tempo, mas somente escolher 2 delas para ficarem acesas e 2 apagadas (uma acesa e uma apagada para cada chave seletora). Além disso, neste exercício a chave da esquerda era não retentiva e a da direita era retentiva.
Questão 3
Neste exercício, o circuito mostrado na figura 14 foi utilizado. Neste circuito existe um switch normalmente aberto, um normalmente fechado e também um switch de 2 posições. O diferencial deste circuito é que não há switches manuais, apenas switches acionados por campo magnético, que é gerado por uma bobina. Como neste circuito não foi conectada uma bobina, então, não é possível alterar as posições das chaves, ou seja, estas permanecem sempre no mesmo estado.
Questão 4
Na questão 15, foi construído o circuito elétrico mostrado na figura 15. Basicamente este circuito é igual ao circuito da figura 14, entretanto, neste caso possui uma bobina (K1) e também um switch manual e não retentivo (S1). Ao pressionar S1, a bobina é energizada, gerando um campo magnético que é responsável por acionar os switches que estão associados à K1. Como S1 é não retentivo, após um curto intervalo de tempo a bobina é desenergizada, e todos switches associados a K1 voltam para suas posições iniciais.
Questão 5
Neste exercício era necessário implementar um circuito elétrico que permitisse ligar uma lâmpada quando dois switches fossem acionados simultaneamente. O circuito implementado está sendo mostrado na figura 16 deste relatório. A lógica deste circuito foi utilizar um ramo com um switch manual e retentivo (S2) em série com uma bobina (K2), além de um ramo com outro switch manual e retentivo (S3) em série com uma bobina (K3), e por último um ramo com dois switches em série que são acionados por K2 e K3. A ideia deste circuito era simular uma porta lógica “AND”. 
Como todos os switches utilizados neste circuito são normalmente aberto, então, inicialmente o circuito está desligado. Ao pressionar S2 e S3, as bobinas K2 e K3 são acionadas, assim como os switches relacionados a estas bobinas, respectivamente, fazendo com que a lâmpada permaneça acesa somente enquanto S2 e S3 estiverem ativados simultaneamente.
Questão 6
Para esta questão era necessário implementar um circuito elétrico que permitisse ligar uma lâmpada caso qualquer um de dois switches fosse acionado, ou ainda, se os dois switches fossem acionados ao mesmo tempo. Esta lógica é semelhante a utilizada na porta lógica “OR”, e o circuito implementado nesta questão é mostrado na figura 17.
Como no exercício 5, dois switches acionados manualmente e retentivos (S4 e S5) estão conectados em série com as bobinas K4 e K5, respectivamente. Além disso, há 2 switches acionados por K4 e K5, conectados em paralelo, e esses dois switches são conectados à uma só lâmpada. Ao pressionar S4 ou S5, as bobinas K4 e K5 são acionadas, e por consequência, acionam os switches K4 e K5, e então, a lâmpada é acesa. Basta apenas um switch (S4 ou S5) estar acionado para que a lâmpada acenda. A lâmpada também é acesa caso estes dois switches sejam acionados ao mesmo tempo.
Questão 7
Na questão 7, deveria ser implementado um circuito elétrico que permitisse ligar e desligar uma lâmpada de dois locais diferentes (circuito comutável). A figura 18 representa o circuito implementado para este exercício. Este sistema pode ser implementado com a mesma lógica da porta lógica “XOR”. Neste sistema, quando as duas entradas (S6 e S7) são iguais, a saída é zero, ou seja, a lâmpada permanece apagada. Já quando as duas entradas são diferentes, a saída é 1, e portanto, a lâmpada acende.
Questão 8
As tabelas AWG (American Wire Gauge), servem para padronizar as seções transversais, ou as áreas transversais dos fios, de acordo com um máximo de corrente que tais áreas suportam, sem que entrem em curto circuito. Portanto a padronização ocorre de acordo com a NBR 5410, no que diz respeito a condições de proteção dos cabos de acordo com o material que é feito o condutor, dentre outros padrões como a espessura do isolamento. Como exemplo temos de acordo com a NBR 5410 que: 
6.4.3.1 Seções mínimas
6.4.3.1.1 A seção de qualquer condutor de proteção deve satisfazer as condições estabelecidas em 5.1.2.2 e ser capaz de suportar a corrente de falta presumida. 
A seção dos condutores de proteção deve ser calculada conforme 6.4.3.1.2, ou selecionada de acordo com 6.4.3.1.3. Em ambos os casos devem ser considerados os requisitos de 6.4.3.1.4. 
NOTA Os terminais destinados aos condutores de proteção devem ser compatíveis com as seções dimensionadas pelos critérios aqui estabelecidos. 6.4.3.1.2 A seção dos condutores de proteção não deve ser inferior ao valor determinado pela expressão seguinte, aplicável apenas para tempos de seccionamento que não excedam 5s.
Figura 19: Expressão para calcular seção do condutor
Fonte: Norma NBR 5410.
onde: 
S é a seção do condutor, em milímetros quadrados; 
I é o valor eficaz, em ampères, da corrente de falta presumida, considerando falta direta; 
t é o tempo de atuação do dispositivo de proteção responsável pelo seccionamento automático, em segundos; 
k é um fator que depende do material do condutor de proteção, de sua isolação e outras partes, e das temperaturas inicial e final do condutor. 
As tabelas 53 a 57 indicam valores de k para diferentes tipos de condutores de proteção. Caso a aplicação da expressão resulte em seções não padronizadas, devem ser utilizados condutores com a seção padronizada imediatamente superior. 
NOTAS 1 O efeito limitador de corrente das impedâncias do circuito e a capacidade limitadora do dispositivo de proteção devem ser levados em conta no cálculo da seção. 2 
Para limitações de temperatura em atmosferas explosivas, ver IEC 60079-0. 3 Os limites de temperatura para os diversos tipos de isolação são dados na tabela 35 (ver também IEC 60724). 
Figura 20 – Tabelas norma NBR 5410
Fonte: Norma NBR 5410.
Questão 9
A diferença entre fios rígidos e cabos flexíveis é que o primeiro é formado por apenas um condutor elétrico, e o segundo é formado por vários filamentos de condutor. Entretanto, se um fio rígido e um cabo flexível da mesma espessura forem comparados, devem possuir as mesmas capacidades elétricas, como por exemplo, a capacidade de corrente elétrica que suportam, porém, o cabo possui mais flexibilidade, e por isso, é mais fácil de se manusear quando for utilizado em um circuito elétrico.
 
Questão 10
Nesta questão, era solicitado que fossem elaborados 3 tipos diferentes de emendas em fios: prolongamento, derivação e rabo de rato. As figuras abaixo demonstram o passo a passo de cada emenda. 
Emenda de prolongamento:
Para a emenda do tipo prolongamento, primeiramente deve-se desencapar a extremidade de cada um dos dois fios que serão unidos, utilizando um alicate. Recomenda-se deixar as duas partes de fio que estão desencapadas do mesmo comprimento. Em seguida, deve-se abrir o conjunto de fios de cobre, a fim de deixá-los como mostrado na figura 21.
Figura 21: Maneira como devem ficar os fios desencapados.
Fonte: Imagem capturada pelas autoras.
Após isso, deve-se colocar os fios de cobre de um conjunto entre os fios do outro conjunto. Deve-se fazer isso de forma que a distância entre a parte da intersecção dos dois conjuntos até a parte do fio ainda encapada seja equivalente a 1/3 do comprimento da parte desencapada dos fios. Esta etapa pode ser observada na figura 22.
Figura 22: Realização da emenda do tipo prolongamento
Fonte: Imagem capturada pelas autoras.
Depoisdisso, deve-se torcer um pouco cada um dos fios em seus próprios eixos, e o resultado deve ficar semelhante ao encontrado na figura 23.
Figura 23 - Torção de cada fio em seu próprio eixo
Fonte: Imagem capturada pelas autoras.
Em seguida, deve-se pegar aquela parte relativa a 2/3 de um dos fios desencapados (parte superior da figura 10), e então, enrolar esta parte na parte relativa a 1/3 do outro fio. O mesmo deve ser feito para o outro fio, entretanto, deve-se enrolá-lo no sentido oposto. A figura 24 mostra o resultado após esta etapa.
Figura 24: Resultado após enrolar os dois fios
Fonte: Imagem capturada pelas autoras.
Depois disso, basta cortar com um alicate a parte excedente dos fios, e então, a emenda de prolongamento deve estar pronta, e o resultado pode ser verificado na figura 25.
Figura 25: Emenda de prolongamento pronta
Fonte: Imagem capturada pelas autoras.
Emenda de derivação:
Para fazer uma emenda de derivação deve-se desencapar a extremidade de um fio, da mesma maneira realizada na emenda de prolongamento, utilizando um alicate. Entretanto, o outro fio não deve ser cortado na sua extremidade, mas sim de maneira que fique com duas pontas ainda encapadas, conforme a figura 26.
Figura 26: Fio desencapado na região central para emenda de derivação
Fonte: Imagem capturada pelas autoras.
Em seguida, deve-se ajeitar o fio, deixando um buraco no meio, de maneira semelhante à figura 27.
Figura 27: Ajeitar o fio, deixando um buraco no centro
Fonte: Imagem capturada pelas autoras.
Já o outro fio deve ser ajeitado, conforme indica a figura 28.
Figura 28: Como deixar o fio cortado na extremidade
Fonte: Imagem capturada pelas autoras.
Após ajeitar os dois fios, deve-se passar o fio cortado na extremidade dentro do buraco feito pelo outro fio, e depois, fechar o buraco apertando o fio com a mão. O resultado desta etapa pode ser observado na figura 29.
Figura 29: Como posicionar os dois fios para uni-los
Fonte: Imagem capturada pelas autoras.
Feito isto, deve-se pegar uma das pontas desencapadas do fio e enrolar esta em um dos lados do outro fio desencapado. A outra ponta deve ser enrolada no outro lado do fio, porém, deve ser enrolada para o outro sentido. Caso necessário, deve-se cortar as pontas excedentes do fio enrolado, e então, o resultado deve ser semelhante à figura 30.
Figura 30: Emenda de derivação
Fonte: Imagem capturada pelas autoras.
Emenda rabo de rato:
Para fazer a emenda conhecida como rabo de rato, deve-se desencapar a extremidade de 2 fios, e ajeitá-los de maneira semelhante à figura 31. Essa primeira etapa é parecida com o que foi feito para a emenda de prolongamento, entretanto, ao invés de deixar a intersecção a 1/3 da área ainda encapada, a intersecção deve ser deixada junto da base.
Figura 31: Como posicionar os dois fios para emenda rabo de rato
Fonte: Imagem capturada pelas autoras.
Depois disso, é preciso dar uma pequena torcida nos dois fios desencapados, girando-os em seus próprios eixos. E mais tarde, deve-se ir girando os dois fios, como se fosse abrir ou fechar um registro. Após isso, os dois fios devem estar enrolados, conforme mostrado na figura 32.
Figura 32 – Resultado após girar os dois fios
Fonte: Imagem capturada pelas autoras.
Depois, deve-se cortar as pontas excedentes com um alicate, e por fim, dobrar a parte desencapada dos fios ao meio, e o resultado pode ser visto na figura 33.
Figura 33: Emenda tipo rabo de rato
Fonte: Imagem capturada pelas autoras.
As emendas em fios elétricos são de extrema importância nos sistemas elétricos. Apesar de existir um elevado número de emendas diferentes, apenas com esses três exemplos mostrados acima já é possível prolongar o comprimento de um fio (emenda de prolongamento), mudar a sua direção (rabo de rato), e também, passar o sinal de um fio para outro fio, espalhando o o mesmo sinal para mais de um ponto do circuito (derivação).
É importante fazer uma emenda bem feita, pois estas são pontos cruciais em qualquer circuito elétrico. Uma emenda mal feita pode acabar gerando dissipação de calor, ou seja, a energia elétrica que iria alimentar algum circuito acaba se transformando em calor, e isso quer dizer que o consumidor está pagando por uma energia elétrica que não é utilizada para algum serviço útil, como ligar seus eletrodomésticos. Além disso, uma emenda mal feita pode gerar mau contato, fazendo com que os aparelhos elétricos funcionem as vezes, mas parem de funcionar em outros momentos.
 
Questão 11
11.1 Conector de torção comum: consiste em uma tampa isolada e um núcleo com uma mola de metal que se enrosca em torno dos condutores. À medida que o conector é girado, a mola prende os condutores no local (Figura 34).
Figura 34: Conector de torção
Fonte: BONACORSO,Nelso Gauze. Automação eletropneumática 
11.2 Conector com parafuso de ajuste: é um conector de duas peças, que utiliza um parafuso de fixação para prender os condutores no lugar (Figura 35).
Figura 35: Conector com parafuso de ajuste
Fonte: BONACORSO,Nelso Gauze. Automação eletropneumática 
Figura 36: Conector Bimetálico
Fonte: BONACORSO,Nelso Gauze. Automação eletropneumática 
Conectores para BT: São conectores mais simples, já que são feitos para serem acoplados a condutores para baixa tensão (tais condutores possuem uma menor secção transversal. São pequenos e não requerem muito de especialização para instalá-los. 
Conectores para AT: São conectores mais robustos e mais rígidos na sua instalação; São especialmente projetados para suportar altas tensões e correntes.
Figura 37 – Outros tipos de conexões
Fonte: BONACORSO,Nelso Gauze. Automação eletropneumática 
 CONCLUSÕES
Através do uso de switches e bobinas, sistemas elétricos podem ter o funcionamento análogo ao das portas digitais, com o mesmo comportamento de funções lógicas, como por exemplo, E, OU, OU EXCLUSIVO, etc. Através de alguns softwares como o Fluidsim, é possível simular o funcionamento desses circuitos, tornando mais fácil o estudo e compreensão dos mesmos.
Apesar do software trazer uma boa noção sobre o funcionamento destes circuitos, ainda é necessário que o profissional que atue nessa área tenha conhecimentos sobre as normas de padrão e segurança, como é o caso da NBR 5410. Ter conhecimentos e habilidades práticas também é importante, pois mesmo tarefas que possam parecer simples, como o caso de fazer uma emenda elétrica, são de muita importância em um projeto elétrico, podendo evitar prejuízos e acidentes.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
PETRUZELLA, Frank D. Condutores,conexões elétricas. In Eletrotécnica I. 1a ed. Porto Alegre: AMGH , 08/2013.v. 1, cap. 6 p.112-120.
BONACORSO,Nelso Gauze. Circuitos elétricos básicos. In Automação eletropneumática .12. ed.São Paulo: Érica, 2013.v.1,cap 7p. 65-70.
Site:.http://www.safetycontrol.ind.br/media/downloads/Catalago%20Emendas%20-%20Safety%20Control.pdf . Data de acesso: 10/08/2017.