Introdução: sintomas de falhas nas fábricas ucranianas
Em empresas de indústria pesada e maquinaria na Ucrânia, paradas de emergência de equipamentos devido a disparos falsos de dispositivos de proteção representam até 35% de todas as paradas não programadas das linhas. Cenário típico: o motor principal de uma esteira transportadora ou estação de bombas para abruptamente durante um ciclo tecnológico sem sinais visíveis de sobrecarga de corrente. O eletricista de serviço registra o disparo de um relé térmico bimetalico ou de um detector de desalinhamento eletrônico. Medição da corrente de trabalho com pinças amperimétricas mostra valores que não excedem a corrente nominal do motor ($I_n$). A tentativa de reiniciar imediatamente frequentemente termina com uma nova interrupção de emergência após 3-5 minutos. Incidentes semelhantes levam à perda de produtividade, desperdício de matéria-prima em processos contínuos e desgaste prematuro de aparelhos de comutação.
Neste material técnico, realizaremos uma análise técnica judicial de causas de falhas semelhantes no exemplo da interação entre circuitos de potência e sensores de posição, especialmente sensores indutivos como Schneider Electric XS212BLPBM12, que operam em condições rigorosas dos departamentos ucranianos com variações de temperatura de -25°C a +55°C.
Visão do componente e seu meio de trabalho
Relés térmicos de sobrecarga são destinados à proteção de motores assíncronos com rotor em curto-circuito contra sobrecargas prolongadas, falta de fase e assimetria de correntes. Eles são instalados diretamente após o contatoor na malha de corrente alternada (padrões DSTU EN 60947-4-1, IEC 60947-4-1).
O ciclo padrão de trabalho prevê a operação em ambiente com temperatura nominal do ambiente de $+20\,^\circ ext{C}$ ou $+30\,^\circ ext{C}$ dependendo da especificação do fabricante. No entanto, as condições reais de operação nas fábricas ucranianas (combinados metálicos de Zaporizhia, combinados minero-metallúrgicos de Kryvyi Rih, empresas da indústria química de Cherkasy) diferem significativamente das laboratoriais. Caixas elétricas fechadas instaladas perto de fornos ou tubulações quentes criam um microclima com temperatura interna acima de $+50\,^\circ ext{C}$. Nesses condições, o calibramento de placas bimetais perde sua precisão.
| Parâmetro | Valor nominal | Valor real no setor | Valor limite permitido |
|---|---|---|---|
| Temperatura do ambiente da caixa | $+20\,^\circ ext{C}$ | $+42\,^\circ ext{C}$...$+58\,^\circ ext{C}$ | $+60\,^\circ ext{C}$ (IEC 60947) |
| Corrente de carga ($I_{load}$) | $24,5\,\text{A}$ | $24,0\text{ A}$ | $25,0\text{ A}$ ($I_n$ do motor) |
| Tempo de partida do motor ($t_{start}$) | $2,5 ext{ с}$ | $7,8 ext{ с}$ | $10.0 ext{ с}$ (classe de corte 10A) |
| Assimetria de fase | $< 1\%$ | 4,5% | $< 2\%$ |
Base de dados e dados de diagnóstico
Durante a inspeção de campo da estação de compressor no região de Dnipro foi registrada uma série de disparos falsos do motor principal do compressor de potência $37 ext{ kW}$ ($I_n = 68 ext{ A}$). Análise dos registros de eventos do controlador e das sistemas de monitoramento revelou os seguintes fatos:
- Vibração no corpo do motor: $2.8 ext{ мм/с}$ RMS (dentro dos limites normais para ISO 10816-3 para a classe II).
- Temperatura dentro da gaveta de distribuição no nível do relé térmico: $+52,4\,^\circ ext{C}$.
- Oscilogramas dos correntes de partida mostraram tempo prolongado de aceleração devido à queda de tensão na rede da fábrica para $372 ext{ V}$ (queda de $14\%$ em relação à nominal $400 ext{ V}$).
- Sensores de posição do mecanismo, em particular os interruptores indutivos Schneider Electric XS212BLPBM12, que indicam a abertura da válvula de descarga, foram submetidos à influência de distorções harmônicas provenientes do conversor de frequência ($THD_u > 8\%$), causando microimpulsos nas malhas de controle e comandos de reversão incorretos.
Tempo médio entre falhas (MTBF) fixado para o nó de proteção em condições de temperatura não compensada reduziu-se de $150\,000$ horas para $1\,200$ horas.
Análise sistemática das causas raiz (Metodologia Ishikawa)
Para identificar as causas profundas da degradação do sistema de proteção foi utilizada a diagrama de Ishikawa com os quatro vetores principais: ambiente, equipamento, pessoal e metodologia de cálculo.
1. Fator de ambiente (Environmental Factors)
Relé térmico reage à temperatura total: gerada pelo corrente interna e recebida do ambiente externo. Aumento da temperatura na caixa acima de $+40\,^\circ ext{C}$ força o bimetal a dobrar-se antes do alcance da corrente nominal. O fator de correção da corrente de disparo a $+50\,^\circ ext{C}$ é aproximadamente $0.88$ da nominal.
2. Erros de projeto e dimensionamento (Sizing Errors)
Muitas vezes os projetistas escolhem relés térmicos com base claramente na corrente nominal do motor, sem considerar o gráfico de partida (classe de interrupção 10, 20, 30 conforme DSTU EN 60947-4-1), a presença de ciclos frequentes de partida-parada (mais de 15 partidas por hora) e o tipo de carga (ventiladores inerciais, moedores pesados).
3. Qualidade da energia elétrica (Power Quality)
Desbalanceamento de carga entre as fases (assimetria de tensão) cria uma sequência de correntes reversa nas bobinas do estator. Mesmo com uma pequena assimetria de tensão de $3\%$, a assimetria de corrente pode atingir $15-20\%$, aquecendo uma das placas bimetálicas faseais.
Causas identificadas (Lista classificada)
- Superaquecimento da caixa de controle (Probabilidade: 45%). Ausência de ventilação forçada e climatização nas caixas de potência quando a temperatura externa do ambiente ultrapassar $+35\,^\circ ext{C}$.
- Incompatibilidade da classe do acoplador com o modo de operação (Probabilidade: 25%). Uso de relé da classe 10 em mecanismos com partida pesada (tempo de partida acima de $10$ segundos).
- Queda de tensão na rede e harmônicas (Probabilidade: 20%). Aumento do tempo de aceleração do motor devido a quedas de tensão nas redes industriais de $0.4 ext{ kV}$.
- Erros de montagem e apoios transitórios nas bornes (Probabilidade: 10%). Oxidação ou momento insuficiente de aperto dos parafusos das bornes de potência ($M_A < 2,5 ext{ Nm}$), que causa aquecimento localizado devido à resistência transitória e transmissão de calor para o relé bimetálico.
Medidas corretivas e preventivas
Para eliminar os defeitos identificados e prevenir acidentes nas linhas de produção é necessário implementar um conjunto de soluções técnicas:
- Ação imediata (Ações urgentes): Reduzir a deflexão do relé considerando a correção da temperatura ambiente de acordo com a nomografia do fabricante ou instalar um relé com compensação de temperatura ambiente (intervalo de $-20\,^\circ ext{C}$ a $+60\,^\circ ext{C}$). Verificar o torque de aperto de todos os contatos de potência com instrumento dinamométrico ($2.5 ext{ Nm}$ para parafusos padrão M4).
- Modernização de longo prazo: Instalar sistemas de controle climático nas gavetas de distribuição (módulos de ventilação filtrada com termostatos ou condicionadores industriais) para manter uma temperatura estável de $+25\,^\circ ext{C} \pm 5\,^\circ ext{C}$. Substituir os relés eletromecânicos obsoletos por blocos modernos de proteção de motores com medição de valores eficazes reais (True RMS) e possibilidade de conexão via protocolos Modbus RTU para integração em Sistemas de Controle e Supervisão (SCADA).
- Substituição de componentes relacionados: Em caso de falha de elementos de automação de controle, utilizar sensores industriais e dispositivos de comutação certificados conforme o padrão CE, selecionados através do UNITEC-D E-Catalog para garantir a compatibilidade com as normas europeias e ucranianas.
Cartão diagnóstico rápido para pessoal da oficina (Tablet-compatível)
Este checklist é destinado aos engenheiros de confiabilidade e eletricistas de manutenção durante a diagnóstico expresso no local:
- [ ] Etapa 1. Verificação da temperatura da caixa: Medir a temperatura do ar dentro da caixa no nível do topo do contato (norma: $< +40\,^\circ ext{C}$).
- [ ] Etapa 2. Controle das correntes de carga: Medir as correntes em todas as três fases (A, B, C) utilizando clampômetros (desbalanceamento não deve exceder $2-3\%$).
- [ ] Etapa 3. Inspeção das ligações de bornes: Realizar inspeção termográfica das ligações de contato para verificar a presença de pontos quentes ($\Delta T > 15\,^\circ ext{C}$ em relação à barra).
- [ ] Etapa 4. Análise da característica de partida: Fixar com o uso de um osciloscópio digital o tempo do período de partida do motor ($t_{start}$).
- [ ] Etapa 5. Verificação das cadeias de controle: Testar a estabilidade dos sinais dos sensores de posição para verificar a presença de disparos falsos devido a interferências eletromagnéticas.
- [ ] Etapa 6. Verificação da curva: Verificar a correspondência da curva de sobrecarga do relé térmico com a corrente nominal do motor, considerando o fator de serviço (SF).
- [ ] Etapa 7. Inspeção do estado do bimetal: Verificar a ausência de danos mecânicos ou sinais de corrosão no corpo do dispositivo de proteção.
- [ ] Etapa 8. Teste do botão Test/Reset: Verificar a operação mecânica do grupo de contatos da sinalização (97-98).
Estratégia de prevenção de falhas
Para garantir a continuidade dos processos produtivos nas indústrias ucranianas é necessário implementar um sistema de manutenção de três níveis:
- Manutenção Preventiva (PM): Verificação trimestral e apertagem das conexões de força com chave dinamométrica, limpeza dos filtros de ventilação das gavetas de distribuição.
- Monitoramento de condição (PdM): Instalação de sensores de temperatura dentro das caixas de distribuição, com transmissão de sinais de alarme para o nível superior da sistema SCADA quando a temperatura limite de $+45\,^\circ ext{C}$ for atingida. Controle térmico periódico do equipamento elétrico (não menos de 2 vezes por ano).
- Gestão de peças de reposição: Disponibilidade constante no estoque de elementos críticos de proteção e comutação, cuja seleção é feita com base nas condições reais de operação através do UNITEC-D E-Catalog.
Conclusão
Falhas de funcionamento térmico dos relés não são um resultado inevitável do desgaste do equipamento. Elas ocorrem devido à não observância dos regimes térmicos dentro das gavetas de comutação, erros no ajuste inicial da equipamento e não consideração dos parâmetros reais da rede de alimentação. Abordagem sistemática na diagnóstico, que inclui controle termográfico, análise de harmônicas e correção de ajustes considerando o impacto do ambiente, permite reduzir a quantidade de paradas de emergência em 80%. Para seleção de componentes e peças confiáveis, substitua os componentes obsoletos utilizando UNITEC-D E-Catalog.
Referências Normativas e Literatura
- DSТU EN 60947-4-1:2014 «Aparato de distribuição e controle de baixa tensão. Parte 4-1. Contator e arrancadores eletromecânicos»
- IEC 60947-4-1:2018 «Disjuntores e controladores de baixa tensão - Parte 4-1: Contatos e arrancadores de motor - Contatos e arrancadores de motor eletromecânicos».
- ISO 10816-3:2009 «Vibração mecânica - Avaliação da vibração de máquinas por medições em partes não girantes».
- Documentação técnica e manuais de operação da Schneider Electric sobre proteção de motores elétricos da série TeSys.
- Guia de Análise de Falhas de Equipamento Elétrico Industrial, UNITEC-D Engineering Handbook, 2023.
