📘 Relé Térmico Bimetálico de Sobrecarga

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1. Identificação Normativa e Símbolos

Parâmetro Normativo	Relé Térmico Direto ao Contator (WEG RW27)	Relé Térmico de Grande Porte (Schneider LRD33)
Norma Internacional de Ensaio	IEC 60947-4-1 / EN 60947-4-1 / UL 60947-4-1	IEC 60947-4-1 / VDE 0660
Faixa Típica de Ajuste ($I_e$)	Modelos modulares de $0.28\text{A}$ até $40.0\text{A}$	Modelos para montagem direta de $17\text{A}$ até $104.0\text{A}$
Classe de Disparo Normalizada	Classe 10 (desarme entre $4\text{ e }10\text{s}$ @ $7.2\times I_e$)	Classe 10 e Classe 20 (partidas pesadas)
Sensibilidade à Falta de Fase	Sim (Mecanismo Diferencial de Arraste)	Sim (Conforme IEC 60947-4-1)
Compensação Automática de Temperatura	De $-20{}^{\circ }\text{C}\text{ a }+60{}^{\circ }\text{C}$ via lâmina bimetálica auxiliar	De $-20{}^{\circ }\text{C}\text{ a }+60{}^{\circ }\text{C}$
Contatos Auxiliares de Sinalização	$1\text{NF}(95-96)+1\text{NA}(97-98)$ eletricamente separados	$1\text{NF}(95-96)+1\text{NA}(97-98)$
Capacidade de Corrente dos Contatos Auxiliares	AC-15: $3.0\text{A}@240\text{V}$ / DC-13: $0.15\text{A}@220\text{V}$	AC-15: $5.0\text{A}@240\text{V}$
Tensão Nominal de Isolação ($U_i$)	$690\text{V}$ ($U_{\text{imp}}=6\text{kV}$)	$1000\text{V}$ ($U_{\text{imp}}=8\text{kV}$)

graph LR
    subgraph "Simbologia Padrão IEC 60617 para Relé Térmico"
        direction TB
        subgraph "Circuito de Potência (Sensores Bimetálicos)"
            P1["1/L1"] --- T1["[--] Bimetal R"] --- O1["2/T1"]
            P2["3/L2"] --- T2["[--] Bimetal S"] --- O2["4/T2"]
            P3["5/L3"] --- T3["[--] Bimetal T"] --- O3["6/T3"]
        end
        subgraph "Contatos Auxiliares de Comando"
            C1["95"] --- NC["/ / Contato NF (Desliga Bobina)"] --- C2["96"]
            A1["97"] --- NO["/ / Contato NA (Sinaliza Falha)"] --- A2["98"]
        end
    end

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2. Prancha Visual de Engenharia: Aspecto e Anatomia em Corte

Tabela de Chamada Anatômica do Corte

N°	Elemento Construtivo	Material de Engenharia	Função Física e Justificativa de Projeto
①	Lâmina Bimetálica Ativa (Fases R, S, T)	Duas lâminas metálicas soldadas por laminação térmica: Invar ($\text{Fe-Ni }36\%$) e Latão/Aço Austenítico	Sensor de Imagem Térmica: o Invar possui coeficiente de dilatação térmica linear quase nulo (${\alpha }_2\approx 1.2\times 10^{-6}/\text{K}$), enquanto o latão expande vigorosamente (${\alpha }_1\approx 19\times 10^{-6}/\text{K}$). O calor força a barra a dobrar-se em direção ao lado de menor dilatação.
②	Elemento de Aquecimento Indireto	Fio resistivo de Nicromo ($\text{NiCr }80/20$) enrolado sob isolação de mica	Conduz a corrente da fase do motor. O calor por efeito Joule ($P=I^2\cdot R$) é transmitido por condução para a lâmina bimetálica, mimetizando fielmente a constante de tempo térmica do estator do motor.
③	Lâmina Bimetálica de Compensação Ambiente	Lâmina bimetálica idêntica, mas instalada em oposição mecânica	Elimina disparos falsos causados pelo clima: se o ar dentro do painel elétrico subir de $20^{\circ }\text{C}$ para $50^{\circ }\text{C}$ no verão, esta lâmina entorta no sentido inverso, recuando o ponto de apoio do gatilho para que o relé desarme estritamente pela corrente do motor.
④	Reglete Diferencial de Falta de Fase	Duas réguas deslizantes de policarbonato acopladas pantograficamente	Detecção de desequilíbrio e falta de fase: se uma fase queimar, sua lâmina permanece reta enquanto as outras duas dobram. A barra diferencial gira sobre o ponto de apoio desbalanceado, antecipando o desarme com apenas $\approx 80\%$ da corrente de ajuste!
⑤	Gatilho de Disparo Rápido (Snap-Action Toggle)	Alavanca de aço com mola ômega biestável pré-tensionada	Transforma a deflexão lenta e contínua do bimetal em uma comutação instantânea e abrupta de contato ($<10\text{ms}$), prevenindo arcos e faiscamentos nos micro-contatos auxiliares.
⑥	Bloco de Contatos Auxiliares 95-96 (NF) e 97-98 (NA)	Contatos de Prata-Níquel ($\text{AgNi}$) com mola de retorno	O contato 95-96 NF abre o circuito da bobina do contator (desligando a carga com segurança), enquanto o 97-98 NA fecha simultaneamente para acionar um alarme sonoro, lâmpada de falha ou entrada digital do CLP.

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3. Física e Princípios de Funcionamento

3.1 A Equação Diferencial de Deflexão Bimetálica

A curvatura de uma lâmina bimetálica engastada de comprimento $L$, espessura total $s$ e submetida a uma elevação de temperatura $\Delta T$ é modelada pela relação de Timoshenko: $y=\frac{3\cdot ({\alpha }_1-{\alpha }_2)\cdot \Delta T\cdot L^2}{4\cdot s}$

Onde:

• ${\alpha }_1$: Coeficiente de dilatação térmica linear do metal de alta expansão (Latão: $19\times 10^{-6}/\text{K}$).
• ${\alpha }_2$: Coeficiente de dilatação do metal de baixa expansão (Invar: $1.2\times 10^{-6}/\text{K}$).
• $({\alpha }_1-{\alpha }_2)\approx 17.8\times 10^{-6}/\text{K}$ (diferencial de expansão).
• $\Delta T$: Elevação de temperatura gerada pela corrente de carga por efeito Joule: $\Delta T(t)=\Delta T_{\text{final}}\cdot \left(1-e^{-\frac{t}{{\tau }_{\text{teˊrmico}}}}\right)\text{onde }\Delta T_{\text{final}}\propto I^2\cdot R_{\text{aquecedor}}$

Como a deflexão mecânica $y$ é diretamente proporcional ao quadrado da corrente ($y\propto I^2$), o relé bimetálico reproduz mecanicamente a imagem térmica exata do isolamento do motor elétrico (curva $I^{2}t$ da Classe Térmica B, F ou H do verniz das bobinas).

flowchart LR
    CorrenteMotor["Corrente I_motor atravessa o elemento NiCr"] --> EfeitoJoule["Dissipação Térmica P = R · I²"]
    EfeitoJoule --> AquecimentoBimetal["Lâmina atinge temperatura ΔT"]
    AquecimentoBimetal --> Dilatacao["Metal 1 expande 15x mais que o Metal 2"]
    Dilatacao --> Deflexao["Lâmina curva-se em y = k · ΔT"]
    Deflexao --> Desarme["Arrasta reglete e dispara gatilho 95-96"]

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3.2 O Mecanismo Diferencial e a Proteção Contra Falta de Fase

Quando uma das três fases de alimentação de um motor elétrico é interrompida (por exemplo, queima de um único fusível da rede):

• O motor continua girando, mas a corrente nas duas fases remanescentes salta para aproximadamente $\sqrt{3}\times I_n\approx 1.73\cdot {\mathbf{I}}_{\mathbf{n}}$.
• Se o relé térmico operasse puramente pela soma das temperaturas, ele demoraria muito tempo para desarmar, pois a terceira lâmina fria estaria “segurando” o mecanismo. O enrolamento do motor sofreria queima catastrófica por sobreaquecimento assimétrico localizado.

O mecanismo diferencial resolve esse problema através de duas réguas móveis sobrepostas:

1. Régua Superior (A): Empurrada pelo topo das lâminas bimetálicas.
2. Régua Inferior (B): Empurrada pela parte intermediária das lâminas.

graph TD
    subgraph "Sobrecarga Trifásica Equilibrada"
        B1["Fase R dobra"] & B2["Fase S dobra"] & B3["Fase T dobra"]
        B1 & B2 & B3 --> ReguasJuntas["Réguas A e B movem-se juntas em paralelo"]
        ReguasJuntas --> DisparoNormal["Disparo conforme curva normal de catálogo (Classe 10)"]
    end
    subgraph "Falta de Fase (Fase T rompida)"
        F1["Fase R dobra muito"] & F2["Fase S dobra muito"] & F3["Fase T ESFRIA E RETRAI!"]
        F1 & F2 & F3 --> Inclinacao["Lâmina fria T atua como ponto de alavanca de apoio!"]
        Inclinacao --> AlavancaAmplificada["A régua superior gira e amplia o deslocamento do gatilho"]
        AlavancaAmplificada --> DisparoRapido["Disparo ACELERADO em menos de 2 a 3 segundos!"]
    end

Sob falta de fase, a lâmina desenergizada atua como um batente fixo. As duas lâminas quentes dobram e fazem a régua superior tombar angularmente, multiplicando o deslocamento mecânico sobre o gatilho e desarmando o motor em uma fração do tempo normal!

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3.3 Classes de Disparo Normalizadas (IEC 60947-4-1)

A norma classifica os relés de sobrecarga pelo tempo que levam para desarmar sob uma sobrecorrente severa de $7.2\text{ vezes a corrente ajustada}$ (correspondente à corrente de rotor travado de motores padrão):

Classe de Disparo	Tempo de Desarme @ $7.2\times I_e$ (Partida Fria)	Aplicação Prática Típica
Classe 10A	$2.0\text{s}\le t\le 10.0\text{s}$	Motores pequenos e compressores herméticos de partida ultrarrápida.
Classe 10	$4.0\text{s}\le t\le 10.0\text{s}$	Padrão mundial para 90% dos motores industriais: bombas centrífugas, esteiras e tornos.
Classe 20	$6.0\text{s}\le t\le 20.0\text{s}$	Motores com partida pesada e alta inércia mecânica: ventiladores centrífugos, exaustores e esteiras carregadas.
Classe 30	$9.0\text{s}\le t\le 30.0\text{s}$	Partidas extremamente severas com inércia colossal: moinhos de bolas, trituradores e britadores.

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4. Esquema Prático de Aplicação: Ligação dos Contatos de Comando e Sinalização

Conexão padrão dos contatos auxiliares do relé térmico: o contato 95-96 NF atua como “cadeado mestre” em série com o circuito de controle da bobina do contator, enquanto o contato 97-98 NA opera o circuito de alarme e telemetria.

graph TD
    subgraph "Linha de Comando 220V CA"
        FaseComando["Fase de Comando (+220V CA)"]
        Contato95_96["95-96 NF (Relé Térmico F1)"]
        BotoeiraEmergencia["Botoeira S0 (Emergência NF)"]
        CircuitoPartida["Botoeiras Liga/Desliga e Bobina K1"]
        Neutro["Neutro"]
        
        Contato97_98["97-98 NA (Relé Térmico F1)"]
        LampadaFalha["Lâmpada Amarela Indicadora de Sobrecarga"]
        EntradaCLP["Entrada Digital CLP (Falha Térmica Motor 1)"]
    end
    
    FaseComando --> Contato95_96 --> BotoeiraEmergencia --> CircuitoPartida --> Neutro
    FaseComando --> Contato97_98 --> LampadaFalha --> Neutro
    Contato97_98 --> EntradaCLP

Operação do Botão RESET (Manual vs. Automático)

No corpo do relé térmico existe uma chave seletora para o botão RESET:

1. Modo Manual (H - Hand / Recomendado em Indústria): Após o resfriamento das lâminas bimetálicas ($\approx 2\text{ a }5\text{min}$), o operador deve inspecionar a máquina e apertar fisicamente o botão azul para rearmar o contato 95-96.
2. Modo Automático (A - Auto): O relé rearma sozinho assim que as lâminas esfriam. NUNCA use o modo automático com circuitos de comando por chave liga/desliga de 2 posições, pois o motor entrará em um ciclo infinito perigoso de ligar-desarmar-esfriar-religar até explodir por fadiga térmica!

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5. Dimensionamento Passo a Passo e Projeto Numérico Resolvido

5.1 Especificações do Projeto

• Motor Protegido: Motor de Indução Trifásico (MIT) $15.0\text{CV}=11.0\text{kW}$, $380\text{V}/60\text{Hz}$.
• Corrente Nominal de Placa: $I_n=21.24\text{A}$.
• Fator de Serviço do Motor: $\text{FS}=1.15$ (Classe de Isolamento F, elevação B).
• Tempo de Partida do Motor sob Carga: $t_{\text{acelerac¸a˜o}}=3.2\text{segundos}$.
• Relação de Partida: $I_p/I_n=7.2$ ($I_{\text{partida}}=152.93\text{A}$).
• Temperatura de Operação no Painel: $T_A=48{}^{\circ }\text{C}$.

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5.2 Passo 1: Cálculo da Corrente de Ajuste do Dial ($I_{\text{ajuste}}$)

A norma IEC 60947-4-1 define a corrente de ajuste de acordo com o Fator de Serviço (FS) gravado na placa de identificação do motor:

1. Regra de Engenharia Padrão ($\text{FS}=1.00$): $I_{\text{ajuste}}=I_n=21.24\text{A}$
2. Para Motores com $\text{FS}\ge 1.15$: Se a instalação precisar extrair a sobrecarga contínua permitida pelo fabricante do motor sem desarmes intempestivos: $I_{\text{ajuste}}\le I_n\cdot \text{FS}=21.24\text{A}\times 1.15=24.42\text{A}$

Decisão de Projeto: Em ambientes industriais para máxima longevidade do enrolamento do estator (prevenindo envelhecimento prematuro da isolação por temperatura), ajusta-se o dial rigorosamente na corrente nominal do motor: ${\mathbf{I}}_{\text{ajuste}}=21.2\text{A}$

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5.3 Passo 2: Seleção do Modelo Comercial do Relé

O valor $I_{\text{ajuste}}=21.2\text{A}$ deve situar-se preferencialmente no terço central da faixa de ajuste do relé térmico para garantir a máxima linearidade e repetibilidade mecânica: Consultando o catálogo da linha WEG RW27 (acoplamento direto aos contatores CWM9 a CWM40):

• Faixa $11\text{ a }17\text{A}$ (RW27-1D3-U017) ❌ Muito baixa.
• Faixa $15\text{ a }23\text{A}$ (RW27-2D3-U023): $I_{\text{mıˊn}}=15.0\text{A}\text{e}{I}_{\text{maˊx}}=23.0\text{A}$ O valor de $21.2\text{A}$ situa-se perfeitamente dentro da faixa (a $77.5\%$ da escala) ✅ SELEÇÃO PERFEITA.
• (Se tivéssemos adotado $I_{\text{ajuste}}=24.4\text{A}$ com FS 1.15, selecionaríamos a faixa $22\text{ a }32\text{A}$ - modelo RW27-2D3-U032).

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5.4 Passo 3: Verificação de Partida sem Desarme Intempestivo

Durante a partida direta, o motor drena: $I_{\text{partida}}=152.93\text{A}=7.2\times I_{\text{ajuste}}$ A duração do pico é o tempo de aceleração da carga: $t_{\text{acelerac¸a˜o}}=3.2\text{s}$.

Na curva característica de disparo a frio para a Classe 10 do relé RW27:

• Sob $7.2\times I_e$, o tempo de atuação garantido situa-se entre: $t_{\text{disparo}}=5.5\text{ a }7.0\text{segundos}$

Comparando com o tempo real de aceleração do motor: $t_{\text{acelerac¸a˜o}}(3.2\text{s})<t_{\text{disparo\_mıˊnimo}}(5.5\text{s})$ O motor acelerará e entrará em rotação nominal plena mais de 2.3 segundos antes de o relé atingir a deflexão de desarme. Aprovação total sem risco de disparo em falso!

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5.5 Passo 4: Coordenação de Curto-Circuito com Fusível de Retaguarda

O relé térmico NÃO É DISJUNTOR e possui uma resistência interna (os filamentos de aquecimento). Sob um curto-circuito franco de milhares de ampères, se o dispositivo a montante demorar para atuar, o filamento de NiCr do relé vaporizará instantaneamente antes mesmo que o bimetal consiga dobrar!

A folha técnica do fabricante especifica para o RW27 (faixa 23A): $\text{Fusıˊvel Maˊximo de Retaguarda gG/gL (Coordenac¸a˜o Tipo 2): }{\mathbf{I}}_{\text{fusıˊvel}}\le 50\text{A}$ Qualquer fusível ou disjuntor a montante deve limitar a energia passante ($I^{2}t$) a um valor inferior a $1600{\text{A}}^2\text{s}$, garantindo integridade física total do relé em caso de curto na fiação.

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6. Modos de Falha, Diagnóstico e Regras de Layout em Painel

6.1 Modos Típicos de Falha

1. Queima dos Enrolamentos de Aquecimento por Curto-Circuito:
   • Ocorre quando a proteção a montante é superdimensionada (ex: disjuntor de $100\text{A}$ para um relé de $23\text{A}$). O curto queima o relé térmico internamente, abrindo o circuito de potência de uma fase.
2. Disparo Falso por Fadiga Mecânica ou Poeira:
   • Vibração severa no painel afrouxa a mola biestável do mecanismo snap, provocando desarmes com correntes inferiores à nominal.
3. Travamento por Sujeira no Reglete Diferencial:
   • Acúmulo de poeira condutiva ou umidade no interior do invólucro plástico emperra o deslizamento das barras de arraste, impedindo o desarme durante uma falta de fase real e queimando o motor.

6.2 Regra de Ouro de Conexão em Motores Monofásicos

Como Ligar um Motor Monofásico em Relé Térmico Tripolar!

Um relé térmico bimetálico industrial possui 3 polos. Se você conectar uma carga monofásica (Fase no Polo 1 e Neutro no Polo 2, deixando o Polo 3 vazio): O mecanismo diferencial interpretará que a Fase 3 “rompeu por falta de fase”! O relé desarmará em falso mesmo que a corrente esteja abaixo do valor nominal!

Ligação Obrigatória em Série dos 3 Polos: Passe a Fase pelo Polo 1 (1/L1 $\to$ 2/T1). Da saída 2/T1, faça uma ponte externa com um fio de volta para a entrada do Polo 3 (5/L3). A fase sairá por 6/T3 indo para o motor. O Neutro passa pelo Polo 2 (3/L2 $\to$ 4/T2). Dessa forma, a mesma corrente circulará rigorosamente pelos 3 bimetais em série, mantendo o mecanismo diferencial perfeitamente balanceado!