Modelagem e simulação de um dispositivo eletromecânico para módulo de retenção mecânica de contatores

Abstract

Os contatores são amplamente empregados na indústria para manobra dos mais diversos tipos de equipamentos elétricos, onde servem de interface entre o equipamento de controle e as cargas comandadas. Entretanto, durante eventos transientes na tensão de alimentação, os contatores são identificados como os pontos fracos em muitos processos industriais, chegando muitas vezes a causar a interrupção do sistema. Para prover um funcionamento seguro, um acessório de retenção é comumente acoplado ao contator. Através de um mecanismo de retenção mecânica, este dispositivo eletromecânico mantém o contator em sua posição "ligado" na ausência de tensão de comando e através de um atuador magnético, permite o comando de desarme à distância, liberando o contator que retorna à sua posição "desligado". O presente trabalho trata da modelagem e simulação dinâmica do funcionamento do dispositivo eletromecânico que compõe o acessório para contatores comercialmente chamado de Módulo de Retenção Mecânica, embasado pela apresentação das fases iniciais do processo de desenvolvimento. Apresentam-se o resumo do benchmarking de produtos da concorrência e os requisitos de projeto elencados, além de algumas considerações da fase do projeto informacional e preliminar. Apresentam-se a modelagem e a simulação da força eletromagnética do atuador de desarme empregado, que é validada através de medições. Empregando o resultado anterior, realiza-se também a simulação dinâmica do modelo desenvolvido para o mecanismo de retenção. São apresentados também os leiautes preliminares e o leiaute funcional desse mecanismo. A fim de melhor representar a situação real, um modelo simplificado de contator também desenvolvido no presente trabalho é acoplado ao modelo do mecanismo durante a simulação dinâmica. Na etapa de desenvolvimento, alguns passos sistemáticos foram seguidos, conforme sugerido nas bibliografias de projeto integrado de produtos, e que resultaram na definição de requisitos de projeto mais completos. Na sequencia, tais requisitos foram confrontados com os resultados da simulação, o que permite concluir que o acessório de retenção mecânica desenvolvido cumpre os requisitos de projeto elencados e atende os objetivos iniciais do trabalho. Apesar desse relativo sucesso, identificam-se possibilidades de aperfeiçoamento através do emprego de métodos sistemáticos durante a etapa de geração de leiautes alternativos da concepção. Espera-se que tais métodos sistemáticos quando aplicados também na fase de projeto preliminar, contribuam no processo e sejam efetivos, principalmente quando a complexidade e o número de peças do mecanismo desenvolvido sejam superiores em relação ao apresentado no presente trabalho. As práticas adotadas no presente trabalho, principalmente relativas à parte de projeto informacional, contribuíram significativamente para a empresa, e foram prontamente absorvidas às práticas correntes de desenvolvimento. Atualmente elaboram-se as especificações de projeto e desenvolvem-se os produtos com base em decisões conjuntas de um grupo de apoio e atenta-se para a necessidade de aplicar a metodologia de projeto nas demais fases do processo de desenvolvimento de produtos.

Contactors are widely used in industry for switching of various types of electrical equipment, where they serve as an interface between control equipment and the loads to be switched. However, during transient events in the supply voltage, contactors are identified as the drawback in many industrial processes, often causing the system interruption. To provide reliable operation, a latching accessory is commonly used in combination with the contactor. Due to its mechanical latching mechanism, this electromechanical device keeps the contactor in its "on" position in the absence of control voltage and, due to a magnetic actuator, allows the remote control of the ensemble, switching the contactor that returns to its "off" position. This text focus on a modeling and dynamic simulation work for the mechanical latch block for contactors, which is grounded by the presentation of the initial phases of the product development process. It presents the product benchmarking and the design requirements listed, in addition to present some considerations taken in the informational and embodiment phases. It presents the modeling and simulation of the electromagnetic force of the actuator and the measurements to validate the results. Using the previous result, the dynamic behavior of the model developed for the latch mechanism is simulated. It's also presented the preliminary lay-outs that were done and helped to obtain the functional lay-out for this mechanism. In order to obtain a better representation, a simplified contactor model has also been developed and then coupled to the latch mechanism in the dynamic simulation. In the development phase, some systematic steps were followed, as suggested in the references of methodology for process project, which resulted in the definition of more complete project requirements. These requirements were compared with simulation results, which showed that the mechanical latch accessory developed meets the design requirements listed, which means the initial targets were accomplished. Besides of these accomplishments, it's identified opportunities for improvement if more systematic methods were applied for the phase of generating alternative lay-outs for the concept. It is expected that such systematic project methods, when applied to the embodiment phase, can contribute in the process and can be effective, especially when the complexity and number of parts of the developed mechanism is larger than the one presented in this work. The practices adopted in this work, mainly on the informational phase of the process project, have brought a significant contribution to the company and were readily absorbed into the current development practicing. Currently, the company develops design specifications and develops products based on a common decision of a support group and identifies the need to implement the project methodology in other phases of product development.