O que é Calibração Térmica e Por Que os Fabricantes de MCB e MCCB Precisam Dela?

Numa fábrica de disjuntores, o momento que decide se um MCB acabado é seguro ou sucata é thermal calibration. É a etapa onde o elemento bimetálico dentro de cada disjuntor é aparado e verificado para que o dispositivo desarme dentro da janela de tempo exata exigida pela norma — nem um segundo antes, nem um segundo depois. Os compradores frequentemente chamam esta fase de teste de atraso, porque o que realmente está sendo medido é quanto tempo um disjuntor leva para desarmar em uma sobrecorrente dada. Para fabricantes de MCBs, MCCBs e RCBOs que enviam para mercados que exigem conformidade com a IEC, acertar esta etapa é a diferença entre um produto que protege um circuito e um que falha numa auditoria. Este artigo explica o que calibração térmica do MCB realmente é, como o teste de atraso se divide em verificação de longo prazo e curto prazo, por que as curvas B, C e D têm critérios de aprovação diferentes sob a IEC 60898-1, e qual equipamento executa o processo numa linha de produção moderna.

Por Huang Xiaolei | Benlong Automation

O que é Calibração Térmica na Fabricação de Disjuntores?

A técnica de disparo termomagnético é empregada por quase todos os disjuntores de baixa tensão. Uma situação de sobrecarga é tratada usando uma lâmina bimetálica, que consiste em dois metais colocados juntos com diferentes taxas de expansão térmica. Assim, quando a corrente excede os limites especificados, a lâmina aquece, dobrando-se em direção ao metal que se expande mais lentamente. Uma quantidade adequada de dobra fará com que a lâmina solte o trinco de disparo. Após uma sobrecarga, quanto maior a corrente, mais rápido o aquecedor, e portanto, mais rápido ocorrerá o disparo. Esta característica do dispositivo prova que a calibração térmica é todo o processo de fabricação de disjuntores envolvendo o ajuste da lâmina bimetálica, que será dobrada, caso em que o parafuso será ajustado ou a ligação do disparo será movida para garantir que o tempo de disparo caia dentro da faixa predeterminada pela norma atual para cada corrente de teste.

Sua importância não pode ser subestimada, pois permitirá distinguir facilmente os termos frequentemente confundidos. Calibração significa ajustar o mecanismo para atingir a janela de espaço alvo ou verificar que ele chega a esse ponto. Na realidade, os dois processos ocorrem simultaneamente, enquanto o operador injeta corrente e mede o tempo antes de ajustar a lâmina para nova verificação da unidade, já que um fato importante a lembrar é que as propriedades mecânicas e dos materiais diferem para cada bimetal, levando à necessidade de calibração individual desde o início. Um dispositivo defeituoso que não atende aos requisitos de calibração pode disparar durante um modo normal de operação ou, pior ainda, ficar preso durante uma operação de sobrecarga.

Assim, duas características são consideradas no processo — a precisão e a repetibilidade da saída. Um detalhe importante é que, se houver algum problema com o equipamento, os operadores poderão verificar o disparo a partir do início frio. A faixa de ajustes é bastante rigorosa, geralmente alguns por cento na corrente de disparo, o que significa que a faixa de erros para o banco de testes deve ser muito menor do que a do dispositivo de calibração. Isso explica a necessidade de um equipamento de calibração confiável para garantir o funcionamento eficiente do dispositivo.

As Duas Funções de Disparo por Trás de Cada Teste de Atraso

Para entender por que o teste de atraso é dividido em dois segmentos, precisamos compreender que existem duas funções de proteção independentes no disjuntor. A proteção térmica, ou proteção contra sobrecarga, vem da tira bimetálica, que reage lentamente, de segundos a horas, formando assim a parte de longo tempo na curva de disparo. Esta é a que é ajustada pela característica térmica. A proteção magnética ou proteção contra curto-circuito vem do eletroímã ou solenóide, que responde em milissegundos à alta corrente de falha, formando assim a parte de curto tempo ou instantânea da curva.

Se olharmos para o gráfico log-log tempo-corrente publicado por cada fabricante, vemos que a área térmica corresponde à parte superior inclinada da curva, enquanto a área magnética corresponde à parte inferior quase vertical. Na prática de fabricação, essas duas características são testadas com correntes diferentes, tolerâncias de tempo diferentes e, às vezes, bancos de teste diferentes. É daí que vem a divisão entre atraso longo e atraso curto: a característica de atraso longo testa o bimetal térmico, e a de atraso curto ou instantânea testa a bobina magnética. Portanto, é extremamente importante manter esses dois tipos separados.

Teste de Atraso Longo: O Núcleo da Calibração Térmica

O teste de atraso longo é o coração da calibração térmica do disjuntor. Ele confirma a ativação do bimetal no tempo adequado sob correntes elétricas de sobrecarga designadas. De acordo com a norma IEC 60898-1, todos os testes devem ser realizados em condições de temperatura do ar de +30 °C e a partir do ponto de partida frio; as características de corrente são mostradas para os três pontos de sobrecarga, que permanecem os mesmos para todas as curvas B, C e D.

O par 1,13 × e 1,45 × estabelece os limites de desempenho aceitável de sobrecarga do disjuntor; enquanto o disjuntor deve suportar uma sobrecarga ligeiramente superior a 13% sem disparo falso, ele precisa ser capaz de desconectar até mesmo uma sobrecarga de 45% de maneira convencional. Esses fatores definem a localização da curva de calor no gráfico. . A única razão pela qual o tempo tradicional muda de uma hora para duas horas após 63 A é que disjuntores maiores, que possuem contatos maiores, têm uma capacidade térmica muito maior e levam mais tempo para se estabilizar.

Com relação à produção, o ponto 2,55 × In é praticamente usado para calibrar o disjuntor, pois permite medir o tempo de desconexão em segundos, ao contrário da hora obtida em termos de medições tradicionais. Assim, uma quantidade específica de corrente pode ser passada pelo disjuntor enquanto se mede o tempo de disparo para ajustar esse tempo usando o servo ou o operador. As medições mais demoradas realizadas por meio do uso dos pontos 1,13 × e 1,45 × apoiam os resultados obtidos acima.

A Benlong fabrica equipamentos exatamente para esta etapa. O Bancada de calibração térmica de longa duração MCB realiza testes de sobrecarga conforme IEC 60898-1 em várias estações com uma fonte de corrente de alta estabilidade, enquanto o banco de calibração térmico semi-automático Tipo-A e seu equivalente baseado em cartão Tipo-B lidam com calibração programável de sobrecarga com troca rápida entre famílias de MCB. Para MCCBs regidos pela IEC 60947-2, os pontos de referência mudam — a corrente convencional sem disparo torna-se 1,05 × In e a corrente convencional de disparo 1,3 × In — mas o princípio da calibração permanece inalterado.

Teste de Atraso Curto e Instantâneo: Onde B, C e D Diferem

A segunda parte do teste de atraso avalia o elemento magnético ou a resposta a curto-circuito. É isso que os clientes frequentemente chamam de atraso curto ou teste de atraso e onde as curvas B, C e D começam a se comportar de maneira diferente. O nível em que o disparo magnético ocorre é definido pela quantidade de corrente nominal necessária para disparar o disjuntor conforme a convenção instantânea de 0,1 segundo. Um múltiplo inferior correspondente ao tipo de curva indica a corrente na qual o disjuntor ainda deve permanecer em serviço, e um múltiplo superior implica onde o disjuntor deve disparar.

O teste é realizado em duas fases por tipo de curva. Primeiro, um teste de retenção confirma que o disjuntor não desarma dentro de 0,1 s no múltiplo inferior — 3 × In para B, 5 × In para C, 10 × In para D. Em seguida, um teste de disparo confirma que ele desarma dentro de 0,1 s no múltiplo superior — 5, 10 e 20 × In, respectivamente. Pegue um disjuntor Tipo C de 16 A: ele deve suportar 80 A (5 ×) sem um disparo instantâneo, mas deve abrir quase imediatamente a 160 A (10 ×). O mesmo disjuntor de 16 A no Tipo B dispararia instantaneamente a 80 A, e no Tipo D toleraria até 320 A antes que o ímã atuasse. Essa variação é exatamente o motivo pelo qual a seleção da curva governa a tolerância à corrente de partida e a coordenação a jusante: uma curva D suporta o surto momentâneo de um motor ou transformador que causaria um disparo indesejado em uma curva B.

Um ponto merece ênfase para qualquer pessoa que esteja escrevendo uma especificação de teste. Os critérios de aprovação que mudam entre B, C e D pertencem ao disparo magnético (instantâneo), não ao disparo térmico por sobrecarga.. O lado bimetálico, a verdadeira calibração térmica, é o mesmo para as três curvas. E em um MCB essa resposta a curto-circuito é instantânea em vez de realmente retardada; a expressão atraso curto é usada de forma vaga na fábrica. Uma banda de atraso curto real e intencional só aparece em MCCBs com unidades de disparo ajustáveis, que serão abordados a seguir. Para a verificação magnética de MCBs e MCCBs de pequeno porte, o equipamento da Benlong Bancada de teste de disparo magnético manual do MCCB é projetado especificamente, com uma fonte de corrente programável de 5–10 × In e temporização em nível de milissegundos para um julgamento claro de aprovação/reprovação.

Qual Norma se Aplica: IEC 60898-1, 60947-2 e 61009

Os critérios de aprovação apropriados dependem da norma à qual o produto é certificado, e a aplicação incorreta representa um perigo real em termos de riscos. MCBs aplicados em usos domésticos e ambientes similares seguem a norma IEC 60898-1, que especifica as classificações B, C e D. A norma IEC 60947-2 rege o uso de MCCBs e disjuntores industriais, portanto possui suas correntes convencionais (1,05 × e 1,3 × In) e recursos mais flexíveis. A norma IEC 61009-1 rege o uso de RCBOs, ou disjuntores diferenciais-residuais que, além de serem submetidos a testes de corrente residual, também devem passar pelos mesmos testes que os MCBs para operações térmicas e magnéticas. Um único interruptor pode ser certificado conforme ambas as normas, porém a referência de temperatura pode ser organizada de forma diferente, dependendo das normas utilizadas.

A temperatura de referência é um dos fatores. De acordo com a IEC 60898-1, a calibração é realizada a 30 °C, enquanto dispositivos compatíveis com a IEC 60947-2 são testados a 40 °C. Ao mesmo tempo, um mesmo dispositivo pode ser testado usando outros níveis de temperatura para cada uma das normas mencionadas. A temperatura de referência também influenciará a tabela de desclassificação usada pelos consumidores, portanto, se o disjuntor foi testado usando a referência errada, pode falhar após passar nos testes padrão. Assim, fixar a temperatura durante o teste não é apenas uma formalidade de laboratório, mas também um requisito definitivo de qualidade.

Calibração Térmica do MCCB e as Faixas de Atraso LSI(G)

Disjuntores moldados adicionam uma camada de complexidade. MCCBs térmico-magnéticos menores são calibrados de forma semelhante aos MCBs, ajustando um bimetal para a faixa de sobrecarga e verificando o solenóide para o disparo de curto-circuito. Mas muitos MCCBs modernos usam unidades de disparo eletrônicas, e aqui Calibração térmica do MCCB torna-se uma questão de configurar e verificar parâmetros de proteção programáveis em vez de dobrar metal. Essas unidades de disparo são geralmente descritas com o esquema LSI ou LSIG, e cada letra é uma faixa de proteção ajustável separadamente:

• L, atraso de longo prazo: a função de sobrecarga, equivalente ao elemento térmico, com corrente de disparo ajustável e atraso de tempo que definem o comportamento de sobrecarga de tempo inverso.
• S, atraso de curto prazo: um atraso genuíno e intencional em correntes de falha moderadas, usado para que um disjuntor a jusante possa limpar uma falha primeiro e preservar a seletividade. Esta é a verdadeira faixa de atraso de curto prazo que os MCBs simplesmente não possuem.
• I, instantâneo: disparo imediato acima de um limite alto sem atraso intencional, para curtos-circuitos severos.
• G, falha à terra: proteção opcional contra falha à terra em unidades de quatro polos e especificações superiores.

Para um MCCB eletrônico, o teste de atraso verifica se cada faixa dispara dentro da tolerância em suas configurações programadas, injetando corrente nos limiares L, S e I em sequência e cronometrando a resposta. Para um MCCB térmico-magnético, verifica diretamente o bimetal e o solenóide, exatamente como para um MCB, mas em correntes mais altas e quadros maiores. De qualquer forma, o equipamento deve fornecer correntes de teste muito mais altas do que um banco de MCB. O MCCB Laboratory Integrated Testing bench da Benlong é projetado para executar testes de disparo magnético, calibração térmica e calibração térmica de longa duração em uma estação, o que atende tanto ao laboratório de P&D quanto à sala de testes tipo.

Como a Calibração Térmica é Feita em uma Linha de Produção

Um típico fluxo de trabalho de calibração de disparo térmico em uma linha moderna de MCB segue uma sequência repetível. Uma corrente de sobrecarga controlada, comumente em 2,55 × In, é aplicada através do disjuntor sob teste usando uma fonte estabilizada com baixa distorção harmônica, pois uma forma de onda distorcida altera o aquecimento e distorce a leitura. Um temporizador de alta resolução registra o instante exato em que o disjuntor abre, tipicamente a uma fração de porcentagem da leitura. Se o tempo de disparo estiver fora da janela, o bimetal é dobrado ou seu parafuso de ajuste é regulado — por um operador em um banco semi-automático, ou por uma cabeça servo em uma célula totalmente automatizada. A unidade é então re-testada a frio, e o resultado de aprovação/reprovação e o tempo de disparo são registrados, frequentemente exportados por USB ou enviados para um MES para rastreabilidade completa. Durante todo o processo, porque o padrão referencia 30 °C, a temperatura da área de teste é monitorada e compensada; calibrar na temperatura ambiente errada é uma das causas mais comuns de erros no tempo de disparo em campo.

Automatizar esta sequência compensa de três maneiras: consistência, porque um servo ajusta de forma mais repetível do que uma mão; velocidade, porque estações paralelas absorvem os longos testes convencionais; e rastreabilidade, porque os dados de cada unidade são capturados em vez de verificados pontualmente. Produtos de especificação mais alta são frequentemente calibrados em 100% de unidades, enquanto MCBs de commodities podem seguir um plano de amostragem definido. A qualidade a montante também é importante — o conjunto bimetálico deve ser construído de forma consistente antes que possa ser calibrado, razão pela qual a Benlong também fornece o Linha de soldagem automática com conjunto de disparo térmico MCB para produzir o subconjunto de disparo térmico com qualidade de solda repetível. Componentes consistentes entrando na calibração significam menos unidades fora da janela e menos retrabalho a jusante.

A própria fonte de corrente é o herói silencioso de toda a etapa. Porque o bimetal responde ao aquecimento, o tempo de disparo depende da corrente RMS verdadeira e da qualidade da forma de onda, não apenas de um ponto nominal definido. Uma fonte que cai sob carga, deriva conforme seus próprios componentes aquecem, ou carrega distorção harmônica significativa aquecerá a tira de forma diferente da onda senoidal limpa que o padrão assume, e cada unidade calibrada contra ela herda esse erro. É por isso que uma fonte de corrente estável, em malha fechada, com baixa distorção harmônica total, combinada com contatos de teste sólidos e de baixa resistência, faz mais pelo rendimento do que quase qualquer outro fator único no banco.

Por que os Disjuntores Falham no Controle de Qualidade do Teste de Atraso

Mesmo que seja bem projetado, um disjuntor ainda pode produzir rejeitos se seu processo de fabricação tiver derivado. As razões mais comuns para um disjuntor não passar no teste de atraso incluem alta temperatura ambiente desviando da temperatura de referência de 30 °C, que desloca a faixa térmica geral para a esquerda ou direita; corrente instável, que altera a quantidade de calor fornecida ao bimetal; resistência inadequada nos terminais, que cria calor adicional; tempo de estabilização insuficiente entre os testes, para que o bimetal possa reter aquecimento residual; cartão de curva ou programa errado aplicado; e deriva mecânica após calibração, que causa alta dispersão entre testes sucessivos. A maioria desses problemas surge devido a problemas de controle e pode ser eliminada se o banco de produção tiver fornecimento de corrente estável, excelente compensação de temperatura e um sistema automático de registro de dados.

O teste de atraso é apenas um dos pilares do controle de qualidade do disjuntor. Ele está ao lado da verificação dielétrica e de isolamento — se você está construindo um plano de teste completo, nosso explicador sobre teste hi-pot cobre o lado de resistência à tensão que roda em paralelo com as verificações térmicas e magnéticas.

Escolhendo Equipamentos de Calibração Térmica e Teste de Atraso

Combinar a bancada com o produto é importante. Uma única família de MCB com volume modesto é bem atendida por uma bancada de calibração semi-automática; uma fábrica que opera muitos modelos se beneficia da troca baseada em cartão para que uma linha possa alternar famílias em minutos; e uma oficina de MCCB ou ACB precisa de bancadas de maior corrente e estrutura maior com a faixa para alcançar os múltiplos necessários. A gama completa desses sistemas da Benlong está sob o Projeto de Bancada de Testes catálogo, que abrange bancadas de calibração térmica para MCB, bancadas de disparo magnético para MCCB, testadores laboratoriais integrados e estações de teste abrangentes para ACB. Como a mistura de modelos, a produção alvo e o tempo de ciclo de cada fábrica diferem, essas bancadas são tipicamente configuradas para o produto do cliente em vez de serem vendidas como unidades fixas de catálogo.

Conclusão

A calibração térmica é onde um disjuntor ganha sua classificação. O teste de atraso que o verifica divide-se claramente em uma parte de atraso longo, que ajusta e verifica o bimetal térmico contra os pontos de sobrecarga da IEC 60898-1, e uma parte de curto prazo ou instantânea, que verifica o disparo magnético — e é o lado magnético que dá às curvas B, C e D seus diferentes critérios de aprovação. Ajuste corretamente o ambiente, a forma de onda da corrente e o tempo, calibre cada bimetal individualmente, registre os resultados, e o resultado é um disjuntor que desarma exatamente quando deve e mantém quando deve. Para fabricantes que escalam esse processo, a combinação certa de bancadas de calibração e teste de atraso transforma uma tarefa lenta e dependente do operador em uma etapa de produção repetível e rastreável.