Categorias de utilização explicadas: AC-3 e AC-4 para contatores de vácuo MV

O que são categorias de utilização para contatores de motor?

As categorias de utilização classificam os contatores elétricos de acordo com as condições de comutação que devem suportar ao controlar tipos específicos de carga. Para aplicações de controle de motores de média tensão, essas categorias definem a magnitude da corrente, o fator de potência e a frequência operacional que um contator experimenta durante as operações de fechamento e abertura — parâmetros que determinam diretamente se um contator a vácuo irá sobreviver à sua vida útil prevista ou falhar prematuramente.

A Comissão Eletrotécnica Internacional estabeleceu este sistema de classificação na norma IEC 60947-4-1, originalmente para contatores de baixa tensão. As aplicações de média tensão seguem as mesmas definições de categoria, com requisitos de teste adaptados pela norma IEC 62271-106 para contatores de alta tensão e acionadores de motor baseados em contatores.

Cada categoria de utilização especifica quatro parâmetros críticos:

• Atualizando — A corrente de partida máxima que o contator deve fechar sem soldagem de contato
• Quebrando a corrente — A magnitude atual no momento da separação do contato
• Fator de potência (cos φ) — Determina a relação de fase entre corrente e tensão, afetando diretamente a energia do arco
• Resistência elétrica — O número de operações de comutação que o contator deve suportar em condições nominais.

Para motores de indução com gaiola de esquilo — o tipo de motor dominante em aplicações industriais de média tensão —, duas categorias são as mais importantes: AC-3 e AC-4. A distinção se concentra em uma questão: em que ponto da curva de aceleração do motor o contator interrompe a corrente? A resposta determina se a erosão do contato se acumula gradualmente ao longo de centenas de milhares de operações ou rapidamente em dezenas de milhares.

AC-3 vs AC-4: Compreendendo a diferença fundamental

A diferença fundamental entre AC-3 e AC-4 reside na tensão elétrica imposta no momento da separação dos contatos. AC-3 aplica-se ao arranque de motores de gaiola de esquilo e ao seu desligamento enquanto funcionam a velocidade normal. AC-4 abrange operações de arranque, ligação, avanço lento e inversão, nas quais os contatos devem interromper repetidamente a corrente do rotor bloqueado.

AC-3: Comutação do motor em serviço normal

Quando um motor atinge a velocidade máxima, a corrente cai para os níveis operacionais nominais antes que o contator a vácuo se abra. De acordo com a norma IEC 60947-4-1, seção 4.3.5.1, os contatores classificados como AC-3 devem suportar correntes de aproximadamente 6× a corrente nominal de operação (Ie) durante a partida do motor, mas a interrupção ocorre apenas a 1× Ie. O fator de potência durante a interrupção varia normalmente de 0,85 a 0,90, reduzindo substancialmente a energia do arco durante a separação dos contatos.

Em implantações em campo em instalações petroquímicas e estações de tratamento de água, o AC-3 representa o cenário de comutação mais comum. A força contra-eletromotriz do motor reduz significativamente a tensão de recuperação que aparece na abertura do vácuo. Testes de campo em contatores a vácuo de 7,2 kV mostram correntes de interrupção que variam de 200 A a 400 A para aplicações típicas de motores, com distâncias de abertura de contato de 6 a 10 mm, proporcionando rigidez dielétrica adequada.

AC-4: Comutação de motor para serviços pesados

Em condições AC-4, o contator a vácuo deve interromper a corrente em 6× Ie com um fator de potência de apenas 0,35 a 0,40. Não há assistência de força contra-eletromotriz porque o rotor permanece estacionário ou está revertendo. O interruptor a vácuo deve extinguir os arcos com corrente prospectiva total fluindo através das superfícies de contato CuCr na tensão total da linha.

A relação entre o arco e a energia explica a gravidade:

Energia do arco ∝ I² × t × (1 – cos φ)

O baixo fator de potência significa que a corrente e a tensão estão significativamente fora de fase, com cruzamentos de corrente zero ocorrendo sob maior tensão de recuperação. Isso se traduz em intenso aquecimento do arco, maior erosão do material de cobre-cromo por operação e acúmulo mais rápido do desgaste da folga de contato.

---

[Visão especializada: Observações de campo sobre o desempenho do AC-3/AC-4]

• Os sistemas transportadores de mineração com operações frequentes de arranque apresentam contatores classificados apenas para serviço AC-3, sofrendo desgaste acelerado dos contatos quando submetidos a ciclos AC-4 repetitivos.
• Um contator que atinge 1 milhão de operações em serviço AC-3 normalmente atinge apenas 100.000–150.000 operações em condições AC-4 com a mesma classificação de corrente.
• As taxas de erosão de contato sob serviço AC-4 atingem 0,01–0,02 mm por 1.000 operações, contra 0,002–0,005 mm para serviço AC-3.
• As indústrias de processo geralmente realizam entre 100 e 300 operações por dia; as aplicações AC-4 podem exceder 50 ciclos de avanço lento por turno.

---

Tabela comparativa completa da categoria AC

A estrutura IEC define várias categorias de utilização CA, cada uma delas abordando tipos de carga e condições de comutação específicos. Para contactores a vácuo de média tensão que controlam motores de indução de gaiola de esquilo, as especificações AC-3 e AC-4 são predominantes, embora a compreensão da família completa forneça contexto.

Categoria	Aplicação	Tornando atual	Quebrando a corrente	cos φ
AC-1	Cargas não indutivas ou ligeiramente indutivas	1,5 × Ie	Ou seja	0.95
AC-2	Motores de anel deslizante: partida, desligamento	2,5 × Ie	2,5 × Ie	0.65
AC-3	Motores de gaiola de esquilo: partida, funcionamento e parada	6 × Ie	Ou seja	0.35
AC-4	Motores de gaiola de esquilo: ligação, avanço lento, avanço intermitente	6 × Ie	6 × Ie	0.35

A diferença crítica está na coluna de corrente de interrupção. AC-3 pressupõe a interrupção de um motor funcionando quase à velocidade máxima — a corrente caiu para os níveis operacionais nominais. AC-4 pressupõe a interrupção em condições de rotor bloqueado ou próximas disso: corrente seis vezes maior, com energia de arco significativamente maior para extinguir.

AC-2 aplica-se especificamente a motores de anel deslizante (rotor enrolado), que têm características de partida diferentes e são menos comuns em instalações MV modernas. AC-1 abrange cargas resistivas e levemente indutivas, como elementos de aquecimento — raramente a principal preocupação para a seleção de contatores a vácuo em aplicações de controle de motores.

Os parâmetros críticos do AC-3 incluem: resistência elétrica ≥ 1 × 10⁶ ciclos operacionais na corrente nominal, resistência mecânica até 3 × 10⁶ operações e taxas de erosão de contato normalmente < 0,1 μg por ampere-segundo de duração do arco.

Para os engenheiros que especificam contatores a vácuo MV, a questão torna-se simples: este motor será alguma vez parado antes de atingir a velocidade máxima? Se sim, aplica-se AC-4. Se o motor funciona sempre à velocidade máxima antes de parar, AC-3 é suficiente.

Como a tensão de serviço AC-4 afeta os contatos do interruptor a vácuo

Os contatos CuCr (cobre-cromo) do interruptor a vácuo suportam toda a carga elétrica severa da função AC-4. Compreender o mecanismo de desgaste explica por que a seleção da categoria de utilização afeta diretamente os intervalos de manutenção e o custo ao longo da vida útil.

Durante a interrupção do AC-3, o arco difuso a vácuo se espalha pela face de contato, distribuindo a energia térmica de maneira relativamente uniforme. A magnitude da corrente é baixa (1× Ie) e o fator de potência favorável significa que a duração do arco antes do zero da corrente é breve. A perda de material de contato por operação permanece mínima.

As condições AC-4 criam um comportamento de arco fundamentalmente diferente. A 6× Ie com fator de potência de 0,35, o arco passa do modo difuso para o modo restrito. A energia se concentra em pontos localizados na superfície de contato, causando:

• Aquecimento intenso localizado superior a 3.000 °C nas raízes do arco
• Erosão preferencial do cromo da matriz CuCr
• Deposição de vapor metálico na blindagem circundante
• Aumento gradual da resistência de contato ao longo da vida útil

Os contatos CuCr padrão com teor de cromo de 25–50% fornecem a base para a função de comutação do motor. Para serviços AC-4 severos, os fabricantes podem especificar:

• Maior teor de cromo (até 75%) para maior resistência à erosão por arco elétrico
• CuCr refinado por granulação com microestrutura controlada para desempenho consistente em todas as faixas de temperatura
• Projetos de contato de campo magnético espiral ou radial que utilizam campos magnéticos autogerados para girar o arco, distribuindo a erosão por toda a face de contato

A folga de contato — normalmente de 8 a 12 mm para contatores MV classificados em 7,2 kV — deve manter uma rigidez dielétrica adequada, mesmo com o acúmulo de erosão. O nível de vácuo abaixo de 10⁻³ Pa permite a rápida desionização dos arcos de vapor metálico, mas interrupções repetidas de alta energia degradam gradualmente o ambiente interno por meio da contaminação da blindagem e da exaustão do getter.

Para uma compreensão mais profunda da construção do interruptor a vácuo e da física da extinção do arco, consulte nosso guia completo: O que é um interruptor a vácuo e como funciona?

---

[Visão especializada: Gestão de contatos]

• A vida útil elétrica sob condições AC-4 é normalmente 10–20% da vida útil AC-3 para a mesma estrutura do contator.
• Os indicadores de desgaste de contato (quando instalados) devem acionar a inspeção em 70–80% do limite de erosão calculado.
• Os contatos de campo espiral podem prolongar a vida útil do AC-4 em 30–50% em comparação com os contatos de topo com classificações equivalentes.
• A consistência do mecanismo operacional torna-se crítica: a variação na velocidade de fechamento acelera o desgaste irregular do contato.

---

Aplicações no mundo real: quando especificar cada categoria

A correspondência entre a categoria de utilização e o ciclo de trabalho real evita falhas prematuras e dimensionamentos excessivos desnecessários. O perfil da aplicação — e não apenas a placa de identificação do motor — determina a especificação correta.

Aplicações típicas do AC-3 em sistemas MV:

• Motores de bombas em instalações de tratamento de água e petroquímicas que funcionam em regime contínuo ou semicontínuo
• Acionamentos de ventiladores e sopradores em sistemas de climatização e ventilação industrial
• Acionamentos de transportadores com sequências padrão de partida/parada, nas quais os motores atingem a velocidade máxima
• Motores de compressores operando em ciclos automáticos com tempo de aceleração adequado

Essas aplicações compartilham uma característica comum: o motor acelera até a velocidade de operação antes do comando de parada. O contator interrompe apenas a corrente nominal em condições favoráveis de fator de potência.

Aplicações típicas do AC-4 em sistemas MV:

• Motores para guindastes e guinchos que exigem posicionamento preciso por meio de avanço gradual
• Revertendo os acionamentos dos laminadores na produção de aço com operações de tamponamento
• Controles de motores de elevadores e ascensores com mudanças frequentes de direção
• Unidades de indexação em linhas de produção automatizadas
• Qualquer aplicação que pare o motor antes que ele atinja a velocidade máxima

As operações de mineração apresentam um desafio particular. Os sistemas transportadores podem operar principalmente no modo AC-3, mas requerem movimentos ocasionais para posicionamento de manutenção. Um contator especificado exclusivamente para serviço AC-3 sofrerá desgaste acelerado durante esses ciclos AC-4.

Cálculo de impostos mistos

As aplicações no mundo real frequentemente combinam os dois tipos de serviço. A abordagem da IEC permite calcular o desgaste equivalente:

Operações AC-3 equivalentes = operações AC-3 + (k × operações AC-4)

O multiplicador k varia normalmente entre 3 e 10, dependendo dos dados dos testes do fabricante. Para um guindaste que realiza 50 partidas/paradas normais e 5 ciclos de avanço lento diariamente, o desgaste AC-3 equivalente pode ser 50 + (5 × 8) = 90 operações por dia, em vez de 55.

Explore nossa linha completa de contatores a vácuo projetados para serviços AC-3 e AC-4: Fabricante de contatores a vácuo

Selecionando a categoria de utilização correta

A seleção adequada da categoria requer a análise do perfil operacional real, em vez da aplicação de fatores de segurança genéricos. Quatro perguntas orientam a avaliação:

1. Quantas operações por hora? Ciclos frequentes que excedam 30 partidas por hora sugerem a consideração do AC-4, mesmo para serviços aparentemente “normais”.
2. O motor é alguma vez parado antes de atingir a velocidade máxima? Qualquer resposta afirmativa indica requisitos AC-4.
3. A aplicação envolve reversão ou tamponamento? Essas operações são, por definição, AC-4.
4. Qual é a vida útil prevista do contator? Aplicações de alto ciclo exigem categorização precisa

A realidade da redução da potência

Um contator classificado para serviço AC-3 não pode simplesmente servir para aplicações AC-4 com a mesma classificação de corrente. As abordagens padrão incluem:

Parâmetro	Classificação AC-3	Classificação AC-4 (mesmo quadro)
Corrente operacional nominal	400 A	200 Um típico
Resistência elétrica	500.000–2.000.000 operações	100.000–500.000 operações
Erosão por contato por 1.000 operações	0,002–0,005 mm	0,01–0,02 mm

A seleção de um tamanho de estrutura maior mantém a classificação de corrente necessária em condições AC-4. Alguns fabricantes oferecem materiais de contato aprimorados — tungstênio-cobre (WCu) ou prata-carboneto de tungstênio (AgWC) — para aplicações severas em que o aumento do tamanho da estrutura é impraticável.

Verificação de padrões

Os fabricantes devem demonstrar a conformidade por meio de testes de tipo de acordo com a norma IEC 62271-106 [VERIFICAR NORMA: confirmar se a edição atual se aplica à classe de tensão específica]. Os testes de tipo verificam a capacidade de fechamento e abertura nos valores nominais da categoria, a resistência elétrica por meio de ciclos de teste reduzidos extrapolados para a vida útil nominal e a resistência dielétrica após as operações de comutação.

Ao preparar as especificações para a aquisição de contatores a vácuo, consulte nosso guia detalhado: Lista de verificação da solicitação de cotação da VCB: Requisitos técnicos

Contatores a vácuo XBRELE MV para serviços AC-3 e AC-4

A XBRELE fabrica contatores a vácuo de média tensão com classificação de 3,6 kV a 12 kV, projetados para oferecer desempenho confiável nas categorias de utilização AC-3 e AC-4. Nossos interruptores a vácuo apresentam materiais de contato CuCr otimizados com teor de cromo controlado para características consistentes de erosão do arco ao longo da vida útil.

Cada contator é submetido a testes de rotina para verificar a tensão suportável na frequência de rede, a resistência do circuito principal e os parâmetros de operação mecânica. Relatórios de testes de tipo referentes a categorias de utilização específicas estão disponíveis mediante solicitação, fornecendo a documentação necessária para especificações de projetos e programas de garantia de qualidade.

Para aplicações que envolvem serviço misto AC-3/AC-4 ou perfis operacionais incomuns, nossa equipe de engenharia oferece consultoria técnica para determinar o dimensionamento adequado e a seleção do material de contato. Quer sua aplicação envolva controle padrão do motor da bomba ou operações exigentes de guindaste com ciclos frequentes de avanço lento, a correspondência adequada da categoria de utilização garante um desempenho de comutação confiável e intervalos de manutenção previsíveis.

Para obter orientações sobre considerações relativas ao ambiente de instalação, consulte nosso recurso de seleção: Guia de seleção de VCB para uso interno e externo

Para obter os requisitos completos de teste e as definições das categorias de utilização, consulte as normas publicadas pela Comissão Eletrotécnica Internacional.

---

Perguntas frequentes

P1: O que determina se minha aplicação requer contatores com classificação AC-3 ou AC-4?
R1: O fator principal é se o motor atinge a velocidade operacional máxima antes que o contator abra. Se o motor sempre acelera completamente antes de parar, aplica-se AC-3. Se as operações incluem jogging, inching, plugging ou qualquer parada antes da velocidade máxima, os requisitos AC-4 regem a seleção do contator.

P2: Em que medida a função AC-4 reduz significativamente a vida útil do contator de vácuo em comparação com a função AC-3?
R2: A resistência elétrica em condições AC-4 normalmente cai para 10–30% da vida útil AC-3 para estruturas de contator idênticas, principalmente devido ao aumento de seis vezes na corrente de interrupção e na energia de arco associada a cada operação.

P3: Posso aplicar um fator de segurança a um contator classificado como AC-3 para operações ocasionais AC-4?
R3: Operações AC-4 ocasionais exigem cálculos de desgaste equivalentes, em vez de simples fatores de segurança. Multiplique o número de ciclos AC-4 por 3–10 (de acordo com os dados do fabricante) e some às operações AC-3 para estimar o acúmulo real de desgaste por contato.

P4: Quais materiais de contato são mais adequados para serviços AC-4 severos em contatores a vácuo MV?
A4: As ligas CuCr com alto teor de cromo (50–75% Cr) com microestruturas refinadas proporcionam resistência superior à erosão por arco, enquanto as geometrias de contato em campo espiral distribuem a energia do arco pela face de contato para reduzir o desgaste localizado.

P5: Como posso verificar se um contator a vácuo está devidamente classificado para a minha categoria de utilização especificada?
R5: Solicite certificados de teste de tipo que façam referência à categoria de utilização específica e à classificação atual para sua aplicação. Os testes de acordo com a norma IEC 62271-106 devem demonstrar a capacidade de fechamento, a capacidade de abertura e a resistência elétrica na categoria declarada.

P6: A tensão de operação afeta os requisitos da categoria de utilização?
R6: As definições das categorias de utilização aplicam-se de forma consistente em todas as classes de tensão, mas tensões de sistema mais elevadas aumentam a tensão de recuperação durante a interrupção, tornando a seleção adequada da categoria ainda mais crítica para aplicações de 7,2 kV e 12 kV.

P7: Quais indicadores de manutenção sugerem que um contator excedeu sua categoria de utilização nominal?
R7: O aumento das medições de resistência de contato, tempos de arco mais longos durante a interrupção, erosão visível do contato além dos limites do fabricante e redução da capacidade de resistência dielétrica indicam um estresse acumulado que pode exceder as premissas de projeto para a categoria nominal.