Capítulo III – Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos
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Capítulo III – Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos 3.1. Contatores O princípio de funcionamento do contator foi apresentado no capítulo I (seção 1.4). Ele é um dispositivo largamente utilizado no acionamento de motores de indução trifásicos. Os contatores podem ser divididos em dois tipos: contatores principais (de força) e contatores auxiliares. Os contatores de força possuem três contatos principais NA (normalmente abertos) que servem para manobrar cargas trifásicas com correntes de até algumas centenas de Ampères. Também possuem contatos auxiliares normalmente abertos (NA) e normalmente fechados (NF) de baixa corrente, até 10 A, para comando e sinalização dos circuitos. A figura 3.1 apresenta o diagrama esquemático de um contator de força. A1 A2 L1 L2 L3 1 3 5 13 21 2 4 6 14 22 T1 T2 T3 Figura 3.1 – Diagrama esquemático do contator de força Os terminais da bobina são designados por A1 e A2. Geralmente as bobinas são projetadas para alimentação com corrente alternada para as seguintes tensões eficazes: 12 V, 24 V, 110 V, 127V, 220 V, 380 V e 440 V. Quando a tensão da bobina é diferente da tensão de rede deve-se utilizar um transformador de comando. As bobinas projetadas para corrente contínua são encontradas nas seguintes tensões: 12 V, 24 V, 48 V, 125 V e 220 V. Os terminais dos contatos principais são 1 (L1), 3 (L2) e 5 (L3), que são conectados na rede trifásica, e 2 (T1), 4 (T2) e 6 (T3), que são conectados na carga. Os terminais dos contatos auxiliares são 13, 14, 21 e 22. O primeiro algarismo indica a posição relativa dos contatos e o segundo algarismo indica se o contato é NA (3 e 4) ou NF (1 e 2). O número de contatos auxiliares é variável. Geralmente é possível encaixar blocos de contatos auxiliar no contator principal. Os contatores auxiliares (figura 3.2) possuem somente contatos auxiliares e são utilizados para funções de comando e sinalização. A1 13 23 33 43 51 61 A2 14 24 34 44 52 62 Figura 3.2 – Diagrama esquemático do contator auxiliar Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos 69 3.2. Elementos de Proteção Os dispositivos de proteção mais comuns para motores de indução trifásicos são o Relé Bimetálico de Sobrecarga e o Fusível. O princípio de funcionamento do relé bimetálico de sobrecarga (ou relé térmico) foi apresentado no capítulo I (seção 1.4). Ele é um dispositivo muito utilizado na proteção contra sobrecarga de motores de indução trifásicos. Geralmente estão acoplados mecanicamente ao contator de força. Na figura 3.3 está apresentado o diagrama esquemático do relé de sobrecarga. 1 3 5 97 95 2 4 6 98 96 Figura 3.3 – Diagrama esquemático do relé bimetálico de sobrecarga Os elementos bimetálicos estão localizados entre os terminais 1-2, 3-4 e 5-6, por onde circula a corrente do motor. Quando ocorre a sobrecarga, estes elementos curvam e movimentam um sistema mecânico que faz os contatos auxiliares 97-98 (NA) e 95-96 (NF) trocarem de estado. Coloca-se o contato NF em série com a bobina do contator para que, na ocorrência da sobrecarga, a alimentação desta bobina seja interrompida e o motor seja desligado. O contato 97-98 pode ser usado para ligar uma lâmpada de sinalização (sinaleiro) que avisa sobre a ocorrência da sobrecarga. Os fusíveis utilizados na proteção do circuito de motores são o Diazed (ou D) e o NH. Estes fusíveis foram apresentados no capítulo I (seção 1.4). Os fusíveis são utilizados nas fases do circuito de potência de motores e no circuito de comando das bobinas dos contatores. R S T A figura 3.4 apresenta o circuito de potência de um motor com todos os dispositivos típicos. S1 Dispositivo de seccionamento (S1): é a chave seccionadora (seção 1.4) que tem por função interromper o circuito para fins de manutenção. Ela é operada com o motor desligado. Dispositivo de proteção contra curto-circuito: é composto pelos fusíveis (F0) que protegem o alimentador contra curto-circuito. Dispositivo de manobra: é o contator (K1) que serve para ligar e desligar o motor. Dispositivo de proteção contra sobrecarga: é o relé bimetálico de sobrecarga (RS1) que protege os enrolamentos do motor contra sobrecarga. F0 K1 RS1 M Figura 3.4 – Circuito de potência Eletricidade Industrial 70 3.3. Elementos de comando Os elementos de comando são os dispositivos utilizados para comandar a alimentação das bobinas dos contatores. Portanto, eles não são percorridos diretamente pelas correntes dos motores. Há muitos dispositivos de comando, alguns deles são descritos a seguir. 3.3.1. Botoeiras (Botões Pulsadores) A botoeira é um elemento de comando bastante simples. Basicamente, ela é composta por um contato NA, ou um NF, ou ambos, e o estado destes contatos é alterado por ação manual. Porém, quando cessa a ação manual os contatos voltam ao estado inicial devido a uma mola de retorno. A figura 3.5 mostra a forma construtiva (a) e o símbolo (b) de uma botoeira com um contato NF e um NA. Ação manual Mola de retorno NF NA (contatos) (a) (b) Figura 3.5 – Botoeira: forma construtiva (a) e símbolo (b) Exemplo 3.1 – Chave partida direta / Contato de selo ou retenção. A figura 3.6 apresenta o circuito de potência (a) e o circuito de comando (b) da chamada “Chave partida direta”. F1 R S T F S1 RS1 F0 B0 K1 B1 K1 RS1 K1 M N (a) (b) Figura 3.6 – Chave partida direta: circuito de potência (a) e circuito de comando (b) Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos 71 O contator conecta os terminais do motor diretamente na rede trifásica e duas botoeiras são as responsáveis por ligá-lo (B1) e desligá-lo (B0). O contato auxiliar NA de K1 está em paralelo com o botão liga. Este contato é chamado de selo ou retenção porque quando a ação manual na botoeira B1 cessa, a bobina de K1 continua sendo alimentada por este contato. Quando a botoeira B0 é pressionada, ela corta a alimentação da bobina transitoriamente fazendo o contato auxiliar abrir e o motor é desligado. Exemplo 3.2 – Chave partida direta reversora / Intertravamento. A figura 3.7 apresenta o circuito de potência (a) e o circuito de comando (b) da chamada “Chave partida direta reversora”. Se o motor for acionado pelo contator K1, a seqüência de fases aplicada aos terminais T1, T2 e T3 do motor é RST. Se o motor for acionado pelo contator K2, a seqüência de fases aplicada aos terminais T1, T2 e T3 do motor é RTS. Esta troca na seqüência de fases produz inversão do sentido de rotação do motor de indução trifásico. R S T F1 F S1 B0 F0 RS1 K1 RS2 K2 B1 RS1 B2 K1 K2 RS2 M B2 B1 K2 K1 K1 K2 N (a) (b) Figura 3.7 – Chave partida direta reversora: circuito de potência (a) e circuito de comando (b) Se, por algum problema, os contatores forem acionados simultaneamente ocorrerá curtocircuito entre as fases S e T. Para evitar este problema, no circuito de comando existe um intertravamento entre os contatores que impede que eles atuem simultaneamente. Observe-se que o contato NF de um contator está em série com a bobina de outro contator, assim, elas não podem ser acionadas juntas. Com a disposição usada para as botoeiras o sentido de rotação pode ser invertido em plena marcha. Pressionando-se o botão B1, a bobina do contator K1 atraca e o motor parte em um dado sentido, por exemplo, horário. O contato de selo mantém o contator K1 acionado mesmo após cessar a pressão manual no botão B1. Quando o botão B2 é pressionado, a alimentação de K1 é cortada instantaneamente, porque o contato NF de B2 está em série com a bobina de K1. Por outro lado, o contato NA de B2 fecha e a bobina de K2 é alimentada, fazendo o motor inverter o sentido Eletricidade Industrial 72 de rotação. O contato de selo mantém o contator K2 acionado mesmo após cessar a pressão manual no botão B2. 3.3.2. Chave fim de curso A chave fim de curso é um tipo de chave que é acionada pelo esbarro de um corpo como, por exemplo, um portão, um caixote, a haste de um cilindro hidráulico ou pneumático, etc. Há chaves fim de curso com variados formatos. A figura 3.8 apresenta chaves fim de curso que possuem roletes que são pressionados por uma grade e trocam os estados dos contatos NA e NF. Quando a pressão externa cessa, uma mola faz os contatos retornarem as posições iniciais. O número de contatos NA e NF é variável conforme o modelo da chave. (a) (b) Figura 3.8 – Chave fim de curso: esquema físico (a) e símbolo (b) 3.3.3. Ampola de Mercúrio O mercúrio é um elemento condutor de corrente elétrica que se encontra no estado líquido à temperatura ambiente. Colocando-se uma quantidade de mercúrio em uma ampola com eletrodos internos se obtém uma chave cujos contatos estarão abertos ou fechados dependendo da posição da ampola. Na figura 3.9(a) a ampola está na posição horizontal e os contatos estão fechados. Na figura 3.9(b) a ampola está na posição vertical e os contatos estão abertos. (a) (b) Figura 3.9 – Ampola de mercúrio: contatos fechados (a) e abertos (b) Exemplo 3.3 - Controle automático de nível. A ampola de mercúrio é utilizada no interior de uma bóia que controla níveis de caixas de água (chave bóia). São utilizadas duas chaves bóia, uma no reservatório superior e outra no reservatório inferior. As ampolas de mercúrio estão posicionadas de forma diferente nestas bóias. A figura 3.10 apresenta a caixa superior para em duas situações: na figura 3.10(a) a caixa está vazia e os contatos da chave bóia estão fechados (bomba ligada); na figura 3.10(b) a caixa está cheia e os contatos da chave bóia estão abertos (bomba desligada). Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos 73 (a) (b) Figura 3.10 – Reservatório superior: vazio (a) e cheio (b) A figura 3.11 apresenta a caixa inferior para em duas situações: na figura 3.11(a) a caixa está vazia e os contatos da chave bóia estão abertos (bomba desligada); na figura 3.11(b) a caixa está cheia e os contatos da chave bóia estão fechados (bomba ligada). (a) (b) Figura 3.11 – Reservatório inferior: vazio (a) e cheio (b) Se a bomba é monofásica, as chaves bóias só podem estar ligadas diretamente no motor para potências muito baixas (menores do que 3/4 cv). Para bombas trifásicas, as chaves bóias comandam a bobina do contator. A figura 3.12 apresenta o circuito de potência (a) e o circuito de comando (b) de uma chave de controle de nível com contator e chaves bóias. F1 R S T F RS1 S1 F0 S0 1 2 3 K1 BSUP RS1 BINF K1 M N (a) (b) Figura 3.12 – Controle automático de nível para dois reservatórios Eletricidade Industrial 74 O circuito de comando permite tanto o funcionamento automático da bomba como a operação de comando manual direto, dependendo da posição da chave seletora S0: na posição 1 o comando é automático, através das chaves bóias; na posição 2 o motor permanece sempre desligado; na posição 3 o motor permanece sempre ligado. O comando automático funciona da forma descrita a seguir. Com os dois reservatórios vazios, as chaves bóias apresentam-se nas posições indicadas na figura 3.12, ou seja, BINF está aberta e BSUP está fechada. Como não existe água no reservatório inferior a bomba não pode ser ligada. À medida que a água do alimentador vai entrando no reservatório inferior, a chave bóia inferior vai subindo. No momento em que o reservatório inferior atinge o nível máximo B INF fecha os seus contatos ligando a bomba. O nível do reservatório superior começa a subir e, quando atinge seu nível máximo, a chave bóia BSUP abre os seus contatos e desliga a bomba. 3.3.4. Relés de tempo Os relés de tempo tradicionais são temporizadores eletrônicos para controle de tempos de curta duração, tipicamente menores do que um minuto. Eles são divididos em três tipos: relé de tempo com retardo na energização; relé de tempo com retardo na desenergização; relé de tempo estrela-triângulo. a) Relé de tempo com retardo na energização A figura 3.13 apresenta o diagrama esquemático de um relé de tempo com retardo na energização: os terminais A1 e A2 são para alimentação do circuito eletrônico do relé; há um contato reversor 15-16 (NF) e 15-18 (NA). A1 15 A2 18 RTE 16 Figura 3.13 - Relé de tempo com retardo na energização O diagrama de operação da figura 3.14 mostra o funcionamento do relé. No instante t1 o circuito eletrônico do relé (A1 e A2) é alimentado, porém, os seus contatos permanecem ainda no mesmo estado. Somente depois de transcorrido o tempo T ajustado, ou seja, em t2, os contatos trocam de estado. Os contatos voltam à posição inicial no momento em que a alimentação em A1 e A2 cessa, ou seja, no instante t3. Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos 75 Alimentação em A1 e A2 Comutação dos contatos 15, 16 e 18 t1 T t2 t3 Figura 3.14 – Diagrama de operação do relé de tempo com retardo na energização b) Relé de tempo com retardo na desenergização A figura 3.15 apresenta o diagrama esquemático de um relé de tempo com retardo na desenergização: os terminais A1 e A2 são para alimentação do circuito eletrônico do relé; há um contato reversor 15-16 (NF) e 15-18 (NA); os terminais 1 e 2 são ligados a um contato externo para comandar a desenergização. 1 A1 15 2 A2 18 16 RTD Figura 3.15 - Relé de tempo com retardo na desenergização O diagrama de operação da figura 3.16 mostra o funcionamento do relé. No instante t1 o circuito eletrônico do relé (A1 e A2) é alimentado, mas contato ligado entre 1 e 2 está aberto, assim, os contatos 15, 16 e 18 permanecem ainda no mesmo estado. No instante t 2 o contato 1-2 externo é fechado, fazendo com que o contato 15-16 abra e o contato 15-18 feche. No instante t3 o contato externo 1-2 volta a ser aberto. Somente a partir deste momento é que o tempo T ajustado passa a ser contado. Transcorrido este tempo, ou seja, no instante t4 o contato 15-16 volta a fechar e o contato 15-18 volta a abrir. Observa-se que o contatos 15, 16 e 18 têm uma ação retardada em relação a abertura do contato externo 1-2, daí surge a denominação “retardo na desenergização”. Eletricidade Industrial 76 Alimentação em A1 e A2 fechado aberto Posição do contato externo entre 1 e 2 Comutação dos contatos 15, 16 e 18 T t1 t2 t3 t4 t5 Figura 3.16 – Diagrama de operação do relé de tempo com retardo na desenergização Exemplo 3.4 – Circuito temporizado na desenergização Na figura 3.17 os contatores K1 e K2 manobram, respectivamente, o banco de resistores R e o motor trifásico M de um ventilador. O circuito funciona da seguinte forma: Quando a botoeira S1 é pressionada, a bobina de K1 é alimentada. Os seus contatos principais fecham e ligam o banco de resistores R. O contato NA de K1 que está em paralelo com S1 faz a retenção e o outro contato NA, que está ligado aos contatos 1-2 de RTD, fecha. Isto faz com que o contato NA do relé RTD feche e a bobina de K2 seja alimentada. Os contatos principais de K2 fecham e ligam o motor M. O contato auxiliar NA de K2 fecha e a Lâmpada L1 sinalizadora de motor ligado acende. Resumindo, o motor e o banco de resistores são ligados de forma quase simultânea. Mostra-se a seguir que o retardo (temporização) ocorre no desligamento do motor pela botoeira S2. Quando a botoeira S2 é pressionada, a alimentação da bobina de K1 é cortada e o banco de resistores é imediatamente desligado. O contato auxiliar NA de K1 que está ligado aos terminais 1 e 2 do relé abre e o relé RTD começa a contar o tempo. Transcorrido o tempo ajustado, o contato NA do relé abre e corta a alimentação da bobina de K2, que faz o motor ser desligado. Portanto, o motor (ventilador) é desligado T segundos após o banco de resistores com o objetivo de esfriar rapidamente os resistores. A botoeira S0 desliga simultaneamente os resistores e o ventilador. F4 F5 S0 K1 K2 S1 K1 RTD K2 K2 L1 S2 R M K1 RTD K1 Figura 3.17 – Circuito com retardo na desenergização Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos 77 b) Relé de tempo Estrela-Triângulo O relé de tempo estrela-triângulo é um relé projetado para utilização em chaves estrelatriângulo e compensadora. O seu diagrama esquemático está na figura 3.18: os terminais A1 e A2 são para alimentação do circuito eletrônico do relé; há um contato reversor 15-16 (NF) e 15-18 (NA) e outro contato reversor 25-26 (NF) e 25-28 (NA). A1 15 A2 18 25 RY 16 Y 28 26 Figura 3.18 - Relé de tempo estrela-triângulo O diagrama de operação da figura 3.19 mostra o funcionamento do relé. No instante t 1 o circuito eletrônico do relé (A1 e A2) é alimentado, o contato 15-16 abre e o contato 15-18 fecha, porém, os contatos 25, 26 e 28 permanecem ainda no mesmo estado. Depois de transcorrido o tempo T1 ajustado, ou seja, em t2 o contato 15-16 fecha e o contato 15-18 abre. No instante t3, poucos milésimos de segundo após t2, o contato 25-26 abre e o contato 25-28 fecha. O intervalo de tempo T2, entre t2 e t3, é um tempo morto usado para impedir que os dois conjuntos de contatos atuem simultaneamente e produzam algum curto-circuito. Todos os contatos voltam à posição inicial no momento em que a alimentação em A1 e A2 cessa, ou seja, no instante t4. Alimentação em A1 e A2 T1 (ajustável) Comutação dos contatos 15, 16 e 18 (Y) Comutação dos contatos 25, 26 e 28 () T2 (fixo, milisegundos) t1 t2 t3 t4 Figura 3.19 – Diagrama de operação do relé de tempo estrela-triângulo Eletricidade Industrial 78 3.4. Sistemas de Partida de Motores de Indução Trifásicos 3.4.1. Influência da tensão na corrente e no conjugado As chaves convencionais de partida para motores de indução trifásicos são divididas da seguinte forma: Tensão plena Direta Estrela-Triângulo Partida Compensadora Tensão reduzida Soft-Starter Série-Paralelo Impedância em série Em alguns casos existe a possibilidade de inversão do sentido de rotação do motor como, por exemplo, Partida Direta Reversora, Estrela-Triângulo Reversora, etc. O conversor eletrônico de freqüência também controla a partida do motor de indução, porém, o seu estudo foge do escopo deste texto. Na partida com tensão plena (direta) cada enrolamento do motor recebe tensão nominal. Os valores nominais de corrente de partida (Ipn) e conjugado de partida (Cpn) sob tensão nominal são dados nos catálogos de fabricantes (tabela 2.4). A alta corrente de partida, sob tensão nominal, produz grandes perdas por efeito Joule (aquecimento), tanto no motor como na rede de alimentação. A corrente de partida também produz forte queda de tensão na rede. Nas chaves de partida com tensão reduzida cada enrolamento do motor recebe uma tensão menor do que a sua tensão nominal, seja devido as ligações efetuadas (estrela, triângulo, série, paralelo) ou por ação de um dispositivo auxiliar (autotransformador, variador eletrônico, impedância em série). A redução de tensão produz redução na corrente de partida e no conjugado de partida. Na partida (velocidade n=0) o motor de indução pode ser modelado simplesmente como uma impedância. Desprezando-se o efeito da saturação magnética, esta impedância pode ser considerada constante, independentemente da tensão aplicada ao enrolamento. Assim, tem-se: V I p I pn Vn (3.1) onde Ip é a corrente de partida para a tensão reduzida V e Ipn é a corrente de partida para a tensão nominal Vn. O conjugado de partida e o conjugado máximo são proporcionais ao quadrado da tensão aplicada a cada enrolamento do motor (Apostila de Máquinas CA, CEFET RS): C p k 1V 2 C ma k 2 V 2 (3.2) (3.3) Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos 79 onde k1 e k2 são constantes da máquina. Atente-se para o fato do conjugado ser proporcional ao quadrado da tensão. Portanto, o conjugado de partida e o conjugado máximo também podem ser expressos por: V C p C pn Vn C ma (3.4) 2 V C man Vn 2 (3.5) onde Cman é o conjugado máximo para tensão nominal. A curva (a) da figura 3.20 mostra um exemplo de comportamento da corrente em função da velocidade sob tensão nominal, desprezando-se a corrente de magnetização. Neste caso, a corrente de partida é seis vezes a corrente nominal (Ipn=6In ). Para o motor alimentado com 50% da tensão nominal, tem-se: V I p I pn Vn 0,5Vn 6I n Vn 3I n A curva (b) da figura 3.20 mostra o comportamento da corrente para 50% da tensão nominal. I / In (a) (b) n / ns Figura 3.20 – Características corrente versus velocidade A curva (a) da figura 3.21 mostra um exemplo de curva de conjugado onde se tem: Cpn=2Cn e Cman=4Cn. Eletricidade Industrial 80 Para o motor alimentado com 50% da tensão nominal, das equações (3.4) e (3.5), se tem: V C p C pn Vn C ma 2 0,5Vn 2C n Vn V C man Vn 2 2 0,5C n 0,5Vn 4C n Vn 2 C n Como a velocidade associada ao conjugado máximo não se altera, obtém-se a curva (b) da figura 3.21 para 50% da tensão nominal. T / Tn (a) (b) n / ns Figura 3.21 – Características conjugado versus velocidade O conjugado de partida depende do quadrado da tensão aplicada ao estator, portanto, a redução de tensão produz redução significativa no conjugado de partida. Quando são usadas chaves de partida com tensão reduzida, de modo geral, é desejável um motor de categoria H (ou D, se for o caso) para se obter um melhor conjugado de partida. Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos 81 3.4.2. Chave Partida Direta Na chave partida direta o motor está ligado na sua conexão definitiva, de modo que cada enrolamento do motor recebe tensão nominal no momento da partida. Devido à alta corrente de partida, as concessionárias de energia elétrica limitam a partida sob tensão plena a motores de pequeno porte, da seguinte forma: 1 – Alimentação com rede trifásica de baixa tensão (BT) pública Rede de 380 V até 7,5 cv (inclusive) Rede de 220 V até 5,0 cv (inclusive) 2 – Alimentação em alta tensão (AT) com transformador próprio até 9% dos kVA do transformador. Para o motor em si a partida direta é preferível, pois fornece o máximo conjugado de partida possível, o que encurta o tempo de aceleração. O diagrama de ligações da chave partida direta convencional está apresentado na seção 3.3 (exemplo 3.1). 3.4.3. Chave Estrela-Triângulo A chave estrela-triângulo somente pode ser utilizada em motores de 6 terminais cuja ligação normal seja triângulo ou motores de 12 terminais cuja ligação normal seja triângulo série ou paralelo. Na partida o motor é ligado em estrela (série ou paralelo), fazendo com que cada enrolamento recebe uma tensão menor do que a nominal, o que reduz a corrente de partida em relação à partida direta. O circuito de potência da chave estrela-triângulo para o motor de 6 terminais é mostrado na figura 3.22. Na partida são ligados os contatores K3 e K1 que efetuam a ligação estrela no motor (rede em 1, 2 e 3; 4, 5 e 6 em curto) . Após a partida o contator K3 é desligado e em seu lugar entra o contator K2 que, junto com K1 fecha a ligação triângulo (1 com 6, 2 com 4 e 3 com 5; rede em 1, 2 e 3). R S T F1,2,3 K1 K2 K3 F7 3 6 2 5 1 4 Figura 3.22 - Circuito de potência da chave estrela-triângulo (motor de 6 terminais) Eletricidade Industrial 82 O circuito de comando (modelo da Siemens) é mostrado na figura 3.23. A seqüência de operação pode ser resumida da seguinte forma: 1º. Pressiona-se o botão S1 para dar partida no motor. 2º. O circuito eletrônico de relé de tempo estrela-triângulo RY é alimentado. 3º. O contato 15-18 de RY fecha. 4º. A bobina de K3 é alimentada. 5º. O contato 21-22 de K3 abre, impedindo que a bobina de K2 seja alimentada (intertravamento). 6º. O contato 13-14 de K3 fecha. 7º. A bobina de K1 é alimentada. 8º. O contato 13-14 de K1 fecha (retenção). 9º. O contato 43-44 de de K1 fecha (retenção para o botão S1). 10º. Com as bobinas de K3 e K1 alimentadas, os seus contatos principais fecham, fazendo com que o motor arranque ligado em estrela. 11º. Após transcorrido o tempo ajustado no relé RY o seu contato 15-18 abre. 12º. A bobina de K3 deixa de receber alimentação. 13º. O contato 21-22 de K3 fecha, porém, a bobina de K2 permanece sem alimentação porque o contato 21-22 de RY ainda está aberto. 14º. O contato 13-14 de K3 abre, mas a bobina de K1 permanece alimentada pelo contato 13-14 de K1. 15º. Os contatos principais de K3 abrem, desfazendo a ligação estrela. Durante um intervalo de tempo extremamente curto, enquanto a bobina de K2 for alimentada, o motor é desligado. Esta transição é dita aberta e deve ser no menor tempo possível. 16º. Alguns milésimos de segundos após, o contato 25-28 de RY fecha. 17º. A bobina de K2 é alimetada. 18º. Os contatos principais de K2 fecham e o motor fica ligado em triângulo, voltando a produzir conjugado. 19º. O contato 21-22 de K2 fica aberto, realizando o intertravamento entre K2 e K3. 20º. Quando o botão S0 for pressionado o motor será desligado. F21 F F7 95 96 S0 11 12 43 23 S1 24 K1 44 25 15 RY 28 18 A1 A2 K3 K2 A2 14 22 A1 A1 K3 RY N 22 14 K3 21 21 K2 13 13 K1 A1 K1 A2 A2 Figura 3.23 - Circuito de comando da chave estrela-triângulo Siemens Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos 83 Análise de conjugado e corrente Na partida (ligação estrela) cada enrolamento recebe a tensão VFY (3.6) VL 3 onde VL é a tensão de linha da rede e ZF é a tensão de fase. A corrente de fase na partida é I FY VFY VL ZF 3Z F (3.7) Como a ligação é estrela, tem-se a seguinte corrente de linha: I LY I FY VL 3ZF (3.8) Se a partida fosse com a ligação triângulo, portanto, partida direta, ter-se-ia: VFD VL onde VFD é a tensão de fase na ligação triângulo (delta); I FD VFD VL ZF ZF I LD 3I FD 3VL ZF (3.9) (3.10) (3.11) Das equações (3.8) e (3.11) obtém-se a relação entre a corrente de linha em estrela (reduzida) e a corrente de linha em triângulo (direta): VL I LY 3Z F 1 I LD 3VL 3 ZF 1 I LY I LD 3 (3.12) (3.13) Portanto, desprezando-se as variações da impedância em função do estado de magnetização do ferro, tem-se que a corrente de partida em estrela é um terço da corrente de partida direta em triângulo. A redução da corrente de partida é acompanhada de redução no conjugado de partida. Da equação (3.4) obtém-se a relação entre o conjugado de partida em estrela (Cp=CpY; V=VL/ 3 ) e o conjugado de partida em triângulo que é o conjugado de partida nominal (Cpn=CpD; V=VL): Eletricidade Industrial 84 V C p C pn Vn V / 3 C pY C pD L V L 1 C pY C pD 3 2 (3.14) 2 (3.15) O mesmo procedimento pode ser utilizado para análise do conjugado máximo. Da equação (3.5) obtém-se: C ma V C man Vn V / 3 C maY C maD L V L 1 C maY C maD 3 2 (3.16) 2 (3.17) Conclui-se que o conjugado de partida e o conjugado máximo em estrela são, ambos, um terço dos respectivos valores para partida direta em triângulo. As curvas de conjugado em Y (CY) e em (C) são apresentadas na figura 3.24. Na ligação em Y a velocidade cresce até o instante da comutação, a partir daí a ligação é trocada para e a velocidade atinge o valor final. Como se pode ver, a curva de conjugado em Y fica muito baixa, o que aumenta o tempo de aceleração. T / Tn T TY TR n / ns comutação Figura 3.24 - Curva de conjugado em Y (CY), em (C) e conjugado resistente (CR) As curvas de corrente em Y (IY) e em (I) são apresentadas na figura 3.25. No instante da comutação ocorre um pico de corrente. Para que este pico não seja muito elevado, no momento da comutação, a velocidade já deve ter atingido 90% da velocidade síncrona. Caso isto não ocorra, o pico de corrente equivale à outra partida e não há vantagem no uso da chave. Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos 85 I / In I IY n / ns comutação Figura 3.25 - Curva de corrente em Y (IY) e em (I) Características positivas Custo reduzido. Permite elevada freqüência de manobras. Corrente de partida reduzida a 1/3 da corrente de partida nominal. Dimensões relativamente pequenas. Características negativas Aplicação específica para motores de 6 ou 12 terminais. A ligação normal do motor deve ser triângulo. Conjugado de partida reduzido a 1/3 do conjugado de partida nominal. O motor deve atingir pelo menos 90% da sua velocidade nominal em estrela, para que durante a comutação o pico de corrente não atinja valores elevados, próximos da corrente de partida direta. Aplicações Acionamento de cargas que apresentam baixo conjugado resistente na partida e baixa inércia ou, melhor ainda, quando a partida for a vazio. Exemplos: bombas centrífugas, ventiladores, etc. Eletricidade Industrial 86 3.4.4. Chave Compensadora O equipamento responsável pela redução da corrente de partida na chave compensadora é o Auto-transformador. Na partida o motor é alimentado por um auto-transformador trifásico com tensão reduzida, produzindo uma redução na corrente de partida em relação à partida direta. Geralmente, o auto-transformador possui derivações (taps) para 50%, 65% e 80% da tensão nominal, que são escolhidos conforme a necessidade de conjugado de partida. Após a partida o motor passa a ser alimentado diretamente pela rede trifásica, recebendo sua tensão nominal. A chave compensadora não efetua nenhuma alteração nas ligações do motor como faz a chave estrela-triângulo. Portanto, são suficientes apenas três terminais acessíveis do motor, ou seja, na chave compensadora a ligação definitiva do motor pode ser tanto estrela como triângulo, tanto série como paralelo, dependendo somente tensão da rede e das tensões nominais do motor. O circuito de potência da chave compensadora é mostrado na figura 3.26. Na partida são acionados os contatores K3, que fecha o centro de estrela do auto-transformador, e K2, para alimentação do primário do auto-transformador. Após a partida a seqüência de manobra dos contatores é a seguinte: inicialmente o contator K3 abre seus contatos; a seguir, K1 é acionado, conectando diretamente o motor na rede; finalmente, o contator K2 abre seus contatos. Esta seqüência faz com que a transição seja fechada, ou seja, em nenhum momento a corrente do motor é interrompida. Mesmo quando K3 abre seus contatos, uma parcela do enrolamento do autotranformador funciona como uma impedância em série com o motor. R S T F1,2,3 K1 K2 K3 80% 65% 50% F7 M Figura 3.26 - Circuito de potência da Chave Compensadora A chave estrela-triângulo descrita na seção anterior tem transição aberta, porque a alimentação do motor é interrompida durante alguns milésimos de segundo durante a comutação. Isto pode conduzir a picos de corrente e conjugado durante a comutação. Uma descrição detalhada deste fenômeno pode ser encontrada em Lobosco, pág. 79, vol.1. Nesta referência bibliográfica descreve-se uma chave estrela-triângulo especial com transição fechada. Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos 87 O circuito de comando (modelo da Siemens) é mostrado na figura 3.27. A seqüência de operação pode ser resumida da seguinte forma: 1º. Pressiona-se o botão S1 para dar partida no motor. 2º. A bobina do contator K3 é alimentada. 3º. O contato 13-14 de K3 fecha e a bobina de K2 é alimentada. 4º. O contato 21-22 de K3 abre e impede a alimentação da bobina de K1 (intertravamento). 5º. O contato 13-14 de K2 fecha e funciona como retenção para o botão S1. 6º. Com as bobinas de K3 e K2 alimentadas, os seus contatos principais fecham e o motor parte com tensão reduzida a partir do auto-transformador. 7º. O contato 43-44 de K2 fecha e ocorre a alimentação do circuito eletrônico do relé de tempo com retardo na energização K6. Inicia-se a contagem do tempo programado. 8º. Transcorrido o tempo programado, o contato 15-16 do relé K6 abre. 9º. A alimentação da bobina de K3 é cortada. 10º. O contato 13-14 de K3 abre. 11º. Os contatos principais de K3 abrem, desfazendo o centro estrela, o efeito transformador deixa de existir, porém, o motor continua alimentado por K2 com a impedância de uma parte do enrolamento do auto-transformador em série com o motor. 12º. O contato 21-22 de K3 fecha. 13º. A bobina de K1 é alimentada. 14º. Os contatos principais de K1 fecham e o motor é conectado diretamente na rede trifásica. 15º. O contato 21-22 de K1 abre impedindo o funcionamento de K3 (intertravamento). 16º. O contato 13-14 de K1 fecha (retenção para após a abertura de K2). 17º. O contato 43-44 de K1 fecha. 18º. A bobina do contator auxiliar K11 é alimentada. 19º. O contato 21-22 de K11 abre. 20º. A alimentação da bobina de K2 é cortada. 21º. Os contatos principais de K2 abrem, eles já não têm mais função. F21 F F7 95 96 11 S0 12 23 S1 13 K2 24 K11 K3 K2 22 K2 A2 44 K3 22 A1 A1 K1 K6 A2 21 43 A1 A1 N 14 21 21 22 44 13 K3 16 K1 43 K1 14 14 15 K6 13 K1 A2 A1 K11 A2 A2 Figura 3.27 - Circuito de comando da Chave Compensadora Siemens Eletricidade Industrial 88 Análise de conjugado e corrente A relação entre a tensão secundária e a tensão primária do auto-transformador (x) depende do tap selecionado (x=0,5, x=0,65 ou x=0,80), podendo ser expressa por: (3.18) VLm VL onde VL é a tensão de linha da rede, VLm é a tensão de linha no motor. Tomando-se o auto-transformador como ideal tem-se a relação inversa para as correntes de linha na rede de alimentação (IL) e no motor (ILm): x x (3.19) IL I Lm Como a ligação do motor não é alterada pela chave compensadora, pode-se tomar como referência para análise tanto a ligação em estrela como em triângulo, pois os resultados são os mesmos. Tomando-se a ligação estrela como referência, tem-se, para partida direta: IF IL Ipn VF V L ZF 3ZF (3.20) Para partida compensada tem-se: ILm IFm VFm V V Lm x L ZF 3ZF 3ZF I Lm xI pn (3.21) (3.22) Da equação (3.19), em conjunto com (3.22), tem-se: IL xILm (3.23) IL x 2 Ipn (3.24) A equação (3.22) mostra que a corrente de partida no motor fica reduzida na mesma proporção em que a tensão é reduzida (conforme o tap selecionado). A equação (3.24) mostra que a corrente no alimentador fica reduzida proporcionalmente ao quadrado da redução da tensão. O conjugado de partida pode ser determinado da seguinte forma: V C p C pn Vn (3.25) 2 xV C pc C pn L VL Cpc x 2Cpn 2 (3.26) (3.27) A equação (3.27) demonstra que o conjugado de partida fica reduzido proporcionalmente ao quadrado da redução da tensão. Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos 89 Características positivas No tap de 65% o conjugado de partida é levemente superior ao da chave estrela-triângulo: Cpc=x2Cpn=(0,65)2Cpn=0,42Cpn No tap de 80% o conjugado de partida é bem superior ao da chave estrela-triângulo: Cpc=x2Cpn=(0,80)2Cpn=0,64Cpn Pode-se mudar o tap para tentar adequar o conjugado de partida as características da carga. Em qualquer tap a corrente de partida na rede fica reduzida em relação à corrente de partida nominal: Tap de 50% IL=x2Ipn=(0,50)2Ipn=0,25Ipn Tap de 65% IL=x2Ipn=(0,65)2Ipn=0,42Ipn Tap de 80% IL=x2Ipn=(0,80)2Ipn=0,64Ipn A transição fechada tende a impedir picos de corrente e conjugado. Bastam três terminais para o motor, ou seja, a sua ligação é indiferente para a chave compensadora. Possibilidade de partida seqüencial para N motores com um auto-transformador apenas. Características negativas Custo elevado do autotransformador. Tamanho do auto-transformador, encarecendo o painel. Limitação na freqüência de manobras, devido ao aquecimento do auto-transformador. No tap de 50% o conjugado de partida é menor do que na chave estrela-triângulo: Cpc=x2Cpn=(0,50)2Cpn=0,25Cpn Aplicações Nos casos onde a chave estrela-triângulo não pode ser usada, seja por impossibilidade de conexão ou por insuficiência de conjugado. Eletricidade Industrial 90 3.4.5. Chave Série-Paralelo Os motores de 9 ou 12 terminais permitem a conexão em série ou paralelo, tanto em estrela como em triângulo. Se o motor tiver sua ligação normal em paralelo (estrela ou triângulo) pode-se ligá-lo em série na partida. Com isto cada metade do enrolamento da fase recebe uma tensão menor do que a sua tensão nominal, o que reduz a corrente de partida em relação à partida direta. O circuito de potência da chave série-paralelo WEG para o motor de 9 terminais é mostrado na figura 3.28. Na partida são ligados os contatores K4 e K1 que efetuam a ligação estrela-série no motor. Após a partida o contator K4 é desligado e em seu lugar entram os contatores K2 e K3 que efetuam a ligação estrela-paralelo. Figura 3.28 - Circuito de potência da Chave Série-Paralelo ou Dupla-Estrela WEG O circuito de comando é apresentado na figura 3.29. Pressionando-se a botoeira S1 a bobina de K4 é imediatamente alimentada. Isto faz com que o contato 13-14 de K4 feche e alimente também a bobina de K1 e o circuito eletrônico do relé tempo KT1 (tipo retardo na energização) iniciando-se a contagem do tempo programado. Com o acionamento de K4 e K1 o motor arranque com a ligação estrela-série. A retenção é feita pelo contato 43-44 de K1. O contato 21-22 de K4 impede a operação simultânea de K4 com K2 e K3 (intertravamento). Após ser transcorrido o tempo ajustado, o contato 15-16 de KT1 abre, cortando a alimentação da bobina de K4, e o contato 15-18 de KT1 fecha. Como o contato 21-22 de K4 fecha, a bobina de K3 é energizada. O contato 13-14 de K1 faz a retenção para K1 e KT1. O contato 13-14 de K3 fecha e a bobina de K2 é alimentada. O contato 13-14 de K2 fecha e mantém as bobinas de K2 e K3 alimentadas. O contato 21-22 de K2 abre para impedir qualquer acionamento acidental de K4 (intertravamento). Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos 91 Com as bobinas de K1, K2 e K3 alimentadas o motor fica ligado na sua conexão definitiva (estrela-paralelo) para operação em regime permanente. A lâmpada K1 acesa sinaliza que o motor está em operação normal. Figura 3.29 - Circuito de comando da Chave Série-Paralelo Pode-se demonstrar (exercício 5, seção 3.5) que esta chave reduz tanto a corrente de partida como o conjugado de partida a 25% dos respectivos valores para partida direta. Portanto, a aplicação é restrita a motores de 9 ou 12 terminais cuja ligação definitiva é paralelo (muito comum nos motores americanos) e a partida é com carga leve ou a vazio. Eletricidade Industrial 92 3.4.6. Chave de Partida com Impedância Primária Em casos raros, como motores de média tensão (acima de 600 V) e grande porte pode-se usar resistências ou reatâncias em série com o estator durante a partida para reduzir a tensão aplicada ao motor e, por conseqüência, limitar a corrente de partida. A figura 3.30 apresenta o circuito de potência da chave de partida com impedância primária. Na partida somente o contator K2 é energizado, de modo a inserir as impedâncias externas Z em série com o estator. Durante o período transitório de aceleração a corrente vai diminuindo, reduzindo a queda na impedância externa, e a tensão aplicada ao motor vai aumentando. Após o tempo de partida programado, o contator K1 também é energizado e o motor passa a receber tensão nominal. O contator K2 pode ser então desenergizado porque não tem mais função no circuito. Observe-se que esta seqüência de operação efetua transição fechada, impedindo picos de corrente e conjugado durante a comutação. Deixa-se o circuito de comando desta chave como um exercício proposto (exercício 6, seção 3.5). R S T F1,2,3 K1 K2 Z Z Z F7 M Figura 3.30 - Circuito de potência da chave de partida com impedância primária O problema deste método de partida é que a redução do conjugado de partida é maior do que a redução da corrente de partida. Nas chaves estrela-triângulo, série-paralelo e compensadora a corrente de partida e o conjugado de partida são ambos reduzidos na mesma proporção graças a alterações de ligações ou a inserção do auto-transformador. A redução direta da tensão nos terminais do motor faz com que a redução da corrente de partida seja proporcional à redução de tensão, porém, a redução no conjugado de partida é proporcional ao quadrado da redução de tensão (equações 3.1 e 3.4). Para reduzir a corrente de partida à metade, por exemplo, o conjugado de partida fica reduzido à quarta parte. Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos 93 3.4.7. Chave de Partida com Resistência Secundária Nos motores de rotor bobinado insere-se uma resistência externa no circuito do rotor (secundário), reduzindo assim a corrente de partida no rotor e, conseqüentemente, no estator. Este aumento da resistência do rotor também aumenta o conjugado de partida porque reduz a defasagem entre as forças eletromotrizes e as correntes no rotor. A figura 3.31 apresenta um esquema simplificado deste método de partida. O motor parte com a máxima resistência rotórica (todos os resistores em série) e à medida que a velocidade vai crescendo os resistores são seqüencialmente retirados (curto-circuitados). R S T F0 K2 K1 K3 K4 RS1 M R2.1 R2.2 R2.3 Figura 3.31 - Circuito de potência da chave de partida com Resistência Secundária É um dos melhores métodos de partida para motores de indução trifásicos, porém, é o mais caro e só é usado em situação de extrema dificuldade de partida. Eletricidade Industrial 94 3.4.8. Chave de Partida Estática (Soft-Starter) O soft-starter é um equipamento eletrônico usado para dar partida suave e fazer a parada de motores de indução trifásicos. Para isto, ele controla a tensão eficaz aplicada ao motor, o que influi na corrente e no conjugado. Há muitos fabricantes de soft-starters, porém as suas características são muitos semelhantes. Nesta seção são descritas as características gerais dos soft-starters, sem se ater especificamente em nenhuma marca. Nas aulas práticas serão analisadas características específicas de algumas marcas. É conveniente salientar que o soft-starter não é usado para controlar a velocidade do motor porque ele não altera a freqüência e sim o valor eficaz da tensão apenas durante os transitórios de partida e parada. O circuito de potência do soft-starter possui em cada fase dois tiristores (SCRs) ligados em anti-paralelo e comandados por um circuito eletrônico microprocessado. São usados dois tiristores em anti-paralelo porque deve existir condução nos dois semi-ciclos da tensão da rede, já que o motor é de corrente alternada. Esta configuração de circuito é denominada Gradador e a tensão eficaz de saída depende do ângulo de disparo dos tiristores Figura 3.32 - Circuito de potência do Soft-Starter O processo de partida mais simples é através de uma rampa de tensão. Assim, o ângulo de disparo dos tiristores inicialmente é alto e vai sendo reduzido gradativamente de modo que a tensão senoidal da rede é recortada e a tensão eficaz aplicada ao motor é elevada continuamente (figura 3.33). Figura 3.33 – Tensão da rede e tensão no motor durante a partida Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos 95 A redução da tensão produz uma diminuição no conjugado de partida e no conjugado máximo (ambos proporcionalmente ao quadrado da tensão) e mantém inalterado o escorregamento em que ocorre o conjugado máximo. Com isto a curva de conjugado do motor aproxima-se da curva de conjugado resistente da carga, se comparado com a partida direta, produzindo uma redução no conjugado de aceleração (diferença entre o conjugado do motor e o conjugado da carga) o que permite uma partida suave do motor. Durante a parada do motor é possível fazer uma rampa de redução da tensão (produzindo uma parada suave), uma frenagem com injeção de corrente continua (produzindo uma parada brusca) ou uma parada normal. Estas características serão enfocadas mais detalhadamente nos próximos itens. Em relação aos métodos de partida tradicionais o soft-starter apresenta as seguintes vantagens: permite adaptar a curva de conjugado do motor à carga fazendo partida e parada suaves, o que reduz trancos e permite maior vida útil do acionamento; permite limitação da corrente de partida; possui grande variedade de métodos de proteção para o motor; possibilita economia de energia quando o motor está com pouca carga ou a vazio; permite frenagem do motor. As seguintes desvantagens podem ser destacadas: investimento inicial maior; redução maior no conjugado do que na corrente, porque o conjugado de partida é proporcional ao quadrado da tensão enquanto a corrente de partida é proporcional a tensão. A figura 3.34 mostra o arranjo básico para as conexões do circuito de potência do SoftStarter. Alguns componentes podem ser omitidos ou outros acrescentados, dependendo do modelo do Soft-Starter de do tipo de comando desejado (frenagem, reversão, etc). Figura 3.34 – Circuito de potência típico completo O ajuste dos parâmetros de operação dos soft-starters pode ser feito no seu próprio console (possível em todos os modelos), através de uma IHM (interface homem-máquina) adicionada externamente ou, ainda, através de um microcomputador. As duas últimas opções não são encontradas em todos os modelos. Eletricidade Industrial 96 Classes de arranque De modo geral, os soft-starters possibilitam os seguintes tipos de arranque: rampa de tensão; limitação de corrente; rampa de tensão e limitação de corrente; rampa de tensão, limitação de corrente e impulso de partida. A partida com rampa de tensão é padrão para todos os modelos, porém, os outros tipos nem sempre são disponíveis. a) Arranque com rampa de tensão (figura 3.35) Neste tipo de partida a tensão inicial de rampa ou pedestal tensão (V0) geralmente é ajustada entre 20% e 100% da tensão nominal (Vn). O tempo de rampa (tR), ou seja, o tempo programado para a tensão variar do valor inicial até o nominal fica na faixa entre Os e 180s. Se a partida fosse direta, a corrente de partida atingiria o valor Ipn (corrente de partida nominal) representado pela linha tracejada e diminuiria à medida que a rotação fosse aumentando, até chegar no valor nominal em regime permanente (In). A corrente de partida (I0) com tensão reduzida fica menor do que a corrente de partida nominal, dependendo do valor de V0. Figura 3.35 – Rampa de tensão b) Arranque com limitação de corrente (figura 3.36) Em muitos modelos é possível impor um limite para a corrente durante a partida (IB, corrente de bloqueio). Considere que a tensão inicial de rampa está ajustada em 100% , o tempo de rampa está ajustado em zero e a corrente está limitada no valor IB. Pelo ajuste de rampa feito, a partida seria direta e a corrente atingiria o valor Ipn representado na curva tracejada. Porém o softstarter não deixa a corrente passar do valor ajustado IB enquanto o motor estiver partindo. Para tanto, uma rampa de tensão é automaticamente produzida pelo aparelho. Quando a corrente cai abaixo do valor de limitação a tensão nominal é aplicada. Figura 3.36 – Limitação de corrente Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos 97 c) Arranque com rampa de tensão e limitação de corrente (figura 3.37) Este caso é uma combinação dos dois anteriores. A rampa é ajustada com uma tensão inicial V0 e um tempo tR e é incluída uma limitação de corrente IB. A corrente inicia com uma intensidade I0 até atingir a intensidade limitada IB, onde permanece durante um tempo, e só diminui após o motor ter atingido uma velocidade próxima da nominal. Nesta situação a rampa inicialmente programada (representada em tracejado) não é respeitada para que a corrente não ultrapasse o valor limitado. Figura 3.37 - Rampa de tensão e limitação de corrente d) Arranque com rampa de tensão, limitação de corrente e impulso de partida (figura 3.38) Os arranques apresentados até agora são indicados para cargas que apresentem um conjugado resistente baixo durante a partida e que este cresça com a rotação como, por exemplo, bombas centrífugas e ventiladores. Algumas cargas têm conjugado resistente aproximadamente constante, independentemente da rotação (elevadores, guindastes, esteiras transportadoras, etc), porém, o conjugado resistente é um pouco maior na partida devido ao atrito estático. Para situações em que a carga possui um conjugado de atrito estático alto alguns softstarters dispõem da função impulso de partida (impulso de ruptura ou kick-start). Ele consiste em aplicar um pulso de tensão (VI) de curta duração (tI) para melhorar o conjugado de partida, antes de começar a rampa de tensão. A corrente de partida atinge um valor II durante o impulso de tensão, a seguir cai para o valor ajustado como limitação de corrente (IB) e próximo a velocidade nominal atinge o valor de regime permanente. A amplitude do pulso de tensão (VI) deve ser menor que a tensão da rede, para que a corrente de partida produzida por ele não seja igual a corrente de partida direta (Ipn). A duração do pulso de tensão (tI) deve ser pequena (milésimos de segundo) para que a partida seja suave. Figura 3.38 - Rampa de tensão, limitação de corrente e impulso de partida. Eletricidade Industrial 98 Classes de parada Os soft-starters, em sua maioria, possibilitam os seguintes tipos de parada: normal; suave; frenagem em CC. a) Parada normal Neste caso a tensão aplicada ao motor é reduzida do valor nominal para zero instantaneamente ao chegar a ordem de desligamento. O motor vai parar conforme a inércia e o amortecimento do acionamento. Com inércias pequenas o tempo de parada é curto e com inércias grandes é longo. b) Parada suave Na parada suave a tensão é reduzida continuamente por uma rampa de desaceleração. Ela é usada no acionamento de cargas com pequeno momento de inércia, onde a parada normal seria muito rápida e indesejável. Em Esteiras Transportadoras, por exemplo, uma parada súbita poderia causar queda dos materiais transportados. Durante a parada correntes elevadas podem ocorrer, devido a redução de tensão, por isto a função parada para bombas geralmente é usada em soft-starters com proteção eletrônica de sobrecarga. O ajuste para parada normal em uma bomba pode produzir parada brusca e um aumento de pressão na tubulação formando o conhecido "Golpe de Ariete" que pode trazer algum dano mecânico na tubulação ou nas suas válvulas. Neste caso a parada suave é bastante utilizada, tanto que alguns soft-starters possuem a função parada (suave) para bombas. c) Frenagem CC Este método consiste em uma parada brusca do motor através de aplicação de corrente contínua aos seus enrolamentos. O campo magnético deixa de ser girante e passa a ser estacionário, porém, enquanto o rotor permanece em movimento, são induzidas correntes nele que produzem um conjugado freante. A frenagem é usada com cargas de inércia elevada que produzem um tempo de parada normal muito grande como, por exemplo, grandes ventiladores, ou por exigência do funcionamento da máquina acionada. Economia de Energia Existem situações que, durante um período, o motor permanece ligado a vazio ou com pouca carga. Nestas situações pode-se usar o Soft-Starter para fazer economia de energia mediante a aplicação de uma tensão mais baixa ao motor o que reduz as perdas no cobre e as perdas no ferro. Se a função está ativada o soft-starter vigia a carga e aplica tensão de acordo com o conjugado exigido do motor. A quantidade de energia economizada depende de vários fatores: potência do motor, número de pólos, projeto do motor e potência exigida pela carga. A figura 3.39, obtida de manuais da Siemens, mostra a economia de energia em função da potência do motor e da carga acionada. Um motor de 4 kW operando com 25% de carga tem uma economia de 19% de energia e um motor de 150 kW operando também com 25% de carga tem uma economia de energia de 12%. Por outro lado, deve-se tomar cuidado quando a carga é de tração (guinchos, elevadores de carga), por que o motor pode atingir velocidades maiores que a síncrona. Neste caso, deve-se desativar a função economia de energia. Nem todos os soft-starters têm a função economia de energia. Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos 99 Figura 3.39 - Economia de energia em função da potência do motor e da carga acionada. Operação com Contator de Bypass O contator de bypass é um contator que é ligado em paralelo com o circuito de potência do soft-starter, conforme mostra a figura 3.40. A partida do motor é feita pelo soft-starter e, após o arranque finalizado, o contator de bypass é acionado. A sua utilização faz com que o motor seja diretamente ligado na rede, de forma que a corrente não atravessa os tiristores. Com isto elimina-se a perda de potência nos tiristores e também a parte de potência esfria mais rapidamente até a temperatura ambiente permitindo uma maior freqüência de arranques. Ele também é utilizado para arranque seqüencial de vários motores com apenas um soft-starter. Figura 3.40 – Acionamento com contator de bypass Eletricidade Industrial 100 Operação com Capacitores de Correção No caso de utilização de capacitores de correção do fator de potência (figura 3.41), estes não devem estar conectados durante a partida do motor devido à existência de harmônicas geradas pelo soft-starter. A função economia de energia também não deve ser ativada. Figura 3.41 – Acionamento com contator de bypass Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos 101 3.5. Exercícios 1. Descreva o funcionamento da chave apresentada abaixo. R S T F1 F RS F0 K1 B0.1 B0.2 B0.3 B1.1 B1.2 B1.3 K1 RS K1 M N 2. Desenvolva uma chave de comando para um motor Dahlander de conjugado constante. Devem existir três botões pulsadores de comando, um botão para cada velocidade e um botão para desligar o motor. A proteção deve ser feita por fusíveis e relés bimetálicos. O sentido de rotação do motor deve permanecer inalterado nas duas velocidades. 3. Explique a diferença entre o circuito de comando da chave partida direta reversora da figura abaixo e o da figura 3.7. F1 F B0 RS1 B1 N RS2 K1 B2 K2 K1 K1 K2 K2 Eletricidade Industrial 102 4. Desenvolva uma chave de partida para um motor de indução trifásico com comutação polar por dois enrolamentos independentes no estator. A chave deve funcionar da seguinte forma: - uma botoeira S1 dá a partida no motor através do enrolamento de baixa rotação; - transcorrido um certo tempo, ajustável pelo operador, o enrolamento de baixa rotação é desligado e o enrolamento de alta rotação é alimentado; - quando uma botoeira S0 é pressionada, o enrolamento de alta rotação é desconectado e o enrolamento de baixa rotação é energizado, durante o intervalo de tempo ajustado; - após este intervalo de tempo o motor é desligado completamente; - o sentido de rotação deve ser o mesmo nas duas velocidades; - deve haver um intertravamento elétrico impedindo que os dois enrolamentos sejam alimentados simultaneamente; - a proteção contra curto-circuito e contra sobrecarga deve ser feita por fusíveis e relés bimetálicos. 5. Demonstre que a chave série-paralelo reduz a corrente de partida e o conjugado de partida para ¼ dos respectivos valores de partida direta. 6. Desenvolva o circuito de comando para uma Chave de Partida com Impedância Primária. 3.6. Práticas Prática no 01 – Montagem de chaves de partida convencionais 1a. Montar uma chave magnética para um sistema automático de bombeamento de água com dois reservatórios, superior e inferior. 1b. Montar uma chave partida direta reversora. 1c. Montar uma chave estrela-triângulo. 1d. Montar uma chave compensadora. Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos 103 Prática no 02 - Simulador de defeitos: Chave Partida-direta Defeitos: DF-02, DF-03, DF-04, DF-05 e DF-06. Material necessário: Simulador de Defeitos em Quadros de Comando. Esquema do Quadro de Comando. Multiteste. Roteiro 1 – Alimente o Quadro de Comando a partir de uma rede trifásica de 380V/60Hz. 2 – Ligue a CHAVE GERAL existente no painel do quadro de comando. 3 – Verifique se a lâmpada indicadora de COMANDO LIGADO acendeu. 4 – Anote a TENSÃO DE COMANDO indicada no voltímetro: V=___________. 5 – Ligue a chave partida-direta (botão preto). 6 – Verifique se o motor funcionou e verifique também se a sinalização de motor LIGADO funcionou. 7 – Verifique quais os contatores que estão energizados. Verifique no diagrama qual é a necessidade destes contatores estarem energizados. 8 – Desligue o motor (botão vermelho). 9 – Desligue a CHAVE GERAL. 10 – Chame o Professor para que ele insira um defeito no circuito da chave partida direta. 11 – Ligue a CHAVE GERAL. 12 – Verifique qual o sintoma apresentado e descreva-o. 13 – Pesquise o defeito, analisando o esquema de ligações. Caso seja necessário, utilize o multiteste. 14 – Desligue a CHAVE GERAL. 15 – Indique, no diagrama que você tem em mãos, a ligação da chave simuladora de defeito. 16 – Repita os passos 10 a 15 para outros defeitos. Eletricidade Industrial 104 Prática no 03 - Ligação e Parametrização do Soft-Starter PowerBoss Materiais: motor de indução trifásico (380V e I<4A); soft-starter PowerBoss; interruptor simples; amperímetro ferro móvel 10A; multiteste; Cabos. Roteiro 1. Execute as ligações básicas para o PowerBoss. 3 380 V / 60Hz R S T Seccionadora com fusível L1 L2 L3 T1 T2 T3 H1 N 6 220 V 5 F 4 3 CONN5 RL1 RELÉ DE OPERAÇÃO 2 1 H2 N 220 V 6 5 4 3 CONN6 RL2 RELÉ PROGRAMÁVEL 2 1 4 S 3 ENTRADA DIGITAL 2 1 LIGA / DESLIGA A M Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos 105 2. A partida será através de rampa de tensão, conforme a figura abaixo. V (eficaz) Vn V0 t tR 3. As chaves 8, 9, 10, 11 e 12 configuram a rampa de tensão. Ajuste para as posições destacadas. - 11 e 12: tensão inicial de rampa (pedestal) 11 ON e 12 ON V0=30%Vn 11 OFF e 12 ON V0=40%Vn 11 ON e 12 OFF V0=50%Vn 11 OFF e 12 ON V0=70%Vn - 8, 9 e 10: tempo de rampa (aceleração e desaceleração) 8 ON, 9 ON e 10 ON 8 OFF, 9 ON e 10 ON 8 ON, 9 OFF e 10 ON 8 OFF, 9 OFF e 10 ON 8 ON, 9 ON e 10 OFF 8 OFF, 9 ON e 10 OFF 8 ON, 9 OFF e 10 OFF 8 OFF, 9 OFF e 10 OFF AJUSTE tR=0,50 s tR=2,00 s tR=5,00 s tR=10,0 s tR=20,0 s tR=30,0 s tR=60,0 s tR=120 s 4. Ajuste os demais parâmetros Chave 7 – Seletor de parada: ONdesaceleração e OFFparada normal Chave 6 – Otimização de energia: ONdesativada e OFFativada Chave 5 – Tensão mínima: ON83% e OFF67% Chave 4 – Limite de corrente: ONativada e OFFdesativada Chave 3 – Funcionamento emergencial: ONativada e OFFdesativada Chave 2 – Relé RL2 programável: ONrelé de falha e OFFrelé de topo de rampa Chave 1 – Freqüência da rede: ON60 Hz e OFF50Hz AJUSTE Eletricidade Industrial 5. Conecte o multiteste na escala de Volts adequada para medir a tensão aplicada ao motor. 6. Dê partida e observe a tensão e a corrente no motor. 7. Após o motor atingir o regime permanente, meça a tensão aplicada ao motor:V=............... 8. Meça a corrente no motor: I=.................. 9. Descreva as funções das lâmpadas H1 e H2. 10. Desative a função economia de energia. 11. Meça corrente e tensão: I=...............; V=.................... 12. Anote conclusões dos itens 6 a 11. 13. Desligue o motor e observe a tensão e a corrente. 14. Anote conclusões sobre a parada. 15. Repita os itens 6 a 14 com outras rampas de tensão. 16. Mude a função do relé programável RL2 e observe a diferença em relação à função inicial. 106 Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos 107 Prática no 04 - Comando e Parametrização do Soft-Starter Via Computador Materiais: Motor de indução trifásico com freio de PRONY Microcomputador (486 ou superior) com programa RW22PC instalado Soft-starter Siemens Voltímetro de ferro móvel (300V) Amperímetro de ferro móvel (5A) Cabos Roteiro 1. Execute as ligações entre rede, motor, softstarter e computador. 2. Ligue o micro e entre no modo DOS. 3. Entre no diretório SOFT, digitando CD SOFT. 4. Digite RW22PC e pressione ENTER. 5. Vá para o menu principal e selecione 2 = PARAMETRIZAÇÃO. 6. Selecione APLICACIÓN ESTÁNDAR (UM JUEGO DE PARÁMETROS). 7. Ajuste os parâmetros para: - parada normal; - sem impulso de partida (desativado); - sem economia de energia; - sem arranque de emergência; - temperatura ambiente = 40 OC; - detecção de arranque finalizado = desativado; - tensão inicial = 25 %; - tempo de rampa = 20 s; - tensão limite = 100 %; - tempo de limitação de tensão = 0; - corrente limite = 10 ª 8. Dê partida no MIT (F7) sem carga, cronometre o tempo de rampa e observe a tensão e a corrente. 9. Desligue o motor (tecla F8) e observe o voltímetro. 10. Repita os passos 8 e 9 com a função DETECTA ARRANQUE FINALIZADO ativada. 11. Anote conclusões. 12. Modifique os seguintes parâmetros: Vs = 100 %, tR = 0 s, IB = 10 A. Dê a partida e observe a corrente. 13. Repita o procedimento anterior com IB = 5 A. Eletricidade Industrial 108 14. Anote conclusões. 15. Ajuste para parada suave com a seguinte rampa de desaceleração: - tensão inicial = 100 %; tensão final = 20 %; tempo de parada = 10 s.. 16. Dê a partida no motor sem carga. 17. Desligue o motor e observe a tensão e a corrente durante a desaceleração. 18. Dê nova partida e aplique carga até que a corrente do motor atinja 2,5 A. 19. Desligue o motor e observe a tensão e a corrente durante a desaceleração. 20. Desligue a carga. 21. Anote conclusões. 22. Ajuste para parada normal. 23. Dê partida no motor, varie a carga e complete a tabela abaixo: SEM CARGA COM CARGA IL (A) VL (V) Observação: Após o ensaio não se esqueça de desligar a carga. 24. Ative a função “Economia de Energia” e repita o ensaio SEM CARGA COM CARGA IL (A) VL (V) Observação: Após o ensaio não se esqueça de desligar a carga. 25. Anote conclusões. 26. Com o motor desligado, interrompa uma fase. Dê partida no motor e anote conclusões. 27. Carregue o arquivo AJUSTE1.BI1 do HD. 28. Descreva a função das teclas F4, F5 e F6. Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos Prática no 05 - Ligação e Parametrização do Soft-Starter com Contator de Bypass Materiais: Motor de indução trifásico com freio de PRONY Soft-starter Siemens Módulo de comando e proteção PROBIT Cabos Roteiro 1. Analise o digrama abaixo e descreva o seu funcionamento. 109 Eletricidade Industrial 110 2. Indique na figura abaixo as posições dos micro-interruptores para se obter os seguintes ajustes: - Parada suave Impulso de partida desativado Economia de energia desativada Partida de emergência desativada Temperatura ambiente 40oC Sem detecção de regime permanente Parametrização no próprio Soft-Starter 3. Indique a posição dos potenciômetros para se obter os seguintes ajustes: - Tempo de rampa = 20s Tensão inicial da rampa = 20% Sem limitação de corrente Parada suave com máximo tempo 4. Monte o circuito e verifique o seu funcionamento. Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos Prática no 06 - Ligação e Parametrização do Soft-Starter para Frenagem CC Materiais: Motor de indução trifásico com freio de PRONY Soft-starter Siemens Módulo de comando e proteção PROBIT Cabos Roteiro 1. Analise o diagrama abaixo e descreva o seu funcionamento. 111 Eletricidade Industrial 112 2. Indique na figura abaixo as posições dos micro-interruptores para se obter os seguintes ajustes: - Frenagem em CC Impulso de partida desativado Economia de energia desativada Partida de emergência desativada Temperatura ambiente 40oC Detecção de regime permanente ativada Parametrização no próprio Soft-Starter 3. Indique a posição dos potenciômetros para se obter os seguintes ajustes: - Tempo de rampa = 30s Tensão inicial da rampa = 20% Sem limitação de corrente Frenagem com mínimo tempo de parada 4. Monte o circuito e verifique o seu funcionamento. Cap. III –Comando e Proteção de Motores de Indução Trifásicos 113 Prática no. 7 – Ligação e Parametrização do Soft-Starter WEG SSW-05 PLUS Materiais: Soft-Starter SSW-05 Plus Manual do SSW-05 Plus Amperímetro de ferro móvel 0-5A...10A Voltímetro de ferro móvel 250 V Motor de indução trifásico 1,5 cv, 220V/380V Interruptor simples Botoeiras liga e desliga Interruptor simples Cabos Roteiro 1. Ajuste todos os microinterruptores (dip-switches) para a posição OFF (para esquerda). 2. Ajuste os trimpots da seguinte forma: - accel. time=20s - motor current=30% - pedestal voltage=30% - decel. time=20s 3. Execute as ligações da figura 11.2, pagina 73 do manual, incluindo o voltímetro e o amperímetro para medição de tensão e corrente no motor. - A1 e A2 são terminais para alimentação do circuito eletrônico - DI1 (digital input 1): comando liga/desliga motor - DI2 (digital input 2): reset 4. Dê partida no motor e observe a tensão, a corrente e a velocidade. Obs.: este soft-starter possui contator de bypass interno. 5. Desligue o motor. 6. Ative somente o microinterruptor PHASE LOSS (falta de fase). 7. Dê partida no motor e observe. Se ocorrer mensagem de falha (led vermelho piscando), consulte tabela da página 77. Leia também o item 12.4 da página 76. Descreva a razão da falha. 8. Desative a função PHASE LOSS e dê um reset. 9. Leia o item 13 da página 76. 10. Monte o circuito da figura 11.4, página 74. 11. Dê partida no motor.
![Matemática | Professor(a): Eron | Menção: Bimestre: 1º [ ] 2º [ ] 3º [ x](http://s1.studylibpt.com/store/data/002254247_1-e6d99ff08b8781d03ba9e3251ba69d50-300x300.png)
