2. estudo de uma chave soft

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS
ESCOLA DE ENGENHARIA ELÉTRICA
SIMULAÇÃO DE UM SOFT-STARTER
PARA ACIONAMENTO DE
MOTORES DE INDUÇÃO
Aluno: Alex da Rosa
Orientador: Prof. Dr. Antônio Melo
Goiânia
2003
2
ALEX DA ROSA
SIMULAÇÃO DE UM SOFT-STARTER
PARA ACIONAMENTO DE
MOTORES DE INDUÇÃO
Dissertação apresentada no curso de
Graduação em Engenharia Elétrica na
Escola de Engenharia Elétrica da
Universidade Federal de Goiás, para
obtenção do título de Engenheiro
Eletricista.
Área de concentração: Automação e
Controle
Orientador: Prof. Dr. Antônio Melo
Goiânia
2003
3
ALEX DA ROSA
SIMULAÇÃO DE UM SOFT-STARTER
PARA ACIONAMENTO DE
MOTORES DE INDUÇÃO
Dissertação
defendida
e
aprovada
em
___________
de
__________________ de __________ pela Banca Examinadora constituída
pelos professores:
_____________________________________________________________
Prof. Dr. Antônio Melo de Oliveira – Presidente da Banca
_____________________________________________________________
Prof. Dr. José Wilson Lima Nerys
____________________________________________________________
Prof. Dr. Euler Bueno dos Santos
4
AGRADECIMENTOS
Ao professor e orientador Antônio Melo, pela confiança em mim e em meu
trabalho.
Aos demais professores do curso, que proporcionaram a mim uma gama de
conhecimentos, úteis para o desenvolvimento desse trabalho.
Ao colega Wanir, pela grande contribuição, principalmente em relação às
simulações computacionais.
Aos meus pais e familiares, pelo apoio dado durante todo o curso,
principalmente nos momentos mais difíceis.
A Deus, principalmente.
5
SUMÁRIO
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS.............................................................. 7
LISTA DE FIGURAS................................................................................................ 8
LISTA DE TABELAS............................................................................................... 9
RESUMO.................................................................................................................... 10
ABSTRACT................................................................................................................ 11
1. INTRODUÇÃO TEÓRICA..................................................................................
1.1 OBJETIVOS.....................................................................................................
1.2 CARACTERÍSTICAS......................................................................................
1.3 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO.............................................................
1.4 RECURSOS DE UM SOFT-STARTER............................................................
1.4.1 Proteção do motor................................................................................
1.4.2 Sensibilidade à seqüência de fase........................................................
1.4.3 Plug-in.................................................................................................
1.4.4 Economia de energia............................................................................
1.5 APLICAÇÕES..................................................................................................
1.5.1 Bombas.................................................................................................
1.5.2 Compressores.......................................................................................
1.5.3 Ventiladores.........................................................................................
1.6 CUIDADOS......................................................................................................
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22
2. ESTUDO DE UMA CHAVE SOFT-STARTER..................................................
2.1 FUNÇÕES PRINCIPAIS.................................................................................
2.1.1 Seleção de ajuste local da rampa de aceleração...................................
2.1.2 Seleção de ajuste remoto.....................................................................
2.1.3 Seleção de parada por corrente ou por rotação....................................
2.1.4 Função Energy Saver...........................................................................
2.1.5 Função detecção de cavitação..............................................................
2.1.6 Função de frenagem.............................................................................
2.1.7 Função Booster....................................................................................
2.2 PROTEÇÕES...................................................................................................
2.2.1 Falta de Fase........................................................................................
2.2.2 Curto-Circuito......................................................................................
2.2.3 Sobre-Corrente.....................................................................................
2.2.4 Sobre-Temperatura..............................................................................
2.3 SINALIZAÇÕES POR LEDS..........................................................................
2.4 BY PASS..........................................................................................................
2.5 EXEMPLO DE APLICAÇÃO........................................................................
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3. COMPARAÇÃO ENTRE MÉTODOS DE PARTIDA DE MOTORES
TRIFÁSICOS.............................................................................................................
3.1 PARTIDA DIRETA.........................................................................................
3.1.1 Características......................................................................................
3.1.2 Componentes Básicos..........................................................................
3.2 PARTIDA POR CHAVE ESTRELA-TRIÂNGULO......................................
3.2.1 Características......................................................................................
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32
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35
6
3.2.2 Vantagens e desvantagens...................................................................
3.3 CHAVE COMPENSADORA AUTOMÁTICA...............................................
3.3.1 Características......................................................................................
3.3.2 Componentes Básicos..........................................................................
3.4 PARTIDA COM CHAVE SÉRIE-PARALELO..............................................
3.5 CHAVES REVERSORAS...............................................................................
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38
38
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41
41
4. SIMULAÇÃO DA PARTIDA DE UM MIT USANDO SOFT-STARTER
VIA MATLAB®.........................................................................................................
4.1 O MOTOR........................................................................................................
4.1.1 Dados de placa.....................................................................................
4.1.2 Modelo.................................................................................................
4.1.3 Parâmetros...........................................................................................
4.1.4 Diagrama de blocos da máquina..........................................................
4.2 O TIRISTOR....................................................................................................
4.2.1 Modelo.................................................................................................
4.2.2 Diagrama de blocos.............................................................................
4.3 ESQUEMA DO CIRCUITO............................................................................
42
42
42
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46
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5. RESULTADOS OBTIDOS...................................................................................
5.1 GRANDEZAS ELÉTRICAS............................................................................
5.2 GRANDEZAS MECÂNICAS..........................................................................
5.3 ANÁLISE DE POTÊNCIA..............................................................................
5.4 ECONOMIA DE ENERGIA USANDO UM SOFT-STARTER.......................
5.5 ANÁLISE DO CONTEÚDO HARMÔNICO..................................................
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49
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60
6. IMPLEMENTAÇÃO EM LABORATÓRIO...................................................... 62
6.1 CIRCUITO DE CONTROLE........................................................................... 62
7. DISCUSSÕES DOS RESULTADOS................................................................... 65
8. BIBLIOGRAFIA................................................................................................... 67
7
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
MIT
CA
LED
CC
W
A
CLP
CV
HP
V
Hz
rpm
FP
s
ms
Motor de Indução Trifásico
Corrente Alternada
Light Emitter Diode
Corrente Contínua
Watt
Ampère
Controlador Lógico Programável
Cavalo Vapor
Horse Power
Volt
Hertz
Rotações por minuto
Fator de Potência
segundo
milissegundo
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Comparativo entre métodos de partida......................................................
Figura 2 – Esquema de um soft-starter implementado com 6 tiristores para acionar
um motor de indução trifásico (MIT) .......................................................
Figura 3 – Diagrama de blocos de um soft-starter.......................................................
Figura 4 – Curva de aceleração de um MIT usando soft-starter.................................
Figura 5 – Curva de desaceleração de um MIT usando soft-starter............................
Figura 6 – Soft-starter com apenas duas fases controladas.........................................
Figura 7 – Curva típica de sobre-corrente de um soft-starter......................................
Figura 8 – Limitação de corrente em um soft-starter..................................................
Figura 9 – Economia de energia usando um soft-starter.............................................
Figura 10 – Pulso kick-start usado na partida de cargas com alto atrito inicial..........
Figura 11 – Ilustração de soft-starters fabricados pela WEG......................................
Figura 12 – Características básicas da partida direta...................................................
Figura 13 – Painel de uma chave trifásica para partida direta.....................................
Figura 14 – Esquema de ligação dos enrolamentos na partida estrela-triângulo.........
Figura 15 – Comportamento da partida de um motor usando-se uma chave estrelatriângulo..................................................................................................
Figura 16 – Painel de uma chave compensadora.........................................................
Figura 17 – Comportamento de partida com uma chave compensadora.....................
Figura 18 – Eixo q.......................................................................................................
Figura 19 – Eixo d.......................................................................................................
Figura 20 – Tela de configuração dos parâmetros da máquina...................................
Figura 21 – Diagrama de blocos do motor de indução................................................
Figura 22 – Modelo para o tiristor e seu respectivo diagrama de circuito..................
Figura 23 – Diagrama de blocos para o tiristor...........................................................
Figura 24 – Diagrama sem detalhes do circuito simulado...........................................
Figura 25 – Diagrama do circuito com detalhes para medição...................................
Figura 26 – Tensão da fonte trifásica de entrada.........................................................
Figura 27 – Pulsos de tensão enviados aos tiristores para α = 70º..............................
Figura 28 – Tensão de linha do estator para α = 70º...................................................
Figura 29 – Diagrama de blocos do medidor de parâmetros de máquinas..................
Figura 30 – Corrente em uma fase do rotor.................................................................
Figura 31 – Zoom da corrente do estator (α = 70º).....................................................
Figura 32 – Velocidade mecânica para ângulo de disparo de α = 70º........................
Figura 33 – Torque eletromagnético............................................................................
Figura 34 – Torque versus velocidade, desde a partida até o regime permanente de
uma máquina assíncrona.........................................................................
Figura 35 – Potência entregue ao motor de indução, desde sua partida até o regime
permanente (α = 70º)..............................................................................
Figura 36 – Pulsos enviados aos tiristores para um ângulo de disparo de 100º..........
Figura 37 – Tensão eficaz de linha do estator para disparo de 100º ...........................
Figura 38 – Potência que sai do soft-starter na partida suave para α = 100º...............
Figura 39 – Bloco do MATLAB para análise de Fourier............................................
Figura 40 – Espectro harmônico da tensão do estator para α = 100º..........................
Figura 41 – Circuito básico de controle dos pulsos....................................................
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Lista de componentes de uma chave para partida direta de motores de
indução........................................................................................................
Tabela 2 – Relação entre tensão de linha e as tensões dos enrolamentos de um motor
de indução trifásico......................................................................................
Tabela 3 – Harmônicas da tensão do estator..................................................................
Tabela 4 – Instruções da sub-rotina “atraso” ................................................................
Tabela 5 – Instruções da sub-rotina “tempo”.................................................................
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37
60
63
64
10
RESUMO
O presente projeto tem como objetivo simular um equipamento
microcontrolado, denominado soft-starter, para partir um motor de indução trifásico
(MIT).
As etapas do projeto compreendem desde o estudo teórico dos soft-starters
já existentes no mercado até a simulação computacional de um dispositivo que funcione
como os equipamentos fabricados industrialmente. Para isso, pretende-se utilizar o
software MATLAB através do simulink.
Além disso, será feita uma análise econômica do ponto de vista do consumo
de energia elétrica quando usamos um soft-starter.
Palavras-chave: Motor de Indução, Soft-starter, Economia de Energia
11
ABSTRACT
The present design has the target of simulating a microcontrolled
equipment, named soft-starter, for setting in motion one 3-phase induction machine.
The project’s stages are from the theoretical study of soft-starters already
existing, to computational simulation of a device that works as well as the ones built
industrially. For this, it is intended to use MATLAB through simulink.
Besides that, it is going to be done an economic analysis from the viewpoint
of the electrical power consumption when using soft-starter.
Key-words: Induction Machine, Soft-starter, Electrical Power Consumption
12
1. INTRODUÇÃO TEÓRICA
1.1 OBJETIVOS
A popularização da tecnologia, bem como a crescente necessidade de
sistemas confiáveis, incrementam a utilização de soft-starters. Ar-condicionados,
refrigeração industrial e compressores são exemplos que utilizam esse equipamento,
principalmente quando ligados a fontes de alimentação não-confiáveis ou fracas.
Soft-starters são utilizados basicamente para partidas de motores de indução
CA (corrente alternada) tipo gaiola, em substituição aos métodos estrela-triângulo,
chave compensadora ou partida direta. Tem a vantagem de não provocar trancos no
sistema, limitar a corrente de partida, evitar picos de corrente e ainda incorporar parada
suave e proteções.
Estas chaves contribuem para a redução dos esforços sobre acoplamentos e
dispositivos de transmissão durante as partidas e para o aumento da vida útil do motor e
equipamentos mecânicos da máquina acionada, devido à eliminação de choques
mecânicos. Também contribui para a economia de energia, sendo muito utilizada em
sistemas de refrigeração e em bombeamento.
A aplicação de microprocessadores se expande vertiginosamente com o
passar do tempo. Uma das causas da grande expansão do uso de microprocessadores é o
seu custo reduzido. Com o passar dos dias descobrem-se novas aplicações. O seu
manuseio já se encontra bastante facilitado, fazendo com que novos equipamentos
sejam desenvolvidos sem grande esforço.
Os microprocessadores atuais são versáteis e consomem pouca energia.
Dessa forma pode-se desenvolver equipamentos de pequeno porte com baixo custo
operacional. Estes equipamentos podem substituir a mão de obra humana muitas vezes
utilizada em tarefas repetitivas. Por esses motivos, o circuito de controle de um softstarter usa um microcontroladores / microprocessadores.
1.2 CARACTERÍSTICAS
Nos processos modernos de partida do motor de indução, são usados softstarters que, através de comando microprocessado, controlam tiristores que ajustam a
tensão enviada ao estator do motor. Desta forma, consegue-se, de um lado, aliviar o
13
acionamento dos altos conjugados de aceleração do motor de indução e, de outro,
proteger a rede elétrica das correntes de partida elevadas.
As chaves de partida estática são chaves microprocessadas, projetadas para
acelerar (ou desacelerar) e proteger motores elétricos de indução trifásicos. Através do
ajuste do ângulo de disparo de tiristores, controla-se a tensão aplicada ao motor. Com o
ajuste correto das variáveis, o torque e a corrente são ajustados às necessidades da
carga, ou seja, a corrente exigida será a mínima necessária para acelerar a carga, sem
mudanças de freqüência.
Algumas características e vantagens das chaves soft-starters são:
•
Ajuste da tensão de partida por um tempo pré-definido;
•
Pulso de tensão na partida para cargas com alto conjugado de partida;
•
Redução rápida de tensão a um nível ajustável, (redução de choques
hidráulicos em sistemas de bombeamento);
•
Proteção contra falta de fase, sobre-corrente e subcorrente, etc.
Os motores assíncronos trifásicos de rotor em gaiola apresentam picos de
corrente e de conjugados indesejáveis quando em partida direta. Para facilitar a partida
são usados vários métodos, como chave estrela-triângulo, chave compensadora, etc.
Estes métodos conseguem uma redução na corrente de partida, porém a
comutação é por degraus de tensão. Entretanto, nenhum se compara com o método de
partida suave (que utiliza o soft-starter). A figura 1 a seguir mostra o comparativo de
corrente entre os métodos mais usuais de partida:
Figura 1 – Comparativo entre métodos de partida
14
1.3 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
O soft-starter é um equipamento eletrônico capaz de controlar a potência
do motor no instante da partida, bem como sua frenagem. Ao contrário dos sistemas
elétricos convencionais utilizados para essa função (partida com autotransformador,
chave estrela-triângulo, etc.).
Seu princípio de funcionamento baseia-se em componentes estáticos:
tiristores. O esquema genérico de um soft-starter é mostrado na figura 2 abaixo:
Figura 2 – Esquema de um soft-starter implementado com 6 tiristores
para acionar um motor de indução trifásico (MIT)
Através do ângulo de condução dos tiristores, a tensão na partida é reduzida,
diminuindo os picos de corrente gerados pela inércia da carga mecânica.
Um dos requisitos do soft-starter é controlar a potência do motor, sem
entretanto alterar sua freqüência (velocidade de rotação). Para que isso ocorra, o
controle de disparo dos SCRs (tiristores) atua em dois pontos: controle por tensão zero e
controle de corrente zero.
O circuito de controle deve temporizar os pulsos de disparo a partir do
último valor de zero da forma de onda, tanto da tensão como da corrente. O sensor pode
ser um transformador de corrente que pode ser instalado em uma única fase (nesse caso,
o sistema mede somente o ponto de cruzamento de uma fase), ou um para cada fase.
15
O objetivo do projeto é simular uma chave soft-starter que um diagrama de
blocos semelhante ao mostrado na figura 3. Ela ilustra o funcionamento interno de um
soft-starter, dando detalhes de todos seus blocos componentes.
Figura 3 – Diagrama de blocos de um soft-starter
No circuito de potência, a tensão da rede é controlada através de 6 tiristores,
que possibilitam a variação do ângulo de condução das tensões que alimentam o motor.
16
Para alimentação eletrônica interna, utiliza-se uma fonte linear com várias tensões,
alimentada independente da potência.
O cartão de controle contém os circuitos responsáveis pelo comando,
monitoração e proteção dos componentes de potência. Esse cartão possui também
circuitos de comando e sinalização a serem utilizados pelo usuário de acordo com sua
aplicação, como saídas à relé.
Para que a partida do motor ocorra de modo suave, o usuário deve
parametrizar a tensão inicial (Vp) de modo que ela assuma o menos valor possível
suficiente para iniciar o movimento da carga. A partir daí, a tensão subirá linearmente
segundo um tempo também parametrizado (tr) até atingir o valor nominal. Isso é
mostrado na figura 4:
Figura 4 – Curva de aceleração de um MIT usando soft-starter
Na frenagem, a tensão deve ser reduzida instantaneamente a um valor
ajustável (Vt), que deve ser parametrizado no nível em que o motor inicia a redução da
rotação. A partir desse ponto, a tensão diminui linearmente (rampa ajustável (tr)) até a
tensão final Vz, quando o motor parar de girar. Nesse instante, a tensão é desligada.
Veja a figura seguinte:
17
Figura 5 – Curva de desaceleração de um MIT usando soft-starter
Além da tensão, o soft-starter também tem circuitos de controle de corrente.
Ela é conservada num valor ajustável por um determinado intervalo de tempo. Esse
recurso permite que cargas de alta inércia sejam aceleradas com a menor corrente
possível, além de limitar a corrente máxima para partidas de motores em fontes
limitadas (barramento não-infinito).
Alguns fabricantes projetam seus soft-starters para controlar apenas duas
fases (R e S, por exemplo), utilizando a terceira como referência. Essa técnica, que é
mostrada na figura 6, simplifica o circuito de controle e, conseqüentemente, “barateia” o
produto.
18
Figura 6 – Soft-starter com apenas duas fases controladas
1.4 RECURSOS DE UM SOFT-STARTER
Os soft-starters existentes no mercado (fabricados pela WEG, SIEMENS e
outras) são equipados com interfaces homem-máquina, ou painel de LEDs para
informar o status do sistema.
Quanto aos recursos que um soft-starter deve ter, os mais importantes são:
1. proteção do motor;
2. sensibilidade à seqüência de fase;
3. plug-in;
4. circuitos de economia de energia.
A seguir, fazemos uma breve descrição de cada tópico acima.
19
1.4.1 Proteção do motor
A figura 7 apresenta a curva típica de sobre-corrente de um soft-starter:
Figura 7 – Curva típica de sobre-corrente de um soft-starter
Podemos notar que ela determina interrupções e bloqueios em caso de falta
de fase ou falha do tiristor. Normalmente, esses equipamentos também possuem relés
eletrônicos de sobrecarga. Durante o tempo de operação (tr), um relé eletrônico de carga
entra em operação quando necessário.
O dispositivo pode ser configurado para dar proteção tanto para sobrecorrentes (Ioc) quanto para sub-correntes (Iuc). Quando possível, utilizar para partidas de
motores chaves soft-starter que possibilitem o ajuste do torque do motor às
necessidades do torque da carga, de modo que a corrente absorvida será a mínima
necessária para acelerar a carga.
Veja a figura 8, que ilustra a limitação de corrente quando usamos softstarter:
Figura 8 – Limitação de corrente em um soft-starter
20
1.4.2 Sensibilidade à seqüência de fase
Os soft-starters podem ser configurados para operarem somente se a
seqüência de fase estiver correta. Esse recurso assegura a proteção, principalmente
mecânica, para cargas que não podem girar em sentido contrário (bombas, por
exemplo). Quando há a necessidade de reversão, podemos fazê-los com contatores
externos ao soft-starter.
1.4.3 Plug-in
O plug-in é um conjunto de facilidades que podem ser disponibilizadas no
soft-starter através de um módulo extra, ou através de parâmetros, como relé eletrônico,
frenagem CC ou AC, dupla rampa de aceleração para motores de duas velocidades e
realimentação de velocidade para aceleração independente das flutuações de carga.
1.4.4 Economia de energia
A maioria dos soft-starters modernos tem um circuito de economia de
energia. Essa facilidade reduz a tensão aplicada para motores a vazio, diminuindo as
perdas no entreferro, que são a maior parcela de perda nos motores com baixas cargas.
Uma economia significante pode ser experimentada para motores que operam com
cargas de até 50% da potência do motor. Entretanto, essa função gera correntes
harmônicas indesejáveis na rede, devido a abertura do ângulo de condução para
diminuição da tensão. A figura a seguir ilustra isso:
Figura 9 – Economia de energia usando um soft-starter
Cabe lembrar, entretanto, que o soft-starter não melhora o fator de potência,
e também gera harmônicos, como qualquer outro dispositivo de acionamento estático.
21
1.5 APLICAÇÕES
Os soft-starters podem ser utilizados nas mais diversas aplicações. Suas
principais são em:
• Bombas centrífugas (saneamento, irrigação, petróleo);
• Ventiladores, exaustores e sopradores;
• Compressores de ar e refrigeração;
• Misturadores e aeradores;
• Britadores e moedores;
• Picadores de madeira;
• Refinadores de papel;
• Fornos rotativos;
• Serras e plainas (madeira);
• Moinhos (bolas e martelo);
• Transportadores de carga:
Correias;
Monovias;
Escadas rolantes;
Esteiras de bagagens em aeroportos;
Linhas de engarrafamento.
Porém, três delas são clássicas: bombas, compressores e ventiladores.
Daremos, em seguida, uma pequena descrição de cada uma dessas aplicações.
1.5.1 Bombas
Nessa aplicação, a rampa de tensão iguala as curvas do motor e de carga. A
rampa de saída do soft-starter adequa a curva de torque do motor sobre a da bomba.
Nesse caso, a corrente de partida é reduzida para aproximadamente 2,5 vezes a corrente
nominal.
A rampa de desaceleração diminui sensivelmente o choque hidráulico. Essa
é a razão, aliás, das empresas de saneamento especificarem soft-starters com potências
superiores a 10kW.
Uma das facilidades que torna ainda mais interessante a utilização desse
equipamento no acionamento de bombas é o recurso kick-start. O kick-start é um pulso
22
de tensão rápido e de grande amplitude aplicado no instante da partida. Isso ajuda a
vencer a inércia de partida quando há a presença de sólidos na bomba (sujeira).
Figura 10 – Pulso “kick-start” usado na partida
de cargas com alto atrito inicial
1.5.2 Compressores
O soft-starter reduz a manutenção e permite que compressores “críticos”
sejam desligados quando não forem necessários. Por outro lado, evita que eles sejam
desligados no funcionamento normal devido a fontes de alimentação muito fracas.
1.5.3 Ventiladores
Os ventiladores, assim como as bombas, exigem um torque proporcional à
velocidade, porém, também têm grande inércia. Geralmente, o limite de corrente é
utilizado para estender o tempo de rampa, enquanto a inércia é vencida.
1.6 CUIDADOS
A seguir apresentamos alguns tópicos com respeito à instalação de um softstarter em geral:
•
Os soft-starters podem ser fixados à chapa de montagem por quatro
parafusos da mesma forma que contatores convencionais. Os mesmos devem ser usados
em instalação abrigada, sendo relativamente imunes ao ambiente agressivo, já que a
única parte móvel é representada pelos ventiladores, nos modelos maiores.
23
•
Os soft-starters muito grandes, que utilizam tiristores de discos, devem
também ser relativamente protegidos de pó condutor ou que se torne condutor por
acúmulo de umidade.
•
Os soft-starters com ou sem ventilador incorporado, geram uma
quantia de calor, o qual deve ser extraído do painel, pois caso contrário haveria um
acúmulo de calor, elevando muito a temperatura interna do painel, fazendo com que
atue a proteção de temperatura. Deve-se portanto, utilizar ventiladores com filtro de
poeira e venezianas no painel.
•
O ventilador mencionado no item acima deve ser adequado para trocar
o ar do painel e manter o mesmo a temperaturas adequadas de operação.
•
Evite enfileirar demais os soft-starters, de modo que o ar mais aquecido
que sai de um seja o ar que vai ser sugado pelo ventilador do outro.
•
Os soft-starters a partir de 75 A possuem ventilador incorporado. Os
ventiladores ligam somente quando a temperatura do dissipador atingir 50 graus
centígrados. Caso a temperatura do dissipador ultrapassar 80 graus, a saída de potência
será bloqueada, só voltando a funcionar quando a temperatura cair.
Nem sempre é possível utilizar um soft-starter. A seguir, damos uma lista
dos pontos mais críticos:
•
Refrigeração: deve-se instalar o dispositivo sempre verticalmente, com
a ventilação para cima. A perda de calor aproximada é de 3,6 W/A de corrente
circulante.
•
Tipo de motor: não deve ser utilizado para partida de motores em anel.
•
Fator de potência: não se deve colocar capacitores na saída do soft-
starter a fim de se corrigir o fator de potência.
•
Torque alto em velocidade zero: elevadores e guindastes necessitam de
torque máximo a velocidade zero no instante da partida. Nesse caso, a utilização do softstarter não é aconselhável.
Qualquer chave soft-starter deverá ser protegida por fusíveis ultra-rápidos,
levando em conta os valores i².t dos tiristores e dos fusíveis, sendo que os valores i².t
dos fusíveis deverá ser 20% menor que dos tiristores.
24
2. ESTUDO DE UMA CHAVE SOFT-STARTER
As principais características que uma boa chave soft-starter deve ter são
funções de: proteção, sinalização e ajustes. Essas funções e características são bastante
desejáveis e estão presentes em todas chaves produzidas industrialmente.
Qualquer chave soft-starter apresenta as seguintes vantagens em relação aos
equipamentos de partida de motor tradicionais. Dentre as mais importantes, temos:
•
Reduz a corrente de partida;
•
Partida suave que reduz os trancos e golpes no sistema mecânico.
Como foi dito anteriormente, o soft-starter é um módulo eletrônico
tiristorizado, para partida suave de motores de indução trifásicos. O módulo substitui os
tradicionais Estrela-Triângulo e Chave Compensadora. O mesmo inicia a
transferência gradual de energia para o motor, iniciando assim, suavemente a aceleração
do mesmo, reduzindo os trancos e golpes nos componentes mecânicos e sobrecarga na
rede elétrica durante a partida.
O sistema de controle possui ajuste da corrente de partida, que evita a subida
excessiva da mesma. O método utilizado é o de incremento linear do ângulo de
condução do tiristor, em ligação antiparalelo, nas três fases, resultando em aumento
suave da tensão no estator do motor. Com o crescimento da tensão, aumenta também o
torque, até que vencido o conjugado da carga, o motor inicia a girar, sendo que em
seguida é limitada a corrente de partida máxima permissível.
2.1 FUNÇÕES PRINCIPAIS
Diversas funções podem ser selecionadas em chaves deslizantes
frontalmente ao módulo de comando. Estas são explicadas logo a seguir.
2.1.1 Seleção de ajuste local da rampa de aceleração
Este ajuste se refere ao ajuste da corrente limitada na partida do motor.
Permite suavizar a subida de corrente no motor, de zero até a corrente de partida. Esta
suavização visa evitar trancos no motor e na carga. Ela não é responsável direta pelo
tempo de partida efetiva do motor.
25
O tempo de partida é, por outro lado, dependente do nível de corrente de
partida e da carga. Este ajuste de “Rampa de Aceleração” deve ser sempre o menor
possível, para suavizar a partida e não prolongar demais o início de giro do motor,
otimizando a operação. Este ajuste é especialmente importante em motores com pouca
carga ou sem carga, os quais, devido a tendência de rápida aceleração, tendem a
oscilarem.
Se o motor estiver com carga baixa, logo após alguns segundos, o mesmo já
estará na rotação nominal, e a rampa de tensão ainda estará subindo. Em outros casos,
com carga pesada, o motor só ronca durante uma parte da rampa, só iniciando a girar
assim que a tensão ultrapassa o ponto em que forneça o torque necessário a carga. Isto
também é normal.
Este ajuste é o principal, sendo diretamente responsável pelo tempo de
partida do motor. Quanto mais alta a corrente admissível, mais rápida será a partida.
Esta corrente poderá atingir até 4 vezes a corrente nominal do motor, conforme o caso.
Após a subida inicial, suave da corrente, a mesma permanecerá no nível ajustado até o
final de partida.
Uma partida ótima é percebida até pelo ouvido, já que existe uma aceleração
progressiva, bem perceptível e ao mesmo tempo suave. Para motores sem carga,
também para evitar instabilidade, este nível deve ser alto, já que, de qualquer modo, o
motor sem carga acelera rápido. Deste modo, pode-se perceber que para motores sem
carga perde-se um pouco a vantagem da limitação de corrente.
2.1.2 Seleção de ajuste remoto
Esta função é utilizada para partida de dois ou mais motores de potências
diferentes com o mesmo soft-starter. Deste modo, cada motor terá a partida ideal, se um
dispositivo externo como contatores auxiliares ou CLP selecionar a corrente de partida
para cada caso.
2.1.3 Seleção de parada por corrente ou por rotação
Em caso de seleção de parada suave e comando de parada suave no botão
correspondente, o soft-starter inicia a parada do motor obedecendo à rampa de parada
ajustada, por corrente ou por rotação do motor. Nos dois casos, a rotação diminui em
rampa, sendo que no segundo caso a precisão é maior pois a corrente fica livre para
aumentar ou diminuir, compensando a carga.
26
A diferença é bastante perceptível, sendo que por rotação, a rampa de parada
obedece melhor a ajustada e pretendida. Nos dois casos o efeito é melhor que a parada
por diminuição de voltagem simplesmente, como usada pela maioria dos concorrentes,
o que provoca parada abrupta do motor abaixo de determinada tensão, não obedecendo
a rampa ajustada.
A rampa de parada é útil em casos onde a parada brusca é prejudicial
mecanicamente. Isso pode acontecer em bombas de recalque, para evitar golpe de
aríete, e em motores com redutores de alta relação, que, ao parar instantaneamente,
ocasiona problemas devido a massas de alta inércia acoplados no lado de baixa rotação
do redutor.
A mesma é efetuada obedecendo esta rampa, ou por diminuição gradual da
corrente ou por diminuição gradual da velocidade deixando a corrente livre para variar
até o valor de 5 vezes a corrente nominal.
2.1.4 Função Energy Saver
Esta função diminui a tensão no motor quando a carga for abaixo da
nominal do motor, sendo é útil em casos em que o motor possui partida pesada mas a
carga diminui após a partida, como ocorre em uma grande porcentagem das aplicações.
Esta função equivale a diminuir a potência do motor proporcionalmente a
carga, economizando energia e melhorando o fator de potência. Em caso de picos de
carga a liberação da tensão total é automática, voltando ao regime de economia após o
pico de carga.
2.1.5 Função detecção de cavitação
Esta proteção é utilizada principalmente para bombas, detectando a
diminuição drástica da corrente do motor, o que significa que a bomba não está
escorvada ou seja, está com ar no sistema.
2.1.6 Função de frenagem
Esta função permite a parada com frenagem por injeção de corrente CC
igual a aproximadamente duas vezes a nominal do motor. Só é ativa em caso de Parada
Normal (Full Stop). O tempo de injeção de corrente CC é ajustável de 2 a 15 segundos e
deve ser ajustada para o valor ideal, durante o StartUp, de modo que a frenagem seja
interrompida logo após a parada efetiva do motor.
27
2.1.7 Função Booster
Esta função permite que para cargas com muita inércia ou atrito o softstarter injete inicialmente por um período de 0 a 2 segundos, ajustável, uma corrente de
5 vezes a nominal do motor, retomando em seguida a rampa de partida ajustada. Só
deve ser usado onde absolutamente necessário e pelo menor tempo que surta o efeito
desejado, para evitar sobrecorrentes desnecessárias na instalação.
A figura seguinte ilustra soft-starters fabricados pela WEG. Note os bornes
disponíveis para a ligação entre o soft-starter e as três fases da rede e do motor.
Figura 11 – Ilustração de soft-starters fabricados pela WEG
2.2 PROTEÇÕES
Para que se possa proteger o soft-starter de qualquer distúrbio ou falha, há a
necessidade de que se faça o estudo das suas proteções necessárias. Estas são listadas
nos sub-tópicos a seguir.
2.2.1 Falta de Fase
Detecta falha e falta de fase na entrada do mesmo. Quando atuada, acende o
led correspondente, comuta o relé de falha e inibe-se o disparo dos tiristores. Sinaliza se
ocorrer tanto falta de fase na entrada como na saída, como também falha interna que
ocasione falta de corrente em uma das fases.
Em caso de motor sem carga, desacoplado, tanto no método de supervisão
de tensão como no de corrente esta proteção pode não atuar, já que num caso o motor
28
gera tensão nominal na fase faltante (sem carga) e no outro caso a corrente é muito
baixa e a detecção é feita por comparação entre as fases. Não ocasiona problemas pois o
motor logicamente não vai operar com carga zero ou desacoplado. Deve-se tomar
cuidado durante testes com o motor desacoplado.
2.2.2 Curto-Circuito
Atua caso ocorra uma corrente instantânea de valor 8 vezes a nominal do
soft-starter. Neste caso, acende o LED correspondente, inibe-se os disparos e comuta-se
o relê de indicação de falha. Esta proteção não dispensa o uso de fusíveis ultra-rápidos
para proteção dos tiristores, já que as condições de curto-circuito variam, dependendo
da impedância da rede, podendo atingir valores elevados de corrente. Neste caso, o
fusível pode atuar primeiro, protegendo mais adequadamente os tiristores.
Sinaliza se detectados níveis instantâneos de corrente acima de 8 vezes a
corrente nominal. Esta proteção não dispensa o uso de fusíveis ultra-rápidos, já que
dependendo da impedância do sistema e do nível da corrente de curto-circuito, os
fusíveis podem abrir primeiro, protegendo mais adequadamente os tiristores. Além disto
em caso de falha geral do equipamento os fusíveis garantem a proteção adequada.
2.2.3 Sobre-Corrente
Esta proteção é ajustável, de 70 a 120% da corrente nominal. Atua após 10
segundos de sobrecarga, acendendo o LED correspondente, comutando o relé de falha e
inibindo-se o disparo dos tiristores.
Essa função, que deve estar presente em toda chave soft-starter, sinaliza a
ocorrência de sobrecarga acima dos níveis ajustados.
2.2.4 Sobre-Temperatura
Uma chave bem projetada possui um sensor térmico nos dissipadores de
calor dos tiristores. Caso ocorra elevação da temperatura, ocorrerá a indicação da falha
no LED vermelho correspondente, inibição do disparo dos tiristores, e a comutação do
relé de indicação de falha.
29
2.3 SINALIZAÇÕES POR LEDS
Qualquer chave soft-starter produzida industrialmente tem um grande
número de sinalizações, feitas através de leds. Essas sinalizações têm, no geral, a função
de informar ao usuário a respeito do funcionamento da chave. Elas são citadas logo a
seguir, e damos uma breve explicação sobre cada uma:
•
Pronto para a partida: Significa que o motor não está em regime de
partida, nem em fim de partida e nem em rampa de parada e neste caso pode ser
comandada a partida.
•
Rampa: sinaliza a ocorrência das rampas de partida e parada.
•
Rotação nominal: sinaliza somente se a rampa de partida terminou e a
corrente do motor caiu para níveis nominais, indicando que o mesmo partiu. Comanda
também a entrada do contator de By Pass quando utilizado.
•
Frenagem: Sinaliza enquanto o motor está em processo de frenagem
por injeção de corrente contínua.
•
Booster: Sinaliza durante processo de injeção de alta corrente no inicio
de partida, caso esta função esteja selecionada.
2.4 BY PASS
By Pass é a função de um contator em paralelo com o soft-starter, que no
final da partida, comandado pelo próprio sinal de “Rotação nominal”, fecha ficando em
paralelo com os tiristores, assumindo a corrente nominal do motor.
Na hora da parada por “Soft Stop”, o contator abre sem faiscamento, pois os
tiristores assumem a corrente do motor, sem interrupção e inicia-se a rampa de parada,
com a interrupção da corrente final pala passagem pelo zero, portanto sem faiscamento.
No caso de parada “Full Stop”, uma pequena temporização no soft-starter
permite que o contator abra primeiro, sem faiscamento e logo após os tiristores
interrompem a corrente pela passagem pelo zero de corrente, portanto também sem
faiscamento.
O contator de By Pass, apresenta, portanto, durabilidade muito grande pois
não apresenta faiscamento nos contatos no na abertura e no fechamento. Ele possui as
vantagens:
30
•
Não necessita refrigeração no painel para poucas partidas. O painel
pode ser totalmente fechado em muitos casos, mantendo o equipamento limpo.
•
Não apresenta perdas e aquecimento após a partida.
•
As proteções continuam ativas.
•
O contator utilizado não participa da partida e da parada, não
apresentando faiscamentos e desgaste prematuro.
•
Pode ser mais econômico.
2.5 EXEMPLO DE APLICAÇÃO
A dinâmica inerente dos motores de indução resulta em reduções
quadráticas do torque e da aceleração disponíveis, quando reduções lineares na tensão
aplicada são impostas no enrolamento do motor, conforme relação abaixo:
 V
T = 
 V max
d
2

 * T

max
onde:
Td = Torque disponível
Tmax = Torque máximo a tensão nominal
V = Tensão aplicada
Vmax = Tensão nominal na chave soft-starter
Considerando que o soft-starter é fundamentalmente um dispositivo
regulador de corrente aplicada (tensão aplicada no motor é continuamente ajustada pela
ponte tiristorizada para manter o nível de corrente), podemos modificar a equação
anterior para uma relação de torque-corrente. Considerando que as reduções da tensão
aplicada no motor refletem reduções no pico de corrente, uma substituição direta pode
ser feita. Veja:
 I
T = 
 I max
d



2
*
T
max
onde:
Td = Torque máximo a tensão nominal
31
Tmax = Torque máximo a tensão nominal
I = Valor do limite de corrente
Imax = Corrente máxima a tensão nominal
Obviamente corrente e torque variam durante o ciclo de aceleração de um
motor de indução. Para calcular com precisão o torque disponível de um motor
específico, através do seu ciclo de aceleração, é necessário dispor da curva correntetorque versus velocidade do motor. Considerando que essa informação não é sempre um
valor específico de limite de corrente, pode ser calculado usando os dados de corrente
relativos ao torque no motor na condição de rotor bloqueado.
 I 

T = 
 I rb 
d
2
*
T
rb
onde:
Td = Torque disponível
Trb = Torque com rotor bloqueado
I = Valor limite de corrente
32
3. COMPARAÇÃO ENTRE MÉTODOS DE PARTIDA DE
MOTORES TRIFÁSICOS
Sempre que possível, a partida de um motor trifásico tipo gaiola deve ser
direta (a plena tensão), por meio de um dispositivo de controle, geralmente um contator.
Entretanto este método exige da rede elétrica uma corrente muito elevada.
Caso a partida direta não seja possível, quer pela exigência da
concessionária (que no caso da instalação de baixa tensão exige, geralmente, que
motores acima de 5 CV a partida seja por tensão reduzida), quer pela imposição da
própria instalação, utilizam-se sistemas de partida indireta.
3.1 PARTIDA DIRETA
3.1.1 Características
Sempre que possível, a partida de um motor deverá ser feita de forma
direita, ou seja, sem artifícios para redução da corrente de partida. Esse método de
partida é aplicado a:
•
Máquinas com qualquer tipo de carga;
•
Máquinas que suportam o conjugado (torque) de aceleração;
•
Fonte com disponibilidade de potência para alimentação;
•
Confiabilidade de serviço pela composição e comando simples.
Por outro lado, quando a corrente de partida do motor é elevada, podem
ocorrer alguns transtornos, tais como:
•
Interferência no funcionamento de equipamentos instalados no mesmo
sistema, devido à queda de tensão excessiva.
•
Necessidade de superdimensionar os sistemas de proteção, com
conseqüente aumento de custos.
•
Por imposição da redução da corrente de partida pela companhia
concessionária de energia elétrica, de forma a limitar a queda de tensão na rede.
33
Quando tais fatos ocorrem, é necessário recorrer a um sistema de partida
indireta, de modo a reduzir o pico de corrente na partida.
A figura seguinte ilustra as características básicas da partida direta de um
motor de indução trifásico. Veja:
Figura 12 – Características básicas da partida direta
A figura a seguir ilustra o painel de uma chave trifásica para partida direta:
Figura 13 - Painel de uma chave trifásica para partida direta
34
3.1.2 Componentes Básicos
Os componentes básicos de uma chave para partida direta de motores
trifásicos são os seguintes:
Tabela 1 – Lista de componentes de uma chave para partida direta de motores de indução.
PADRÃO A
Contator
Voltímetro
Fusível para Rede
Fusível para Controle
Relé de Nível
Sinaleiro
Relé falta de fase
Amperímetro
Relé Térmico
Não sendo possível a partida direta, outros métodos de partida são utilizados:
•
Partida estrela-triângulo;
•
Partida por autotransformador (também chamada de compensadora);
•
Partida suave (soft-starter), por meio de eletrônica de potência.
Na seqüência indicada, estão também os custos do dispositivo de partida:
uma estrela-triângulo é mais barata do que uma partida suave (soft-starter), para mesma
potência de motor. E é necessário associar o investimento no motor com o dispositivo
de partida.
Por essa razão, máquinas pequenas (acima de 5 CV ou eventualmente
maiores de acordo com determinações da Concessionária de Energia), usam uma partida
estrela-triângulo; máquinas maiores, passando pelas compensadoras (com autotransformador), usam, no outro extremo das potências, a partida suave (soft-starter).
Um outro aspecto é a qualidade da partida, há casos em que os solavancos
resultantes de uma partida em estrela-triângulo não são admissíveis dentro do regime de
funcionamento do motor e sobretudo da carga acionada. Faremos uma análise detalhada
35
sobre o assunto mais adiante. Vamos analisar individualmente cada método de partida
no que segue.
3.2 PARTIDA POR CHAVE ESTRELA-TRIÂNGULO
3.2.1 Características
O motor assíncrono de indução trifásico apresenta uma resistência rotórica
de valor muito baixo. Isto, que se constitui numa vantagem no funcionamento do motor
em rotação nominal, é prejudicial no momento de partida, pois gera correntes muito
altas. Estas correntes elevadas geradas na partida, se não forem levadas em consideração
no projeto, provocarão possivelmente uma queda de tensão que perturbará as instalações
vizinhas.
Motores capazes de terem sua partida através de uma partida estrelatriângulo, tem que ser do tipo trifásico, com as 3 entradas e 3 saídas dos rolamentos,
acessíveis, para fazer a mudança de uma ligação estrela para triângulo.
Figura 14 – Esquema de ligação dos enrolamentos na partida estrela-triângulo
A maneira de reduzir esta corrente de rotor bloqueado (Ip) é através da
redução da tensão de alimentação do motor elétrico. Sabemos que o conjugado da
partida do motor elétrico é proporcional ao quadrado da tensão aplicada nos seus bornes
(a corrente fica reduzida a 33% da corrente de rotor bloqueado na ligação em triângulo),
devemos então analisar se o motor parte satisfatoriamente com esta redução corrente.
36
Pela figura 14, temos uma relação entre as correntes de linha (corrente que é
suprida da fonte da concessionária de energia) para as duas configurações mostradas.
Veja:
delta
I
triangulo
partida
I
=
partida
3
E, portanto, para o conjugado do motor:
delta
T
triangulo
partida
T
=
3
partida
Portanto, o motor elétrico parte com 33% do conjugado nominal. A curva de
conjugado é reduzida na mesma proporção. Por este motivo, sempre que for necessária
uma partida ESTRELA-TRIÂNGULO, deverá ser usado um motor elétrico com curva
de conjugado elevado, porém previstos para partida ESTRELA-TRIÂNGULO.
Veja a figura a seguir, que ilustra o comportamento da partida de um motor
através da chave estrela-triângulo.
Figura 15 – Comportamento da partida de um motor
usando-se uma chave estrela-triângulo
37
Antes de se decidir por uma partida ESTRELA-TRIÂNGULO, será
necessário verificar se o conjugado de rotor bloqueado (Tp) será suficiente para operar a
carga. O conjugado resistente da carga (Tr) não poderá ser maior que o conjugado de
rotor bloqueado (Tp) do motor elétrico, nem a corrente no instante da mudança para
triângulo poderá ter um valor inaceitável. Existem casos que o sistema de partida
ESTRELA-TRIÂNGULO não pode ser usado.
Neste sistema a tensão da rede é constante e mudando apenas as ligações
internas do motor elétrico através de chaves manuais ou automáticas (contatores e relés
de tempo). O nome é devido aos dois tipos de ligação interna do motor elétrico.
3.2.2 Vantagens e desvantagens
Vale a relação da tabela abaixo para partida ESTRELA-TRIÂNGULO:
Tabela 2 – Relação entre tensão de linha e as tensões dos enrolamentos de um motor de indução trifásico
Tensão de Linha Trifásica (V)
Enrolamentos
220
220 / 380 V
380
380 / 660 V
220
220/380/440/760 V
440
220/380/440/760 V
Para este sistema de partida, a tensão da rede deve coincidir com a tensão do
motor na ligação TRIÂNGULO, e o mesmo deverá ter possibilidade para ligação em
dupla tensão. Por exemplo, se a tensão da rede for 220 V trifásica o motor elétrico
deverá ter no mínimo seis bornes de ligação e 380 V em Y.
Na análise das curvas de carga, e particularmente na das cargas indutivas
(ou motoras), a corrente de partida plena pode alcançar valores eficazes igual a 8 vezes.
Uma vez passada a fase de partida, ou seja, o motor já tiver alcançado sua
rotação nominal e assim a corrente também já for nominal, então podemos comutar os
enrolamentos para a ligação de funcionamento normal, que então será ligada em
triângulo, como uma corrente igual à corrente nominal.
Na comutação da estrela para o triângulo, e com conseqüente aumento
instantâneo da corrente em três vezes, manifesta-se um impacto mecânico que, de um
lado, não é por vezes admissível dentro do regime de funcionamento da máquina
38
acionada. Por outro lado, esse mesmo impacto leva a acelerar a fadiga mecânica da
máquina e do eixo de acionamento do motor, o que reduz sensivelmente a vida útil das
partes mecânicas envolvidas. A comutação da ligação estrela para triângulo é feita
automaticamente, por meio de relé de tempo associado ao comando de contatores.
As principais vantagens do uso das chaves estrela-triângulo são:
•
Muito utilizada por seu custo reduzido;
•
Número de manobras ilimitado;
•
Corrente de partida reduzida a 1/3 da normal;
•
Dimensões reduzidas.
Já, suas principais desvantagens compreendem os seguintes tópicos:
•
Somente pode ser aplicada a motores com seis bornes acessíveis;
•
A tensão da rede deve coincidir com a tensão triângulo do motor;
•
O conjugado de partida fica reduzido a 1/3 do normal.
•
Provocam trancos no sistema, tanto no início da partida como na
comutação estrela para triângulo.
A chave de partida ESTRELA-TRIÂNGULO em geral somente poderá ser
usada em partidas de máquinas em vazio, ou seja, sem cargas, e somente após ter
atingido a rotação nominal, a carga poderá ser aplicada. São utilizadas basicamente para
cargas bastante leves.
Se precisarmos partir com carga, usamos a chave compensadora. Esta será
explicada logo a seguir.
3.3 CHAVE COMPENSADORA AUTOMÁTICA
3.3.1 Características
Esse método de partida atende melhor a potências de carga superiores
àquelas atendidas pela partida estrela-triângulo. Nesse caso, o controle da potência ou
da corrente é feito mediante o ajuste de derivações na saída do autotransformador, em
porcentagens normalmente de 65% e 80%. Porém, outras derivações podem ser
previstas, contanto que as condições de utilização o necessitem.
39
É aplicada no acionamento de máquinas de grande porte que partem com
carga parcial Além disso, a chave compensadora alivia o conjugado (torque) de
aceleração por causa da tensão inicial (reduzida), e conseqüentemente, reduz a
disponibilidade de potência para alimentação.
As principais vantagens da chave compensadora são:
•
Redução da corrente de partida, mantendo um conjugado suficiente
para acelerar o motor;
•
É possível variar os taps do autotransformador, de modo a propiciar
uma partida satisfatória do motor.
Já suas principais desvantagens são listadas a seguir:
•
Limitação do número de manobras;
•
Custo bem mais elevado em comparação à estrela triângulo;
•
Construção volumosa e pesada;
•
Necessidade de estruturas mais caras para usa fixação;
•
Exige uso de três contatores e pesado autotransformador, que dissipa
alta energia na partida, permitindo, em geral, somente 6 partidas por hora;
•
Provoca trancos no sistema no início da partida e na comutação;
•
A energia dissipada no autotransformador é perdida.
A figura 16 mostra o painel de uma chave compensadora. Logo a seguir, na
figura 17, podemos ver o comportamento da partida através da chave compensadora.
Figura 16 - Painel de uma chave compensadora
40
Figura 17 – Comportamento da partida com uma chave compensadora
3.3.2 Componentes Básicos
•
Contator para Rede
•
Contator para Partida
•
Autotransformador
•
Relé Térmico
•
Voltímetro
•
Amperímetro
•
Fusível para Rede
•
Fusível para Controle
•
Relé de Nível
•
Sinaleiros
•
Botões para liga-desliga
•
Pára-raio
•
Relé falta de fase
•
Comutador para voltímetro
41
3.4 PARTIDA COM CHAVE SÉRIE-PARALELO
Para partida com chave série-paralelo, é necessário que o motor seja
religável para duas tensões, onde a menor delas deverá ser igual a tensão da rede (tensão
de serviço) e a outra igual ao dobro daquela.
Neste tipo de partida o pico de corrente fica reduzido a 1/4 daquele com
partida direta. Deve-se ter presente que com este tipo de ligação, o conjugado de partida
do motor também fica reduzido a 1/4 e portanto a máquina deve partir praticamente em
vazio.
3.5 CHAVES REVERSORAS
As chaves reversoras são utilizadas para efetuar a inversão do sentido de
rotação dos motores elétricos. Tem sua aplicação principal em máquinas operatrizes,
onde a inversão do sentido de rotação do motor se faz necessária.
42
4. SIMULAÇÃO DA PARTIDA DE UM MIT USANDO
SOFT-STARTER VIA MATLAB®
A seguir, mostramos os detalhes da simulação da partida de um motor de
indução usando o MATLAB®. No presente projeto, consideramos um motor com
potência de 500 HP. Seus parâmetros e os demais inerentes à simulação são mostrados a
seguir.
4.1 O MOTOR
A máquina assíncrona opera como motor ou gerador. O modo de operação é
determinado pelo sinal do torque mecânico (positivo para operação como motor, e
negativo para gerador).
Para simulação computacional com o simulink MATLAB®, a parte elétrica da
máquina é representada por um modelo em espaço de estados de quarta ordem. Já a
parte mecânica é modelada por um sistema de segunda ordem.
4.1.1 Dados de placa
O motor (com rotor bobinado) cuja partida foi simulada possui os seguintes
parâmetros:
Potência nominal: 500 HP (373 kW)
Tensão nominal de linha: 2300 V
Freqüência nominal: 60 Hz
Rotação nominal: 1800 rpm
4.1.2 Modelo
Todos os parâmetros e variáveis elétricas são referidas ao estator. O modelo de
máquina de indução utilizado pelo simulink do MATLAB® é o conhecido como modelo
DQ. Definindo as variáveis:
•
Rs, Lls: resistência e indutância de dispersão do estator
•
Rr, Llr: resistência e indutância de dispersão do rotor
•
Lm: indutância de magnetização
•
Vqs, Iqs: tensão e corrente do estator (eixo q)
43
•
V’qr, I’qr: tensão e corrente do rotor (eixo q)
•
Vds, Ids: tensão e corrente do estator (eixo d)
•
V’dr, I’dr: tensão e corrente do rotor (eixo d)
•
Φqs, Φds: Fluxos do estator (eixos q e d)
•
Φqr, Φdr: Fluxos do rotor (eixos q e d)
•
ωm: velocidade angular do rotor
•
θm: posição angular do rotor
•
p: número de pólos
•
ωr: velocidade angular elétrica
•
Te: torque eletromagnético
•
Tm: torque de carga
•
J: coeficiente de inércia da carga e do rotor
•
H: constante de inércia da carga e do rotor
A modelagem da máquina é mostrada a seguir:
Figura 18 – Eixo q
Figura 19 – Eixo d
Por análise dos circuitos acima, podemos escrever as seguintes equações:
44
onde:
O sistema mecânico nos fornece as equações:
4.1.3 Parâmetros
Na simulação, precisamos informar ao computador quais os parâmetros do
motor de indução. Para isso, é usada a seguinte tela:
45
Figura 20 – Tela de configuração dos parâmetros da máquina
4.1.4 Diagrama de blocos da máquina
O simulink do MATLAB trabalha com diagrama de blocos. Assim, cada
componente de um esquema possui um bloco que o substitui. Para o motor de indução
trifásico (motor assíncrono), as conexões do rotor devem ser curto-circuitadas, ou
conectadas a um circuito externo (resistência externa, conversor de potência, etc). Seu
diagrama de blocos está ilustrado na figura seguinte:
Figura 21 – Diagrama de blocos do motor de indução
46
4.2 O TIRISTOR
4.2.1 Modelo
O tiristor é um dispositivo semicondutor que pode ser ligado via um sinal
aplicado ao terminal gate. Seu modelo usado pelo MATLAB® é simulado como uma
resistência e uma indutância quando ligado, e uma fonte de tensão constante Vf,
conectadas em série com uma chave ideal. Essa chave é controlada por um sinal lógico
que depende da tensão VAK e do sinal enviado ao gate (terminal G).
A figura seguinte nos mostra o esquema e o modelo usado pelo MATLAB
para o tiristor:
Figura 22 – Modelo para o tiristor e seu respectivo diagrama de circuito
O tiristor liga quando a tensão VAK (medida do ânodo para o cátodo) e
maior que Vf e um pulso positivo é aplicada ao gate. A altura do pulso deve ser maior
que zero e longo o suficiente para permitir passagem de corrente do ânodo para o
cátodo. E ele desliga quando a corrente que o atravessa vai a zero, e uma tensão
negativa aparece sobre seus terminais.
Os parâmetros usados na presente simulação foram os seguintes:
•
Resistência ligada: RON = 1 mΩ
•
Indutância ligada: LON = 0 H
•
Tensão direta: Vf = 0,8 V
4.2.2 Diagrama de blocos
O diagrama utilizado pelo simulink para o tiristor está mostrado na figura
seguinte:
47
Figura 23 – Diagrama de blocos para o tiristor
Um pulso positivo deve ser enviado ao terminal gate para que o tiristor
comece sua condução. Conseqüentemente, uma tensão direta aparece sobre os terminais
A e K.
4.3 ESQUEMA DO CIRCUITO
A figura 24 nos mostra o circuito desenhado no simulink para simulação da
partida de um motor de indução trifásico fazendo-se uso de uma chave soft-starter. Note
a fonte de alimentação trifásica no lado esquerdo da figura, e o motor no lado direito.
Para os tiristores, usaremos um ângulo de disparo de 70º, inicialmente.
Figura 24 – Diagrama sem detalhes do circuito simulado
48
Para análise das formas de onda e de outros dados relevantes do circuito, o
simulink nos dá a opção de inserir blocos de medição (Voltage Measurement e Current
Measurement) e de um visualizador de formas de onda (scope). Veja a figura seguinte:
Figura 25 – Diagrama do circuito com detalhes para medição
49
5. RESULTADOS OBTIDOS
Apresentamos a seguir os dados mais importantes obtidos na simulação via
MATLAB (formas de onda, valores numéricos, etc.) que são necessários para análise.
Os dados apresentados nessa seção serão analisados tendo em vista a partida do motor
em si. Não será analisada, por exemplo, controle de velocidade do motor.
5.1 GRANDEZAS ELÉTRICAS
Através das figuras a seguir, podem ser vistas as formas de onda medidas em
alguns pontos do circuito mostrado anteriormente. Como a tensão nominal do motor é
2300 V (tensão eficaz de linha), a fonte trifásica de entrada foi configurada para um
valor de pico igual a:
V
pico
=
2300
*
1
3
*
2
V
pico
=
1877,94 V
Veja a tensão da fonte trifásica de entrada, pela figura 26:
Figura 26 – Tensão da fonte trifásica de entrada
50
Já a figura 27 ilustra o formato dos pulsos que devem ser enviados aos
tiristores que compõem o sistema de controle do soft-starter. O ângulo de disparo usado
foi α = 70º.
Figura 27 – Pulsos de tensão enviados aos tiristores para α = 70º
A tensão enviada ao motor (medida entre fases) está mostrada na figura 28.
Em regime permanente, passado um ligeiro transitório, a tensão do estator é a esperada,
em termos do formato (senoidal “recortada”). Podemos ver a tensão de linha do estator
em função do tempo:
51
Figura 28 – Tensão de linha do estator para α = 70º
Para fazer a medição de dados referentes ao motor, o simulink oferece um bloco
que nos permite tirar algumas informações importantes. Assim, podemos visualizar
graficamente como se comportam, além de outros, os seguintes parâmetros:
•
Corrente trifásica de estator;
•
Corrente trifásica de rotor;
•
Velocidade de rotação;
•
Torque;
Para isso, usamos o bloco seguinte:
52
Figura 29 – Diagrama de blocos do medidor de parâmetros de máquinas
Com o bloco ilustrado acima, obtemos as formas de onda mostradas a seguir.
Primeiramente, veja a corrente do rotor. Após um transitório inicial (que dura até os
dois primeiros segundos após a partida), a corrente se estabiliza.
Figura 30 – Corrente em uma fase do rotor
53
A seguir, é ilustrada a corrente do estator. Após 2s, o motor já entrou em
regime permanente, e mostramos um zoom nessa forma de onda. Veja:
Figura 31 – Zoom da corrente do estator (α = 70º)
5.2 GRANDEZAS MECÂNICAS
A figura 32 ilustra a velocidade mecânica do motor em função do tempo na
sua partida. Note que há um pequeno “overshoot” na partida, mas a velocidade se
estabiliza em 1798 rpm.
54
Figura 32 – Velocidade mecânica para ângulo de disparo de 70º
Pelo gráfico acima, podemos calcular o escorregamento da máquina. Isso
será feito no capítulo 7, dedicado à discussão dos resultados obtidos nessa seção.
Na figura seguinte, ilustramos como se comporta o torque desenvolvido no
eixo da máquina em função do tempo. Note que, quando o motor já entrou em regime
permanente, o torque se estabiliza, e fica constante. O capítulo 7 discute o porquê do
valor final do torque apresentado na figura 33.
55
Figura 33 – Torque eletromagnético
Figura 34 – Torque versus velocidade, desde a partida até o
regime permanente de uma máquina assíncrona
56
Pela figura acima, podemos ver a figura clássica do torque em função da
velocidade de rotação de um motor de indução assíncrono. Após um ligeiro transitório
(velocidade menor que 400 rpm), o torque atinge um valor máximo, de 3617 N.m, na
velocidade de aproximadamente 1565 rpm.
5.3 ANÁLISE DE POTÊNCIA
Agora, vamos fazer uma análise em termos de potência. Mais
especificamente, vamos analisar o que acontece com o consumo de energia. Queremos
ver o comportamento da energia elétrica suprida pela fonte que alimenta o soft-starter
quando fazemos uso dele para partir um motor de indução.
Primeiramente, mostramos o gráfico da potência ativa e reativa na figura 35.
Figura 35 – Potência entregue ao motor de indução, desde
sua partida até o regime permanente (α = 70º)
Note pela figura acima que o fator de potência do motor é:
57
FP
FP
=
potência ativa
potência aparente
=
88
88 + 35 ,6
2
2
=
0,92
5.4 ECONOMIA DE ENERGIA USANDO UM SOFT-STARTER
Agora vamos mudar o ângulo de disparo dos tiristores, e ver o que acontece
com o fator de potência e com o consumo de energia elétrica. Conforme explicado no
capítulo 1, através da figura 9, pode-se fazer um bom uso do soft-starter para
economizar energia. Queremos analisar o comportamento da potência (traduzida em
energia elétrica) na partida de um motor de indução quando se usa partida suave.
Foi usado na simulação acima um ângulo de disparo dos tiristores igual a
70º. Entretanto, vamos analisar torque e potência para um ângulo de disparo diferente,
igual a 100º. Sendo assim, mostramos a configuração dos pulsos enviados aos tiristores,
pela figura 36:
Figura 36 – Pulsos enviados aos tiristores para um ângulo de disparo de 100º
58
Com esse novo ângulo, a tensão eficaz enviada ao motor assume um novo
valor. Seu gráfico é mostrado a seguir:
Figura 37 – Tensão eficaz de linha do estator para disparo de 100º
O resultado observado na figura acima é justificado pelo fato de que, em um
controlador de tensão CA, vale a seguinte relação:
1/ 2
V
eficaz , fase
=
 1  π 3 sen 2α
3 cos 2α 

+
6 V   +

16
16
 π  12

(Rashid, 1997)
s
onde Vs a tensão eficaz de fase da fonte de alimentação (1328 V, no caso), Veficaz é o
valor eficaz da tensão de fase medida na saída do controlador (soft-starter) e α é o
ângulo de disparo dos tiristores. Fazendo α = 100º (= 5π/9), obtemos Veficaz,fase = 566 V.
Logo: Veficaz,linha = 566 * 3 = 980 V.
Inicialmente, tínhamos uma tensão igual a 1620 V (ver figura 31). Agora,
com um ângulo de disparo diferente, obtemos uma tensão de 980 V, o que significa uma
redução de mais de 50%.
Para uma máquina de indução, sabemos que o torque é proporcional ao
quadrado da tensão aplicada ao motor, isto é: T = k.V2. Antes, tínhamos 100 = k*16202.
59
Agora, com o novo ângulo de disparo, visando economia de energia: Tnovo = k*9802.
Isso nos leva a Tnovo = 18,155 Nm.
A figura seguinte ilustra a potência fornecida pelo soft-starter ao motor para
um ângulo de disparo de 100º.
Figura 38 – Potência que sai do soft-starter na partida suave para α = 100º
Note pela figura acima que houve uma redução significativa na potência (e
conseqüentemente, energia elétrica) suprida pela fonte de entrada. O novo fator de
potência vale:
FP
=
14,6
2
2
14,6 +9,5
=
0,83
Em suma, podemos garantir uma economia de energia elétrica quando
acionamos um motor de indução via soft-starter. Para isso, devemos estudar o valor do
ângulo de disparo dos tiristores, que compõem o sistema de controle dos dispositivos de
parada suave. Mas isso também reduz o fator de potência, como acabamos de ver.
60
5.5 ANÁLISE DO CONTEÚDO HARMÔNICO
Faremos a seguir uma análise do ponto de vista do conteúdo harmônico.
Usando o bloco da figura 39 do simulink, podemos plotar valor de pico de uma
harmônica específica em função do tempo.
Figura 39 – Bloco do MATLAB para análise de Fourier
Veja que devemos entrar com o sinal objeto de análise, e são mostrados
módulo e ângulo de uma determinada freqüência harmônica. Mostramos na tabela
seguinte o espectro harmônico de algumas freqüências para a tensão da figura 31.
Tabela 3 – Harmônicas da tensão do estator
Número da harmônica
1 (60 Hz)
2 (120 Hz)
3 (180 Hz)
4 (240 Hz)
5 (300 Hz)
6 (360 Hz)
7 (420 Hz)
8 (480 Hz)
9 (540 Hz)
Valor de pico (%)
100
0,735
35,71
0,469
19,85
0,254
14,69
0,107
10,02
E na figura a seguir, mostramos o espectro harmônico da tabela 3:
61
Figura 40 – Espectro harmônico da tensão do estator para α = 100º
62
6. IMPLEMENTAÇÃO EM LABORATÓRIO
O presente projeto de final de curso não se limitou apenas a simulações
computacionais. Foram feitas também experimentações, e a seguir ilustramos como o
presente projeto poderia ser implementado em laboratório.
6.1 CIRCUITO DE CONTROLE
O circuito que gera os pulsos enviados aos tiristores (circuito de controle)
foi implementado usando-se o microcontrolador/microprocessador 89C52 da ATMEL®,
um processador da família 8051. Seu diagrama básico está mostrado no circuito da
figura seguinte, montado no laboratório de Microprocessadores.
Figura 41 – Circuito básico de controle dos pulsos
Depois de montado o circuito da figura 45, foi gravado na memória ROM o
programa (firmware) mostrado a seguir:
63
$mod51
org 00h
mov sp, #2Fh;
mov P2, #00h;
lcall atraso;
inicio:
pilha começa no endereço 30h
zera os pinos da porta P2
espera disparo inicial de 70º
setb P2.1;
lcall tempo
clr P2.1;
setb P2.2;
lcall tempo
clr P2.2;
setb P2.3;
lcall tempo
clr P2.3;
setb P2.4;
lcall tempo
clr P2.4;
setb P2.5;
lcall tempo
clr P2.5;
setb P2.6;
lcall tempo
clr P2.6;
sjmp inicio
dispara T1
atraso:
volta1:
mov R0, #40d;
mov R1, #39d;
djnz R1, $
djnz R0, volta1
ret
rotina de 70º (3,243 ms)
tempo:
volta2:
mov R2, #36d;
mov R3, #37d;
djnz R3, $
djnz R2, volta2
ret
rotina de 1/6 do período,
que equivale a 2,775 ms
T1 corta
dispara T2
T2 corta
dispara T3
T3 corta
dispara T4
T4 corta
dispara T5
T5 corta
dispara T6
T6 corta
end
Os valores escolhidos para os registradores no código fonte acima se
justificam. Como foi usado um cristal cujo clock é de 12 MHz, temos:
Tabela 4 – Instruções da sub-rotina “atraso”
Instrução
mov R0, #40d
mov R1, #39d
djnz R1, $
djnz R0, volta1
ret
Número de vezes
executadas
1
40
40*39
40
1
Número de ciclos Tempo equivalente (µs)
1
1
2
2
2
TEMPO TOTAL
1
40
3120
80
2
3243
64
Tabela 5 – Instruções da sub-rotina “tempo”
Instrução
mov R2, #36d
mov R3, #37d
djnz R3, $
djnz R2, volta1
ret
Número de vezes
executadas
1
36
36*37
36
1
Número de ciclos
1
1
2
2
2
TEMPO TOTAL
Tempo equivalente
(µs)
1
36
2664
72
2
2775
65
7. DISCUSSÕES DOS RESULTADOS
Essa seção se destina à discussão e justificativa dos resultados mostrados na
seção anterior.
Primeiramente, a tensão trifásica de entrada usada na simulação é ideal.
Então, flutuações de tensão normalmente presentes na rede de uma concessionária não
aparecem na simulação. Isso significa que a tensão da rede usada pelo MATLAB é
perfeitamente senoidal, com freqüência de 60 Hz, e valor eficaz de linha de 2300 V (ver
figura 26). Felizmente, isso não produz efeitos inesperados, pois não consiste de um
problema que afete consideravelmente os resultados obtidos.
De acordo com a figura 27, o tiristor T1 não começa a conduzir no tempo
igual a 0. Como foi usado um ângulo de disparo para os tiristores de 70º (α = 70º), o
primeiro tiristor a conduzir recebe um pulso em um tempo equivalente a:
t
0
=
70
360
*
1
60
=
3,241 ms
Em relação aos dados obtidos para o motor, note que o torque
eletromagnético ficou em 100 Nm para operação em regime permanente. Esse fato se
justifica pelo seguinte: sendo Tm o torque de carga, Te o torque eletromagnético, J o
momento de inércia da máquina e n sua velocidade, vale a equação:
T
e
-
T
m
=
J
*
dn
dt
Como, em regime permanente, n tende para um valor constante (próximo a 1800
rpm para a máquina em estudo), temos que dn/dt → 0. Portanto, Te = Tm (=100 N.m) a
medida que t → ∞.
Note a rampa de subida de velocidade do motor, na figura 32. Ela mostra que o
motor vai adquirindo velocidade linearmente com o tempo, até atingir velocidade
nominal (perto de 1800 rpm). Ao chegar a essa velocidade, a máquina entra em regime
permanente, e pode ser observado que somente uma pequena oscilação existe nesse
instante. Portanto, vemos que a partida é “suave”, uma característica da partida de
motores usando um soft-starter.
Pela figura 32, podemos calcular o escorregamento da máquina, através da
sua definição:
66
s
= nnominal
n
− nobservado
nominal
Pela simulação, observamos n = 1798 rpm. Isso nos dá um escorregamento de:
1800 − 1798
1800
s
=
s
= 0,11 %
Enfim, abordaremos a questão de economia de energia elétrica.
Comparando as figuras 35 e 38, podemos observar que a potência se comporta da
mesma forma para dois ângulos de disparo, 70 e 100º. Entretanto, para um ângulo de
100º, as potências (ativa e reativa) consumidas são menores, em termos numéricos.
Isso se deve justamente ao fato de que, alterando o ângulo de disparo, alterase a tensão aplicada a maquina. Assim, o torque também será modificado, já que está
relacionado à tensão aplicada ao motor. A potência mecânica do eixo do motor (e,
conseqüentemente, a potência elétrica de entrada) está ligada ao torque desenvolvido,
pela velocidade mecânica. Portanto, o consumo de potência proveniente da rede da
concessionária (e, conseqüentemente, a energia elétrica consumida) também sofrerá
alterações (redução), como mostrado na seção 5.4.
Logo, vemos que o consumo de energia (intrinsecamente ligada à potência
consumida) é considerável ao se mudar o ângulo de disparo. Porém, sabemos que nem
todos soft-starters possuem essa função de economia de energia, discutida na seção
1.4.4. Mas, sempre que possível, é interessante estar atento ao uso de dispositivos que
dispõem dessa função.
67
8. BIBLIOGRAFIA
Site da Toshiba: www.toshiba.com.br
Site da Vorax: www.vorax.com.br
Site da WEG: www.weg.com.br
Site da Siemens: www.siemens.com.br
Site da Telemecanique: www.telemecanique.com.br
Manuais de instalação de soft-starters WEG
Manuais de instalação de soft-starters Allen-Bradley
Manuais de instalação soft-starters Varix
Revista “Saber Eletrônica”, ano 38, edição 356 – Editora Saber LTDA. Setembro, 2002
RASHID, Muhammad H. Eletrônica de Potência – Circuitos, Dispositivos e Aplicações.
São Paulo: Makron Books, 1997.
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