2. estudo de uma chave soft
Propaganda
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...................................................................................................... 12 12 12 14 18 19 20 20 20 21 22 22 22 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........................................................................ 24 24 24 25 25 26 26 26 27 27 27 28 28 28 29 29 30 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...................................................................................... 32 32 32 34 35 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............................................................................... 37 38 38 40 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 42 44 45 46 46 46 47 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.................................................. 49 49 53 56 57 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.................................................... 13 14 15 16 17 18 19 19 20 22 27 33 33 35 36 39 40 43 43 45 45 46 47 47 48 49 50 51 52 52 53 54 55 55 56 57 58 59 60 61 62 9 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”................................................................. 34 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.
