estudo comparativo dos dispositivos convencionais de partida no

ESTUDO COMPARATIVO DOS DISPOSITIVOS CONVENCIONAIS DE
PARTIDA NO ACIONAMENTO DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS
Ygor C. A.¹, Luciano C. G.¹, Marcos A. A. F.², Wander G. S.³
¹Laboratório de Acionamentos Elétricos, Universidade Federal de Uberlândia
²Instituto Federal de Educação Técnica e Tecnologia de Goiás, Campus de Itumbiara
³Fundação Educacional de Ituiutaba
[email protected], [email protected]
Resumo - Este trabalho tem por objetivo simular e
avaliar os dispositivos convencionais de partida de motores
de indução trifásicos. Para isto, foi utilizado um modelo
computacional
desenvolvido
na
plataforma
MATLAB/SIMULINK®, que simula o comportamento
dinâmico do motor de indução utilizando a sua modelagem
no domínio da fase. O desempenho geral de cada
dispositivo de partida foi avaliado através da comparação
do comportamento da corrente de partida. Para validação
da modelagem e realização do estudo foram utilizados
motores com potência nominal de 3 cv de 2, 4 e 6 pólos.
Palavras-Chave – motor de indução trifásico,
acionamento de motores elétricos, partida direta, chave
estrela/triângulo, chave compensadora, partida suave.
COMPARATIVE STUDY OF
CONVENTIONAL DEVICES FOR
STARTING THREE-PHASE INDUCTION
MOTORS
Abstract –This work aims to simulate and evaluate the
conventional methods of starting three phase induction
motors. It was used a computer model, developed on the
MATLAB/SIMULINK© platform that simulate the
behavior of the induction motor, using its modeling in
phase dominion. The overall performance of each starter
device was evaluated by comparing the dynamic behavior
of starting current. For modeling validation and
execution of this study, it was used induction motors with
3cv of nominal power and 2, 4 and 6 poles.
1
Keywords –three-phase induction motor, starting,
drives
Durante as últimas décadas, o acionamento de motores foi
tema recorrente em pesquisas e artigos acadêmicos. Por se
tratarem de cargas especiais, representam umas das áreas de
estudos técnicos de maior complexidade realizados no campo
da engenharia elétrica.
Os MIT ligados nos sistemas de potência representam a
mais extensa aplicação da potência elétrica, consumindo
perto de 60% da energia elétrica gerada nos países
industrializados [3].
A principal característica de interesse relacionada aos
motores de indução é o seu comportamento durante os
instantes iniciais de sua partida, uma vez que na maioria dos
casos observa-se o surgimento de correntes elétricas da
ordem de 5 a 7 vezes maiores que o valor nominal.
Nestas condições, o circuito que, incialmente, fora
projetado para transportar a potência requerida pelo motor, é
solicitado agora pela corrente de acionamento durante certo
período de tempo. Em consequência disso, o sistema é
submetido a uma queda de tensão normalmente muito
superior aos limites estabelecidos para o funcionamento em
regime [4].
Sendo assim, com o objetivo de se reduzir a corrente de
partida, se faz necessário uma avaliação dos diversos
métodos convencionais de partida de motores de indução
utilizados na indústria.
A figura 1 apresenta uma visão geral dos métodos
estudados: partida direta, partida com chave estrela-triângulo,
partida com chave compensadora e partida suave (softstarter).
I. INTRODUÇÃO
O motor de indução trifásico (MIT) é o mais utilizado de
todas as máquinas rotativas que transformam energia elétrica
em energia mecânica. O seu elevado emprego deve-se ao fato
de possuir vantagens consideráveis em relação aos demais
motores: maior robustez, baixo custo, facilidade na
manutenção e simplicidade de controle [2].
Fig.1. Diagrama de ligação dos principais métodos de
acionamento do MIT.
A partir do estudo destes métodos, realizou-se um estudo
de simulação, utilizando o modelo no domínio da fase
desenvolvido em [5] e estudado e melhorado em [6] e [7].
II. APRESENTAÇÃO DOS MOTORES UTILIZADOS
Os motores utilizados nestas simulações possuíam a
mesma potência nominal de 3cv, e para efeito de
comparação, foram utilizados motores convencionais de 2, 4
e 6 pólos.
A tabela 1 apresenta os parâmetros dos motores,
adquiridos a partir do ensaio à vazio e do ensaio a rotor
bloqueado, e a figura 2 apresenta a curva teórica de
conjugado para cada motor estudado.
TABELA I
Parâmetros dos motores de indução trifásicos de 3cv
Pólos
Xm
Rs
Rr
J
Ω
Ω
Ω
Kg.m²
81.4637 2.4500 1.7257 0.00206
80.3737 2.8500 2.6381 0.00673
54.5463 2.2850 2.4113 0.01289
Ief
A
4.86
4.97
5.91
Fig.3. Diagrama de blocos da chave de partida direta, no
SIMULINK©.
Aplicando os parâmetros aos motores, a evolução da
velocidade do rotor e do conjugado e a corrente eficaz da
fase “a” do estator são mostradas na figura 4.
3450
ωr [rpm]
2
4
6
Xs
Xr
Ω
Ω
4.1636 4.1636
2.6182 2.6182
4.5396 4.5396
A figura 3 apresenta o diagrama de blocos, no
SIMULINK©, da chave de partida direta do MIT.
1710
1140
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
Te [Nm]
80
20
0
50
2 polos
4 polos
6 polos
Fig.2. Curva de conjugado teórica para cada motor
estudado.
Irms [A]
40
20
5
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
Tempo [s]
III. DISPOSITIVOS DE PARTIDA
A. Partida Direta
A partida direta de motores de indução, ou seja, à plena
tensão, é o método mais simples e econômico de colocá-los
em operação. Por não precisar de dispositivos especiais para
o acionamento do motor, na partida direta são utilizados
apenas contatores, relés térmicos e de sobrecarga, além de
disjuntores ou chaves interruptoras.
Esta prática é uma das mais comuns disponíveis no
mercado, e pode ser aplicada a qualquer MIT. Como todo
motor é projetado para suportar correntes elevadas na partida
caracteriza-se como um método confiável e de fácil
execução. Contudo sua confiabilidade está ligada a potência
nominal do motor.
Geralmente, o método de partida direta somente é
recomendável se a corrente de partida do MIT for irrelevante,
pois, deste modo, a corrente de partida não provoca uma
redução significativa da tensão da rede [1].
Em geral as concessionárias de energia determinam em
norma que na ligação de motores de indução trifásicos com
potência nominal superior a 5cv para instalação de baixa
tensão (inferior a 1kV), devem ser utilizados dispositivos
auxiliares de partida, ou seja, somente motores de até 5cv
podem partir diretamente conectados à rede de energia
elétrica [8].
Fig.4. Velocidade do rotor e conjugado e corrente eficaz na fase
“a” do estator do MIT
Nota-se independente do número de pólos do motor, a
corrente de partida tem uma rápida evolução em termos de
valores de pico no instante da partida até o regime
permanente.
Os valores registrados no instante t=0,103s, foram:
MIT 2 pólos – Ia = 43.58 A
MIT 4 pólos – Ia = 44.98 A
MIT 6 pólos – Ia = 42.42 A
Na figura 5 é mostrada a corrente eficaz de regime
permanente na fase “a”, evidenciando esta evolução.
Fig.5. Corrente eficaz na fase “a” do MIT
Através da simulação foram obtidos os seguintes valores
para a corrente:
MIT 2 polos – Iarms = 5.08 A
MIT 4 polos – Iarms = 4.75 A
MIT 6 polos – Iarms = 5.88 A
Fig.6. Esquema de ligação dos enrolamentos na partida Y-∆.
A figura 7 apresenta o diagrama de blocos, no
SIMULINK©, utilizado para a simulação da chave de partida
estrela-triângulo.
Fig.7. Diagrama de bloco da chave de partida estrela-triângulo,
no SIMULINK©.
A fonte foi manipulada para oferecer uma tensão de fase
reduzida para 1 3 da tensão nominal do valor de pico
nominal. Dessa forma, o MIT terá na partida uma corrente de
fase reduzida pelo mesmo fator de 1 3 do valor de pico
nominal.
No instante t=0,603s, ocorre a transição Y/∆, assim a
tensão volta ao seu valor nominal.Na figura 8 é mostrada a
3450
ωr [rpm]
B. Partida com chave Y-∆
O motor de indução trifásico apresenta uma resistência
rotórica de valor muito baixo. Isto, que se constitui em uma
vantagem no funcionamento do motor em rotação nominal, é
prejudicial no momento de partida, pois gera correntes muito
altas [1].
Para reduzir estas correntes pode-se utilizar o método de
partida com chave Y-∆ (estrela-triângulo). Este método pode
ser manual ou automático e é realizado diretamente nos
enrolamentos do motor, que deverá ter seus terminais
acessíveis.
O MIT somente poderá utilizar o método de partida
estrela-triângulo se possuir uma ligação em dupla tensão
nominal (por exemplo, 220/380V ou 440/760V) e pelo
menos seis terminais acessíveis. Para ser conectado à maior
tensão, o MIT deverá estar ligado em estrela (Y); para a
menor tensão, a sua ligação deverá ser o triângulo ou delta
(Δ). O método de partida estrela-triângulo só pode ser
realizado se a tensão da rede for igual à tensão de ligação em
triângulo.
A figura 6 apresenta o esquema de ligação dos
enrolamentos na partida Y-∆.
evolução da velocidade do motor e acorrente eficaz da fase
“a” do estator.
1710
1140
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
20
1
2 polos
4 polos
6 polos
15
Irms [A]
Através dos dados obtidos foi possível perceber que os
dados condizem com as condições reais e dados de placa dos
motores.
Percebe-se também, que na partida direta não há redução
do valor do pico de corrente na partida.
10
5
0
0
0.2
0.4
0.6
Tempo [s]
0.8
1
Fig.8. Evolução da velocidade e corrente da fase “a” na com
chave Y-∆.
O pico de corrente na partida é menor em relação a partida
direta. No instante da transição, a corrente sofre um novo
aumento, reflexo da comutação da tensão. Porém, este novo
aumento é menor que o valor máximo de corrente obtida no
método de partida direta.
Esta particularidade ocorre porque o motor está próximo
de sua velocidade nominal no instante de comutação da
tensão, garantido, dessa forma, uma maior impedância no
circuito equivalente do motor.
As simulações evidenciaram a eficiência, ainda que sutil,
do método de partida com chave estrela-triângulo. As
correntes de partida diminuíram substancialmente, porém
ainda tem valores da ordem de 3 vezes a corrente nominal do
motor.
C. Partida com chave compensadora
A chave compensadora é composta, basicamente, de um
autotransformador com várias derivações, destinadas as
regular o processo de partida. Este autotransformador é
ligado ao circuito do estator. O ponto estrela do
autotransformador fica acessível e, durante a partida, é curtocircuitado, e esta ligação se desfaz logo que o motor é
conectado diretamente à rede [4].
Este método utiliza as várias derivações do
autotransformador para reduzir a tensão. Comumente, as
derivações encontradas variam de 65% a 80%. Esse método
atende melhor a potências de carga superiores àquelas
atendidas pela partida estrela-triângulo, ou seja, máquinas de
grande porte e que partem parcialmente carregadas.
O princípio de funcionamento é semelhante à partida
estrela-triângulo, pois, tem a finalidade de reduzir a tensão
por fase do motor, na partida, para que ocorra uma redução
proporcional da corrente.
A grande vantagem da chave compensadora é que, por
utilizar um autotransformador, a corrente absorvida pelo
motor (no circuito secundário do autotransformador) é maior
do que a corrente de linha (no circuito primário do
autotransformador), em função da relação de transformação.
Logo, a corrente de partida do motor é limitada, na proporção
da redução de tensão realizada pelo autotransformador, mas a
corrente de linha é reduzida proporcionalmente à relação de
transformação do transformador.
A figura 9 apresenta o diagrama de blocos, no
SIMULINK©, utilizado para a simulação da chave
compensadora.
Fig.9. Diagrama de blocos da chave compensadora, no
SIMULINK©.
O bloco Chave Compensadorarepresenta a estratégia de
comutação dos contatores para, num primeiro momento,
inserir apenas 50% da tensão nos enrolamentos do MIT.
Posteriormente, no tempo t=0,30s, o contator inferior é
acionado, inserindo toda a tensão da rede aos enrolamentos
do estator. A figura 10 mostra a parte interna deste bloco.
com
i
a
+
-
il
A
a
B
b
Timer
+
v
-K-
v
-K-
1
-
s
A
+
2
b
-
B
1
-
+
3
s
C
c
c
+
4
v
C
2
+
-
-K-
5
208V /208V 1kVA
Transformer
com
s
+
6
v
-K-
v
-K-
v
-K-
3
-
+
a
Subsystem
-
Timer1
A
+
b
-
B
C
Através da figura pode-se notar que há um pico de
corrente quando ocorre à entrada do MIT à rede, contudo
este pico é menor do que em outros métodos de partida.
Uma das principais desvantagens deste método é o alto
custo do autotransformador, pois quanto maior a quantidade
de derivações que se quer, maior o custo. Além do custo
maior em relação a chave estrela-triângulo, a chave
compensadora possui dimensões normalmente superiores às
chaves estrela-triângulo.
D. Partida com chaves estáticas (soft-starter)
Os softstartes são constituídos de um circuito eletrônico
acoplado a um microprocessador que controla um conjunto
de tiristores responsáveis pelo ajuste da tensão aplicada aos
terminais do motor. Através de ajustes acessíveis, pode-se
controlar o torque do motor e acorrente de partida a valores
desejados em função da exigência da carga.
As chaves de partida estáticas são dotadas de uma função
denominada pulso de tensão de partida (kick start) de valor
ajustável. Sua finalidade é ajudar as cargas de inércia elevada
a iniciar o processo de partida. O valor desta tensão deverá
ser suficientemente elevado para que se possa obter um
conjugado do motor suficientemente elevado para vencer o
conjugado da carga [4].
O ângulo de disparo dos tiristores é controlado
eletronicamente por meio de microprocessadores ou com a
utilização de circuitos integrados dedicados para essa tarefa,
como é o caso dos circuitos da linha TCA (TCA 780, TCA
785). Esse ângulo de disparo é alterado adequadamente,
imprimindo aos terminais do motor uma tensão variável. Foi
feito um estudo preliminar desses circuitos integrados e a
mesma lógica foi implementada computacionalmente.
Na figura abaixo, é apresentado um esquema geral da
aplicação do soft-starter na partida do MIT.
+
c
-
Fig.10. Parte interna do bloco Chave Compensadora
A figura 11 mostra a evolução da velocidade e corrente da
fase “a” durante a partida do motor.
ωr [rpm]
3450
1710
Fig.12. Esquema geral de aplicação com soft-starter.
1140
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
25
0.3
O diagrama de blocos implementado no SIMULINK©, é
apresentado na figura abaixo:
2 polos
4 polos
6 polos
20
Irms [A]
0.25
15
10
5
0
0
0.05
0.1
0.15
Tempo [s]
0.2
0.25
0.3
Fig.11. Evolução da velcoidade e corrente da fase “a” do MIT
na partida com chave compensadora.
Fig.13. Diagrama de blocos da partida com soft-starter, no
SIMULINK©.
O bloco Fonte Trifásicaé composto de fontes senoidais,
devidamente ajustadas para emular a rede de distribuição de
energia. No bloco Controlador, foi inserida a lógica de
controle dos tiristores e a sincronização dos sinais gerados
com a frequência do sinal de alimentação. A saída desse
bloco fornece os pulsos necessários para o disparo dos
tiristores. No bloco Chaves Estáticas – Soft-Starter foram
alocados os dispositivos semicondutores SCR’s, também
chamados de Triacs (dois tiristores em antiparalelo).
Como são usados seis tiristores para emular os Triacs e
cada tiristor tem seu respectivo “gatilho” (gate), são
necessários seis pulsos de disparo.
Para romper a inércia da máquina foi inserido um degrau
inicial rápido de tensão, de modo que o motor acelere
rapidamente até cerca de 50 rad/s (470 rpm). Após esse
degrau de tensão, o ângulo de disparo é decrescido
linearmente, fazendo com que a tensão seja aplicada
gradualmente no estator do MIT.
Com a imposição dessa tensão inicial, a corrente, da
mesma forma, saltará para um valor inicial mais alto na
partida. O comportamento da corrente da fase “a” do estator,
a evolução da velocidade do rotor e a tensão aplicada são
mostrados na figura 14.
ωr [rpm]
3500
3.000
2.000
1.000
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
irms [A]
15
10
5
0
Vrms [V]
300
200
2 polos
4 polos
6 polos
100
0
0
0.5
1
1.5
2
Tempo [s]
2.5
3
3.5
4
Fig.14. Velocidade do rotor, corrente eficaz da fase “a” e a
tensão aplicada ao MIT na partida suave.
Para evidenciar o valor da corrente na partida, na figura 15
é mostrado um “Zoom” da corrente nos instantes iniciais.
18
15
10
ia [A]
5
0
-5
-10
-15
-18
0
0.05
Tempo [s]
0.1
Fig.15. Detalhe da corrente da fase “a” do MIT nos instantes
iniciais.
IV. CONCLUSÃO
Este artigo apresentou experimentos com o intuito de
aprofundar o conhecimento teórico associado ao
funcionamento de motores de indução trifásicos e seus
métodos de partida.
As altas correntes de partida em um motor de indução
trifásico implicam a necessidade de utilização de métodos de
acionamento que possibilitem a sua redução, para que a rede
elétrica não sofra reduções consideráveis em seus níveis de
tensão, devido a atuação dessas altas correntes na impedância
existente entre a fonte e o barramento ao qual o motor está
conectado [4].
Os quatro métodos convencionais de partida de um motor
de indução trifásico (partida direta, chave estrela-triângulo,
chave compensadora e chave estática soft-starter) foram
apresentados.
A partida direta é desejável quando se quer obter
simplicidade e economia na partida. Todos os motores de
indução trifásicos modernos são projetados para suportar a
tensão plena na partida sem danos ao enrolamento do motor.
Contudo, os resultados obtidos mostraram que a corrente de
partida é muito elevada. Para potências elevadas, a corrente
de partida com tensão plena é tal, que pode comprometer os
sistemas de potências fracos e a própria rede de distribuição
de energia.
A partida utilizando a chave estrela-triângulo se mostrou
eficiente na redução da corrente de partida, contudo a
redução é fixa, não sendo possível diminuir ainda mais a
corrente. Este método se mostrou inconveniente devido a
alguns aspectos como: o conjugado de partida reduzido a 1/3
do nominal devido a tensão reduzida, a tensão da rede deve
coincidir com a tensão em triângulo do motor e picos de
corrente no instante da transição. Além disso, outra
desvantagem do método é que sua aplicação só é possível
para motores com dupla tensão nominal e que disponham de
pelo menos seis terminais acessíveis.
A partida utilizando chave compensadora evidenciou uma
maior eficiência na redução da corrente de partida. Este
método mostrou que a comutação da derivação (tape) de
tensão reduzida para a tensão de suprimento não acarreta
elevação de corrente, já que o autotransformador se
comporta, neste instante, semelhantemente a uma reatância
que impede o crescimento da mesma. Contudo, a chave
compensadora tem um custo elevado, principalmente devido
ao número de derivações que se quer no autotransformador.
A chave de partida suave (soft-starter) apresentou o
melhor resultado no quesito corrente de partida. Diferente do
inversor de frequência, cuja aplicação se dá no controle
ponto a ponto da velocidade, as partidas suaves tem por
aplicação as partidas e paradas suaves da carga a ser
movimentada.Isso se deve justamente ao fato de que,
alterando o ângulo de disparo, altera-se o “recorte” da tensão
aplicada ao MIT.
Assim, com a partida suave é possível reduzir a corrente
de partida e o torque para o mínimo necessário para acelerar
a carga. Esta redução no torque está relacionada à tensão
aplicada ao motor. A potência mecânica do eixo do motor e,
consequentemente, a potência elétrica de entrada, está ligada
ao torque desenvolvido. Portanto, o consumo de energia
elétrica proveniente da rede também sofrerá redução, ou seja,
nota-se que o consumo de energia pode ser alterado
conforme o ângulo de disparo dos triacs. Porém, nem todos
soft-starters possuem essa função de economia de energia.
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soft-starters e inversores na qualidade da tensão de
sistemas
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Projeto
de
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2009.
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Instalação.São Paulo: LVBA Comunicação, 1995.
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Systems, Taylor & Francis Group, 2003.
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Tese de Doutorado, UNICAMP, Campinas, Brasil, 2000.
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Doutorado, UFU, Uberlândia, Brasil, 2008.
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Proposta de um Estimador de Fluxo Rotórico”, Tese de
Doutorado, UFU, Uberlândia, Brasil, 2002.
[8] Companhia Energética de Minas Gerais - CEMIG
“Manual de Distribuição - Fornecimento de Energia
Elétrica em Baixa Tensão”, Norma ND-5.2, Belo
Horizonte, Brasil, 1999.