Acionamento de Motores Assíncronos Trifásicos e Monofásicos
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DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO DA DISCIPLINA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS LABORATÓRIO 9: Acionamento de Motores Assíncronos Trifásicos e Monofásicos Objetivo: • Verificar alguns tipos de acionamento de motores elétricos de indução trifásicos e monofásicos. útil prolongada, custos operacionais reduzidos, além de dar à equipe de manutenção da indústria tranqüilidade no desempenho das tarefas diárias. Os critérios para a seleção do método de partida adequado envolvem considerações quanto à capacidade do sistema gerador. A seguir, são apresentados três métodos de partida para motores trifásicos (mais comuns) e um método de partida para motores monofásicos. Teoria: Partida através da chave estrela-triângulo Os motores elétricos, durante a partida, solicitam da rede de alimentação uma corrente de valor elevado, da ordem de 6 a 8 vezes a sua corrente nominal. Nestas condições, o circuito que inicialmente fora projetado para transportar a potência requerida pelo motor, é solicitado agora pela corrente de acionamento, durante um certo período de tempo. Como conseqüência disso, o sistema fica submetido a uma queda de tensão normalmente muito superior aos limites estabelecidos para o funcionamento em regime, podendo provocar sérios distúrbios operacionais nos equipamentos de comando e proteção, além de afetar o desempenho da iluminação, notoriamente a incandescente. Todo motor dimensionado para acionar adequadamente uma determinada carga acoplada ao seu eixo necessita, durante a partida, possuir em cada instante o conjugado do motor, superior ao conjugado resistente de carga. A curva do conjugado motor deve guardar uma distância da curva do conjugado resistente, durante o tempo de aceleração do conjunto (motor-carga), até que o motor adquira a velocidade de regime. Este intervalo de tempo é especificado pelo fabricante, acima do qual o motor deve sofrer sobreaquecimento, podendo danificar a isolação dos enrolamentos. A adoção de um sistema de partida eficiente pode ser considerada uma das regras básicas para se obter do motor uma vida Em instalações elétricas industriais, principalmente aquelas sobrecarregadas, podem ser usadas chaves estrela-triângulo como forma de suavizar os efeitos da partida dos motores elétricos. O acionamento de um motor elétrico através de chaves estrela-triângulo só é possível se este possuir seis terminais acessíveis e dispor de dupla tensão nominal. O acionamento é feito, inicialmente, ligando o motor na configuração estrela até que alcance uma velocidade próxima da velocidade de regime, quando então esta conexão é desfeita e executada a ligação em triângulo. A troca da ligação durante a partida é acompanhada por uma elevação de corrente, fazendo com que as vantagens da sua redução desapareçam se a comutação for antecipada em relação ao ponto ideal. Durante a partida em estrela, o conjugado e a corrente de partida ficam reduzidos a 1/3 de seus valores nominais. Neste caso, um motor só pode partir através de chave estrela-triângulo quando o seu conjugado, na ligação em estrela, for superior ao conjugado da carga do eixo. Devido ao baixo conjugado de partida e relativamente constante a que fica submetido o motor, as chaves estrela-triângulo são mais adequadamente empregadas em motores cuja partida se dá em vazio. A Fig. 9.1 representa, esquematicamente, uma chave estrela-triângulo conectada aos terminais de um motor. 51 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO DA DISCIPLINA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS • dimensões relativamente reduzidas. b) Desvantagens: • aplicação específica a motores com dupla tensão nominal que disponham de seis terminais acessíveis; • conjugado de partida reduzido a 1/3 do nominal; • tensão da rede deve coincidir com a tensão em triângulo do motor; • o motor deve alcançar pelo menos 90% de sua velocidade de regime para que, durante a comutação, a corrente de pico não atinja valores elevados, próximos, portanto, da corrente de partida com acionamento direto. Observação: A menor tensão de placa tem que ser igual a tensão da rede. Partida eletrônica (soft-starter) Figura 9.1 - Diagrama trifilar e de comando para chave estrela-triângulo. A seguir, são apresentadas algumas vantagens e desvantagens das chaves estrela-triângulo: a) Vantagens: • custo reduzido; • pode ser usado em sistemas com elevado número de manobras; • corrente de partida reduzida a 1/3 da nominal; As chaves de partida eletrônica (soft-starter) são chaves estáticas microprocessadas projetadas para acelerar/desacelerar e proteger motores de indução trifásicos. Através do ajuste do ângulo de disparo dos tiristores, controla-se a redução da tensão aplicada ao motor. A soft-starter proporciona uma partida suave ao motor de indução evitando as sobrecorrentes transitórias de partida e, portanto, as subtensões resultantes na rede elétrica. Ela pode substituir com vantagens a tradicional chave de partida estrelatriângulo. A Fig. 9.2 mostra a placa de identificação de uma softstarter, modelo SSW 04 da WEG [1], [3]. 52 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO DA DISCIPLINA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS Figura 9.2 - Placa de identificação da chave soft-starter SSW 04. O ângulo de disparo de cada par de tiristores é controlado eletronicamente para aplicar uma tensão variável no motor durante a aceleração. No final do período de partida, ajustável conforme a aplicação, a tensão atinge seu valor pleno após uma aceleração suave ou uma rampa ascendente, ao invés de ser submetido a transição brusca, como ocorre com os métodos de partida por autotransformador, ligação estrela-triângulo, etc. Com isso, consegue-se manter a corrente de partida próxima da nominal e com suave variação, como desejado. Ainda, como recurso adicional, a soft-starter apresenta a possibilidade de efetuar a desaceleração suave para cargas de baixa inércia. A Fig. 9.3 mostra a curva que relaciona a corrente pelo tempo, considerando a partida direta, a partida estrela-triângulo (onde aparece a comutação) e o uso da chave de partida Soft-starter. Pode-se ver pelo gráfico que a soft-starter proporciona uma menor corrente de partida e elimina a comutação da chave estrela-triângulo. Figura 9.3 - Curva de corrente pelo tempo da chave soft-starter. Partida e funcionamento usando inversor de frequência Os motores podem ser controlados de modo a prover ajuste contínuo de velocidade e conjugado com relação à carga mecânica. O fato da velocidade dos motores de indução ser dada pela relação: n = (120 f (1-s))/p (1) onde: n = rotação (rpm); f = freqüência da rede (Hz); p = números de pares de pólos; s = escorregamento, sugere a possibilidade de se obter várias velocidades para um mesmo motor, variando-se a freqüência. Com a variação da freqüência obtêm-se uma variação contínua da velocidade, ou seja, é uma forma de variar a velocidade dos motores de indução através da alimentação por uma fonte de freqüência variável. Ao se variar a freqüência de tensão do estator, varia-se a velocidade do campo girante. Com isso, pode-se variar a velocidade 53 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO DA DISCIPLINA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS do rotor, mantendo-se constante o escorregamento da máquina e, portanto, as perdas podem ser otimizadas de acordo com as condições da carga. Um método eficiente de controle de velocidade de motores de indução trifásicos, com menores perdas no dispositivo responsável pela variação da velocidade, consiste na variação da freqüência (f1) da fonte alimentadora através de conversores de freqüência, onde o motor pode ser controlado de modo a prover um ajuste contínuo de velocidade e conjugado com relação à carga mecânica. Através do equacionamento da máquina assíncrona, sabe-se que, para o conjugado desenvolvido pelo motor assíncrono vale a seguinte relação: C = φm I2 e que o fluxo depende da relação U 1 (2) f1 Esta estratégia de controle baseia-se nas relações de operação em regime permanente do motor de indução. Sua implementação é extremamente simples, porém não é uma técnica de alto desempenho dinâmico. Recebe a denominação de controle escalar (ou controle tensão/freqüência, ou simplesmente V/f) em função das grandezas serem tratadas como escalares. O controle vetorial recebe este nome em função das grandezas serem tratadas como vetoriais, sendo uma técnica adequada para acionamentos que necessitam de alto desempenho dinâmico. O princípio de funcionamento consiste em promover o alinhamento do fluxo do motor com o eixo direto do sistema de coordenadas síncrono. Desta forma, a componente de eixo direto da corrente de estator controla o fluxo do motor e a componente de eixo em quadratura controla o conjugado eletromagnático. A Fig. 9.4 mostra a placa de identificação de uma inversor de freqüência, modelo CFW 09 da WEG [2], [3]. . Desprezando-se a queda de tensão na resistência R1 e na reatância de dispersão Xd1 do estator, pode-se dizer que: φm = U1 f1 (3) onde: φm = fluxo de magnetização; I2 = corrente do rotor; U1 = tensão estatórica; f1 = freqüência da rede. Para possibilitar a operação do motor com torque constante para diferentes velocidades, deve-se variar a tensão U1 na mesma proporção da variação da freqüência f1 mantendo desta forma o fluxo constante. Figura 9.4 - Placa de identificação do inversor CFW-09. Uma outra característica importante dos inversores refere-se a possibilidade da mudança da característica da rampa de aceleração e desaceleração na forma de rampa “S”, como mostra a Fig. 9.5. 54 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO DA DISCIPLINA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS Partida de motor monofásico com enrolamento auxiliar a capacitor Figura 9.5 - Seleção do tipo de rampa no inversor CFW-09. O uso de inversores de freqüência para aumentar a rotação nominal de motores deve levar em consideração o enfraquecimento de campo no motor devido à relação de tensão e freqüência não ser mais proporcional, quando a freqüência está acima da nominal, conforme mostra a Fig. 9.6. O motor com partida a resistência (de fase dividida) tem uma diferença no valor de impedância no enrolamento de partida ou auxiliar muito elevada. A fim de melhorar o torque de partida relativamente baixo do motor de fase dividida, adiciona-se um capacitor ao enrolamento auxiliar para produzir um defasamento de cerca de 82º entre as correntes nos enrolamentos de partida e de funcionamento em vez de ângulos de aproximadamente 25º (partida a resistência). A Fig. 9.7 mostra o diagrama de ligações e relações de fase para o motor monofásico com partida a capacitor. Diferentemente dos motores com partida à resistência, os motores com partida a capacitor são motores reversíveis. Se for invertida a polaridade do enrolamento auxiliar em relação à do enrolamento principal, é estabelecida um campo rotacional bifásico no sentido oposto ao da rotação do rotor. Devido ao seu torque de partida mais elevado, utilizam-se os motores de fase dividida com partida a capacitor, para acionar bombas, compressores, unidades refrigeradoras, condicionadores de ar, e máquinas de lavar de maior porte, onde se requeiram motores monofásicos que desenvolvam torques de partidas elevados, ou onde seja necessária a inversão no sentido de rotação do motor. Figura 9.6 - Enfraquecimento de campo no inversor CFW-09. Figura 9.7 - Diagrama de ligações e relações de fases. 55 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO DA DISCIPLINA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS Observação: Para o acionamento do motor monofásico deve-se utilizar a Máquina 5 (tensão aplicada no varivolt = 220 V). Pré-relatório: 6. O que é a função Ride Through em um inversor? .............................................................................................................. .............................................................................................................. .............................................................................................................. 1. O que é a função pump-control existente em uma soft-starter. .............................................................................................................. .............................................................................................................. .............................................................................................................. Material Experimental: • Motores trifásicos e motor monofásico; • Chave de partida estrela-triângulo; • Soft-starter e inversor de frequência; 2. Qual a importância da função kick-start? Quando utilizá-la? .............................................................................................................. .............................................................................................................. .............................................................................................................. Parte Prática: 1. Fazer o acionamento do motor de indução trifásico usando a soft–starter SSW-04 a ser configurada. A Fig. 9.8 mostra a IHM da soft-starter SSW 04. 3. O que é o by-pass numa soft-starter? Qual a sua importância? .............................................................................................................. .............................................................................................................. .............................................................................................................. 4. Qual a função da Rampa “S” num inversor de freqüência? Quando se deve utilizá-la? .............................................................................................................. .............................................................................................................. .............................................................................................................. 5. O que é rejeição de frequência num inversor? .............................................................................................................. .............................................................................................................. ............................................................................................................. Figura 9.8 - IHM da soft-starter SSW-04. 56 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO DA DISCIPLINA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS Nesta soft-starter existem 4 grupos de parâmetros: leitura, regulação, configuração, parâmetros do motor. Como exemplo de aplicação, apresenta-se uma programação, com o uso da função kick-start. A Fig. 9.9 ilustra esta aplicação. P61 P72 2. partida e parada via IHM ON Corrente do motor; indica a corrente de saída da Soft-Stater em percentual da chave (%In). Fazer o acionamento do motor de indução utilizando o inversor de freqüência CFW-09 na configuração sugerida. A Fig. 9.10 apresenta a IHM do inversor de freqüência CFW 09, em função das teclas de programação. Como adicional da IHM, existe a tecla JOG que tem a função de acelerar ou desacelerar o motor conforme a rampa programada, de forma manual, desde que o inversor esteja com a função habilita ativada. Figura 9.9 - Ilustração do uso da função kick-start. Parâmetro Descrição P00 Acesso Parâmetros P01 Degrau de tensão inicial aplicada ao motor no instante em que a Soft receber o comando de acelerar (%Vinicial) P02 Rampa de aceleração P03 Degrau de tensão aplicada no instante em que a Soft receber o comando para desaceleração (%Vinicial) P04 Rampa de desaceleração P34 Tempo de Frenagem CC P35 Nível de tensão na frenagem CC P41 Tempo do kick-start P42 Nível do pulso de tensão kick-start Ajuste ON 60 9s 65 9s 5s 50% 0,4s 75% Figura 9.10 - IHM do inversor de freqüência CFW-09. A seguir é mostrada a programação do inversor com acionamento local, pela IHM e um acionamento remoto (com e sem multispeed). 57 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO DA DISCIPLINA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS Acionamento Local: Parâmetro Descrição P000 Acesso Parâmetros P204 Carrega Parâmetros WEG P000 Acesso Parâmetros P100 Tempo de Aceleração P101 Tempo de Desaceleração P134 Velocidade Máxima P133 Velocidade Mínima P220 Seleção Local/Remoto P221 Seleção de Referência Local P223 Seleção Giro Local P224 Seleção Gira/Pára Local P005 Frequência de saída do inversor em Hz Acionamento remoto: Parâmetro Descrição P000 Acesso Parâmetros P204 Carrega Parâmetros WEG P000 Acesso Parâmetros P100 Tempo de Aceleração P101 Tempo de Desaceleração P134 Velocidade Máxima P133 Velocidade Mínima P220 Seleção Local/Remoto P223 Seleção Giro Local P224 Seleção Gira/Pára Local P226 Seleção Giro Remoto P227 Seleção Gira/Pára Remoto Ajuste 5 5 5 5s 4ss 100 Hz 0 Hz 0 – sempre local 0 – tecla da IHM 0 – horário 0 – teclas da IHM 2 – Habilita Geral Ajuste 5 5 5 0.0...999s 0.0...999s (P133 + 1) 0...(P134 - 1) 4 – DI2...DI8 4 – DI2 1 – DI 4 – DI2 1 – DI P263 P264 P265 P266 P252 Multispeed: Parâmetro P000 P204 P000 P100 P101 P133 P134 P221 P222 P266 P124 P125 P220 P224 P263 P265 Função Entrada DI1 Função Entrada DI2 Função Entrada DI3 Função Entrada DI4 Ganho Saída AO1 Descrição Acesso Parâmetros Carrega Parâmetros WEG Acesso Parâmetros Tempo de Aceleração Tempo de Desaceleração Velocidade Mínima Velocidade Máxima Seleção Referência Local Seleção Referência Remoto Função Entrada DI4 Multispeed Multispeed Seleção Local/Remoto Seleção Gira/Pára Local Função Entrada DI1 Função Entrada DI3 1 – Gira/Pára 0 – Sentido de Giro 2 – Habilita Geral 2 – Habilita Geral ≈0.441 Ajuste 5 5 5 0.0...999s 0.0...999s 0...(P134 - 1) (P133 + 1) 8 – Multispeed 8 – Multispeed 7 – Multispeed (MS0) (P133)...(P134) (P133)...(P134) 4 – DI2...DI8 1 – DI 1 – Gira/Pára 2 – Habilita Geral 58 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO DA DISCIPLINA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS Avaliação: 1. Considere a partida de motores trifásicos. Porque nem sempre é possível realizar a partida direta destes motores? 2. Considere a partida de motores trifásicos através da chave estrela-triângulo. Esboce o comportamento das curvas de corrente e conjugado desde zero até a rotação síncrona. 3. Considere a partida de motores trifásicos através de inversor de frequência. Esboce um diagrama que represente a maneira como o sinal da fonte c.a. é entregue ao motor trifásico. 4. Considere a partida do motor monofásico com enrolamento auxiliar a capacitor. Esboce o diagrama de ligação do motor usado na experiência e explique como é feita a mudança de rotação deste motor. Referências Bibliográficas [1] WEG Guia de Aplicação da Soft Starter SSW04. [2] WEG Guia de Aplicação do Inversor de Frequência CFW09. [3] WEG catálogos técnicos. 59
