Máquinas e Acionamentos Elétricos: Estudo sobre Motores Elétricos Monofásicos e Trifásicos

MÁQUINAS E ACIONAMENTOS ELÉTRICOS Cícero Augusto de Souza 2 SUMÁRIO 1TÓPICOS DE MOTORES ELÉTRICOS MONOFÁSICOS 3 2 TÓPICOS DE MOTORES ELÉTRICOS TRIFÁSICOS 18 3DIAGRAMA DE COMANDO 34 4 CHAVES DE PARTIDA DE MOTORES ELÉTRICOS 55 5 PARTIDA CONTROLE E PARADA ELETRÔNICA DE MOTORES 76 6 ACIONAMENTO DE MOTORES CC E MOTORES DE PASSO 101 3 1TÓPICOS DE MOTORES ELÉTRICOS MONOFÁSICOS Apresentação Caro estudante neste bloco vamos estudar a aplicação prática de motores elétricos monofásicos envolvendo tipo de motores vantagens e desvantagens de cada tipo Os motores elétricos monofásicos são bastante presentes em instalações residenciais e comerciais de pequeno porte Por conta disso é muito importante detalharmos a operação dessas máquinas Esse é o objetivo desse bloco bem como passar ao aluno tópicos de normatização e segurança elétrica 11 Motores de Indução Fatores de Seleção e Tipos de Motores Elétricos No momento da seleção de motores elétricos temos que levar em conta diversos fatores Abaixo podem ser vistos os principais critérios a ser levados em consideração para a seleção de um motor Alimentação CA ou CC frequência etc Local a ser instalado Altitude temperatura etc Tipo de Carga e condições de operação potência da carga rotação ciclos do processo de operação etc Consumo e Manutenção Depende da importância do motor disponibilidade do local e econômicas etc Tipos de Controle Velocidade torque partida etc Os motores elétricos podem ser em corrente contínua ou alternada Os motores em corrente alternada são os mais difundidos no mercado por conta da facilidade de alimentação rede Os motores trifásicos assíncronos são os mais aplicados na indústria devido ao custo reduzido e robustez 4 Motores de Indução com 2 4 e 6 terminais Os motores com 2 terminais só podem funcionar com um único valor de tensão nominal pois não há como termos opções de ligações para tensões diferentes Nesses motores não há como inverter o sentido de rotação Já nos motores com 4 terminais o enrolamento é dividido em 2 partes iguais Nesse tipo de conexão é possível ligar o motor em 2 níveis de tensão Fonte FRANCHI 2008 Figura 11 Esquema de Ligação Motor Monofásico 4 Terminais Como pode ser visto na Figura 11 os terminais 1 e 2 são conectados a uma metade e os terminais 3 e 4 à segunda metade do enrolamento Assim podemos conectar o motor em uma tensão maior ou menor Conectando 2 e 3 temos a tensão maior e conectando 1 com 3 e 2 com 4 temos a tensão menor Nesse tipo de ligação também não é possível a inversão do sentido de rotação Os motores de 6 terminais também podem funcionar em 2 tensões diferentes e o sentido de rotação também pode ser invertido Os terminais de 1 até 4 são conectados às duas metades do enrolamento similar aos motores de 4 terminais Os terminais 5 e 6 pertencem a uma ligação à parte e a função dele é controlar o sentido de rotação do motor Fonte FRANCHI 2008 Figura 12 Terminais de um Motor de 6 Terminais Maior Tensão 5 Fonte FRANCHI 2008 Figura 13 Terminais de um Motor de 6 Terminais Menor Tensão Motores de Indução Monofásicos Especiais Esses motores de indução podem ser Shaded pole Split phase e com capacitores auxiliares Os motores Shaded pole são conhecidos como motores de polos sombreados ou campo distorcido Em sua construção cada polo tem uma parte abraçada por uma espira em curtocircuito A corrente que é induzida nessa espira faz o fluxo que a atravessa sofra um atraso em relação ao fluxo da parte em que a espira não abraça Daí sai o torque da máquina Essa espira é conhecida como espira sombra Os motores de fase dividida split phase possuem um enrolamento principal e outro auxiliar somente para partida Esses enrolamentos são defasados de 90 Esse defasamento faz com que um torque seja produzido para iniciar a rotação e aceleração Após motor atingir a velocidade de regime o enrolamento auxiliar é retirado de operação Fonte FRANCHI 2008 Figura 14 Motor fase dividida 6 Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 15 Ilustração de Motor Monofásico Fase Dividida Já os motores com capacitor de partida funcionam de forma parecida ao de fase dividida A diferença é a presença de um capacitor em série com o enrolamento auxiliar de partida Por conta do capacitor conseguimos o aumento do torque de partida Após a partida e o motor atingirem uma determinada velocidade o circuito auxiliar é desligado Existem também os motores com capacitor permanente Nesse caso o enrolamento auxiliar e o capacitor ficam permanentes ligados O capacitor cria condições de um fluxo similar ao das máquinas trifásicas aumento o torque rendimento e o fator de potência Essa aplicação de motores limitase a uma potência máxima de 15 CV principalmente por conta de torque de partida reduzido Fonte FRANCHI 2008 Figura 16 Motor capacitor Permanente 7 Fonte FRANCHI 2008 Figura 17 Curva Torque x Rotação com capacitor permanente 12 Motor Universal e Identificação das bobinas de um motor monofásico O motor universal é muito difundido em eletrodomésticos e em ferramentas portáteis O funcionamento desse tipo de motor é diferente do motor de indução Ele pode operar em CA ou CC por conta disso é chamado de universal Construtivamente ele é um motor CC série Normalmente são limitados a poucos cavalos de potência por conta de faíscamentos e perda do rendimento A Figura 18 a seguir ilustra esse tipo de motor Fonte FRANCHI 2008 Figura 18 Motor Universal 8 Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 19 Ilustração de um motor universal Os motores monofásicos com fase auxiliar são os mais utilizados no mercado A identificação das bobinas desses motores são conforme a Figura 110 Fonte FRANCHI 2008 Figura 110 Bobinas do Motor Monofásico O enrolamento principal é seccionado e se apresenta como 2 bobinas O início das bobinas são os terminais 1 e 3 e consequentemente o final são os terminais 2 e 4 O enrolamento auxiliar tem início no terminal 5 e termina no 6 Para identificar as bobinas nesses motores devemos medir a resistência ôhmica entre cada terminal A bobina com maior resistência identificamos como bobina auxiliar E como consequência as demais bobinas são as principais Agora temos que medir a polaridade das bobinas Devemos conectar as bobinas conforme a Figura 111 e aplicar a tensão nominal delas e medir a corrente 9 Fonte FRANCHI 2008 Figura 111 Polaridades dos enrolamentos principais Na sequência invertemos uma das bobinas e medimos a corrente novamente conforme Figura 112 Fonte FRANCHI 2008 Figura 112 Polaridade dos enrolamentos principais Assim identificamos como 1 2 3 e 4 na sequência a ligação das bobinas que apresentou a menor corrente Exercício Dimensione o capacitor de partida para um motor de indução monofásico de 2 CV 60 Hz fator de potência 088 rendimento de 90 IpIn igual a 6 com um tempo de 2 segundos para partir e tensão nominal de 220 V Especifique também o contator relé térmico e o fusível a ser utilizado para acionamento dele Esquematizar também o circuito de força e comando dessa partida 10 Solução Cálculo da corrente nominal desse motor 𝑰𝑵 𝑷𝒆𝒊𝒙𝒐 𝑽𝒏 𝒇𝒑 𝜼 𝟐 𝟕𝟑𝟔 𝟐𝟐𝟎 𝟎 𝟖𝟖 𝟎 𝟗𝟎 𝟖 𝟒𝟓 𝑨 Para calcularmos o capacitor de partida devemos determinar a reatância indutiva aproximada 𝑿𝑳 𝑽𝑵 𝑰𝑵 𝟐𝟐𝟎 𝟖 𝟒𝟓 𝟐𝟔 Ω Assim o capacitor de partida será 𝑪 𝟏 𝟐𝝅𝒇𝑿𝑳 𝟏 𝟐𝝅 𝟔𝟎 𝟐𝟔 𝟏𝟎𝟎 𝒖𝑭 O contator deverá ser 𝑰𝒄𝒐𝒏𝒕𝒂𝒕𝒐𝒓 𝑰𝑵 𝑨𝒅𝒐𝒕𝒂𝒅𝒐 𝒐 𝒗𝒂𝒍𝒐𝒓 𝒄𝒐𝒎𝒆𝒓𝒄𝒊𝒂𝒍 𝒅𝒆 𝑰𝒄𝒐𝒏𝒕𝒂𝒕𝒐𝒓 𝟏𝟎 𝑨 O relé térmico deverá ter em seu range de ajuste o valor de 845 A ou próximo Para especificar o fusível devemos saber a corrente de partida 𝑰𝒑 𝟔 𝑰𝑵 𝟔 𝟖 𝟒𝟓 𝟓𝟏 𝑨 Agora vamos verificar na curva dos fusíveis fornecida 11 Fonte WEG SD Os fusíveis deverão atender as seguintes premissas 𝑰𝒇𝒖𝒔í𝒗𝒆𝒊𝒔 𝟏 𝟐𝟎 𝑰𝑵 𝟏 𝟐𝟎 𝟖 𝟒𝟓 𝟏𝟎 𝟏𝟒 𝑨 𝑰𝒇𝒖𝒔í𝒗𝒆𝒊𝒔 𝑰𝒇𝒖𝒔í𝒗𝒆𝒍 𝑴á𝒙𝒊𝒎𝒐 𝑪𝒐𝒏𝒕𝒂𝒕𝒐𝒓 𝒆 𝑰𝒇𝒖𝒔í𝒗𝒆𝒊𝒔 𝑰𝒇𝒖𝒔í𝒗𝒆𝒍 𝑴á𝒙𝒊𝒎𝒐 𝒓𝒆𝒍é 𝒕é𝒓𝒎𝒊𝒄𝒐 A 𝑰𝒇𝒖𝒔í𝒗𝒆𝒍 𝑴á𝒙𝒊𝒎𝒐 𝑪𝒐𝒏𝒕𝒂𝒕𝒐𝒓 e 𝑰𝒇𝒖𝒔í𝒗𝒆𝒍 𝑴á𝒙𝒊𝒎𝒐 𝒓𝒆𝒍é 𝒕é𝒓𝒎𝒊𝒄𝒐 foi considerada 20 A dados do fabricante Portanto o fusível dimensionado para o caso deverá ser de 16 A E o circuito força e comando 12 Fonte FRANCHI 2008 13 Motores Síncronos para Correção do fator de potência vantagens e desvantagens de motores síncronos em relação aos motores de indução Por conta da possibilidade de variação da excitação do campo o motor síncrono consegue controlar o fator de potência Podendo ser utilizado para a correção do fator de potência da rede Quando há a solicitação de maior potência mecânica no eixo do motor síncrono o fator de potência ficará em atraso Porém se aumentarmos a excitação da máquina o fator de potência volta ao unitário Se aumentarmos ainda mais a excitação o fator de potência ficará adiantado Assim podemos concluir que o fator de potência irá variar proporcionalmente à variação da corrente de excitação Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 113 Motor síncrono para controle do fator de potência 13 Dessa forma os motores síncronos podem ser utilizados para a correção do fator de potência no lugar da aplicação de capacitores Para potências inferiores a 50 CV não é aconselhável essa aplicação Vantagens dos motores síncronos em relação aos motores de indução Possibilidade de aproveitamento de um motor para uso no processo industrial e em conjunto corrigir o fator de potência da instalação Maior rendimento trabalhando com fator de potência unitário Desvantagens dos motores síncronos em relação aos motores de indução Aplicação restrita pois necessitam de excitação do enrolamento de campo e maior manutenção Dificuldade para partida É necessário que o motor esteja girando a uma velocidade próxima a síncrona para entrar em sincronismo com o campo 14 Motores de Relutância Variável O motor de relutância variável MRV é uma tecnologia bem antiga Possui uma estrutura simples combinando a simplicidade dos enrolamentos de campo das máquinas CC com a robustez dos motores de indução Esse tipo de motor não utiliza escovas ou comutadores Essas máquinas são produzidas de tal forma que a estrutura de ferro do estator e motor proporcione a alteração da relutância dependendo da posição do rotor O acionamento desse tipo de máquina é feito por controles eletrônicos pois não é possível simplesmente ligálo a rede elétrica Esses motores também são conhecidos como motores de passo As aplicações desses motores são encontradas em impressoras de jato de tinta máquinas CNC etc Eles possuem de 3 a 5 bobinas conectadas a um terminal comum A Figura 112 ilustra um MRV com 2 bobinas com 90 por passo 14 Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 114 Motor de Relutância Variável Por conta do eixo dentado ao injetar uma corrente nos enrolamentos há um alinhamento com os dentes do estator Assim é possível controlar o passo de giro do motor 15 Segurança do Trabalho Normalização proteção contra choques elétricos aterramento e bloqueio Segurança do trabalho é um assunto muito importante em instalações elétricas Em particular com motores elétricos a atenção deve ser aumentada Isso ocorre por conta do acionamento inesperado de um motor pode acarretar sérios acidentes de trabalho Esses acidentes geralmente ocorrem por causa de falta de atenção ou pressões para atender a alguma ordem do chefe ou supervisor Proteção Contra Choques Elétricos O choque elétrico pode causar a morte de uma pessoa dependendo de sua intensidade e condições do corpo humano no momento do evento Quanto menor for a resistência do corpo maior será o fluxo de corrente e a possiblidade de danos adicionais A resistência do corpo típica pode ser considerada conforme abaixo Pele seca 100000 a 600000 Ω Pele úmida 1000 Ω Parte interna do corpo da mão para o pé 400 a 600 Ω De uma orelha a outra 100 Ω 15 Exemplo Se você entrar em contato direto com 120 V e a resistência do seu corpo for 100000 Ω então a corrente será 𝑰 𝟏𝟐𝟎 𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝟏 𝟐𝟎 𝒎𝑨 Agora se você estiver suado e descalço então a sua resistência para a terra pode ser tão baixa quanto 1000 Ohms Para esse caso a corrente será 𝑰 𝟏𝟐𝟎 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝟏𝟐𝟎 𝒎𝑨 Assim podemos concluir o quão danoso pode ser o choque elétrico dependendo das condições do ambiente e do corpo no momento do acidente Por isso é muito importante o uso de EPIs Equipamentos de Proteção Individual para os trabalhos com eletricidade luvas e calçados isolantes por exemplo Para proteção contra choques elétricos os dispositivos diferencial residuais também são muito úteis Fonte AGNIHOTRI 2011 Figura 115 Equipamentos de Proteção Individuais Elétrica Aterramento Bloqueio e Normas O aterramento é muito importante em instalações elétricas pois é através dele que há a detecção rápida da fuga a terra pelos dispositivos de proteção Portanto todos os equipamentos elétricos devem possuir condutor terra eou serem aterrados Somente em situações muito restritas que dispensam aterramento IT médico por exemplo As carcaças de motores elétricos devem ser aterradas 16 Fonte AGNIHOTRI 2011 Figura 116 Condutor terra do equipamento O bloqueio elétrico também conhecido como Lockout se trata do desligamento da fonte de energia e a instalação de um cadeado ou trava que impede a fonte de ser religada Geralmente a chave dessa trava fica em poder do profissional que irá fazer a intervenção no equipamento Esse bloqueio também deve ser sinalizado Tagout isto é a colocação de uma etiqueta que sinalize que a fonte está bloqueada e sob manutenção Fonte AGNIHOTRI 2011 Figura 117 Dispositivos de Bloqueio e Sinalização As principais normas utilizadas para instalações elétricas e segurança do trabalho são NBR5410 Instalações Elétricas em Baixa Tensão NBR14039 Instalações Elétricas em Média Tensão 17 NR10 Norma Regulamentadora número 10 Ministério do Trabalho Demais normas internacionais tais como do IEEE IEC NEMA etc Conclusão Caro estudante neste bloco nós vimos os principais tópicos de motores monofásicos aplicações e modos de ligações Também foram apresentadas as aplicações de motores síncronos e motores universais muito importantes para a utilização em eletrodomésticos e ferramentas giratórias Vimos também os motores de relutância variável muito utilizados em impressoras e máquinas de usinagem de precisão CNC Os tópicos de segurança do trabalho em eletricidade também foram abordados Referências Bibliográficas AGNIHOTRI N Stepper Motor Basic Types and Working Engineers Garage 2011 Disponível em httpsbitly3hDWCtV Acesso em 31 mar 2021 FRANCHI C M Acionamentos Elétricos São Paulo Érica 2008 PETRUZELLA F D Motores Elétricos e Acionamentos Porto Alegre McGraw Hill 2013 WEG Automação Fusíveis D e NH CFW Elétrica SD Disponível em httpsbitly3B5rhHW Acesso em 2 abr 2021 18 2 TÓPICOS DE MOTORES ELÉTRICOS TRIFÁSICOS Apresentação Caro estudante neste bloco vamos estudar a aplicação prática de motores elétricos trifásicos envolvendo tipo de motores características operacionais ligações etc Os motores elétricos trifásicos são amplamente disseminados nas instalações elétricas industriais e comerciais de pequeno e grande porte O objetivo do bloco é também estudar o motor de indução trifásico que é o mais usual em instalações e detalhar sua operação e fator de potência 21 Tipos de Motores Elétricos Trifásicos e Suas Características Tipos de Motores Elétricos Trifásicos Os motores elétricos trifásicos basicamente são dos tipos abaixo especificados Motor de indução trifásico com rotor gaiola de esquilo Motor de indução trifásico de rotor bobinado Motor trifásico com freio motofreio trifásico Motores de alto rendimento Motor de Indução Trifásico com rotor gaiola de esquilo MIT É a máquina mais difundida na indústria atualmente por conta de seu custo e robustez O princípio de funcionamento dessa máquina é por indução Por conta disso carrega esse nome e costumeiramente é representado pela sigla MIT O rotor é formado por uma estrutura de ferro a qual possui condutores em curtocircuito A figura a seguir ilustra essa ligação 19 Fonte FRANCHI 2008 Figura 21 Rotor em CurtoCircuito O estator do MIT é também uma estrutura ferromagnética que contém os enrolamentos que serão conectados à rede elétrica O estator é a parte fixa e é conhecido como armadura Esse tipo de máquina rotor em curtocircuito resulta em um motor de fabricação mais rápida e barata do que a de rotor bobinado Porém essa máquina também possui desvantagem a principal é o torque de partida reduzido se comparar pela alta corrente absorvida pela rede nesse momento Para fortes potências o mais usual é a aplicação de um rotor bobinado Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 22 Motor de Indução Trifásico 20 Motor de Indução Trifásico com rotor bobinado A única diferença se comparado ao rotor gaiola de esquilo é o fato de o rotor nesse caso conter bobinas com espiras constituindo um enrolamento trifásico normalmente conectado em estrela em um dos lados As outras extremidades das espiras são conectadas à anéis coletores que por sua vez através de escovas conectam as espiras do rotor a um reostato de partida Essa ligação é feita para a redução da corrente de partida através da variação da resistência do reostato desde a máxima até curto circuitar as espiras A vantagem desse tipo de motor é a corrente reduzida na partida em tensão plena e grande conjugado de partida Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 23 Ligações de um Rotor Bobinado Para grandes potências é mais indicado do que os motores de rotor gaiola de esquilo É possível controlar a velocidade de motores com rotor bobinado através do controle das resistências conectadas através das escovas A figura a seguir apresenta esse controle 21 Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 24 Controle magnético de um Motor com rotor bobinado Abaixo segue o funcionamento dessa ligação Para baixa velocidade os contatores S e H estão desligados abertos portanto a resistência total está conectada no enrolamento do rotor Fechando os contatores S parte da resistência é desconectada assim observa se um aumento da velocidade Ao fechar os contatores H atingese a velocidade máxima Esse controle de velocidade acarreta muitas perdas nas resistências e há uma ineficiência frente a variação da carga mecânica no eixo Atualmente para um controle mais fino são utilizados elementos de eletrônica de potência no lugar dos contatores magnéticos Motor trifásico com freio motofreio trifásico Esse tipo de motor é utilizado em aplicações onde se necessita parar o eixo imediatamente após desligar a alimentação elétrica do motor São exemplos dessas aplicações guindastes elevadores pontes rolantes correias transportadoras bobinadeiras etc 22 O freio é acionado através de pastilhas montadas junto a uma mola que através de uma bobina que é energizada junto com o motor faz com que a pastilha de freio libere o giro do eixo Ao desligar a energia a bobina perde sua alimentação e ocorre a frenagem do eixo do motor Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 25 Motofreio CA Motores de alto rendimento São motores projetados especialmente para ocorrer a redução das perdas por efeito joule nos enrolamentos correntes parasitas etc São características dele Utilizam materiais de melhor qualidade como chapas de aço silício de qualidade superior Bitola dos enrolamentos aumentada para reduzir perdas por efeito Joule Ranhuras projetadas para dissipar melhor o calor diminuindo perdas Porém tratase de um motor com preço maior do que o convencional Cabe ao projetista avaliar o custobenefício para aplicação desse equipamento Características de Motores Trifásicos Rendimento η Escorregamento s Categoria de conjugado N NY H HY ou D Tempo de rotor bloqueado trblock 23 Classe de isolamento A B E F e H etc Ventilação aberto ou fechado Rotação nominal rpm Regime de Serviço S1 S2 etc Fator de Serviço FS Tensão Nominal Vn Corrente nominal In Corrente de partida Ip Relação IpIn Mensura o múltiplo que Ip é maior que In Sentido de rotação Grau de Proteção IP00 IP11 etc Motores à prova de explosão São utilizados em áreas classificadas que contenham materiais inflamáveis como combustíveis ou gases altamente inflamáveis Eles são projetados para suportar esforços mecânicos adicionais para assim evitar acidentes pois uma falha na isolação nesses ambientes pode provocar grandes acidentes Perdas em motores trifásicos Elas podem ser Elétricas Magnéticas Mecânicas Parasitas 24 Conexão dos enrolamentos de um motor trifásico Os motores podem ser conectados em Y ou delta triângulo A conexão estrela é conforme a figura a seguir Fonte FRANCHI 2008 Figura 26 Conexão em estrela Abaixo é apresentada a ligação delta ou triângulo Fonte FRANCHI 2008 Figura 27 Conexão Delta ou Triângulo Identificação das Bobinas de um MIT Na vida prática podemos nos deparar com terminais de motor sem identificação assim é muito importante sabermos identificálas para evitar erros de conexão e possível danos ao motor 25 Fonte FRANCHI 2008 Figura 28 Representação das Bobinas MIT O teste é bem simples primeiramente através de um teste de continuidade identificamos as 3 bobinas e então numeramos 1 e 4 2 e 5 e finalmente 3 e 6 Após isso devemos testar a polaridade das bobinas esse teste é feito na seguinte sequência Ligar a bobina 1 em série com a bobina 2 Ligar uma lâmpada entre os terminais 3 e 6 Alimentar os terminais 1 e 2 com uma fonte 220 Vac Se a lâmpada acender a bobina 1 está com a marcação invertida Portanto trocase 1 por 4 Após isso repetese os passos para testar a polaridade da bobina 3 A lâmpada deve ser de 12 V 22 Potência em Motores Elétricos Os motores elétricos possuem Potência Ativa kW Reativa kVAr e Aparente kVA Potência Ativa É a potência que executa o trabalho No caso de motores elétricos é a potência disponível no eixo Porém nos motores elétricos a potência ativa extraída da fonte é um pouco maior do que a do eixo isso ocorre por causa do rendimento da máquina Essa potência geralmente é expressa em kW e em CV Lembrando que 1 CV vale 736 W Potência Reativa É a potência necessária para a operação do motor por conta do seu efeito indutivo Essa potência está vinculada ao fator de potência da máquina que é um dado de placa A unidade dessa potência é o kVAr 26 Potência Aparente É a potência total extraída da rede elétrica para funcionamento do motor Com base nessa potência é possível dimensionar as instalações A unidade dessa potência é o kVA Essas potências se relacionam assim podemos traçar o triângulo das potências A figura abaixo ilustra isso Fonte FRANCHI 2008 Figura 29 Triângulo das Potências O ângulo de defasagem entre a potência ativa e aparente é o 𝝋 o seu cosseno equivale ao fator de potência do motor Pelas regras da trigonometria conseguimos determinar as potências quaisquer partindo de apenas uma delas e do fator de potência por exemplo 23 Fator de potência Causas do baixo Fp em motores correção e medição do fp e localização dos capacitores Em grandes instalações indústrias Hospitais grandes centros comerciais etc existe um grande número de MITs E como consequência um baixo fator de potência da instalação Assim é necessário tomar ações para o aumento do fator de potência da instalação Os motores possuem um baixo fator de potência por conta de sua natureza indutiva Motores superdimensionados ou com baixa carga também ajudam a decrescer o fator de potência Como são máquinas indispensáveis na transformação de energia devemos conviver com eles O fator de potência mínimo permitido para não ser penalizado é 092 ANEEL Para melhora do fator de potência podemos 27 Dimensionar motores com a capacidade mecânica próxima à da carga Corrigir o fator de potência do motor com uso de capacitores Utilizar máquinas síncronas no lugar do MIT para controle do fator de potência Correção e Medição do fator de Potência e Localização dos Capacitores Como os MITs são amplamente difundidos na indústria e tem o custo reduzido frente a máquina síncrona vamos enfatizar a correção do fator de potência com os motores de indução Preferencialmente temos que procurar instalar os capacitores de correção do fator de potência próximos ao motor acoplado ou em seu painel de acionamento CCM Isso evita o investimento em grandes bancos de capacitores ao tentar corrigir no painel geral de baixa tensão da instalação por exemplo Como prática recomenda se sempre que instalar um MIT já providenciar a instalação da devida correção do fator de potência Para medição do fator de potência são utilizados instrumentos chamados analisadores de rede o qual responde com o fator de potência Outra maneira é utilizar um Wattímetro e calcular o fator de potência de forma indireta Correção do fator de Potência Para correção seguimos o procedimento Medir verificar na placa de identificação ou calcular o fator de potência do motor ou conjunto CCM cos 𝜑1 Definir o fator de potência desejado cos 𝜑2 ANEEL indica no mínimo 092 Calcular as potências reativas kVAr1 e KVAr2 referentes aos fatores de potência atual e desejado respectivamente Segue equacionamento 𝒌𝑽𝑨𝒓𝟏 𝒌𝑾 𝐭𝐚𝐧 𝝋𝟏 𝒌𝑽𝑨𝒓𝟐 𝒌𝑾 𝐭𝐚𝐧 𝝋𝟐 𝒌𝑽𝑨𝒓𝟏 𝒌𝑽𝑨𝒓𝟐 𝒌𝑾 𝐭𝐚𝐧 𝝋𝟏 𝐭𝐚𝐧 𝝋𝟐 28 Fonte FRANCHI 2008 Figura 210 Diagrama para Correção do fator de Potência 𝑪𝒌𝑽𝑨𝒓 𝒌𝑾 𝐭𝐚𝐧 𝝋 𝒆 𝐭𝐚𝐧 𝝋 𝐭𝐚𝐧 𝝋𝟏 𝐭𝐚𝐧 𝝋𝟐 𝑪𝒌𝑽𝑨𝒓 é a potência reativa kVAr necessária para chegar ao fator de potência desejado 24 Cálculo da corrente nominal de motores dados de placa e tabela de motores trifásicos Os motores trifásicos são especificados por sua potência mecânica em seu eixo em CV ou kW A corrente elétrica extraída da rede deve levar em conta além dessa potência as perdas do motor rendimento A potência ativa extraída da rede de um MIT pode ser calculada conforme a seguir 𝑷𝒓𝒆𝒅𝒆 𝑷𝒆𝒊𝒙𝒐 𝜼 𝑷𝒆𝒊𝒙𝒐 à Potência no eixo em Watts 𝜼 à Rendimento do motor Através dos dados de placa de motor podemos também calcular a potência ativa no eixo do motor caso essa não esteja indicada 𝑷𝒆𝒊𝒙𝒐 𝟑 𝑽𝑳 𝑰𝑳 𝐜𝐨𝐬 𝝋 𝜼 𝑽𝑳 Tensão de linha em Volts 𝑰𝑳 Corrente de linha em Ampères 𝐜𝐨𝐬 𝝋 fator de potência do motor Isolando 𝑰𝑳 e fazendo 𝑰𝑳 𝑰𝑵 29 𝑰𝑵 𝑷𝒆𝒊𝒙𝒐 𝟑 𝑽𝑳 𝐜𝐨𝐬 𝝋 𝜼 𝑰𝑵 Corrente Nominal do motor em Ampères Dados de Placa do Motor Todas as informações necessárias para operar dimensionar os circuitos de força e comando e capacitores estão na placa do motor A placa contém informações tais como Tensão Nominal Corrente Nominal Velocidade Abaixo pode ser visto um exemplo de placa de um MIT Fonte WEG 2021 Figura 211 Dados de placa de um MIT Lembrando que 1 HP vale 746 W Há uma ligeira diferença entre 1 CV 736 W Tabela de Motores Os dados de motores são padronizados assim é comum os fabricantes disponibilizarem uma tabela contendo as principais características da máquina 30 Fonte WEG 2021 Figura 212 Tabela com Característica de Motores WEG W22 Super Premium Exercício 1 Determinar a corrente de partida que circula pela rede que alimenta um motor de 20 CV 60 Hz 220 V IpIn 63 ligado em delta com rendimento de 8930 e fator de potência de 079 com uma carga de 75 Solução Convertemos a potência em CV para kW PkW PCV x 736 PkW 20 x 736 1472 kW essa é a potência disponível no eixo Aplicandose o rendimento calculamos a potência ativa extraída da fonte 𝑷𝒓𝒆𝒅𝒆 𝑷𝒆𝒊𝒙𝒐 𝜼 𝟏𝟒 𝟕𝟐 𝒌𝑾 𝟎 𝟖𝟗𝟑 𝟏𝟔 𝟒𝟖 𝒌𝑾 A potência aparente será 31 𝑺𝒓𝒆𝒅𝒆 𝑷𝒆𝒊𝒙𝒐 𝒇𝒑 𝟏𝟔 𝟒𝟖 𝒌𝑾 𝟎 𝟕𝟗 𝟐𝟎 𝟖𝟔 𝒌𝑽𝑨 De sistemas trifásicos sabemos 𝑺 𝟑 𝑽𝑳 𝑰𝑳 𝑰𝑳 𝑺 𝟑 𝑽𝑳 𝟐𝟎 𝟖𝟔 𝒌𝑽𝑨 𝟑 𝟐𝟐𝟎 𝟓𝟒 𝟕𝟒 𝑨 𝑰𝑵 Cálculo da corrente de partida Ip 𝑰𝒑 𝑰𝑵 𝟔 𝟑𝟎 𝑰𝒑 𝟔 𝟑𝟎 𝑰𝑵 𝟔 𝟑𝟎 𝟓𝟒 𝟕𝟒 𝟑𝟒𝟒 𝟖𝟔 𝑨 Também podemos calcular a corrente nominal do motor através da equação abaixo 𝑰𝑵 𝑷𝒆𝒊𝒙𝒐 𝟑 𝑽𝑳 𝐜𝐨𝐬 𝝋 𝜼 𝟏𝟒 𝟕𝟐 𝒌𝑾 𝟑 𝟐𝟐𝟎 𝟎 𝟕𝟗 𝟎 𝟖𝟗𝟑 𝟓𝟒 𝟕𝟓 𝑨 Daí é só calcular a corrente de partida Exercício 2 Para o mesmo motor do exercício anterior especificar o capacitor necessário para correção do fator de potência do ponto de conexão da rede para 095 Solução Para o fp atual 𝐜𝐨𝐬 𝝋 𝟎 𝟕𝟗 𝒆 𝝋 𝐜𝐨𝐬𝟏 𝟎 𝟕𝟗 𝟑𝟕 𝟖𝟏 𝒆 𝐭𝐚𝐧 𝟑𝟕 𝟖𝟏 𝟎 𝟕𝟕𝟓 p o fp desejado 𝐜𝐨𝐬 𝝋 𝟎 𝟗𝟓 𝒆 𝝋 𝐜𝐨𝐬𝟏 𝟎 𝟗𝟓 𝟏𝟖 𝟏𝟗 𝒆 𝐭𝐚𝐧 𝟏𝟖 𝟏𝟗 𝟎 𝟑𝟐𝟖 𝑪𝒌𝑽𝑨𝒓 𝒌𝑾 𝐭𝐚𝐧 𝝋 𝟏𝟔 𝟒𝟖 𝟎 𝟕𝟕𝟓 𝟎 𝟑𝟐𝟖 𝟕 𝟑𝟔 𝒌𝑽𝑨𝒓 A capacitância dele deverá ser 𝑪𝒖𝑭 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝒌𝑽𝑨𝒓 𝟐𝝅𝒇𝑽𝑵 𝟐 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝟕 𝟑𝟔 𝟐𝝅 𝟔𝟎 𝟐𝟐𝟎² 𝟒𝟎𝟎 𝒖𝑭 𝑪 𝑪𝒖𝑭 𝟑 𝟒𝟎𝟎 𝟑 𝟏𝟑𝟑 𝒖𝑭 32 Portanto deverá haver 3 capacitores de 133 uF conectados em delta com tensão nominal de 220 V 25 Procedimentos e Ensaios de Rotina Os motores elétricos devem possuir procedimentos de manutenção e inspeções e ensaios de rotina para garantir seu bom funcionamento e aumento da confiabilidade do equipamento Essas atividades devem ser executadas periodicamente com intervalos a serem definidos conforme aplicação da máquina e importância Os motores devem ser inspecionados quanto ao alinhamento do eixo aperto na fixação da base e condição das correias É importante Inspecionar escovas e comutador Promover a limpeza geral dos motores Lubrificação das partes móveis Manter os motores secos e caixa de ligação intacta e com conexões em bom estado Verificar se há ruído e vibração excessivos Motores com uma potência apreciável normalmente acima de 75 CV em baixa tensão e todos com tensão acima de 1kV são recomendados os ensaios abaixo como rotina Testes de isolamento dos enrolamentos Medição da resistência de enrolamento Inspeção termográfica do motor em operação e sua caixa de ligação Verificação das conexões elétricas da caixa de ligação Medir a corrente periodicamente Análise de vibração da máquina 33 Conclusão Caro estudante neste bloco vimos os principais tópicos de motores trifásicos aplicações e modos de ligações Foram abordados os tópicos para correção de fator de potência medição de potência e aplicações práticas para dimensionar bancos de capacitores nos motores Também foi apresentada a metodologia para cálculo da potência extraída da rede por MITs e determinação da corrente nominal da máquina Foram vistos também tópicos de manutençãoinspeção e ensaios de rotina Referências Bibliográficas FRANCHI C M Acionamentos Elétricos São Paulo Érica 2008 PETRUZELLA F D Motores Elétricos e Acionamentos Porto Alegre McGraw Hill 2013 WEG W22 Motor Elétrico Trifásico Catálogo Técnico Mercado Brasil 2021 Disponível em httpsbitly36zcffN Acesso em 1 abr 2021 34 3DIAGRAMA DE COMANDO Apresentação Caro estudante neste bloco vamos estudar os diagramas de comando e de proteção com a apresentação dos conceitos para seletividade e especificação de componentes O objetivo do bloco é familiarizar você com os principais componentes de proteção comando e controle de motores elétricos Também serão apresentados os diagramas unifilares e multifilares e especificação de quadros de motores e CCMs 31 Dispositivos de Comando e de Proteção Tipos de Dispositivos de Comando e Proteção Os dispositivos de comando são elementos de comutação que controlam a passagem de corrente elétrica entre um ou mais pontos do circuito Para controle desses dispositivos são utilizadas botoeiras que possuem cores definidas conforme a seguir Vermelho parar desligar ou botão de emergência Amarelo Iniciar um retorno ou eliminar uma condição perigosa Verde ou preto Ligar ou partida Branco ou azul função customizada que deve ser diferente das anteriores Existem alguns componentes para comandar os circuitos de controle intertravamentos ou lógicas customizadas Os principais são Chave de impulso Só permanece acionada mediante aplicação de força externa Se o seu acionamento não for contínuo ela volta a condição inicial Um exemplo desse dispositivo é uma botoeira normalmente aberta NA que quando acionada com um simples toque fecha o contato e ao desacionar imediatamente volta a condição aberta 35 Contato normalmente aberto NA A posição inicial desse contato é aberta repouso Ao acionálo tornase fechado Normalmente são representados pelos números 3 e 4 no diagrama de comando Contato normalmente fechado NF A posição inicial desse contato é fechada repouso Ao acionálo tornase aberto Normalmente são representados pelos números 1 e 2 no diagrama de comando A figura a seguir ilustra esses dois tipos de contatos auxiliares Fonte FRANCHI 2008 Figura 31 Contatos NA e NF Chave com retenção ou trava Ao acionála seu contato é comutado e fica na nova posição até que seja desacionada Um exemplo desse tipo de chave é uma botoeira de desligamento de emergência Uma vez acionada só com outra manobra é possível fazêla retornar à condição inicial Fonte FRANCHI 2008 Figura 32 Contatos NA e NF com trava Com a mesma lógica do descrito anterior há chaves com diversos contatos auxiliares com ou sem retenção chaves seletoras etc Interruptores fim de curto Utilizados para verificar a condição física de algum dispositivo para monitorar sua condição Podemos mencionar como exemplo um contato fim de curso que monitora a posição da tampa de uma máquina Se a tampa estiver aberta esse contato fica numa posição se fechada o contato fica em outra Assim é possível construir intertravamentos Esse interruptor geralmente possui contatos NA e NF 36 Manobra e Proteção Dispositivos de baixa tensão BT Utilizado em circuitos com tensão de linha menor que 1 kV Dispositivos de alta tensão AT Utilizado em circuitos com tensão de linha maior que 1 kV Circuito Principal Circuito o qual está diretamente conectado aos dispositivos de proteção tem a função de ligar ou desligar o circuito Circuito Auxiliar Se difere do principal pelo fato de ser responsável pelo comando e intertravamentos do acionamento da máquina Proteção Os circuitos conectados a uma rede elétrica estão sujeitos a sofrerem falhas por algum motivo Essas falhas devem ser detectadas pelo sistema de proteção para que os danos sejam minimizados As principais falhas em instalações com motores elétricos são Sobretensão subtensão e falta de fases Esse tipo de falha causa o aumento da corrente elétrica no circuito Curtocircuito Tratase do contato entre uma fase e a terra ou ambas as fases entre si Esse tipo de defeito costuma causar altas correntes pelo circuito de potência por conta disso os dispositivos de proteção devem atuar o mais rápido possível para evitar danos às instalações elétricas Rotor Bloqueado É um tipo de sobrecarga que ocorre quando há o bloqueio do rotor da máquina durante seu funcionamento Isso acarreta em um aumento expressivo da corrente absorvida pela rede e aquecimento adicional nos enrolamentos do motor Assim o sistema de proteção deve detectar esse tipo de falta e desligar o circuito de potência para evitar danos à máquina eou às instalações 37 Para evitar que os defeitos à que instalações estão sujeitas causem danos eou perturbações adicionais devem ser adotadas medidas de proteção que visem Proteção contra curtoscircuitos Que detectam e interrompem rapidamente as correntes de defeito Geralmente essa proteção atua para correntes da ordem de mais de 4 vezes a corrente nominal dos motores Proteção contra sobrecargas Detectam correntes superiores às nominais devidos ao efeito de sobrecargas no eixo dos motores eou desequilíbrios que as causem Geralmente essa proteção está ligada ao aquecimento dos enrolamentos da máquina pois tem uma detecção bem mais lenta do que a proteção contra curtoscircuitos Para motores elétricos podem existir outras proteções tais como Inversão de fase Falta de fases Temperatura dos enrolamentos As proteções que envolvem sobrecorrente devem ser seletivas ou seja devem desligar os circuitos em uma lógica que desligue a menor porção possível do circuito no caso de um curtocircuito eou sobrecarga Exemplo Supondo um CCM com 10 motores supondo um defeito em apenas 1 dos motores devese desligar somente esse circuito ficando os demais 9 motores com a alimentação garantida 32 Componentes de Proteção Fusíveis disjuntores e outros componentes Fusíveis São dispositivos que tem a função de proteção dos circuitos de força eou comando contra curtoscircuitos Também atuam como limitadores de correntes de curto circuito Os fusíveis atuam conforme uma curva de operação que quanto maior a corrente de defeito menor seu tempo de atuação 38 Geralmente os fusíveis podem ser do tipo D Diazed ou do tipo NH Os fusíveis do tipo D geralmente são utilizados para proteção de circuitos de comando Já os fusíveis do tipo NH são usados para proteção dos circuitos de força Fonte FRANCHI 2008 Figura 33 Fusível Diazed D Fonte WEG SDa Figura 34 Fusível NH Os fusíveis podem ser de ação rápida ou retardada Os fusíveis de ação rápida como o próprio nome diz são mais velozes para atuação frente aos retardados Para proteção de motores os fusíveis de ação retardada são os mais recomendados por conta da natureza motórica há sobrecorrentes que são admissíveis como a corrente de partida por exemplo 39 Como mencionado no caso dos fusíveis quanto maior a corrente de sobrecarga menor o tempo de atuação Abaixo podemos ver a curva típica de um fusível NH Fonte WEG SDa Figura 35 Curva tempo x corrente de um fusível NH Weg Para proteção e manobras de motores são utilizados também Relé de Sobrecarga Tratase de um dispositivo acoplado nos contatores de baixa tensão ou de formas indiretas alta tensão Esses relés ao detectar as falhas atuam nos contatos NAs e NFs os quais estão conectados aos circuitos de comando que fazem o controle de desligamento e sinalização de defeito do circuito de potência Fonte WEG SDb Figura 36 Relé de Sobrecarga WEG 40 Disjuntores Motores São dispositivos que agregam à função de sobrecarga e curto circuito no mesmo dispositivo São diferentes dos fusíveis pois não permitem a atuação monopolar quando há um defeito as três fases são seccionadas e quando há sua atuação após a eliminação do defeito basta religálo Podem servir de forma precária para manobra ligadesliga de motores também Fonte WEG SDc Figura 37 Disjuntor Motor WEG 33 Componentes de Comando Contatores relés e outros componentes Contatores São dispositivos utilizados para manobra de motores elétricos São compostos de uma montagem eletromecânica a qual quando alimentada bobina fecha os contatos principais do circuito de força e muda de posição os contatos auxiliares do circuito de comando Apesar de manobrarem os circuitos de potência esses dispositivos não são capazes de interromper correntes de curtocircuito por isso é importante a associação seletiva com os fusíveis para essa finalidade Fonte WEG 2019 Figura 38 Contatores WEG 41 Fonte WEG 2019 Figura 39 Tabela de Contatores WEG Linha CWM Dispositivos importantes em circuitos de comando e controle são os relés auxiliares Os principais relés auxiliares podem ser Relé de tempo com retardo na energização Comuta seus contatos após um tempo préajustado após sua energização Fonte FRANCHI 2008 Figura 310 Relé de tempo com retardo na energização Relé de sequência de fase São relés que monitoram a tensão trifásica e detectam se ela está com a sequência invertida Se assim for comutam os contatos para que eles sejam utilizados para intertravamentos Relé de falta de fase São relés que monitoram a tensão trifásica e detectam quando falta 1 ou mais fases Se assim for comutam os contatos para que eles sejam utilizados para intertravamentos 42 Relé de mínima e máxima tensão São relés que monitoram a tensão trifásica e detectam quando há sub ou sobretensão na rede Se assim for comutam os contatos para que eles sejam utilizados para intertravamentos Há também versão desses relés que fazem várias funções em um único dispositivo são os chamados relés supervisores trifásico Fonte Digimec SD Figura 311 Relé supervisor trifásico 34 Diagramas unifilares multifilares e de bloco utilizados em diagramas elétricos Para representação de motores e seus circuitos de força e comando são utilizados diferentes tipos de desenhos elétricos Nesses desenhos existem simbologias típicas que serão apresentadas para que cada função seja identificada no desenho técnico Diagrama Multifilar Esses tipos de diagramas são utilizados para mostrar as conexões de um circuito de forma trifásica ou monofásica se for o caso Porém sempre vão mostrar todos os fios envolvidos na instalação Eles podem incluir números de identificação bobinas contatos cargas motores etc O objetivo é comunicar as informações necessárias para o leitor executar ou intervir de forma correta e segura nas instalações elétricas Podem ser utilizados em circuitos de força e comando Para os primeiros é bastante utilizado para o leitor identificar todos os componentes e ligações para a ligação de motor elétrico por exemplo 43 Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 312 Diagrama Multifilar Diagramas Unifilares Esses tipos de diagramas possuem uma única linha e mostram os principais componentes de um sistema Ele geralmente é utilizado para mostrar o circuito de força e contém as principais informações necessárias para o entendimento do sistema Geralmente é com o diagrama unifilar que fazemos as primeiras análises no sistema no caso de dúvidas adicionais recorremos aos multifilares Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 313 Diagrama Unifilar 44 Diagramas de Bloco Esse diagrama representa as principais partes funcionais de um sistema elétricoeletrônico com blocos ao invés de símbolos Esse tipo de diagrama pode ser utilizado para diversos fins mas o principal é utilizar cada bloco para sinalizar circuitos elétricos eou etapas envolvidas no processo para o leitor ter uma ideia no funcionamento do circuitoprocesso A função de cada bloco geralmente é descrita em cada um e possuem setas para indicar a sequência do processo eou funcionamento Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 314 Diagrama de Blocos de um inversor de frequência Exercício 1 Um motor elétrico transforma energia elétrica alimentação em energia mecânica eixo Porém como visto anteriormente esses motores podem ser de diversos tipos e características Desenhe um diagrama em blocos contendo os principais motores elétricos e suas aplicações 45 Solução Fonte GUEDES 2018 Figura 315 Classificação de Motores Elétricos 35 Especificação de quadros de motores e CCM Transformadores e Sistemas de distribuição de energia e outros componentes de uma instalação de motores O sistema elétrico de uma forma geral tem origem em grandes usinas geradores de energia Essas usinas no Brasil em sua maioria são de origem hidroelétrica Geralmente a tensão é gerada em média tensão 24 a 138 kV Assim ao lado dessas usinas são montadas estruturas com subestações para elevar essa tensão a níveis propícios para transmissão tais como 138230440 kV Próximo aos centros urbanos essa alta tensão é rebaixada e inserida nas redes de distribuição São nessas redes de distribuição que são conectadas as cargas finais a maioria dos usuários sejam eles industriais comerciais e residenciais No caso dos industriais onde existem a maioria dos motores geralmente recebem energia em tensão primária de distribuição Portanto obrigatoriamente esse tipo de consumidor deve possuir uma subestação primária para transformar essa tensão oriunda da concessionária de energia a níveis de utilização Para isso essas instalações são dotadas de transformadores de potência 46 Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 316 Subestação Unitária em Fábrica Após o secundário do transformador são instalados QGBTs quadros gerais de baixa tensão os quais derivam alimentação para os painéis das cargas inclusive as cargas motóricas As cargas motóricas geralmente são alimentadas por quadrospainéis terminais ou quando são conjuntos de motores por CCMs Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 317 Sistema Típico Industrial 47 Um quadro elétrico para motores é um quadro de distribuição terminal Esse quadro geralmente contém um grupo de dispositivos de proteção como disjuntores ou fusíveis barramentos fiação e contatores para manobra Na porta desse quadro geralmente são instaladas as botoeiras e leds de sinalização da máquina Para a especificação desse quadro é necessário Quantidade de componentes que serão instalados internamento Diagrama multifilar de força e comando do circuito Corrente de curtocircuito presumida no ponto de instalação Tensão nominal do sistema Potência nominal do motor a ser instalado Esse quadro deve possuir aterramento e deve ser sinalizado para sua função Também deve possuir identificação das botoeiras e leds e seus diagramas devem ser fixados em sua porta pelo lado de dentro Fonte ALPHA SD Figura 318 Quadro de acionamento de motor elétrico Centro de Controle de Motores CCMs São utilizados quando em uma instalação há a necessidade de ter diversos motores para as mais diversificadas funções Por vez há motores que fazem parte de uma mesma máquina eou processo Quando esses diversos motores estão instalados de forma próxima um dos outros geralmente seus controles ficam centralizados em um mesmo painel que é denominado CCM 48 Os CCMs são formados basicamente por móduloscolunas que contém compartimentos eou gavetas que detém uma combinação de dispositivos de partida de motores botões de acionamento e de emergência relés etc O barramento principal do CCM deve suportar o carregamento de todos os motores a ele conectados Por conta disso ele deve ser dimensionado para tal Os condutores alimentadores desse CCM devem suportar tal corrente e garantir para que não haja uma queda de tensão significativa no sistema Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 319 Centro de Controle de Motores CCM Exercício 2 Especificar e dimensionar as gavetas de um painel CCM sabendo que cada gaveta alimentará motores com as seguintes características dados de placa Número de fases 3 Potência 10 CV Tensão nominal 220 V In 25 A IpIn 6 por 3 segundos Total de gavetas 5 49 Solução O método de partida considerado será o de partida direta Componentes da gaveta 01 contator tripolar 01 relé térmico 03 fusíveis tipo D 03 rabichos de condutores interligação barramento CCM à base fusíveis 01 botão Liga 01 botão desliga 01 led vermelho 01 rolo de cabo de comando Dimensionamento Contator Deverá ser tripolar com corrente nominal de no mínimo 25 A Deverá ser consultado o catálogo do fabricante e verificar o modelo e a corrente máxima dos fusíveis a serem especificados Fonte WEG 2019 Figura 320 Tabela WEG Contatores Pela tabela acima o modelo escolhido foi do CWM25 da Weg Para esse modelo a corrente máxima dos fusíveis deverá ser de 50 A 50 Dimensionamento Relé Térmico Deverá ser tripolar e acoplado ao contator E deverá ter em seus ajustes possíveis a corrente de 25 A Deverá ser consultado o catálogo do fabricante e verificar o modelo e a corrente máxima dos fusíveis a serem especificados Fonte WEG SDb Pela tabela acima o modelo escolhido foi do RW67D 25 a 40 A da Weg Para esse modelo a corrente máxima dos fusíveis deverá ser de 80 A Dimensionamento Fusível Deverá ser Ip 6 25 150 A 51 Fonte WEG SDa Os fusíveis deverão atender as seguintes premissas 𝑰𝒇𝒖𝒔í𝒗𝒆𝒊𝒔 𝟏 𝟐𝟎 𝑰𝑵 𝟏 𝟐𝟎 𝟐𝟓 𝟑𝟎 𝑨 𝑰𝒇𝒖𝒔í𝒗𝒆𝒊𝒔 𝑰𝒇𝒖𝒔í𝒗𝒆𝒍 𝑴á𝒙𝒊𝒎𝒐 𝑪𝒐𝒏𝒕𝒂𝒕𝒐𝒓 𝒆 𝑰𝒇𝒖𝒔í𝒗𝒆𝒊𝒔 𝑰𝒇𝒖𝒔í𝒗𝒆𝒍 𝑴á𝒙𝒊𝒎𝒐 𝒓𝒆𝒍é 𝒕é𝒓𝒎𝒊𝒄𝒐 A 𝑰𝒇𝒖𝒔í𝒗𝒆𝒍 𝑴á𝒙𝒊𝒎𝒐 𝑪𝒐𝒏𝒕𝒂𝒕𝒐𝒓 e 𝑰𝒇𝒖𝒔í𝒗𝒆𝒍 𝑴á𝒙𝒊𝒎𝒐 𝒓𝒆𝒍é 𝒕é𝒓𝒎𝒊𝒄𝒐 foi considerada 50 80 A respectivamente dados do fabricante Portanto o fusível dimensionado para o caso deverá ser de 35 A E o circuito força e comando Dimensionamento Rabicho Condutor Deverá atender a carga do motor em regime e também ter bitola suficiente para atender aos requisitos de curtocircuito e esforços mecânicos do CCM Vamos considerar um CCM com calibre de 3 kA 1 segundo em 220 V portanto deverá ser consultada a tabela de condutores típica para maneira de instalar em painéis elétricos Essa tabela faz parte da norma NBR5410 52 Fonte NAMBEI 2021 Figura 321 Tabela de capacidade de curtocircuito condutores isolação em PVC Para a corrente de 25 A deverá ser adotado um condutor de 35 mm² Lembrando que além de suportar a corrente de carga a gaveta do CCM deverá suportar a corrente de curtocircuito especificada O circuito de comando deverá ser alimentado em 220 V sem necessidade de transformador auxiliar e utilizar condutor de 1 5 mm² O diagrama de força e comando para cada gaveta deverá ser 53 Fonte FRANCHI 2008 Conclusão Caro estudante neste bloco nós vimos os principais componentes para acionamento eletromecânico para controle e manobras de motores elétricos Esses dispositivos são aplicados nos circuitos de força e de comando Para comando de motores conhecemos os dispositivos de força principal e auxiliares para viabilizar o funcionamento dos equipamentos de forma segura Também conhecemos os dispositivos de proteção e os passos necessários para dimensionamento de quadros e CCMs Referências Bibliográficas ALPHA Painel de Bomba de Recalque SD Disponível em httpswwwalphasistemaseletricoscombrpainelbombarecalque Acesso em 2 abr 2021 DIGITEC Proteção Supervisor de tensão trifásica SD Disponível em httpwwwdigimeccombrprodutos426supervisoresdetensaotrifasica Acesso em 2 abr 2021 FRANCHI C M Acionamentos Elétricos São Paulo Érica 2008 54 GUEDES C R Otimização Elétrica de uma Ponte Rolante Utilizando Controle Vetorial com Enfraquecimento de Campo Tese de Mestrado Vitória Universidade Federal do Espírito Santo 2018 PETRUZELLA F D Motores Elétricos e Acionamentos Porto Alegre McGraw Hill 2013 NAMBEI Informações e Tabelas Técnicas 2021 Disponível em httpwwwnambeicombrdownloadtabelatecnicapdf Acesso em 25 abr 2021 WEG Automação Fusíveis D e NH CFW Elétrica SDa Disponível em httpsbitly3B5rhHW Acesso em 2 abr 2021 WEG Contatores Linha CWM 2019 Disponível em httpsbitly3iiJxW1 Acesso em 2 abr 2021 WEG Disjuntores WEG SDc Disponível em httpsbitly36BEEBV Acesso em 2 abr 2021 WEG Réles WEG SDb Disponível em httpsbitly3id03GQAcesso em 2 abr 2021 55 4 CHAVES DE PARTIDA DE MOTORES ELÉTRICOS Apresentação Caro estudante neste bloco vamos estudar os métodos de partida de motores elétricos de pequeno médio e grande porte Serão apresentados os métodos de partida convencionais que não utilizam a tecnologia de conversoresinversores Esses métodos de partida são bem difundidos na indústria pois são de baixo custo porém tem que ser estudados para ser possível especificar de forma adequada e saber identificar quando não é possível tais aplicações Vamos lá 41 Seccionadoras e chaves de partida manual Quando trabalhamos com motores elétricos um dos instantes mais importantes é o de partir do motor Ou seja aquele momento em que o motor está parado e o operador o conecta a fonte de energia e o eixo do motor começa a girar Nesse instante a corrente extraída da rede pode aumentar de 6 a 8 vezes a corrente nominal por conta da mudança de estado do motor Esse aumento de corrente chamamos de corrente de partida ou pico de partida O múltiplo da corrente de partida frente a nominal é um dado de placa do motor simbolizado pela sigla IpIn O tempo o qual a corrente de partida decresce vai depender das condições de carregamento do motor vazio ou em carga Na figura a seguir é mostrada uma curva de uma partida Fonte FRANCHI 2008 Figura 41 Gráfico corrente x velocidade de uma partida de um MIT 56 É possível observar que no início da curva a velocidade N é mínima e a corrente é máxima A corrente vai decaindo até chegar ao valor da velocidade de trabalho Nn Conhecendo os conceitos da máquina de indução também é possível deduzir que a corrente é em função da tensão Portanto a tensão no momento da partida interfere na corrente extraída da rede Esse é o conceito básico de aplicação das mais diferentes chaves de partida disponíveis no mercado isto é reduzir a tensão somente no momento da partida e após isso a aplicação da tensão nominal para operação em regime Fonte FRANCHI 2008 Figura 42 Gráfico de corrente x tensão de um MIT A chave de partida mais simples é aquela acionada manualmente Isto é quando se quer ligar o motor o operador liga a chave e quando se quer desligar desligase a chave Esse tipo de partida utiliza somente uma chave seccionadora ou disjuntor motor acionados de forma manual Os disjuntores motores se sobressaem nesse tipo de acionamento pois incorporam os componentes de proteção necessários para o motor A utilização desse componente para partida costuma ser usada para pequenos motores até 15 CV Para potências maiores não é recomendável pois qualquer defeito no circuito ou equipamento aumenta bastante o risco de o componente explodir ou sofrer um arco elétrico durante a manobra causando um sério acidente 57 Fonte WEG SD Figura 43 Disjuntor Motor para partida 42 Chave de Partida Direta Essa partida é bem simples porém é mais vantajosa frente a anterior Isso ocorre por conta da operação ligadesliga o motor que é feita por um contator através de um comando elétrico Esse comando geralmente fica dentro do quadro e o operador não tem contato com o circuito de potência assim qualquer dano no componente de partida não gera risco ao trabalhador Essa chave de partida necessita de um dimensionamento de dispositivos de proteção fusíveis relés etc Esse tipo de partida é em tensão plena ou seja haverá o pico nominal do motor durante a ligação Por conta da corrente de partida elevada esse tipo de chave deve ser aplicado em motores até 5 CV instalações residenciais e pequenos comércios e até 10 CV em instalações industriais Os critérios básicos para aplicação dessa chave são Pequenos motores conforme visto anteriormente assim limitamos as perturbações na rede causadas pela corrente de partida Máquina movimentada pois não necessita de aceleração progressiva e possuem redutor mecânico para controle de velocidade da máquina Conjugado de partida elevado 58 Abaixo são citadas vantagens dessa chave de partida Equipamentos simples e de fácil construção Conjugado de partida elevado nominal Partida rápida Baixo custo E também há desvantagens Grande queda de tensão no barramento de alimentação da rede Condutores com bitola superior à nominal superdimensionado o que encarece o projeto Limitações técnicas de queda de tensão na rede durante a partida Abaixo pode ser vista a curva do conjugado para um MIT Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 44 Curva do Conjugado partida direta MIT Para o funcionamento dessa chave de partida deve ser montado um painel de força contendo os circuitos de força e comando para esse motor O painel deverá ser montado conforme diagramas abaixo 59 Fonte FRANCHI 2008 Figura 45 Circuito de força e comando partida direta Na figura acima o circuito do lado esquerdo é o de comando e o outro é de força Notase que essa chave deve ser dimensionada com os fusíveis contatores relé térmico etc e deve contar com leds de sinalização Os bornes 13 e 14 de K1 são do contato de selo e os 95 e 96 são do relé de proteção térmica Note que para proteger contra curtoscircuitos são utilizados fusíveis tanto no circuito de força como no de comando 43 Chave de partida estrelatriângulo Essa chave de partida é amplamente utilizada em instalações industriais Inclusive pode ser aplicada em motores com tensão nominal acima de 1 kV Ela consiste em partir o motor com uma tensão reduzida conectado em Y e após o motor atingir uma certa velocidade a ligação é convertida para triângulo Portanto todos os terminais do MIT devem ser acessíveis Durante a partida a ligação estrela proporciona uma redução de 58 da tensão nominal A corrente de partida é reduzida em até 33 de seu valor nominal Porém há uma redução do conjugado de partida Por conta dessa redução de conjugado que o uso dessa chave é limitado A figura abaixo apresenta a curva da corrente de partida de uma chave estrelatriângulo frente a partida direta 60 Fonte FRANCHI 2008 Figura 46 Corrente de partida chave estrelatriângulo Na prática a exigência principal dessa partida é que ela seja feita em vazio Pois nesse momento não necessita de um torque de partida elevado Aplicandose a carga somente após o motor ser conectado em delta e atingir seu regime nominal Com a redução da tensão de alimentação no momento da partida o torque da máquina será de 20 a 50 do conjugado nominal O tempo de transição entre a conexão estrela e triângulo vai depender do tempo o qual o motor estabilizase com a rotação geralmente entre 75 e 85 da velocidade nominal Esse tempo de transição é controlado através de um relé de tempo 61 Fonte FRANCHI 2008 Figura 47 Conjugado chave estrelatriângulo Outra informação importante para aplicação dessa chave é a possibilidade de o motor operar em 2 tensões tensão maior e menor Geralmente motores industriais tem essa característica mas deve ser conferida na placa do equipamento O esquema de ligação dessa chave fica Fonte FRANCHI 2008 Figura 48 Chave de partida estrelatriângulo 62 Como pode ser observado o circuito do lado esquerdo é o de força e o direito comando Para essa chave funcionar necessitase de 3 contatores e um relé de tempo As ligações devem ser feitas conforme esquema elétrico Equacionamento da chave de partida estrelatriângulo O conjugado desenvolvido será 𝑻 𝑲 𝑽𝑵 𝟐 𝑻 é o torque do MIT em delta K é a constante do motor 𝑽𝑵 é a tensão nominal de fase Como queremos saber o torque do motor conectado em delta sabemos 𝑽𝑵 𝑽𝑳 𝒆 𝑰𝑵 𝑰𝑳 Assim 𝑻 𝑲 𝑽𝑳 𝟐 Em Y 𝑽𝒇 𝑽𝑳 𝟑 𝑻𝒀 𝑲 𝑽𝑳 𝟑 𝟐 𝑻𝒀 𝑲 𝑽𝑳 𝟐 𝟑 Portanto o torque em estrela vale 13 do torque em delta Agora se quisermos saber a impedância de fase de um MIT 𝒁 𝑽𝑵 𝑰𝑵 𝟑 𝟑 𝑽𝑵 𝑰𝑵 63 Vantagens da chave estrela triângulo Baixo custo em relação à chave compensadora Geralmente o painel é menor do que a chave compensadora por causa da ausência do transformador Não há limites de manobras sistema de acionamento Desvantagens Se a transição for feita com uma velocidade inferior 90 da rotação nominal poderá haver um pico de corrente considerável Todos os terminais do motor devem ser acessíveis Os valores de tensão menormaior devem ser coerentes com a tensão disponível na rede 44 Partida compensadora Esquema de ligação determinação das correntes vantagens e desvantagens A ideia dessa chave é a mesma da estrelatriângulo ou seja reduzir a tensão no motor no momento da partida A diferença é que nesse caso essa redução se dá através de um autotransformador em série com as bobinas do motor E após o MIT partir o autotransformador é retirado de operação e o MIT recebe a tensão nominal Uma chave compensadora geralmente possui os componentes abaixo 01 Autotransformador conectado em Y 03 Contatores de força 03 Fusíveis retardados 01 Relé de tempo O autotransformador utilizado pela chave compensadora tem Taps em seu enrolamento Esses taps geralmente são 50 65 e 80 da tensão de fase Portanto a tensão no momento da partida pode ser ajustada conforme os Taps do autotransformador A corrente de partida é reduzida também em função da tensão aplicada no momento da partida 64 A definição do tap a ser utilizado irá depender do conjugado necessário para partir o MIT Geralmente esse tipo de partida é utilizado quando se quer uma redução da corrente de partida e um torque de partida maior do que o conseguido pela chave estrelatriângulo Geralmente é utilizada para motores acima de 30 CV Fonte FRANCHI 2008 Figura 49 Corrente de partida para chave compensadora A corrente de partida fica de 170 à 4 vezes a corrente nominal do motor Com relação ao conjugado teremos Tap 65 reduz o conjugado para 42 da partida direta Tap 80 reduz o conjugado para 64 da partida direta 65 Fonte FRANCHI 2008 Figura 410 Conjugado chave compensadora A chave compensadora pode ser aplicada em motores que não possuem todos os terminais acessíveis e sem dupla tensão Também pode ser aplicada para motores acima de 1 kV Fonte WISE TRANSFORMADORES SD Figura 411 Autotransformador de partida O esquema de ligação fica da seguinte forma 66 Fonte FRANCHI 2008 Figura 412 Esquema de ligação chave compensadora O equacionamento da chave de partida fica da seguinte forma 𝑽𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 𝑵𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 𝑽𝒔𝒂í𝒅𝒂 𝑵𝒔𝒂í𝒅𝒂 𝒂 Se adotarmos 𝒂 𝑻𝒂𝒑 𝟏𝟎𝟎 Assim 𝑰𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 𝑵𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 𝑰𝒔𝒂í𝒅𝒂 𝑵𝒔𝒂í𝒅𝒂 𝑰𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 𝑰𝒔𝒂í𝒅𝒂 𝒂 67 Fonte FRANCHI 2008 Figura 413 Taps do autotrafo Agora o torque 𝑻 𝑲 𝑽𝑵 𝟐 𝑻𝒄𝒐𝒎𝒑𝒆𝒏𝒔𝒂𝒅𝒐𝒓𝒂 𝑲𝒄𝒐𝒎𝒑𝒆𝒏𝒔𝒂𝒅𝒐𝒓𝒂 𝑽𝒔𝒂í𝒅𝒂 𝟐 𝑻𝒄𝒐𝒎𝒑𝒆𝒏𝒔𝒂𝒅𝒐𝒓𝒂 𝑲𝒄𝒐𝒎𝒑𝒆𝒏𝒔𝒂𝒅𝒐𝒓𝒂 𝒂𝟐 𝑽𝑵 𝟐 𝒂𝟐 𝑻𝒑𝒏𝒐𝒎𝒊𝒏𝒂𝒍 Pois a tensão 𝑽𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 é a própria tensão nominal do MIT Vantagens da Chave Compensadora Quando houver a comutação para a tensão da rede o motor não é desligado e o segundo pico é bem reduzido Diversas opções de Taps para partida O motor a ser aplicado pode não ter os 6 bornes acessíveis Somente 3 é o suficiente Desvantagens da Chave Compensadora Limitação de manobras Custo mais elevado por causa do autotransformador Painel com tamanho aumentado por causa do autotransformador 68 45 Aceleração rotórica Acréscimo de resistência ao rotor curva de conjugado dimensionamento de componentes sistemas de partida e aceleração Quando o MIT é uma máquina de rotor bobinado é possível fazer um controle de velocidade e de partida com a adição de um banco de resistores no circuito do rotor Essa conexão entre a parte girante e o banco de resistores é feita através das escovas Quanto maior o valor das resistências no circuito do rotor menor será a corrente de partida Esses resistores devem ser instalados em série com os enrolamentos do rotor Fonte DRB SD Figura 414 Esquema de partida com aceleração rotórica Quando o motor for partir ele parte com a resistência total conectada aos enrolamentos do rotor E aos poucos essa resistência vai sendo desconectada automaticamente ou intencionalmente até que motor atinja sua velocidade nominal ou próxima Na prática esse momento ocorre quando colocamos o rotor em curto circuito isto é sem nenhuma resistência externa conectada 69 Fonte USP SD Figura 415 Curva conjugado x velocidade com resistência rotórica Fonte USP SD Figura 416 Curva corrente x rotação com resistência rotórica 70 Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 417 Controle rotórico de velocidade e partida Abaixo segue o funcionamento dessa ligação Para baixa velocidade os contatores S e H estão desligados abertos portanto a resistência total está conectada no enrolamento do rotor Fechando os contatores S parte da resistência é desconectada assim observa se um aumento da velocidade Ao fechar os contatores H atingese a velocidade máxima Esse controle de velocidade acarreta muitas perdas nas resistências e há uma ineficiência frente a variação da carga mecânica no eixo Atualmente para um controle mais fino são utilizados elementos de eletrônica de potência no lugar dos contatores magnéticos EXERCÍCIO DE APLICAÇÃO 1 Dimensionar uma chave de partida direta para um motor de 20 CV seis pólos 380 V 60 Hz Sabese que a tensão de comando é 220 V e o tempo de partida vale 2 segundos A corrente de curto do quadro é 40 kA 71 Dados de placa do motor In 3235 A IpIn 750 Solução Iniciamos calculando o valor da corrente de partida Ip 75 x 3235 243 A Dimensionamento do contator K1 In de K1 deve ser maior ou igual a In do motor portanto In K1 3235 A Para um valor comercial devese adotar a tabela do fabricante desejado e escolher o modelo adequado In maior ou igual ao calculado Dimensionamento do relé de sobrecarga FT1 O único critério é que o relé térmico tenha entre seus ajustes disponíveis o valor da corrente nominal do motor Deve ser observado os modelos disponíveis com o fabricante desejado Lembrando que deve haver o casamento entre o relé térmico e o contator escolhido ambos são acoplados elétrica e mecanicamente Dimensionamento dos fusíveis Deve ser tomado como base a corrente e o tempo de partida Esse valor deve ser espelhado em uma curva tempo x corrente dos fusíveis do fabricante desejado Com base na figura a seguir os fusíveis deverão ser de 50 A Isso irá permitir a passagem da corrente de partida sem queimar 72 Fonte FRANCHI 2008 Figura 418 Curva tempo x corrente de fusíveis Basicamente a corrente dos fusíveis If devem satisfazer If Deve ser maior ou igual a 120xIn If Deve ser menor do que o fusível a montante seletividade e menor ou igual que a corrente máxima do contator e relé térmico fabricante If Deve ter um calibre de acordo com a corrente de curtocircuito do ponto onde será instalado o painel EXERCÍCIO DE APLICAÇÃO 2 Dimensionar uma chave de partida estrelatriângulo para um motor de 20 CV 4 pólos 220 V 60 Hz O tempo de partida vale 7 segundos E o fator de serviço vale 115 Dados de placa do motor In 5260 A IpIn 630 Solução Cálculos iniciais nova corrente nominal e corrente de partida In nova 5260 x 115 6050 A aplicação do fator de serviço Ip 630 x 6050 381 A 73 Dimensionamento do contator K1 e K2 Quando o circuito está em regime permanente triângulo a corrente que circula pelos contatores K1 e K2 não é a mesma corrente nominal do motor In de K1 e K2 deve ser maior ou igual a In do motor nova dividido por 𝟑 𝑰𝑲𝟏 𝑰𝑲𝟐 𝟔𝟎 𝟓 𝟑 𝟑𝟓 𝑨 Quando a chave está em estrela a corrente que percorre os contatores vale aproximadamente a terça parte da corrente do motor Portanto 𝑰𝑲𝟑 𝟔𝟎 𝟓 𝟑 𝟐𝟎 𝑨 Com base nessas correntes selecionamos contatores conforme tabela de algum fabricante Adotandose WEG podemos utilizar os contatores conforme abaixo K1 e K2 Contatores CWM40 K3 Contator CWM25 O relé térmico deverá ter no seu range de ajustes o valor de 35 A Pois é essa a efetiva corrente que circulará pelo contatorrelé com o motor em plena carga Adotandose WEG podemos utilizar o relé térmico modelo RW671D A tabela de contatores e relés pode ser vista junto à catálogos do fabricante Agora vamos dimensionar os fusíveis Para isso devemos saber a corrente de partida com o motor conectado em estrela Essa será 𝑰𝑷𝒀 𝟑𝟖𝟏 𝟑 𝟏𝟐𝟕 𝑨 Basicamente a corrente dos fusíveis If devem satisfazer If Deve ser maior ou igual a 120xIn 𝟎 𝟓𝟖 𝑰𝒇 𝑰𝑴á𝒙𝒊𝒎𝒂 𝒇𝒖𝒔í𝒗𝒆𝒍 𝒄𝒐𝒏𝒕𝒂𝒕𝒐𝒓 𝒇𝒂𝒃𝒓𝒊𝒄𝒂𝒏𝒕𝒆 somente K1 e K2 𝟎 𝟓𝟖 𝑰𝒇 𝑰𝑴á𝒙𝒊𝒎𝒂 𝒇𝒖𝒔í𝒗𝒆𝒍 𝒓𝒆𝒍é 𝒕é𝒓𝒎𝒊𝒄𝒐 𝒇𝒂𝒃𝒓𝒊𝒄𝒂𝒏𝒕𝒆 74 Fonte WEG SD Sabese que 𝑰𝒇 𝟏 𝟐𝟎 𝟔𝟎 𝟓 𝟕𝟐 𝟔 𝑨 E que conforme catálogo do fabricante WEG as correntes máximas dos fusíveis dos componentes especificados anteriormente contatores e relé térmico vale 80100 A respectivamente Assim o fusível adotado será de 80 A Desta forma ele atende às premissas A lista de componentes ficará 01 Contator tripolar 40 A com no mínimo 2 contatos NA 01 Contator tripolar 40 A com no mínimo 1 contato NA e 1 NF 01 Contator tripolar 25 A com no mínimo 1 contato NA e 1 NF 01 Relé Térmico de sobrecarga 32 a 50 A 03 Fusíveis 80 A 75 Conclusão Caro estudante neste bloco nós vimos os principais métodos de partidas de motores elétricos trifásicos utilizados no mercado Esses métodos são os aplicados com componentes eletromecânicos e técnicas de redução de tensão não eletrônicas Com o material desse bloco é possível analisar e decidir sobre qual sistema de partida utilizar e o seu custobenefício Referências Bibliográficas DRB ACESSORIA E CONSULTORIA Sistema de Partidas de Mototres SD Disponível em httpwwwdrbmorgce7Sistemadepartidaspdf Acesso em 5 abr 2021 FRANCHI C M Acionamento Elétrico São Paulo Érica 2008 PETRUEZELLA F D Motores Elétricos e Acionamentos Porto Alegre McGraw Hill 2013 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO USP EDisciplinas USP SD Disponível em httpsbitly3wIfQmo Acesso em 6 abr 2021 WEG Disjuntormotor AZ MPW403U016 SD Disponível em httpsbitly3Bk8lWn Acesso em 2 abr 2021 WISE TRANSFORMADORES Autotransformadores Trifásicos de Partida SD Disponível em httpswwwwisetransformadorescombrautotransformadores trifasicosdepartida Acesso em 5 abr 2021 76 5 PARTIDA CONTROLE E PARADA ELETRÔNICA DE MOTORES Apresentação Caro estudante com o avanço da eletrônica de potência o custo das chaves eletrônicas está diminuindo cada vez mais Por isso a aplicação desses dispositivos está ficando mais viável para as instalações de uma forma geral Neste bloco vamos estudar os métodos de operação de motores elétricos de pequeno médio e grande porte com chaves eletrônicas Vamos apresentar os dispositivos utilizados para essa finalidade tais como o inversor de frequência e softstarters O objetivo desse bloco também é dar subsídios ao aluno para especificação e dimensionamento desses dispositivos Vamos abordar o assunto com exercícios de aplicação sobre o tema Vamos lá 51 Softstarters Princípio de funcionamento principais funções proteções e formas de ligação Os softstarters são utilizados para comando de motores tanto CA como CC garantindo a aceleração e desaceleração progressiva suavizando os picos de corrente de partida Basicamente os softstarters são utilizados em operações que requerem partida e parada suaves de motores elétricos Fonte WEG SD Figura 51 Softstarter SSW07 WEG 77 O tempo para atingir a tensão total do equipamento é ajustável De uma forma geral fica entre 2 e 30 segundos Com esse controle eletrônico da tensão durante a partida não há um grande pico de corrente Esse ajuste deve ser feito conforme a carga Também é possível configurar uma limitação para a corrente de partida geralmente entre 200 e 400 da corrente nominal do motor A figura a seguir apresenta o esquema de partida com um softstarter Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 52 Esquema partida softstarter Os principais modos de operação normais para esse controle são Soft start Abrange as aplicações gerais É configurado pelo usuário um torque inicial para o motor A partir desse ajuste a tensão de saída do motor é aumentada linearmente durante o tempo da rampa de aceleração que é ajustável pelo usuário Ajuste do impulso inicial Fornece um impulso na partida para vencer a inércia de cargas que podem exigir um torque mais alto ao ligar Com esse ajuste é possível diminuir o pico da corrente durante o período selecionado 78 Limitação da corrente de partida Esse método fornece uma partida com a limitação do pico de corrente Nesse modo é possível ajustar a corrente e o tempo de partida Partida em rampa dupla Esse modo é útil em aplicações com cargas variáveis A partida com rampa dupla oferece ao usuário a possibilidade de escolher entre dois perfis de partida com tempos de rampa e torques ajustáveis separadamente Mais exemplos de modo de operação são Partida com tensão máxima Aceleração com velocidade linear Parada suave Os softstarters também possuem parâmetros de proteção de tensão corrente e térmica de motores elétricos Porém a proteção contra curtoscircuitos deve ser instalada a parte fusíveis A seguir segue um esquema de força de uma partida com softstarter Fonte FRANCHI 2008 Figura 53 Partida softstarter Os softstarters são dimensionados conforme a potência e tensão nominal do motor a ser controlado 79 52 Inversor de frequência Classificação dos conversores de frequência dimensionamento do inversor e formas de variação de velocidade conexões e aplicações O inversor de frequência é um equipamento versátil e dinâmico que permite o uso dos MIT para controle de velocidade nas mais diversas aplicações industriais Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 54 Inversor de frequência O inversor de frequência controla a velocidade o torque e o sentido de rotação de um MIT Ele recebe uma alimentação CA com frequência fixa e a converte em CA com frequência variável Podemos simbolizar cada etapa dessa transformação em blocos conforme a figura a seguir Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 55 Diagrama em blocos inversor 80 Vamos agora explanar cada bloco Conversor É um circuito retificador de onda completa que converte CA rede e CC Barramento CC Conecta a saída do retificador na entrada do inversor O barramento CC é como um filtro para suavizar a saída irregular e com ondulação Dessa forma garante uma saída retificada o mais próximo possível a uma CC pura Inversor Recebe a tensão CC filtrada e a converte em uma onda CC pulsante com polaridades diferentes assim é possível obter saídas com frequências variáveis Lógica de acionamento Gera pulsos necessários para controlar o disparo dos dispositivos semicondutores de potência como os SCRs e transistores Atualmente os inversores de frequência utilizam os IGBTs para o circuito de potência e a técnica PWM para a produção da forma de onda na saída para o motor A forma de onda do sinal de saída de um inversor é uma onda trabalhada com a modulação PWM que tem o objetivo de simular o comportamento de uma onda AC senoidal porém não é idêntica Essa forma de onda contém traços quadrados Porém pela natureza das cargas motóricas a forma de onda da corrente do circuito irá ser senoidal Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 56 Tensão saída inversor x fundamental Quando há a variação da frequência é necessário manter o torque constante Portanto temos que ter uma relação VHz constante Por exemplo 81 Dado um motor de 460 VCA e 60 Hz temos uma relação VHz igual a 767 Portanto para qualquer valor de frequência entre 0 e 60 Hz o inversor diminuirá a tensão para manter sempre a relação igual Para frequências acima de 60 Hz devemos manter a tensão aplicada estável assim o torque irá diminuir Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 57 Curva de acionamento VHz Essa variação VHz para controlar o motor chamamos de forma escalar Essa forma de controle é a mais usual porém não tem precisão quanto a velocidade mas de uma forma geral atende as principais cargas A faixa de frequências operadas normalmente vai de 10 a 60 Hz Também é possível utilizar a técnica de controle vetorial Nesse tipo de controle é possível controlar de uma forma mais precisa a velocidade do MIT através de uma realimentação do sistema de controle Essa realimentação pode ser um dispositivo para medição de velocidade do eixo do motor Esses tipos de inversores são mais caros mas para aplicações específicas são bem úteis 53 Teoria do controle vetorial de MIT para controle de posição e aplicação nos inversores Um motor de indução apresenta múltiplas variáveis não lineares e características altamente acopladas A técnica de controle vetorial também é conhecida como controle por orientação de campo FOC permite que um motor de indução de gaiola de esquilo seja acionado com elevado desempenho dinâmico comparável à característica de um motor CC Essa técnica desacopla as duas componentes de corrente do estator 82 Uma fornece o fluxo do entreferro A outra produz o torque Assim é proporcionado um controle independente do fluxo e do torque e a característica de controle é linearizada As correntes do estator são convertidas em um sistema de referência de rotação síncrona fictício alinhado com o vetor de fluxo e são transformadas de volta para as coordenadas do estator antes da realimentação da máquina Essas duas componentes são a 𝑰𝒅𝒔 no eixo d análoga à corrente de campo e a 𝑰𝒒𝒔 do eixo q análoga a corrente da armadura de um motor CC com excitação independente O vetor fluxo concatenado do rotor está alinhado ao longo do eixo d do sistema de referência Com um controle vetorial um motor de indução consegue operar como um motor CC com excitação independente Em uma máquina CC o torque desenvolvido é dado por 𝑻𝒅 𝑲𝒕𝑰𝒂𝑰𝒇 Onde 𝑰𝒂 é a corrente da armadura e 𝑰𝒇 é a corrente de campo A construção de uma máquina CC é tal que o fluxo concatenado do campo 𝒇 produzido por 𝑰𝒇 é perpendicular ao da armadura 𝒂 produzido por 𝑰𝒂 Esses vetores de fluxo que são estacionários no espaço são ortogonais ou desacoplados por natureza Consequentemente um motor CC tem uma resposta transitória rápida Entretanto um motor de indução não consegue dar essa resposta rápida por um problema inerente de acoplamento Mas um motor de indução pode apresentar a característica da máquina CC se ela for controlada em um sistema de rotação síncrona 𝒅𝒆 𝒒𝒆 no qual as variáveis senoidais da máquina aparecem como grandezas CC em regime permanente A figura a seguir mostra um motor de indução alimentado por inversor com duas entradas de controle de corrente 𝑰𝒅𝒔 𝒆 𝑰𝒒𝒔 são as componentes do eixodireto e eixo quadratura da corrente do estator respectivamente em um sistema de referência de rotação síncrona No controle vetorial 𝑰𝒒𝒔 é análoga à corrente de campo 𝑰𝒇 e 𝑰𝒅𝒔 à corrente de armadura 𝑰𝒂 de um motor CC Assim o torque desenvolvido de um motor de indução é dado por 𝑻𝒅 𝑲𝒎𝒓𝑰𝒇 𝑲𝒕𝑰𝒅𝒔𝑰𝒒𝒔 83 Onde temos 𝒓 é o valor de pico absoluto do vetor do fluxo concatenado senoidal espacial 𝑰𝒒𝒔 é a componente de campo 𝑰𝒅𝒔 é a componente de torque Fonte RASHID 2010 Figura 58 MIT alimentado por inversor com controle vetorial O diagrama vetorespaço para o controle vetorial é mostrado na figura abaixo Onde 𝑰𝒅𝒔 é orientada alinhada na direção do fluxo do rotor 𝝀𝒓 e 𝑰𝒒𝒔 deve ser perpendicular a ela em todas as condições de operação Os vetores espaciais giram de forma síncrona na frequência elétrica 𝝎𝒆 𝝎 Assim o controle vetorial deve assegurar a orientação correta dos vetores espaciais e gerar os sinais de entrada de controle Fonte RASHID 2010 Figura 59 Diagrama vetorespaço 84 A execução de um controle vetorial é ilustrada na figura abaixo O inversor gera as correntes 𝑰𝒂 𝑰𝒃 𝒆 𝑰𝒄 em resposta às correntes de comando correspondentes 𝑰𝒂 𝑰𝒃 𝒆 𝑰𝒄 do controlador As correntes nos terminais da máquina 𝑰𝒂 𝑰𝒃 𝒆 𝑰𝒄 são convertidas nas componentes 𝑰𝒅𝒔 𝒔 e 𝑰𝒒𝒔 𝒔 por transformação de três fases para duas Estas são então convertidas no sistema de rotação síncrona nas componentes 𝑰𝒅𝒔 e 𝑰𝒒𝒔 pelas componentes do vetor unitário 𝐜𝐨𝐬 𝜽𝒆 e 𝐬𝐞𝐧 𝜽𝒆 antes de aplicálas na máquina A máquina é representada pelas conversões internas no modelo 𝒅𝒆 𝒒𝒆 O controlador faz dois estágios de transformação inversa de modo que as correntes de controle de linha 𝑰𝒅𝒔 𝒆 𝑰𝒒𝒔 correspondam às correntes da máquina 𝑰𝒅𝒔 e 𝑰𝒒𝒔 respectivamente Além disso o vetor unitário 𝐜𝐨𝐬 𝜽𝒆 e 𝐬𝐞𝐧 𝜽𝒆 assegura o alinhamento correto da corrente 𝑰𝒅𝒔 com o vetor de fluxo 𝝀𝒓 e a corrente 𝑰𝒒𝒔 é perpendicular a ela É importante observar que em termos ideais a transformação e a transformação inversa não incorporam quaisquer dinâmicas Portanto a resposta a 𝑰𝒅𝒔 e 𝑰𝒒𝒔 é instantânea exceto por algum atraso por conta dos tempos de computação e amostragem Fonte RASHID 2010 Figura 510 Implementação do Controle Vetorial Basicamente essa teoria foi desenvolvida para termos um inversor que contenha um modelo matemático do MIT que consiga controlar a máquina em tempo real Assim podese fazer correções no funcionamento sob qualquer condição de carga 85 O inversor fica constantemente monitorando a corrente nos terminais do motor e o movimento mecânico do eixo do motor externo Assim comparando os valores pré determinados no inversor com o que está acontecendo na realidade o inversor faz as correções necessárias para corrigir a velocidade no eixo do motor Para isso é necessário ter um sistema de controle que receba sinal externo de velocidade da máquina conforme a figura a seguir Fonte RASHID 2010 Figura 511 Controle do Inversor Vetorial A unidade de acionamento vetorial utiliza a realimentação do que está acontecendo no motor para alterar a saída do inversor Ela trabalha no princípio VHz porém de forma mais precisa Afinal irá combinar a técnica já explicada com uma realimentação tornando o inversor um elemento ativo no sistema Ou seja essas técnicas combinadas não controlam somente a magnitude do fluxo do motor mas também sua orientação por isso o nome de acionamento vetorial O método de acionamento vetorial de fluxo proporciona velocidade e acionamento de torque mais precisos do motor O acionamento vetorial melhora a técnica VHz ao permitir o acionamento da magnitude e do ângulo entre a tensão e corrente Os inversores vetoriais estão disponíveis em dois tipos Malha aberta Malha fechada 86 A definição entre um ou outra irá depender da forma como ele obtêm as informações de realimentação Os inversores de malha aberta se alimentam de informações que são capturadas pelo próprio hardware do inversor e aplicadas no sistema Os de malha fechada recebem um sinal externo Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 512 Inversor vetorial malha aberta O funcionamento desse circuito é o seguinte O escorregamento é a diferença entre a velocidade do rotor e a velocidade síncrona do campo magnético que é necessário para produzir o torque do motor O bloco estimador de escorregamento mantém a velocidade do rotor a mais próxima possível da desejada O bloco estimador de corrente de torque determina o percentual de corrente que está em fase com a tensão fornecendo uma corrente de torque aproximada Isso é usado para estimar a quantidade de escorregamento proporcionando melhor acionamento de velocidade sob carga O ângulo V controla a intensidade da corrente total do motor que vai para o fluxo do motor habilitado pelo estimador de corrente de torque Por meio do acionamento deste ângulo a operação em baixa velocidade e o acionamento de torque são melhorados em comparação com unidades VHz padrão 87 O acionamento vetorial de fluxo mantém o princípio VHz e acrescenta blocos para melhorar o desempenho da unidade de acionamento O separador de corrente busca identificar as correntes que produzem o fluxo e o torque no motor e disponibiliza esses valores para outros blocos da unidade de acionamento O bloco de limitação de corrente monitora a corrente do motor e altera o comando de frequência quando ela exceder um valor predeterminado Um inversor vetorial de malha fechada usa um encoder montado no motor ou um sensor similar para fornecer ao microprocessador uma indicação da posição do eixo A posição e a velocidade do rotor são monitoradas em tempo real pelo encoder para determinar e controlar a velocidade o torque e a potência real produzidos pelo motor A figura a seguir mostra um inversor desse tipo e encoder Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 513 Inversor Vetorial malha fechada e encoder Uma grande vantagem dessa aplicação é o acionamento de motores e conseguir seu torque máximo contínuo com velocidades próximas de zero Isso faz com que essas unidades sejam muito aplicadas para içamento e guindastes 88 54 Sistemas de frenagem frenagem com elemento acoplado frenagem por contracorrente dinâmica e eletromagnética e dimensionamento de componentes Frenagem com elemento acoplado Normalmente esse tipo de sistema de freio é acoplado ao motor A partir dessa característica os motores com essa característica são conhecidos como motofreio Esse tipo de motor é utilizado em aplicações onde se necessita parar o eixo imediatamente após desligar a alimentação elétrica do motor São exemplos dessas aplicações guindastes elevadores pontes rolantes correias transportadoras bobinadeiras etc O freio é acionado através de pastilhas montadas junto a uma mola que através de uma bobina que é energizada junto com o motor faz com que a pastilha de freio libere o giro do eixo Ao desligar a energia a bobina perde sua alimentação e ocorre a frenagem do eixo do motor Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 514 Motofreio CA Frenagem por Contracorrente Nesse tipo de frenagem é aplicada uma reversão momentânea ao motor fazendo que ele experimente uma força tendendo à reversão mas antes que isso ocorra a chave de frenagem reversão é desligada Para a frenagem por contracorrente é necessário haver intertravamentos que impeçam a efetiva reversão do motor para isso podem ser usados dispositivos de monitoramento no eixo do motor que atuam no circuito de comando no caso de haver uma tendência de inversão do motor 89 Outra maneira de não haver a reversão é temporizar a chave de frenagem reversora para acionar e desacionar com um tempo máximo de alguns milissegundos assim evita a reversão Os contatores utilizados nesse sistema de frenagem devem suportar as correntes e esforços elétricos para a operação Fonte VIEIRA sd Figura 515 Esquema elétrico Frenagem por contracorrente Frenagem Dinâmica Em motores CA há uma energia excedente gerada quando a carga aciona o motor durante a desaceleração em vez do motor acionar a carga Essa energia volta para o inversor e tem como consequência um aumento da tensão no barramento CC Se essa tensão se elevar muito o inversor pode sofrer avarias Portanto é necessário aplicar uma frenagem dinâmica Quando a frenagem dinâmica é utilizada o inversor conecta a resistência de frenagem no barramento CC conforme figura a seguir para absorver o excesso de energia Para pequenos motores a resistência é embutida no inversor para grandes motores há a necessidade de bancos de resistências externos para essa função 90 Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 516 Inversor com frenagem dinâmica Frenagem CC Eletromagnética Essa frenagem é baseada na aplicação de corrente contínua ao enrolamento da armadura do motor e com isso fazendo com que o estator deixe de gerar um campo girante e sim um campo magnético fixo que irá parar o rotor Para esse tipo de frenagem é necessário tomar o cuidado para limitar a corrente contínua aplicada pois ela não pode exceder as características nominais do enrolamento da armadura provocando aquecimentos adicionais Alguns modelos de inversores de frequência trazem essa função agregada no equipamento para ser utilizada e parar o motor quando desejado 55 Exercícios de aplicação sobre sistemas de controle partida e parada de motores em CA Exercício de aplicação 1 Dado um MIT de 30 CV conectado em 380 VCA com rendimento de 94 e fator de potência igual a 085 Necessitase determinar as correntes circulantes de partida e a ser ajustadas no relé de proteção FT1 supondo uma partida por chave compensadora 91 Fonte FRANCHI 2008 Figura 517 Diagrama unifilar da chave compensadora Solução No contator K1 temos a corrente IK1 In Como a impedância do motor é constante sendo aplicadas tensão e corrente nominal temos 𝒁 𝑼𝑵 𝑰𝑵 Assim quando aplicarmos tensão reduzida teremos 𝒁 𝑲 𝑼𝑵 𝑰𝑺 Como a impedância Z é constante 𝑼𝑵 𝑰𝑵 𝑲 𝑼𝑵 𝑰𝑺 92 Iremos considerar a potência no primário do autotransformador aproximadamente igual a potência do secundário 𝑷𝑺 𝑼𝑺 𝑰𝑺 𝑼𝑷 𝑼𝑵 𝑷𝑷 𝑼𝑷 𝑰𝑷 As equações do secundário serão 𝑷𝑺 𝑼𝑺 𝑰𝑺 𝑼𝑺 𝑲 𝑼𝑵 𝑰𝑺 𝑲 𝑰𝑵 Igualando as potências do primário e secundário 𝑷𝑺 𝑷𝑷 𝑼𝑷 𝑰𝑷 𝑼𝑺 𝑰𝑺 𝑲 𝑼𝑵 𝑲 𝑰𝑵 𝑼𝑵 𝑰𝑲𝟐 Assim teremos 𝑰𝑲𝟐 𝑲𝟐 𝑰𝑵 Para calcular a corrente que passa pelo contator K3 temos 𝑰𝑺 𝑰𝑲𝟐 𝑰𝑲𝟑 𝑰𝑲𝟑 𝑰𝑺 𝑰𝑷 𝑰𝑷 𝑰𝑲𝟐 𝑲𝟐 𝑰𝑵 e 𝑰𝑺 𝑲 𝑰𝑵 𝑰𝑲𝟑 𝑲 𝑰𝑵 𝑲𝟐 𝑰𝑵 93 Resultando em 𝑰𝑲𝟑 𝑰𝑵 𝑲 𝑲𝟐 A corrente no relé de sobrecarga FT1 é a mesma do contator K1 pois o relé está ligado abaixo desse contator e a corrente que circula nele é a mesma do respectivo contator Com isso podemos concluir 𝑰𝑲𝟏 𝑰𝑵 𝑰𝑲𝟐 𝑲𝟐 𝑰𝑵 𝑰𝑲𝟑 𝑰𝑵 𝑲 𝑲𝟐 𝑭𝑻𝟏 𝑰𝑵 Onde K é fator de redução do autotransformador A tabela abaixo resume os valores das correntes nos contatores K2 e K3 para diversos Taps do autotransformador Tabela 51 Corrente nos contatores Chave compensadora Taps Vn Fator de Redução K IK2 IK3 85 085 072 x In 013 x In 80 080 064 x In 016 x In 65 065 042 x In 023 x In 50 050 025 x In 025 x In Fonte Elaborado pelo autor A redução da corrente de partida será 𝑰𝑷 𝑰𝑷 𝑰𝑵 𝑰𝑵 𝑲² Exercício de Aplicação 2 Dimensionamento de SoftStarters Para o correto dimensionamento geralmente recorremos a especificação e guias de fabricantes Sendo isso indispensável para o correto dimensionamento Visto que cada fabricante tem sua tecnologia Essas tabelas geralmente relacionam os dados básicos potência do motor tensão nominal etc com o modelo do inversor 94 Dado um sistema com um MIT de 20 CV tensão nominal de 380 V fator de potência de 085 e rendimento de 75 Dimensionar o softstarter para partida desse motor Solução Cálculo da corrente nominal 𝑰𝑵 𝟐𝟎 𝟕𝟑𝟔 𝟑 𝟑𝟖𝟎 𝟎 𝟖𝟓 𝟎 𝟕𝟓 𝟑𝟓 𝑨 Com base na tabela do fabricante abaixo Fonte NASCIMENTO 2013 Figura 518 Tabela SoftStarter Para efeito de dimensionamento nesse caso vamos adotar a pior condição de temperatura Portanto o modelo definido para as características descrita será o 45220440 que a 55C tem uma corrente nominal de 38 A e suporta motores com potência até 25 CV 185 kW Devese ter atenção ao sistema de proteção do motor contra curtocircuito e sobrecarga ao utilizar softstarters Pois como após a partida o softstarter é desativado e o sistema entra em bypass Assim contatores e relés de sobrecarga devem ser especificados conforme visto nos blocos anteriores 95 Caso o softstarter tenha proteção contra sobrecarga incorporado mais modernos uma proteção contra curtocircuito deverá ser dimensionada externamente fusíveis O critério pode ser o mesmo dos blocos anteriores Fonte NASCIMENTO 2013 Figura 519 Partida com SoftStarter Exercício de Aplicação 3 Dimensionamento do inversor Para o correto dimensionamento devemos saber o modelo tipo e sua potência conforme aplicação Basicamente para o correto dimensionamento devemos utilizar tabelas auxiliares de fabricantes Essas tabelas geralmente relacionam os dados básicos potência do motor tensão nominal etc com o modelo do inversor 96 Fonte NASCIMENTO 2013 Figura 520 Tabela Típica de Inversores Dado um sistema que possui um motor trifásico 4 polos 1 HP 380 V com rendimento de 95 e fator de potência de 085 Pretendese instalar um acionamento com possiblidade de variação de velocidade desse motor Dimensione o inversor de frequência para essa aplicação Potência do inversor Devemos saber qual o motor e carga que ele acionará Exemplo Rede 380 Vca Motor 1 HP Tipo de carga comum Levando em consideração a tensão da rede e os inversores fp 080 teremos 𝑰𝒊𝒏𝒗𝒆𝒓𝒔𝒐𝒓 𝑷𝒐𝒕ê𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒆𝒎 𝑾𝒂𝒕𝒕𝒔 𝒕𝒆𝒏𝒔ã𝒐 𝒓𝒆𝒅𝒆 𝒙 𝒇𝒑 𝟕𝟒𝟔 𝟑𝟖𝟎𝒙𝟎 𝟖𝟎 𝟐 𝟒𝟓 𝑨 Tipo de inversor Vamos adotar escalar Normalmente o vetorial é utilizado somente em condições de extrema precisão de rotação torque elevado para baixa rotação ou zero guindastes pontes rolantes elevadores etc 97 Modelo e fabricante De posse nos dados especificados temos que acessar catálogos de fabricantes e escolher um modelo adequado que atenda aos quesitos abaixo Tensão de entrada 380 Vca Tipo Escalar Corrente nominal 245 A Exercício de Aplicação 4 Dimensionamento do inversor Para o dimensionamento do inversor é comum também adotar uma técnica que é a elaboração de um checklist ou lista de verificação para aplicação do inversor Essa lista pode ser conforme abaixo Fonte NASCIMENTO 2013 Figura 521 Checklist para especificação inversor de frequência 98 O checklist acima trata de parâmetros preliminares que avaliam a instalação e o tipo de carga Após essa definição temos que adotar o checklist das características desejadas para o inversor Fonte NASCIMENTO 2013 Figura 522 Características do inversor As características para manobra da carga como a potência do motor a tensão nominal e a corrente nominal podem ser utilizadas na especificação inicial e estão presentes nos manuais de inversores conforme a tabela seguir 99 Fonte NASCIMENTO 2013 Figura 523 Tabela inversores típico de fabricante Dado um motor trifásico de indução de 40 CV 220 V fator de potência de 080 e rendimento de 95 Especificar o inversor de frequência para a partida e controle desse motor Solução Cálculo da corrente nominal 𝑰𝑵 𝟒𝟎 𝟕𝟑𝟔 𝟑 𝟐𝟐𝟎 𝟎 𝟗𝟓 𝟎 𝟖𝟎 𝟏𝟎𝟐 𝑨 Cálculo da potência aparente aproximada 𝑺 𝟑 𝟐𝟐𝟎 𝟏𝟎𝟐 𝟑𝟗 𝒌𝑽𝑨 Considerando que o torque seja constante CT o modelo a ser escolhido conforme tabela será 100 Modelo 107220230 Com base nos parâmetros determinados é possível comparálos com a tabela do fabricante desejado Basicamente a seleção de inversores de frequência se dá dessa forma pois cada fabricante possui as características particulares para um dado inversor De posse dos dados nominais do motor e instalação é possível escolher o modelo do inversor propício para o caso Conclusão Caro estudante neste bloco nós vimos os principais métodos de partidas e controle utilizandose de chaves eletrônicas Vimos também aplicações práticas e exercícios de aplicação para motores elétricos trifásicos utilizados no mercado Além disso pudemos observar métodos de controle avançados e frenagem de motores de indução trifásicos aplicados na indústria Referências Bibliográficas FRANCHI C M Acionamentos Elétricos São Paulo Érica 2008 NASCIMENTO G C D Comandos Elétricos Teoria e Atividades São Paulo Érica 2013 PETRUZELLA F D Motores Elétricos e Acionamentos Porto Alegre McGraw Hill 2013 RASHID M H Eletrônica de Potência Dispositivos Circuitos e Aplicação São Paulo Pearson 2010 VIEIRA F Frenagem de motor por contra corrente O que é e como fazer Blog ensinando Elétrica SD Disponível em httpsbitly3wVyaZr Acesso em 6 abr 2021 WEG SoftStarters SD Disponível em httpsbitly3hLdKxL Acesso em 6abr 2021 101 6 ACIONAMENTO DE MOTORES CC E MOTORES DE PASSO Apresentação Caro estudante você sabia que apesar da redução da aplicação nos últimos anos os motores de CC ainda são encontrados em algumas instalações e máquinas Com o avanço da tecnologia de controles eletrônicos os motores CC vêm sendo substituídos por motores de indução CA Apesar disso é muito importante conhecer as técnicas que envolvem os motores CC O objetivo desse bloco é apresentar as técnicas de acionamento dessas máquinas e aplicações Vamos lá 61 Motores CC Funcionamento especificação e características principais Os motores CC operam aproveitando as leis do magnetismo de atração e repulsão Geralmente os motores de corrente contínua são usados onde há uma exigência especial em relação a precisão de torque e velocidade Alguns exemplos são guindastes transportadores e elevadores A construção de um motor CC é mais complexa frente ao MIT principalmente por causa do comutador e escovas que fazem parte da armadura girante Por causa dessas escovascomutador há um aumento substancial no custo da manutenção do motor CC se comparado ao MIT A maioria dos motores CC são classificados de acordo com campo Esse campo pode ser elétrico ou de imã permanente série shunt ou composto Os principais parâmetros para mensurar o desempenho de um motor CC são a velocidade torque e a potência em seu eixo CV A figura a seguir ilustra o motor CC 102 Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 61 Características Principais de um motor CC Velocidade Referese à velocidade de rotação do eixo do motor e é medida em RPM Torque Referese à força de rotação no eixo do motor O torque é a força que age sobre o raio A unidade de torque geralmente é Nm Potência Referese à taxa na qual o trabalho e feito Como exemplo considere um HP é equivalente a levantar 15 Kg a uma altura de 1 metro em 1 minuto Quanto ao funcionamento do motor CC a figura abaixo ilustra esse princípio Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 62 Funcionamento de um motor CC 103 Para especificar um motor CC é necessário conhecer a potência requerida em seu eixo e o torque resistente da carga Com base nisso o projetista mecânico também deve fornecer a velocidade de rotação requerida Assim podese definir a potência e o tipo de ligação entre campo e armadura campo de imã permanente motor CC série motor CC shunt e motor CC composto Os motores com campo de imã permanente são aplicados principalmente em baixas potências Os motores CC série são fortes e produzem torque elevado a baixas velocidades são ideais para cargas mecânicas muito pesadas O motor CC shunt conecta com campo em paralelo com a armadura a principal vantagem desse tipo de ligação é a velocidade constante O motor CC composto mescla as características do motor série e shunt eles são utilizados geralmente onde há a necessidade de atender condições severas de partida e velocidade constante ao mesmo tempo Sentido de rotação Para inverter o sentido de rotação de um motor CC temos que interver o sentido da corrente de campo ou da armadura do motor Se inverter a corrente em ambos os enrolamentos o motor girará no mesmo sentido anterior 62 Acionamentos de motores CC Tipos de acionamento e configurações Especificação de acionamento De uma forma geral os dispositivos de partida magnéticos de um motor CC servem para iniciar e acelerar os motores à velocidade nominal e fornecer proteção contra sobrecarga Assim o motor CC necessita de uma unidade acionamento que são projetadas para fornecer além de proteção o acionamento preciso de velocidade torque aceleração desaceleração e sentido de rotação dos motores Portanto é comum na indústria a utilização de unidades de acionamento altamente sofisticadas que são capazes de comunicação com CLPs e outros supervisórios industriais 104 Essas unidades de acionamento também conhecidas como Driver são dispositivos eletrônicos que usam diferentes tipos de técnicas de acionamento de estado sólido A figura a seguir ilustra em um diagrama em blocos o funcionamento de um acionamento de um motor CC com velocidade variável Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 63 Diagrama em blocos Acionamento motor CC A unidade de acionamento da figura apresentada anteriormente é constituída por duas seções básicas a de potência e a de acionamento O funcionamento é descrito de forma sucinta a seguir A potência controlada para o motor CC é fornecida a partir da seção de potência formada por disjuntor conversor armadura shunt e contator CC O conversor retifica a alimentação CA trifásica convertendoa em CC para o motor CC Atingir um acionamento preciso do motor exige meios para avaliar o desempenho do motor e compensar automaticamente qualquer variação dos níveis desejados Essa é a função da seção de acionamento constituída pelo sinal de entrada de comando de velocidade bem como por várias realimentações e sinais de erro usados para controlar a saída da seção de potência 105 Os drivers dos motores CC geralmente usam um campo shunt independente da armadura isso ocorre por conta da necessidade de variar a tensão da armadura ou a corrente de campo para o pleno controle do motor Ao variar a tensão da armadura o motor produz torque total mas a velocidade varia Mas quando a corrente de campo é variada a velocidade do motor e torque variam A figura a seguir ilustra uma aplicação de um motor CC acionado por um Driver que proporciona um acionamento muito preciso de um sistema transportador Nesse caso o driver controla além da velocidade e torque a aceleração e desaceleração inclusive no sentido reverso Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 64 Driver alimentado motor CC de linha de produção 63 Servoconversores definição funcionamento principais componentes e características 106 O servoconversor é um dispositivo eletrônico utilizado para alimentar servomecanismos elétricos eles permitem controlar a velocidade torque e posição do motor Esses servomecanismos operam com um componente conhecido como servomotor O servoconversor envia sinais elétricos ao servomotor com a intenção de produzir um movimento proporcional no seu eixo Geralmente esse tipo de sistema opera com sensores conectados no servomotor para monitorar o status do equipamento malha fechada O controle em malha fechada compara a realimentação de velocidade ou posição com a velocidade ou posição definida e gera um comando modificado para tornar o erro menor O erro é a diferença entre a velocidade ou posição desejada e a velocidade ou posição real A figura a seguir mostra um sistema servomotor típico em malha fechada O servoconversor contra o funcionamento do servomotor ao enviar sinais de comando de velocidade ou posição para o amplificador que aciona Um dispositivo de realimentação como um encoder de posição e um tacômetro para velocidade podem ser incorporados dentro do servomotor ou montados externamente Eles fornecem as informações de realimentação de velocidade e de posição do servomotor que o controlador compara com o perfil de movimento programado e as utiliza para alterar a sua posição ou velocidade 107 Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 65 Sistema para acionamento com servoconversor Um servomotor também pode ser sem escovas conforme a figura a seguir Assim a comutação é feita eletronicamente O estator é normalmente trifásico como o de um MIT e o rotor possui imãs permanentes montados na superfície O motor também possui 3 sensores de efeito Hall H1 H2 H3 para detectar a posição do rotor e a comutação é realizada eletronicamente com base nos sinais dos sensores Com base nos sinais dos sensores os servoconversores controlam o circuito energizando as bobinas do estator na sequência de rotação correta e o torque desejado 108 Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 66 Servomotor CC sem escovas Os servoconversores possuem ajustes que devem ser configurados tais como Sentido de giro do motor Velocidade nominal do motor Corrente nominal São aplicações típicas de servoacionamentos Torno de superfície Sistemas de transporte Trefilas Misturadores Bobinadores Sistemas de dosagem 109 A velocidade de rotação de um servomotor é controlado pelo conversor ela fornece a razão entre o número de rotações de um eixo pelo período necessário para efetuar este número de rotações A velocidade de rotação é representada pela letra n Nos cálculos acadêmicos que utilizam o sistema internacional de unidades SI a velocidade de rotação é dada em rads radianos por segundo Na vida prática aplicada a engenharia costuma utilizar o rpm rotações por minuto ou rps rotações por segundo Essas unidades se relacionam da seguinte forma 𝟏 𝒓𝒑𝒔 𝟔𝟎 𝒓𝒑𝒎 𝟐𝝅 𝒓𝒂𝒅𝒔 E a potência mecânica no eixo vale 𝑷 𝟐𝝅 𝟔𝟎 𝒏 𝑻 𝑾 Em que n é a velocidade de rotação em rpm e T é o torque em Nm Exercício Um eixo de um motor necessita executar um torque de 3 Nm se a velocidade de rotação vale 1760 rpm qual é a potência no eixo desse motor Solução 𝑷 𝟐𝝅 𝟔𝟎 𝒏 𝑻 𝟐𝝅 𝟔𝟎 𝟏𝟕𝟔𝟎 𝟑 𝟓𝟓𝟐 𝟔𝟒 𝑾 Acrescentandose um fator de segurança de 20 um motor de 1 CV seria suficiente para atender a essa carga 64 Motores de passo e circuitos de acionamento Características e controle Os motores de passo funcionam de forma diferente dos motores usuais que giram continuamente quando uma tensão é aplicada em seus terminais O eixo do motor de passo gira em incrementos separados quando os pulsos de comando elétrico são aplicados na sequência correta Cada movimento é dividido em um certo número de passos e ao motor é enviado um pulso de tensão para cada passo A revolução é diretamente proporcional ao número de pulsos a velocidade de rotação está relacionada à frequência dos pulsos 110 Um motor de passo de 1 grau por passo necessita de 360 pulsos para completar uma revolução O número de graus por passo é conhecido como resolução Quando o motor de passo está parado ele fica posicionado na sua última posição comandada Os sistemas onde são aplicados os motores de passo são frequentemente sistemas de malha aberta onde o controlador comanda o motor apenas a quantidade de passos que ele deve se mover e em qual velocidade Nesses sistemas não há como detectar a posição em que o motor está no momento do acionamento e nem após Geralmente os motores de passo produzem menos de 1 HP e assim são mais utilizados em sistemas e aplicações de baixa potência A figura a seguir ilustra a aplicação de um motor de passo Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 67 Sistema de acionamento com motor de passo Os motores de passo podem ser de Relutância Variável Imã permanente Híbridos 111 Fonte ROBOCORE SD Figura 68 Motor de passo híbrido Quando se quer movimentar o motor de passo devese controlar a ordem de acionamento das fases e o sentido da corrente Existem três formas de controle FullStep Tipo de acionamento que movimenta o eixo rotor com passos completos Pode ser acionando uma ou duas fases por ciclo O acionamento com apenas uma fase é a configuração com menor torque Fonte ROBOCORE SD Figura 69 Acionamento de um motor de passos Fullstep 1 fase HalfStep Opera por meio da possibilidade de mesclar os 2 métodos 1 ou 2 fases descritos no item anterior Por conta disso é possível dobrar a quantidade de passos e assim melhorar a resolução Mas possui um torque reduzido frente ao método Full Step 112 Microstep Faz um controle na ordem do acionamento das bobinas e um controle de campo magnético fazendo com que tenha uma resolução aumentada se comparado com as técnicas anteriores Para ter acesso a todos os tipos de acionamento o motor de passo deve ter todos os seus terminais disponíveis Fonte QUEIROZ 2003 Figura 610 Acionamento de um motor de passo Unipolar 65 Controle de motores CC Dimensionamento e técnicas utilizadas Em algumas aplicações com motores de corrente contínua há a necessidade de um controle de velocidade para o processo A regulação de velocidade é a medida da capacidade de um motor para manter a velocidade do eixo desde uma situação sem carga até a carga plena se uma variação na tensão aplicada à armadura ou ao campo Um motor tem boa regulação de velocidade se a variação entre a velocidade sem carga e a em plena carga for pequena desde que outras condições se mantenham constantes Como exemplo podemos citar um motor com uma regulação de velocidade de 3 com velocidade nominal de 1500 rpm sem carga então significa que a velocidade diminuirá até 45 rpm quando mesmo tiver em plena carga A regulação de velocidade de um motor CC é proporcional à resistência da armadura e é geralmente expressa em percentual da velocidade base do motor 113 Motores com uma resistência de armadura muito baixa apresentam melhor regulação de velocidade A regulação de velocidade é calculada pela seguinte equação 𝑹𝒆𝒈𝒖𝒍𝒂çã𝒐 𝒗𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆 𝑽𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆 𝒔𝒆𝒎 𝒄𝒂𝒓𝒈𝒂 𝑽𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆 𝒆𝒎 𝒑𝒍𝒆𝒏𝒂 𝒄𝒂𝒓𝒈𝒂 𝑽𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆 𝒆𝒎 𝒑𝒍𝒆𝒏𝒂 𝒄𝒂𝒓𝒈𝒂 𝒙𝟏𝟎𝟎 Quanto menor o percentual do motor CC melhor é a regulação Para controle de velocidade do motor sempre adotamos como referência a velocidade nominal Para funcionamento fora da faixa da velocidade nominal podemos fazer da seguinte forma Abaixo da velocidade nominal Podemos operar nessa faixa reduzindo o valor da tensão aplicada à armadura Acima da velocidade nominal Para operar nessa faixa podemos reduzir a corrente de campo Essa técnica é conhecida como enfraquecimento de campo Temos que tomar um cuidado adicional quando operarmos os motores acima de sua rotação nominal Geralmente os fabricantes indicam na placa de identificação o valor da rotação máxima do motor Quando não há uma indicação recomendase entrar em contato com o fabricante para ter a certeza do limite de sobrevelocidade que pode acarretar danos à máquina e a pessoas Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 611 Ajuste de velocidade abaixo da nominal 114 Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 612 Ajuste de velocidade acima da nominal Para a partida de motores CC também temos que ter cuidado com a corrente de partida por isso podemos utilizar controladores eletrônicos de partida eletrônica de potência ou reostato de partida Ambos conectados à armadura e geralmente com a corrente de campo máxima caso dos motores Shunt Uma das principais vantagens dos motores CC é o controle de velocidade que é relativamente simples Em algumas situações não necessita de aplicação de técnicas muito sofisticadas para essa finalidade Quando se quer variar a velocidade tanto para maior quanto para menor em relação a rotação nominal também se pode controlar somente pela armadura e o campo é conectado a uma fonte de tensão constante ligação independente Com a armadura conectada a uma fonte variável de tensão ao aumentar ou diminuir o seu valor a velocidade do motor também aumenta ou diminui proporcionalmente Os motores CC controlados pela armadura são capazes de fornecer o torque nominal em qualquer velocidade entre zero e a velocidade nominal A potência varia na proporção direta da velocidade e 100 da potência nominal é desenvolvida apenas com 100 da velocidade com torque nominal Para a aplicação dessa técnica tem que verificar na placa do motor ou com o fabricante quanto a máxima tensão para aumento da velocidade nominal A figura a seguir ilustra um motor CC controlado pela armadura 115 Fonte PETRUZELLA 2013 Figura 613 Motor CC controlado pela armadura Para o acionamento e controle de motores CC são utilizadas as unidades de acionamento que são dispositivos que utilizam de eletrônica de potência para acionamento e controle dos motores São utilizadas em aplicações como bobinadeiras gruas mineração etc Essas unidades possibilitam um controle do motor mais eficientes do que com as técnicas inicialmente aplicadas historicamente resistores para controle dessas máquinas Exemplo de Aplicação Dado um motor de corrente contínua shunt operando na região linear da curva de magnetização com as características abaixo dados de placa Ra 1 Ohm Armadura RF 100 Ohms Campo Vn 250 V LAF 050 H Indutância mútua entre armadura e campo Nn 1700 rpm In 2750 A Determinar os estágios de partida para esse motor supondo que a corrente máxima não possa superar 2 vezes a corrente nominal 116 Solução A corrente máxima na partida deverá ser 𝑰𝑴 𝟐 𝟐𝟕 𝟓 𝟓𝟓 𝑨 Então a resistência vista pela armadura no momento da partida será 𝑹𝑨𝒑𝒂𝒓𝒕𝒊𝒅𝒂 𝟐𝟓𝟎 𝟓𝟓 𝟒 𝟓𝟒 𝑶𝒉𝒎𝒔 Agora devemos calcular o número de resistências N em série que deverá ter o objetivo de limitar a corrente de partida 𝑵 𝐥𝐧 𝑹𝑨𝒑𝒂𝒓𝒕𝒊𝒅𝒂 𝑹𝒂 𝒍𝒏 𝑰𝑴 𝑰𝑵 𝐥𝐧 𝟒 𝟓𝟒 𝟏 𝟎 𝒍𝒏𝟐 𝟏 𝟓𝟏𝟐𝟗 𝟎 𝟔𝟗𝟑𝟏 𝟐 𝟏𝟖 N deve ser um número inteiro portanto vamos adotar N 3 sempre maior Para N 3 a corrente máxima será 𝑰𝑴 𝑰𝑵 𝑹𝑨𝒑𝒂𝒓𝒕𝒊𝒅𝒂 𝑹𝒂 𝟑 𝟐𝟕 𝟓𝟎 𝟒 𝟓𝟒 𝟏 𝟑 𝟒𝟓 𝟓𝟑 𝑨 Agora calculamos os estágios para partida desse motor Como no total serão 3 estágios teremos Estágio 2 𝑹𝑨𝟐 𝑹𝑨𝒑𝒂𝒓𝒕𝒊𝒅𝒂 𝑰𝑵 𝑰𝑴 𝟒 𝟓𝟒 𝟐𝟕 𝟓𝟎 𝟒𝟓 𝟓𝟑 𝟐 𝟕𝟒 𝑶𝒉𝒎𝒔 Teremos 𝑹𝟏 𝑹𝑨𝒑𝒂𝒓𝒕𝒊𝒅𝒂 𝑹𝟐 𝟒 𝟓𝟒 𝟐 𝟕𝟒 𝟏 𝟖𝟎 𝑶𝒉𝒎𝒔 117 Agora no estágio 1 𝑹𝑨𝟑 𝑹𝑻𝟐 𝑰𝑵 𝑰𝑴 𝟐 𝟕𝟒 𝟐𝟕 𝟓𝟎 𝟒𝟓 𝟓𝟑 𝟏 𝟔𝟔 𝑶𝒉𝒎𝒔 𝑹𝟐 𝑹𝑨𝟐 𝑹𝑨𝟑 𝟐 𝟕𝟒 𝟏 𝟔𝟔 𝟏 𝟎𝟖 𝑶𝒉𝒎𝒔 Sabendo que Ra 1 Ohm portanto R3 será 𝑹𝟑 𝑹𝑨𝒑𝒂𝒓𝒕𝒊𝒅𝒂 𝑹𝒂 𝑹𝟏 𝑹𝟐 𝟒 𝟓𝟒 𝟏 𝟎 𝟏 𝟖𝟎 𝟏 𝟎𝟖 𝟎 𝟔𝟔 𝑶𝒉𝒎𝒔 Assim ficam definidos os estágios para partida desse motor Estágio 1 Ra R1 R2 R3 10 180 108 066 454 Ohms Estágio 2 Ra R1 R2 10 180 108 388 Ohms Estágio 3 Ra R1 10 180 280 Ohms Regime permanente Ra 10 Ohms Fonte CAMARGO 2007 Figura 614 Partida de um motor CC com resistências em série com armadura Conclusão Caro estudante neste bloco nós vimos os principais métodos de controle aplicados a motores de corrente contínua Foram verificadas as técnicas para controle de velocidade e partida desses motores CC Foi definida também a regulação de velocidade dos motores que quanto menor o percentual melhor é a regulação Assim os motores de corrente contínua são vantajosos frente ao CA dependendo da aplicação pois são relativamente fáceis de controlar 118 Com isso chegamos ao final da disciplina de Máquinas e Acionamentos Elétricos confira as Referências Bibliográficas e continue se aprimorando Bons estudos Referências Bibliográficas CAMARGO I Máquinas de Corrente Contínua GSEP 2007 Disponível em httpsbitly3wNJPJG Acesso em 25 abr 2021 PETRUZELLA F D Motores Elétricos e Acionamentos Porto Alegre McGraw Hill 2013 QUEIROZ R A D A Motores de Passo Salvador UNIFACS 2003 ROBOCORE Controlando Motores Motor de Passo SD Disponível em httpswwwrobocorenettutoriaiscontrolandomotordepasso Acesso em 10 abr 2021