softstarte e inversor de frequência

softstarte e inversor de frequência

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Módulo IV - Comandos Industriais I

Chaves de Partida Suave Soft-Starter e Inversor de Freqüência

Módulo IV - Comandos Industriais I

Chaves de Partida Suave Soft-Starter e Inversor de Freqüência

Material instrucional especialmente elaborado pelo Prof. Jacson Rodrigo Dreher, para uso exclusivo do CEFET/SC, Unidade de Chapecó.

1. INTRODUÇÃO4
1.1. O Motor de Corrente Alternada4
1.1.1. O motor CA assíncrono4
1.2. Sistemas de Partida Eletromecânica7
1.2.1. Partida direta7
1.2.2. Partida estrela-triângulo8
1.2.3. Partida com autotransformador9
2. SOFT-STARTER1
2.1. Princípio de Funcionamento13
2.1.1. Uma fase controlada13
2.1.2. Duas fases controladas14
2.1.3. Três fases controladas15
2.2. Principais Funções da Soft-Starter15
2.2.1. Rampa de tensão16
2.2.2. Pulsos de tensão de partida (kick start)17
2.2.3. Limitação de corrente17
2.2.4. Rampa de tensão na desaceleração18
2.3. Proteções18
2.3.1. Sobrecorrente imediata na saída18
2.3.2. Subcorrente imediata19
2.3.3. Outros parâmetros20
2.4. Descrição dos Parâmetros20
3. INVERSOR DE FREQÜÊNCIA21
3.1. Introdução21
3.2. Princípio de Funcionamento do Inversor de Freqüência21
3.2.1. Modulação PWM23
3.3. Curva Tensão/Freqüência27
3.4. Inversor Escalar29
3.5. Inversor "Vetorial" de Tensão29
3.6. Inversores Vetoriais de Fluxo30
3.7. Diferenças entre Inversores Escalares e Vetoriais de Fluxo31
3.8. Blocos do Inversor de Freqüência31
3.8.1. 1º Bloco - CPU32
3.8.2. 2º Bloco - IHM32
3.8.3. 3° Bloco – Interfaces32
3.8.4. 4º Bloco - Etapa de potência3
3.9. Sistemas de Entrada e Saída de Dados3
3.9.1. Interface homem máquina (IHM)3
3.9.2. Entradas e saídas analógicas34
3.9.3. Entradas e saídas digitais34
3.9.4. Interface de comunicação serial34
3.10.1. Acionamento pela IHM35
3.10.3. Acionamento pela função multispeed35
3.10.4. Acionamento pelas entradas analógicas36
3.1. Como Instalar Um Inversor de Freqüência37
3.1.1. Regras para a Instalação do Inversor de Freqüência40
3.12. Parametrizando um Inversor de Freqüência42
3.13. Dimensionamento42
3.13.1. Capacidade do inversor42
3.13.2. Tipo de inversor43
3.13.3. Modelo e fabricante43

1. INTRODUÇÃO

1.1. O Motor de Corrente Alternada

Para melhor entendermos o inversor de freqüência temos que fazer uma previa sobre o funcionamento do motor de corrente alternada. Por que motor de corrente alternada? Nos processos de automação industrial a tecnologia em corrente continua praticamente deixou de existir. É fato que ela ainda pode ser encontrada em equipamentos antigos, mas seus dias estão contados: a tecnologia em CA e mais barata versátil e de maior confiabilidade. Existem vários tipos de motor CA no mercado (síncrono, assíncrono, universal, servo-motores, etc).

Vantagens na utilização do MIT: - Construção simples;

- pouca manutenção;

- custo reduzido;

- vida útil prolongada;

- facilidade de manobra;

- fabricado para frações de potência até centenas de H.P.

Desvantagens na utilização do MIT: -para altas potências exige dispositivos de partida;

-alto custo na recuperação do motor.

1.1.1. O motor CA assíncrono

A Figura 1 mostra a estrutura do motor CA simplificada. O motor de indução trifásico se divide em duas partes principais; o estator e o rotor. A carcaça, o terceiro elemento do motor, serve apenas para sustentar o estator e o rotor, não tem função elétrica. O estator é a parte fixa do motor. É construído de material ferromagnético de alta permeabilidade. O estator é construído por um pacote de lâminas, possuindo na parte interna as ranhuras. Além de alojar as ranhuras tem a função de conduzir o campo magnético criado pelos enrolamentos que estão alojados nas ranhuras.

O rotor é a parte móvel do motor. Também construída de material ferromagnético de alta permeabilidade. O rotor tem a função de: transmitir a energia mecânica no eixo, alojar as ranhuras para os enrolamentos rotóricos e compor o circuito magnético, facilitando a circulação do campo magnético.

No caso do motor CA assíncrono o rotor não tem bobinas. Chamamos isso de rotor em curto-circuito ou ”gaiola de esquilo”.

Figura 1 - Estrutura básica de um motor CA

O principio de funcionamento pode ser visto na Figura 2. Basicamente o que temos é um campo girante que induz uma corrente no rotor. Como este está em curtocircuito, um campo eletromagnético cria-se ao seu redor e é atraído pelo campo. Analogamente é como um imã permanente atraindo um objeto metálico sobre a mesa.

Figura 2 - Campo girante no motor CA Assíncrono

”Mas por que o nome assíncrono?” No ambiente industrial a maior parte da rede elétrica e trifásica. Em uma rede deste tipo temos três senóides defasadas de 120º elétricos uma da outra conforme Figura 3. A própria natureza da tensão, portanto, causa o campo girante entre os pólos.

Figura 3 - Corrente alternada trifásica

Obviamente a velocidade com que esse campo gira e proporcional à freqüência da rede elétrica. O fato é que sob carga temos uma forca contrária atuando no rotor, afinal ele está movimentando uma carga mecânica. Isso cria um fenômeno chamado escorregamento, ou seja, a velocidade do campo girante é sempre maior que a velocidade de rotação do rotor uma vez que ele esta sendo atrasado devido à forca necessária para provocar tal movimento. Sendo assim quanto maior o torque exigido no motor maior será o atraso em relação ao campo girante. Dai o nome motor assíncrono.

Mesmo girando em vazio sem carga a própria massa do rotor e os atritos com os rolamentos já provocam um torque resistente e uma conseqüente ”assincronia” entre a velocidade do campo girante e o rotor. Bem, o fato é que há ”n” parâmetros a serem considerados em um motor elétrico. Por hora vamos nos concentrar apenas em dois deles: a velocidade de rotação e a potência. A velocidade do motor CA pode ser calculada pela formula.

n p = onde: n = velocidade de rotação em rpm; f = freqüência da rede de alimentação; p= numero de pólos;

Podemos concluir então que a velocidade é diretamente proporcional a freqüência de alimentação e inversamente ao número de pólos. A fórmula, entretanto, e válida apenas para o motor em vazio, ou seja, sem carga. A medida que colocamos um torque resistente ao seu eixo sua velocidade tende a cair.

A potência elétrica do motor é o produto da tensão de alimentação pela corrente e pelo fator de potência. Para um motor monofásico teremos:

..cosPUIϕ=

Para um motor trifásico:

O fator de potência é uma característica construtiva do motor. Este é um dado que deve vir expresso no catálogo e até no próprio motor e seu valor médio encontrase entre 0,85 a 0,95 (sempre menor do que um).

A potência mecânica é o produto do seu torque (Newton x metro) pela velocidade de rotação. Normalmente ela e expressa em HP. Para converter Watts em HP basta fazer uma regra de três sendo: 1 HP = 746W. Algumas vezes utiliza-se também o CV e neste caso temos: 1 CV = 736W.

1.2. Sistemas de Partida Eletromecânica

É fato de que ainda hoje encontramos em campo vários sistemas de partida que utilizam contatores como elementos chaveadores. Antes de iniciarmos nossos estudos sobre soft-starters, vamos a uma prévia sobre eles.

1.2.1. Partida direta

O primeiro e mais simples sistema é o de partida direta ilustrado na Figura 4.

Nele o motor é ligado de uma sé vez na rede elétrica. A corrente de partida pode atingir mais de seis vezes a corrente nominal. Caso a carga mecânica tenha alta inércia, este valor pode perdurar por vários segundos, até o motor atingir sua rotação nominal. A rede elétrica bem como os equipamentos a ela ligados deve suportar esse transiente. Para motores com potência acima de 3 CV (aproximadamente 2208 W) isso não e uma tarefa fácil.

Figura 4 - Partida direta.

1.2.2. Partida estrela-triângulo

A técnica da partida estrela-triângulo é simples e pode ser vista na Figura 5.

Trata-se de alterar o fechamento das bobinas internas do motor inicialmente em estrela (Y) para triangulo (∆). Um relé temporizador é regulado de modo que o tempo seja suficiente para vencer a inércia. O motor parte com tensão reduzida, uma vez que ligado em estrela, a tensão em cada bobina é 3 vezes menor que a tensão da rede.

Após o tempo de partida, as bobinas são fechadas em triângulo (ou fechamento delta) onde então toda a tensão é aplicada a cada conjunto de bobinas. Na verdade esse sistema divide um grande pico de corrente de partida em dois menores, sendo um de duas a três vezes a corrente nominal para partida em estrela e o segundo de mesma magnitude para mudança de estrela para delta.

Figura 5 - Partida estrela-triângulo.

1.2.3. Partida com autotransformador

A Figura 6 ilustra o esquema da partida com autotransformador. Nesse caso o motor é ligado a um tap, que pode ser de 50%, 65% e 80% da tensão nominal da rede. Apos vencida a inércia, o motor é ligado diretamente. No instante da partida os contatores K2 e K3 fecham-se, enquanto K permanece aberto. Desta maneira o motor parte com tensão reduzida oriunda do tap. Apos a inércia da partida K2 e K3 abrem e K1 liga o motor à rede. Essa transição pode ser feita manualmente, através de botoeiras ou automaticamente com reles temporizadores.

10 Figura 6 - Partida com autotransformador

2. SOFT-STARTER

Com a redução do preço dos componentes estáticos de potência (tiristores,SCRs, etc.) utilizar um sistema de partida suave para motores elétricos de indução tornou-se uma alternativa mais econômica e eficaz.

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