Instalações Elétrica - Industrial - Partidas de Motores Elétricos

Instalações Elétrica - Industrial - Partidas de Motores Elétricos

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Instituto Federal Sul-Rio-Grandense

Curso de Eletrotécnica

3 Partida De Motores Trifásicos

3.1 Generalidades

Na partida dos motores ocorre de não haver f.c.e.m. o que faz que a corrente de partida atinja valores elevados. Em cálculos práticos aproximados pode-se considerar que a corrente de partida é de 6 a 8 vezes a corrente nominal (para motores médios e grandes) e até 15 vezes a corrente nominal para pequenos motores.

Este pico de corrente na arrancada é muito prejudicial, pois provoca grandes quedas de tensão na rede e grande efeito Joule (podendo queimar os fusíveis). Esta queda de tensão é muito ruim porque prejudica o funcionamento dos outros equipamentos que estão ligados à rede. Em conseqüência deste distúrbio sistemas de controle, proteção e iluminação podem ter seu funcionamento prejudicado, causando transtornos desagradáveis e perigosos.

Tendo em vista estes problemas as companhias fornecedoras de energia elétrica estabelecem regulamentos que exigem dispositivos de partida para motores de médio e grande porte que lhes reduzam a corrente de arranque. Observa-se que isto vem a prejudicar o torque de partida do motor podendo inclusive não ter condições de arrancar ou tornar a partida muito demorada o que também é um problema sério. Por isso não se deve reduzir demais a corrente de partida. Para reduzir a corrente de partida usa-se reduzir a tensão aplicada às bobinas do motor por meio de um dispositivo qualquer (estudaremos a seguir). Verifica-se que o torque de partida de um motor de indução trifásico é proporcional ao quadrado da tensão aplicada nas bobinas, portanto não é aconselhável aplicar menos de 60% da tensão nominal.

Sempre que os motores partem com carga é exigido o máximo de torque, assim podemos utilizar outros artifícios tais como as embreagens eletromagnéticas e sistemas mecânicos, que fazem com que o motor receba a carga no eixo somente após já ter alcançado a rotação devida.

Em outros casos os motores partem diretamente, mas para isso é necessário que a potência em kVA dos transformadores, as redes e outros equipamentos tenham condições de suportar as correntes de partida. Em geral é permitido partir motores diretamente até 9% dos kVA instalados nos transformadores, e estas partidas, ou ligação de motores, devem ser escalonadas, além do que, quando se utiliza motores de elevada potência que partem direto, estes motores operam com alta tensão (2200V, 3300V, etc.).

Os principais tipos de partida e suas características serão objetos do estudo detalhado nos itens seguintes.

3.2 Modos De Partida

3.2.1 Partida direta ou a plena tensão

Este é sistema de partida em que os terminais do motor são conectados diretamente à rede no instante da partida, recebendo, portanto tensão nominal na partida, disto resulta bom torque de partida, porém com os problemas da alta corrente.

É o método de partida mais simples, em que não são empregados dispositivos especiais de acionamento. Apenas são utilizados disjuntores, chaves interruptoras ou contatores.

Esta partida só é permitida pela maioria das concessionárias de energia elétrica quando o motor tiver potência igual ou menor a:

  1. 5 CV – rede trifásica de 220/110V

  2. 7,5 CV – rede trifásica de 380/220V

  3. 9% dos KVA do transformador se este for individual do consumidor.

De forma prática podemos considerar que o método de partida direta pode ser utilizado se as seguintes condições forem satisfeitas:

  1. A corrente nominal da rede é tão elevada que a corrente de partida do motor não é relevante;

  2. A corrente de partida do motor é de baixo valor porque sua potência é pequena;

  3. A partida do motor é feita sem carga, o que reduz o tempo de partida e, consequentemente, também os efeitos sobre o sistema de alimentação.

Os fatores que impedem a partida de motores de forma direta são:

  1. As condições impostas pela concessionária fornecedora de energia elétrica (visto anteriormente);

  2. A partida do motor provoca o desligamento dos circuitos dos outros motores ou dos disjuntores primários (proteção geral da rede);

  3. A carga a ser movimentada necessita de acionamento lento e progressivo.

Do ponto de vista elétrico da máquina motriz, o sistema de partida direta é o melhor sistema, visto que o motor parte com suas características nominais de projeto.

As chaves de partida direta são chaves que simplesmente ligam e desligam os motores, podem ser de acionamento manual ou automático, de alavanca, botão, manopla, direta ou reversora, etc. Veja os exemplos abaixo:

Chave marca Margirius, modelo CS501

Chave marca Margirius, modelo CS502

Chave marca Margirius, tipo comutadora

Chave marca Margirius, modelo CS102

3.2.1.1 Liga-Desliga

3.2.1.2 Reversora

3.2.2 Partida com tensão reduzida

Sempre que possível, a partida de um motor trifásico de gaiola deve ser direta, isto é, a plena tensão, por meio de um dispositivo de controle, geralmente um contator. Existem conjuntos pré-montados, para a partida direta de motores, que reúnem, no mesmo invólucro:

- dispositivo de controle (por exemplo, um contator tripolar);

- dispositivo de proteção contra sobrecarga (por exemplo, relé bimetálico);

- proteção do circuito terminal contra curto-circuito (por exemplo, dispositivo fusível).

Determinadas cargas ou máquinas necessitam de partidas suaves e aceleração gradativa, não suportando os altos valores de conjugados produzidos na partida direta (motor a plena tensão). Além disso, devemos obedecer às normas das concessionárias de energia elétrica que limitam a potência de partida direta, devido aos altos picos de corrente e conseqüente flutuação da tensão.

A grande maioria dos motores é fornecida com terminais do enrolamento religáveis, de modo a poderem funcionar em redes de pelo menos duas tensões diferentes. Os principais tipos de religação de terminais de motores para funcionamento em mais de uma tensão são: Chave Estrela-Triângulo e Ligação série-paralela. Podemos ainda partir motores com sistemas de corrente reduzida usando os seguintes dispositivos ou métodos:

  1. Chave compensadora

  2. Partida com resistores em série;

  3. Uso de motor de rotor bobinado ou motor de anéis;

  4. Conversores de freqüência;

  5. Sistemas eletrônicos tipo Soft-Starters.

3.2.3 Chave de partida estrela-triângulo (-)

Para a partida com chave estrela-triângulo (-), é fundamental que o motor tenha a possibilidade de ligação em dupla tensão, por exemplo, 220/380V, 380/660V ou 440/760V; os motores deverão ter, no mínimo, 6 bornes de ligação. A partida estrela-triângulo poderá ser usada quando a curva de conjugados de motor for suficientemente elevada para garantir a aceleração da máquina com a corrente reduzida. Na ligação estrela, a corrente fica reduzida para 33% da corrente de partida na ligação triângulo; a curva do conjugado é também reduzida na mesma proporção. Por esse motivo, sempre que for necessária uma partida estrela-triângulo, deverá ser usado um motor com conjugado elevado. Existem casos em que esse tipo de partida não pode ser aplicado.

No gráfico A apresentado a seguir temos um motor com alto conjugado resistente (CR). Se na partida estiver em ligação estrela, o motor acelera a carga até a velocidade n, aproximadamente 85% da rotação nominal, então a ligação deverá ser alterada para triângulo.

Gráfico A

Gráfico B

Legenda:

I - Corrente em triângulo

C - Conjugado em triângulo

IY – Corrente em estrela

CY – Conjugado em estrela

I/IN – relação entre a corrente de partida e corrente a nominal

C/CN – Relação entre o conjugado de partida e o conjugado nominal

CR – conjugado resistente

Nesse caso, a corrente que era aproximadamente a nominal, ou seja 100%, passa para 320%, o que não é vantagem, uma vez que, na partida, a corrente era somente de 190%.

No gráfico B, temos um motor com as mesmas características, porém o conjugado resistente é bem menor. Na ligação Y, o motor acelera a carga até aproximadamente 95% da rotação nominal. Quando a chave é ligada em , a corrente, que era aproximadamente 50%, sobe para 170%, ou seja, praticamente igual a da partida em Y. Aqui, a ligação estrela-triângulo apresenta vantagem, porque, se a ligação fosse direta, a corrente de partida seria de 600%.

Geralmente, a chave estrela-triângulo só deve ser empregada em partidas em vazio, ou com carga parcial; somente depois de ter sido atingida a rotação nominal, a carga (total) poderá ser aplicada.

A figura a seguir mostra esquematicamente a ligação estrela-triângulo num motor.

O enrolamento de cada fase tem as duas pontas trazidas para fora do motor. Se ligarmos as três fases em triângulo, cada fase receberá a tensão da linha, por exemplo, 220V (figura). Se ligarmos as três fases em estrela, o motor pode ser ligado a uma linha de tensão igual a sem alterar a tensão no enrolamento que continua igual a 220 volts por fase, pois,

Este tipo de ligação exige seis terminais no motor e serve para quaisquer tensões nominais duplas, desde que a segunda seja igual à primeira multiplicada por . Exemplos: 220/380V - 380/660V - 440/760V. Nos exemplos 380/660V e 440/760V, a tensão maior declarada só serve para indicar que o motor pode ser acionado através de uma chave de partida estrela-triângulo.Motores que possuem tensão nominal de operação acima de 600V deverão possuir um sistema de isolação especial, apto a esta condição.

3.2.4 Chave de partida série-paralelo

O enrolamento de cada fase é dividido em duas partes (lembrar que o número de pólos é sempre par, de modo que este tipo de ligação é sempre possível). Ligando as duas metades em série, cada metade ficará com a metade da tensão de fase nominal do motor. Ligando as duas metades em paralelo, o motor poderá ser alimentado com uma tensão igual à metade da tensão anterior, sem que se altere a tensão aplicada a cada bobina. Veja os exemplos das figuras a seguir.

Este tipo de ligação exige nove terminais no motor e a tensão nominal (dupla) mais comum, é 220/440V, ou seja, o motor é religado na ligação paralela quando alimentado com 220V e na ligação série quando alimentado em 440V. As figuras anteriores mostram a numeração normal dos terminais e os esquemas de ligação para estes tipos de motores, tanto para motores ligados em estrela como em triângulo. Os mesmos esquemas servem para outras duas tensões quaisquer, desde que uma seja o dobro da outra, por exemplo, 230/460V.

Nestes casos, o motor parte com tensão reduzida em suas bobinas. A chave série-paralelo proporciona uma redução de corrente para 25% do seu valor para partida direta.

É apropriada para cargas com partida necessariamente em vazio, pois o conjugado de partida fica reduzido a 1/4 de seu valor de tensão nominal (partida direta). Este tipo de chave é utilizado para motores de 4 tensões (220/380/440/760V) e no mínimo 9 terminais acessíveis.

3.2.4.1 Triângulo Série-Paralelo (-)

Chave de partida própria para motores com a execução dos enrolamentos em 220/380/440/660V ou 220/440V.

A tensão da rede deve ser necessariamente 220V.

Na partida executa-se a ligação triângulo série (apto a receber 440V) e aplica-se a tensão de triângulo paralelo (220V). Após a partida, quando o motor alcançar aproximadamente 90% da rotação nominal, comuta-se a ligação para triângulo paralelo assim as bobinas passam a receber tensão nominal (220V).

Ligação Triângulo Série-Paralelo

3.2.4.2 Estrela Série-Paralelo (-)

Chave de partida própria para motores com a execução dos enrolamentos em 220/380/440/660V ou 380/760V.

A tensão da rede deve ser necessariamente 380V.

Na partida executa-se a ligação estrela série (apto a receber 760V) e aplica-se a tensão de estrele paralelo (380V).

Após a partida, quando o motor alcançar aproximadamente 90% da rotação nominal, comuta-se a ligação para triângulo paralelo assim as bobinas passam a receber tensão nominal (380V).

Ligação Estrela Série-Paralelo

3.2.5 Chave compensadora

Esta chave de partida alimenta o motor com tensão reduzida em suas bobinas, na partida. A chave de partida compensadora pode ser usada para motores que partem sob carga. O conjugado resistente de partida da carga deve ser inferior à metade do conjugado de partida do motor.

A redução de tensão nas bobinas (apenas durante a partida) é feita através da ligação de um autotransformador em série com as mesmas. Na partida aplica-se tensão reduzida (50% a 80%) conforme a exigência da carga. Após o motor ter atingido cerca de 90% da rotação nominal comuta-se para tensão nominal. Esta chave pode ser utilizada para qualquer numero de terminais acessíveis.

A chave comutadora tem contatos imersos em óleo e um autotransformador subdimensionado que limita o número de partidas, pois aquece muito, portanto se deve observar as instruções quanto ao número máximo de partida e sua duração.

As chaves compensadoras manuais são dotadas de proteção mecânica que só permite a ligação em plena tensão depois de ter sido dada a partida com tensão reduzida e há um eletroímã que mantém a chave ligada na posição de plena tensão. Quando o circuito do eletroímã for desenergizado por falta de energia elétrica, por sobrecarga, por ação do botão desliga ou pela retirada da tampa o motor é desligado e deve ser dada uma nova partida.

A redução da corrente de partida depende do Tap em que estiver ligado o autotransformador.

 TAP 50% - redução para 25% do seu valor de partida direta

 TAP 65% - redução para 42% do seu valor de partida direta

 TAP 80% - redução para 64% do seu valor de partida direta

Seja, por exemplo, um motor ligado a um circuito de 220V, cuja corrente de partida seja de 100A. Com o autotransformador no Tap 65%, a tensão nos bornes do motor será:

Com a tensão reduzida para 65%, a corrente no motor será também 65% da de partida, ou seja, 65A. A corrente no circuito antes do autotransformador IL será:

Sendo VL a tensão do circuito. Daí:

Devemos lembrar que o produto corrente x tensão é igual na entrada e na saída do autotransformador, isto é:

O conjugado de partida é proporcional ao quadrado da tensão aplicada aos bornes do motor, no caso 0,65x0,65=0,42, ou seja, aproximadamente a metade do conjugado nominal.

Abaixo podemos ver figuras ilustrativas de chaves compensadoras automáticas para partida de motores.

3.2.6 Partida eletrônica (soft-starter)

O avanço da eletrônica permitiu a criação da chave de partida a estado sólido, a qual consiste de um conjunto de pares de tiristores (SCR) (ou combinações de tiristores/diodos), um em cada borne de potência do motor. O ângulo de disparo de cada par de tiristores é controlado eletronicamente para aplicar uma tensão variável aos terminais do motor durante a aceleração. No final do período de partida, ajustável tipicamente entre 2 e 30 segundos, a tensão atinge seu valor pleno após uma aceleração suave ou uma rampa ascendente, ao invés de ser submetido a incrementos ou saltos repentinos. Com isso, consegue-se manter a corrente de partida (na linha) próxima da nominal e com suave variação. Além da vantagem do controle da tensão (corrente) durante a partida, a chave eletrônica apresenta, também, a vantagem de não possuir partes móveis ou que gerem arco, como nas chaves mecânicas. Este é um dos pontos fortes das chaves eletrônicas, pois sua vida útil torna-se mais longa.

Para maiores informações vide catálogo Weg de Soft-starters, arquivo “4-41.pdf” disponível na internet em http://www.weg.com.br, seção de downloads ou junto aos distribuidores e as assistências técnicas ou representantes Weg.

Disciplina: Instalações Elétricas – Módulo 3

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