inversores de frequencia

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA COLÉGIO TÉCNICO INDUSTRIAL DE SANTA MARIA Curso de Eletrotécnica

Apostila de Automação Industrial Elaborada pelo Professor M.Eng. Rodrigo Cardozo Fuentes

Prof. Rodrigo C. Fuentes Campus- UFSM – Prédio 5 Email: fuentes@smail.ufsm.br Web-site: w3.ufsm.br/fuentes

SANTA MARIA – RS 2005

7. DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS PARA A PARTIDA E OPERAÇÃO DO MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO

Soft-Starter7.1
7.1.1. Introdução:7.1
7.1.2. Principio de Funcionamento:7.2
7.1.3. Áreas de aplicação do SOFT-STARTER:7.2
7.1.4. Outras características especiais:7.3
7.1.5. Esquema elétrico simplificado:7.3
7.1.5.1 Variação de Tensão no Motor7.4
7.1.6. Instalação:7.5
7.1.7. Tipos de parametrizações para Partidas e Paradas7.5
7.1.8. Exemplos de Aplicações7.8
7.2. Conversores de Freqüência para Motores de Indução Trifásicos7.13
7.2.1. Introdução:7.13
7.2.2. Principio de Funcionamento:7.13
7.2.2.1 Etapa de entrada ou Retificador7.13
7.2.2.2 Etapa intermediária ou Filtro7.14
7.2.2.3 Etapa de saída ou Inversor7.15
7.2.3. Curvas Características:7.16
7.2.4. Instalação:7.19
7.2.4.1 Cuidados na instalação:7.19
7.2.4.2 Ligação padrão para rede trifásica:7.20
7.2.5. Modo de Monitoração:7.21

7.1 Partida e Parada de Motores Trifásicos de Indução através do 7.3. Conclusão .................................................................................................. 7.21

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7. Dispositivos Eletrônicos para a Partida e Operação do Motor de Indução Trifásico

7.1 Partida e Parada de Motores Trifásicos de Indução através do Soft- Starter

Os motores de indução trifásicos, devido a sua construção robusta, baixo custo e pouca manutenção, são cada vez mais utilizados como força motriz no meio industrial. No entanto apresentam picos de corrente e de conjugado indesejáveis quando em partida direta. Para amenizar estes problemas durante a partida são utilizados vários métodos, como partidas estrela-triângulo ou compensadoras. Estes métodos conseguem uma redução na corrente de partida e no conjugado, porém a comutação é por degraus de tensão e suas características não satisfazem a todos os tipos característicos de cargas.

Agora surge um novo conceito de partida e parada de motores, de forma controlada: as chaves estáticas de partida e parada de motores soft-starters.

Modelos de Soft-Starter frabricados pela WEG S/A

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7.1.2. Principio de Funcionamento:

O principio de funcionamento baseia-se na redução da tensão nos bornes do motor durante a partida. Através de um comando eletrônico microprocessado são acionados dispositivos semicondutores de potência que ajustam a tensão enviada ao estator do motor. Desta forma, consegue-se aliviar o acionamento dos altos conjugados de aceleração do motor de indução e proteger a rede elétrica das elevadas correntes de partida. Com a limitação do conjugado de aceleração praticamente elimina-se os trancos mecânicos, suavizando o movimento da carga a ser deslocada, e assim um desgaste menor de todas as partes mecânicas do conjunto motor/carga. Consequentemente, maiores intervalos entre manutenções, maior segurança operacional e menos tempo fora de operação.

São fabricados modelos com interface RS 232, que permite a conexão em rede, com isso, a parametrização é feita com maior precisão através de um microcomputador. O software permite a inserção de até três conjuntos de parâmetros, isto é, três partidas diferentes. Estes parâmetros são gravados, sendo possível monitorar a partida via microcomputador, ou desconecta-lo, operando o aparelho diretamente.

7.1.3. Áreas de aplicação do SOFT-STARTER:

- acionamentos elétricos que processam materiais sensíveis a trancos mecânicos e trações. - acionamentos de bombas.

- acionamentos com longos períodos com carga parcial (ou em vazio).

- máquinas com transmissão por engrenagem, correia e corrente.

- acionamentos com momento de inércia elevado. Como por exemplo: - exaustores, compressores, bombas.

- esteiras transportadoras, guindastes, escadas rolantes.

- máquinas - ferramenta, retificas, máquinas de corte, trefiladoras, máquinas têxteis e de injeção de plástico. - prensas, calandras, britadeiras, misturadoras.

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7.1.4. Outras características especiais:

- a concepção é compacta com economia de espaço, com isso, fácil de integrar no ramal do motor. - as múltiplas possibilidades de programação na partida, na operação em regime e na parada. - facilidade de montagem e colocação em serviço. - funções de proteção e monitoração. - comunicação com PC para simplicidade de colocação em serviço, monitoração e comando do acionamento.

7.1.5. Esquema elétrico simplificado:

Esquema Elétrico Interno Simplificado da Soft-Starter

Rede de Alimentação

Motor de Indução Trifásico

Circuito

Eletrônico de Controle i, v

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Os tiristores são acionados através de um controle microprocessado, que determina os ângulos de disparo. Alterando desta forma o valor de tensão aplicada ao motor. 7.1.5.1 Variação de Tensão no Motor

Rampa de Tensão na Partida

Rampa de Tensão na Parada Otimização na Operação com Carga Abaixo da Nominal

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7.5 7.1.6. Instalação:

Circuito básico para instalação da Soft-Starter 7.1.7. Tipos de parametrizações para Partidas e Paradas

Várias programações são possíveis tanto na partida como na parada:

Partida em rampa de tensão: Inicialmente é aplicada uma tensão Vi inferior a tensão da rede de alimentação. Esta tensão apresenta um limite mínimo inferior conforme o modelo do soft-starter e seu valor deve ser estabelecido conforme a característica de conjugado da carga. Inicia-se então uma rampa de tensão até que se atinja a tensão da rede de alimentação. O tempo de subida desta rampa é parametrizado no soft-starter de acordo com as características de conjugado da carga.

Soft Starter

Motor

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Partida em rampa de tensão

Partida com Impulso de tensão: Aplica-se um impulso de tensão cujo nível e duração são parametrizáveis de acordo com a inércia de partida da carga. Quanto maior a inércia de partida mais amplo e duradouro deverá ser o impulso de tensão. Na seqüência de operação do soft-starter é então aplicada a rampa de tensão, conforme os parâmetros estabelecidos na partida em rampa.

Partida com impulso de tensão

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Partida com Limite de corrente: Nesta modalidade de partida limita-se apenas a corrente que circulará através do soft-starter e motor. Confere-se portanto um grau de liberdade para a variação de tensão sobre o motor. O valor limite de corrente varia de acordo com as características da carga. O valor mínimo de corrente deverá ser superior a corrente nominal do motor.

Partida com limitação de corrente

Parada com rampa de tensão: A parada em rampa de tensão proporcionará ao motor uma desaceleração gradual graças a redução linear da tensão aplicada. Deve-se parametrizar o tempo de rampa e a tensão mínima de rampa. Adicionalmente pode-se parametrizar, em alguns modelos de soft-starter, uma frenagem por injeção de corrente contínua ao final do processo de desaceleração, garantindo assim uma parada completa e instantânea do eixo do motor.

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Parada com rampa de tensão

Função "economia de energia": o motor operando com carga reduzida apresenta baixo fator de potência e redução no rendimento. Ativando-se a função economia de energia, o soft-starter otimiza o ponto de trabalho do motor, através da redução da tensão, minimizando as perdas por reativos, e fornecendo somente a potência ativa necessária para a manutenção da rotação nominal com carga parcial, ou seja, reduzindo perdas e elevando o fator de potência e rendimento.

7.1.8. Exemplos de Aplicações

Para a correta escolha do tipo de partida a ser empregado com o soft-starter deve-se considerar a característica de conjugado de carga do elemento que o motor elétrico está acionando. Cada carga apresenta um comportamento característico em função da rotação. Entretanto de um modo simplificado pode-se caracterizar a grande maioria dos conjugados de carga com relação a rotação como sendo funções:

• Lineares C(n)=a n+b;

• Quadráticas C(n)= a.n2+b.n+c;

• Exponenciais C(n)= a.b-n;

• Constantes C(n)=a

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Representação dos vários tipos de conjugados de carga em função da rotação Conjugados de carga com comportamento linear:

• Calandras; • Laminadoras de tecidos e papel;

• Roscas de injeção (com câmara vazia).

O conjugado resistente da carga aumenta linearmente com a rotação. Uma calandra consiste de dois cilindros, dispostos um sobre o outro e girando em sentido contrário entre si. A calandra aplaina e compacta papel e tecido entre suas superfícies de contado. O elevado momento de inércia dos cilindros resulta, mesmo com partida direta, em longos tempos de partida, durante os quais fluiria a corrente de partida plena. 0 conjugado de aceleração elevado envolveria o risco de rompimento do papel ou do tecido, o que causaria paralisação da produção e máquina parada. Através das funções “Partida suave” e "Parada suave", o SOFT-STARTER evita eficazmente conjugados de aceleração elevados e limita a corrente de partida. A partida mais adequada a estas cargas é a partida em rampa de tensão. A tensão inicial selecionada não deve ser muito alta para manter tanto a corrente de

C onjugado Rotação

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UFSM – CTISM – Prof. Rodrigo Cardozo Fuentes partida como o conjugado de aceleração baixo. O tempo de rampa selecionado não deve ser muito longo, senão o motor ficaria em baixa rotação havendo sobreaquecimento, ativando a proteção eletrônica do aparelho (bloqueio da operação). Em toda a faixa de rotação, o conjugado do motor deveria ficar acima do conjugado resistente da carga o equivalente a aproximadamente 15% do conjugado nominal (isto é, 15% de conjugado de aceleração).

Conjugados de carga com comportamento quadrático: • Bombas centrífugas;

• Exaustores;

• Ventiladores.

O conjugado resistente da carga aumenta ao quadrado com a rotação. No caso especial das bombas, deve-se evitar o golpe de aríete (onda de pressão da coluna d’água quando da aceleração e frenagem do fluxo d’água). Esse golpe de aríete pode danificar tanto a bomba como também as tubulações e as válvulas de retorno. Além disso, ele pode gerar incomodo aos moradores próximos a uma estação de bombeamento com um forte estrondo.

Exaustores possuem normalmente, um momento de inércia muito alto (possibilidade de 10 até 200 vezes o momento de inércia do motor). No caso de ligação direta, isso condiciona a corrente de partida plena durante um período longo, o que conduz, primeiramente, A queda de tensão na rede.

Através das funções partida suave e parada suave da bomba, o SOFT-

STARTER evita com eficácia o golpe de aríete. Com isso, prolongam-se os intervalos de manutenção, e as interrupções de operação em decorrência de sobrecargas mecânicas.

A partida mais adequada a estas cargas é a partida em rampa de tensão A tensão de partida selecionada não pode ser muito alta, senão o golpe de aríete não pode ser evitado. Também não pode ser muito baixa, para que o motor tenha arranque firme. Em toda a faixa de rotação, o conjugado do motor deveria ser aproximadamente 15% superior ao conjugado de carga.

Conjugados de carga com comportamento exponencial decrescente: • Bobinadeiras;

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• Descascadeiras circulantes;

• Tornos.

O conjugado resistente da carga diminui com o aumento da rotação. A carga apresenta uma elevada inécia inicial e a sua aceleração exige um conjugado de partida elevado, mas a necessidade de conjugado decresce com o aumento da rotação.

Uma partida estrela-triângulo não é ideal pois apenas 1/3 do conjugado do motor estaria disponível, e o motor só partiria após a comutação para a ligação triângulo, o que equivale a uma partida direta. Através da partida com impulso de tensão, ajustável em sua amplitude e duração, coloca-se a disposição exatamente o conjugado motor necessário para o arranque. Em seguida, a tensão é reduzida, aplicado-se uma rampa de tensão para ajustar o conjugado do motor à curva característica da carga.

O impulso de tensão para partida selecionado não pode ser muito alto, uma vez que isto significaria uma partida direta, com isso, fluiria a corrente de partida plena e o conjugado de aceleração seria máximo; a duração do impulso de tensão não deve ser muito longa pois o impulso de tensão para partida só deve estar um pouco acima do conjugado de arranque da carga e, após o arranque, o conjugado do motor precisa ser reduzido o mais rapidamente possível.

Conjugados de carga com comportamento constante: • Bombas de pistão;

• Compressores contra pressão constante;

• Escada Rolante;

• Esteira transportadora;

• Guindastes;

• Máquinas ferramenta com corte constante.

O conjugado resistente da carga é constante em toda a faixa de rotação mas também podem ocorrer conjugados de arranque levemente superiores. Outros exemplos:

Em uma partida e parada diretas, os materiais a serem transportados tombariam ou ficariam danificados, (no caso de pessoas sendo transportadas: quedas, ferimentos, falta de segurança).

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Se a tensão de partida for muito baixa, o motor permanecerá bloqueado até que a tensão atinja um nível em que o conjugado do motor seja superior ao conjugado resistente.

Em um dispositivo de partida estrela-triângulo o acionamento só arrancaria após a comutação para triângulo, o que equivaleria a uma partida direta.

Com as funções partida suave e parada suave, bem como, eventualmente, um impulso de partida ajustável no nível de tensão e na duração, o SOFTSTARTER é excepcionalmente adequado para dar partida e parar suavemente esteiras transportadoras, elevadores e escadas rolantes.

O impulso de tensão para partida selecionado não pode ser muito alto, porque significaria uma partida direta e, com isso, fluiria a corrente de partida plena e o conjugado de aceleração máximo (tranco mecânico na carga). A tensão de partida não pode ser muito baixa , para que o motor não deixe de partir.

Uma outra opção de partida adequada a este tipo de carga é a partida com limitação de corrente, onde é parametrizado o limite máximo de corrente permitido para a partida. O Soft-starter se encarregará de proporcionar a tensão suficiente ao motor desde que não ultrapasse o limite de corrente estabelecido.

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7.2. Conversores de Freqüência para Motores de Indução Trifásicos

O motor de indução trifásico é o motor mais utilizado nos processos industriais em geral. Isto deve-se ao baixo custo, baixa manutenção, boa eficiência e boa relação potência x peso x dimensões. Entretanto muitos processos necessitam de velocidade de rotação variável onde pode-se empregar caixas de redução, polias com correias, sistemas de fricção, motores de corrente contínua, etc. Os processos mecânicos citados apresentam baixo rendimento e a seleção de rotação muitas vezes é discreto. Com o desenvolvimento da eletrônica de Potência e da microeletrônica tornou-se fácil desenvolver um conversor eletrônico que produza uma tensão alternada de freqüência variável.

Conversores de Freqüência 7.2.2. Principio de Funcionamento:

O conversor de freqüência é um equipamento eletrônico destinado a

Variação de Velocidade de Motores de Indução Trifásicos, composto de três etapas distintas, a saber: Retificador, Filtro e Inversor.

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