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Apostila procobre eficiencia, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

Instalações Elétricas de baixa tensão, Eficiencia energética e acionamento de motores

Tipologia: Notas de estudo

Antes de 2010

Compartilhado em 29/07/2009

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Baixe Apostila procobre eficiencia e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! am Workshop Instalações Elétricas de Baixa Tensão Eficiência energética e acionamento de motores Schneider Q procoBRE é Electric ISTO ARS DO com p.2 / Eficiência energética e acionamento de motores - Schneider / Procobre Eficiência energética e acionamento de motores 1 Introdução.................................................................................................................04 2 Tipos de motores elétricos.....................................................................................................04 2.1 Motores assíncronos trifásicos.....................................................................................................................................04 2.2 Motores de indução tipo gaiola...............................................................................................................04 2.2.1 Rotor de gaiola simples...............................................................................................................04 2.2.2 Rotor de gaiola dupla...................................................................................................................04 2.2.3 Rotor de gaiola resistente............................................................................................................04 2.3 Motores de anéis..................................................................................................................................05 2.4 Motores de Alto Rendimento.................................................................................................................05 2.4.1 Eficiência energética através do motor de Alto Rendimento...........................................................05 3 Categoria de emprego de motores........................................................................................05 3.1 Categorias de emprego segundo IEC 947-4..............................................................................................05 3.2 Categorias de emprego para contatores e contatores auxiliares segundo IEC 947-5 (em corrente contínua).........................................................................................................................................06 4 Coordenação....................................................................................................................07 4.1 Coordenação tipo 1 e tipo 2 segundo a norma..........................................................................................07 4.2 Sem coordenação.................................................................................................................................09 4.3 Coordenação total................................................................................................................................09 5 Seletividade......................................................................................................................09 5.1 Coordenação de isolamento..................................................................................................................09 5.2 Continuidade de serviço........................................................................................................................09 6 Dispositivos de partida de motores elétricos.......................................................................09 6.1 Funções de partidas-motores................................................................................................................09 6.2 Funções de proteção............................................................................................................................09 6.2.1 Seccionamento...................................................................................................................09 6.2.2 Proteção de curto-circuito............................................................................................................10 6.2.3 Proteção de Sobrecarga..............................................................................................................10 6.2.4 Comutação.........................................................................................................................10 6.2.5 Proteção adicional específica.......................................................................................................10 6.3 Aparelhos de funções múltiplas.............................................................................................................10 6.4 Normas aplicáveis.................................................................................................................................10 7 Tipos de partida de motores assíncronos............................................................................10 7.1 Partida direta.......................................................................................................................................11 7.2 Partida estrela-triângulo........................................................................................................................11 7.3 Partida por autotransformador................................................................................................................12 7.4 Soft-Start (partida progressiva)...............................................................................................................13 7.4.1 Soft-Start e conversores estáticos eletrônicos...............................................................................13 7.4.2 Principais funções dos soft-start e dos conversores estáticos eletrônicos........................................13 7.5 Nova tecnologia TCS - Torque Control System..........................................................................................14 7.5.1 Novas tecnologias de partida com controle de conjugado.............................................14 7.5.2 Vantagens do controle do conjugado............................................................................................15 7.5.3 Tecnologia..........................................................................................................................16 7.5.4 Aplicações..........................................................................................................................17 8 Acionamentos estáticos....................................................................................................................17 8.1 Principais tipos de acionamentos estáticos..................................................................................17 8.2 Objetivos dos acionamentos..................................................................................................................17 8.3 Inversores de freqüência e economia de energia......................................................................................18 8.4 Controle vetorial de tensão: controle U/F..............................................................................18 8.5 Controle vetorial do fluxo para motor assíncrono...............................................................................19 Schneider / Procobre - Eficiência energética e acionamento de motores / p.5 2.4 Motor de Alto Rendimento É um motor que possui rendimento superior ao motor standard, gera baixas perdas, reduz significativamente a elevação de temperatura, com conseqüente aumento de vida útil. Promove a racionalização da produção e do consumo de energia elétrica, eliminando os desperdícios e reduzindo os custos. O motor de Alto Rendimento produz a mesma potência mecânica de saída com menor potência elétrica absorvida, o que acarreta menor custo de operação e maior vida útil. Este melhor desempenho é conseguido através das características técnicas diferenciadas, apresentadas na figura abaixo: Fig. 1: motor de Alto Rendimento Sob o aspecto normativo, um motor elétrico é considerado de Alto Rendimento se ele possui o rendimento superior àquele definido nas normas técnicas. No Brasil, a norma NBR 7094 da ABNT define os valores mínimos de rendimento para que um motor possa ser considerado de alto rendimento. 2.4.1 Eficiência energética através do motor de Alto Rendimento O setor industrial é responsável por 43% do consumo anual de energia em nosso país. Dentro deste setor, onde há maior demanda de energia elétrica, os motores são responsáveis por aproximadamente 55% deste consumo. Uma das principais características do motor de indução é que o custo operacional é bem superior ao custo de aquisição. Esta relação pode ser de 25 a 150 vezes o custo de aquisição do motor, dependendo do tempo de funcionamento, da sua potência, da tarifa de energia elétrica e de seu rendimento. 2.4.2 Diferenças entre o motor standard e o motor de Alto Rendimento As principais características técnicas dos motores de Alto Rendimento, em comparação com os motores tipo standard que estão de acordo com as normas ABNT, IEC e CSA, são as seguintes: n Maior quantidade de cobre: reduz as perdas Joule (perdas no estator); n Chapa magnética com baixas perdas - reduz a corrente magnetizante e conseqüentemente as perdas no ferro; n Enrolamento dupla camada: resulta em melhor dissipação de calor; n Rotores tratados termicamente: reduz as perdas suplementares; n Menor região de entreferro: reduz as perdas suplementares. Devido a essas características melhoradas, os valores de rendimento são significativamente maiores, o que gera uma sensível economia de energia, ou seja, reduz os valores a serem pagos na fatura de energia elétrica. 3 Categoria de emprego de motores A suportabilidade dos contatores aos esforços decorrentes da interrupção de correntes superiores à sua corrente nominal e a sua durabilidade ao ser submetido a operações repetidas levou a uma classificação dos contatores pela IEC. Essa classificação leva em conta: n a freqüência das operações liga - desliga, n valor das sobrecargas, n fator de potência da carga, n tipo de operação dos motores: na partida, na frenagem, na inversão da rotação, etc. Uma das cargas que pode apresentar variação muito grande na solicitação elétrica e térmica dos contatores é a constituída pelos motores que podem ser manobrados em várias situações: n Partida, quando as correntes podem chegar a 7 (ou mais) vezes a corrente nominal, n Frenagem em carga, em que o motor é bloqueado pela inversão do campo girante ou pela inserção de corrente no estator, n Inversão, quando além de bloqueado o motor deve partir para trabalhar em sentido inverso de rotação. 3.1 Categorias de emprego segundo IEC 947-4 As categorias de emprego normalizadas fixam os valores de corrente que o contator deve estabelecer ou interromper, mantendo vida útil de 1,0 a 10,0 x106 manobras. Elas dependem: n da natureza do receptor controlado: motor de gaiola ou de anéis, resistências. n das condições nas quais são efetuados os fechamentos e aberturas: motor em regime ou bloqueado ou em partida, inversão do sentido de rotação, frenagem por contracorrente. As categorias de emprego resumem os principais tipos de aplicação dos contatores em corrente alternada (categorias AC-.) e em corrente contínua (DC-.). Definem, para a utilização normal dos contatores, condições de estabelecimento e interrupção da corrente em função da corrente nominal de emprego Ie e da tensão nominal de emprego Ue. p.6 / Eficiência energética e acionamento de motores - Schneider / Procobre 3.1.1 As categorias de emprego em corrente alternada n AC-1: aplica-se a todos os aparelhos de utilização em corrente alternada (receptores), cujo fator de potência é no mínimo igual a 0,95 (cos ≥ 0,95). Fig. 2: categoria AC-1 n AC-2: esta categoria compreende a partida, a frenagem em contracorrente, como também a partida por "impulsos" dos motores de anéis. No fechamento, o contator estabelece a corrente de partida, próximo de 2,5 vezes a corrente nominal do motor. Na abertura, ele deve interromper a corrente de partida, com uma tensão no mínimo igual à tensão da rede. Fig. 3: categoria AC-2 n AC-3: é relativa aos motores de gaiola, cujo desligamento é feito com o motor em regime. No fechamento, o contator estabelece a corrente de partida, que é de 5 a 7 vezes a corrente nominal do motor. Na abertura, o contator interrompe a corrente nominal absorvida pelo motor, e neste momento, a tensão nos bornes de seus pólos é da ordem de 20% da tensão da rede. A interrupção é fácil. Fig. 4: categoria AC-3 n AC-4: esta categoria é relativa às aplicações com frenagem em contracorrente e acionamento por "impulsos" dos motores de gaiola ou de anéis. Fig. 5: categoria AC-4 O contator fecha com um pico de corrente que pode atingir 5 a 7 vezes a corrente nominal do motor. Ao abrir, ele interrompe esta mesma corrente sob uma tensão tanto maior quanto a velocidade do motor for menor. Esta tensão pode ser igual à tensão da rede. A interrupção é muito difícil. 3.2 Categorias de emprego para contatores e contatores auxiliares segundo IEC 947-5 (em corrente contínua) n AC-14: é relativa ao comando de cargas eletromagnéticas cuja potência absorvida for inferior a 72 VA, quando o eletroimã estiver fechado. Características principais dos circuitos elétricos categoria tipo de carga uso do contator aplicações típicas AC1 não indutiva (cosϕ 0,95) energização aquecimento, distribuição AC2 motores de anéis (cosϕ 0,65) partida trefiladoras desligar durante operação frenagem regenerativa funcionamento jog AC3 motores de gaiola partida compressores, gruas, misturadores, (cosϕ 0,45 para ≤ 100 A) desligar durante operação bombas, escadas rolantes, ventiladores, (cosϕ 0,35 para > 100 A) transportadores, ar condicionado AC4 motores de gaiola partida impressoras, (cosϕ 0,45 para ≤ 100 A) desligar durante operação trefiladoras (cosϕ 0,35 para > 100 A) frenagem regenerativa inversão de sentido de marcha funcionamento JOG Schneider / Procobre - Eficiência energética e acionamento de motores / p.7 n AC-15: é relativa ao comando de cargas eletromagnéticas cuja potência absorvida for inferior a 72 VA, quando o eletroimã estiver fechado. A nova norma define outras categorias de emprego para o comando por contatores das seguintes cargas: lâmpadas de descarga (AC-5a), lâmpadas incandescentes (AC-5b), transformadores (AC-6a), capacitores (AC-6b), compressores de refrigeração (AC-8). Menciona ainda as categorias AC-7a e AC-7b para aplicações domésticas. 4 Coordenação A coordenação das proteções é ao ato de associar, de maneira seletiva, um dispositivo de proteção contra os curtos-circuitos (fusíveis ou disjuntores) com um contator e um dispositivo de proteção contra as sobrecargas. Tem por objetivo interromper, em tempo, toda corrente anormal, sem perigo para as pessoas e assegurando uma proteção adequada da aparelhagem contra uma corrente de sobrecarga ou uma corrente de curto-circuito. A corrente presumida de curto-circuito caracteriza a instalação num dado ponto. Resulta do cálculo da potência da rede, da tensão e das impedâncias do circuito (cabos, ligações, transformadores, etc.). O ensaio de coordenação é realizado com uma corrente nominal de curto-circuito convencional "Iq" definida pelo fabricante. 4.1 Coordenação tipo 1 e tipo 2 segundo a norma A norma define ensaios com diferentes níveis de corrente, ensaios que têm por objetivo submeter a aparelhagem em condições extremas. Sem coordenação São grandes os riscos para o operador, como também podem ser grandes os danos físicos e materiais. Não permitido pelas normas: n NF C 15-100 artigo 133-1, n EN 60-204-1 artigo 1.1/.2, n IEC 947-4-1 artigo 7.2.5. Segundo o estado dos componentes após os ensaios, a norma define 2 tipos de coordenação: n tipo 1 n tipo 2 Coordenação tipo 1 É aceita uma deterioração do contator e do relé sob 2 condições: - nenhum risco para o operador, - todos os demais componentes, exceto o contator e o relé térmico, não devem ser danificados. É a solução mais utilizada. O custo da aparelhagem é reduzido. Antes de dar nova partida, a verificação do estado da partida de motor pode ser necessária, a continuidade de serviço não é exigida. Conseqüências: - tempo de parada da máquina não neglicenciado, - pessoal de manutenção qualificado para reparar, controlar, substituir os produtos. Coordenação tipo 2 O risco de soldagem dos contatos do contator ou da partida é admitido se estes puderem ser facilmente separados. Após ensaios de coordenação tipo 2, as funções dos componentes de proteção e de comando são operacionais. É a solução que permite a continuidade de serviço. Conseqüências: - tempo de parada da máquina reduzido, - operação simples. Para garantir uma boa coordenação tipo 2, a norma impõe 3 ensaios de corrente de defeito para verificar o bom comportamento da aparelhagem em condição de sobrecarga e curto-circuito. Fig. 6: curvas de coordenação Corrente "Ic" (sobrecarga I < 10 In) O relé térmico garante a proteção contra este tipo de defeito, até um valor Ic (função de Im) definido pelo fabricante. A norma IEC 947-4-1 determina os 2 ensaios a realizar para garantir a coordenação entre o relé térmico e o dispositivo de proteção contra curtos-circuitos; n com 0,75 Ic somente o relé térmico deve atuar, n com 1,25 Ic o dispositivo de proteção contra curtos- circuitos deve atuar. Após os ensaios com 0,75 e 1,25 Ic, as características de desligamento dos relés térmicos devem permanecer inalteradas. A coordenação tipo 2 permite assim aumentar a continuidade de serviço. O fechamento do contator pode ser feito automaticamente após a eliminação do defeito. Corrente "Ir" (curto-circuito impedante 10 < I < 50 In) A principal causa deste tipo de defeito é devido à deterioração dos isoladores. A norma IEC 947-4-1 define uma corrente de curto-circuito intermediária "Ir". Esta corrente de ensaio permite verificar se o dispositivo de proteção garante uma proteção contra curtos-circuitos impedantes. Após o ensaio, o contator e o relé térmico devem conservar sua características de origem. O disjuntor deve desligar num tempo ≤ 10 ms para uma corrente de defeito ≥ 15 In. p.10 / Eficiência energética e acionamento de motores - Schneider / Procobre É obrigatório na origem de toda instalação e de todo circuito. O dispositivo que assegura esta função deve permitir: n a separação dos circuitos de fontes de energia, n uma interrupção homopolar, n tanto que possível uma condenação na posição "aberto", n uma interrupção plenamente aparente, visível, ou uma indicação "aberto" se todos os contatos estão efetivamente abertos e separados pela distância assegurando a realização dielétrica prescrita. Esta função de seccionamento pode ser realizada por meio de: n seccionadores, n interruptores-seccionadores, n disjuntores e contatores-disjuntores, são conhecidos de maneira a ser aptos ao seccionamento. Isolar o circuito do motor antes de operações de manutenção. 6.2.2 Proteção de curto-circuito Um curto-circuito é uma relação direta de dois pontos em potenciais diferentes. É um incidente que necessita detectar o mais repidamente possível afim de barrar sua propagação, o risco mais grave é o incêndio. Os dispositivos de proteção devem detectar o curto-circuito e interromper o circuito muito rapidamente, se possível antes que a corrente não atinja seu valor máximo. Estes dispositivos podem ser: n fusíveis, n disjuntores, n aparelhos assegurando igualmente outras funções como os disjuntores-motores e os contatores-disjuntores. Proteger o dispositivo de partida e os cabos contra sobrecorrentes elevadas (I > 10 In). Este tipo de proteção é fornecido por um disjuntor. Curto-circuito com impedância (10 < I < 50 In) Deterioração da isolação do enrolamento do motor é a causa principal. Curto-circuito (I > 50 In) Este tipo de falta é relativamente raro. Pode ocorrer por um erro de conexão durante a manutenção. 6.2.3 Proteção de sobrecarga A sobrecarga é o defeito mais freqüente das máquinas. Ele se manifesta por um aumento da corrente absorvida pelo motor e por efeitos térmicos. Uma ultrapassagem da temperatura limite de funcionamento de um motor, reduz sua duração de vida e pode o destruir. É importante rever rapidamente as condições de funcionamento normais para: n otimizar a duração de vida dos motores proibindo seu funcionamento nas condições anormais de aquecimento, n poder partir novamente assim que possível após um disparo e nas melhores condições de segurança para as pessoas e os equipamentos. Segundo o nível de proteção desejada, é realizada por: n relés térmicos em bilâmina, n relés de máxima corrente, n relés eletrônicos com proteções complementares opcionais ou integradas, n aparelhos assegurando igualmente outras funções como os disjuntores-motores e os contatores-disjuntores. Protege o dispositivo de partida e os cabos contra sobrecorrentes menores (< 10 In). 6.2.4 Comutação A lista de comutação é estabelecer e interromper a alimentação dos receptores. Esta função, geralmente realizada por meio de contatores eletromagnéticos, pode também ser por contatores estáticos ou por aparelhos assegurando igualmente outras funções como os disjuntores-motores e os contatores- disjuntores. Na maioria dos casos, para facilitar a exploração e o trabalho do operador que se encontra afastado dos órgãos de potência, é necessário recorrer ao comando à distância. Este implica um relatório da ação empenhada seja por aparelhos luminosos, seja por utilização de um segundo aparelho. Estes circuitos elétricos complementares funcionam com ajuda de contatos auxiliares incorporados aos contatores, aos relés de automatismo ou contidos em blocos aditivos que se montam sobre contatores e os contatores auxiliares. 6.2.5 Proteção adicional específica n Proteção de falta limitante (durante o funcionamento do motor), n Proteção de falta preventiva (monitoração da isolação do motor, com o motor desligado). 6.3 Aparelhos de funções múltiplas Os aparelhos de funções múltiplas reunem num mesmo produto a totalidade ou uma parte das quatro funções básicas de um dispositivo de partida de motor. Este arranjo apresenta inúmeras vantagens: n simplificação ou mesmo eliminação dos problemas de coordenação, n redução de volume dos equipamentos, n simplificação da fiação, n facilidade de reparo e de manutenção, n redução do estoque de peças de reserva. 6.4 Normas aplicáveis Um circuito que alimenta um motor deve estar conforme as regras gerais estabelecidas no padrão IEC 947-4-1, e em particular com aquelas relativas a contatores, acionamentos de motores e suas proteções, como estipulado na IEC 947-4-1, destacando-se: n coordenação dos componentes do circuito do motor, n classes de desligamento para relés térmicos, n categorias de utilização de contatores, n coordenação da isolação. 7 Tipos de partida de motores assíncronos Quando um motor é colocado em funcionamento, a corrente exigida (da rede) é aumentada e pode, sobretudo se a seção do condutor de alimentação for insuficiente, provocar uma queda de tensão susceptível de afetar o funcionamento das cargas. Por vezes, esta queda de tensão é tal, que é perceptível nos aparelhos de iluminação. Para evitar estes inconvenientes, os regulamentos de instalações de algumas concessionárias proíbem, acima de uma determinada potência, a utilização de motores com partida direta. Outros limitam-se a impor, em função da potência dos motores, a relação entre a corrente de partida e a corrente nominal. Schneider / Procobre - Eficiência energética e acionamento de motores / p.11 O motor de rotor em curto-circuito é o único que pode ser ligado diretamente à rede, por intermédio de aparelhos simples. Apenas as extremidades dos enrolamentos do estator estão disponíveis na placa de terminais. Uma vez que as características do rotor são determinadas. Uma vez que as características do rotor são determinadas pelo fabricante, os diversos processos de partida consistem essencialmente em fazer variar a tensão nos terminais do estator. Neste tipo de motor, com freqüência constante, a redução do pico de corrente é acompanhada automaticamente de uma forte redução do conjugado. 7.1 Partida direta É o modo de partida mais simples, com o estator ligado diretamente à rede. O motor parte com as suas características naturais. No momento da colocação em funcionamento, o motor comporta-se como um transformador em que o secundário, constituído pela gaiola do rotor, muito pouco resistiva, está em curto-circuito. A corrente induzida no rotor é elevada. Sendo as correntes primária e secundária sensivelmente proporcionais, o pico de corrente resultante é elevado; I partida = 5,0 a 7,5 I nominal. O conjugado de partida é, em média; C partida = 0,5 a 1,5 C nominal. Apesar das suas vantagens (aparelhagem simples, conjugado de partida elevado, partida rápida, preço baixo), a partida direta só é interessante nos casos em que: n a potência do motor é baixa, relativamente à potência disponível na rede, de modo a limitar as perturbações originadas pelo pico de corrente, n a máquina movimentada não necessita de uma aceleração progressiva e está equipada com um dispositivo mecânico (redutor, por exemplo) que evita uma partida muito rápida, n o conjugado de partida tem que ser elevado,. Em contrapartida, sempre que: n a corrente exigida possa perturbar o bom funcionamento de outros aparelhos ligados ao mesmo circuito, provocado pela queda de tensão que ela causa, n a máquina não aguente golpes mecânicos, n o conforto ou a segurança dos usuários sejam considerados (caso das escadas rolantes, por exemplo), torna-se necessário utilizar um artifício para diminuir a corrente exigida ou o conjugado de partida. O processo mais usado consiste em partir o motor sob tensão reduzida. Fig. 9: curva em partida direta De fato, uma variação da tensão de alimentação tem as seguintes conseqüências: n a corrente de partida varia proporcionalmente à tensão de alimentação, n o conjugado de partida vaira proporcionalmente ao quadrado da tensão de alimentação. Exemplo: se a tensão for dividida por √3, a corrente é sensivelmente dividida por √3, e o conjugado é dividido por 3. Fig. 10: partida direta 7.2 Partida estrela-triângulo Este processo de partida só pode ser utilizado num motor em que as duas extremidades de cada um dos três enrolamentos estatóricos estejam ligadas à placa de terminais. Por outro lado, o enrolamento deve ser feito de tal modo que a ligação triângulo corresponda à tensão da rede; por exemplo, para uma rede trifásica de 380 V, é necessário um motor bobinado em 380 V triângulo e 660 V estrela. O princípio consiste em partir o motor ligando os enrolamentos em estrela à tensão da rede, o que é o mesmo que dividir a tensão nominal do motor em estrela por √3 (no exemplo dado acima, tenão da rede 380 V = 660 V/ √3). O pico de corrente de partida é dividida por 3: Ia = 1,5 a 2,6 I partida direta Efetivamente, um motor 380 V/ 660 V ligado em estrela à tensão nominal de 660 V absorve uma corrente √3 vezes menor do que em ligação triângulo a 380 V. Sendo a ligação estrela feita a 380 V, a corrente é novamente dividida por √3, logo, no total, por 3. Uma vez que o conjugado de partida é proporcional ao quadrado da tensão de alimentação, ele próprio também é dividido por 3: Ca = 0,2 a 0,5 C partida direta A velocidade do motor estabiliza quando os conjugados motor e resistente se equilibram, geralmente entre 75 e 85% da velocidade nominal. Os enrolamentos são então ligados em triângulo e o motor recupera as suas características nominais. A passagem da ligação estrela à ligação triângulo é controlada por um temporizador. O fechamento do contator triângulo se dá com um atraso de 30 a 50 milisegundos após a abertura do contator estrela, o que evita um curto-circuito entre fases, uma vez que os dois contatores não podem ficar fechados simultaneamente. A corrente que atravessa os enrolamentos é interrompida pela abertura do contator estrela. Volta a estabelecer-se quando o contator triângulo fecha. Esta passagem para triângulo fecha. Esta passagem para triângulo é acompanhada de um pico de corrente transitória muito curto, mas muito p.12 / Eficiência energética e acionamento de motores - Schneider / Procobre elevado, devida à força contra-eletromotriz do motor. A partida estrela-triângulo é indicada para as máquinas que tem baixo conjugado resistente, ou que partem em vazio. Em virtude do regime transitório no momento da ligação triângulo, pode ser necessário, acima de uma determinada potência, utilizar uma variante para limitar estes fenômenos transitórios: n temporização de 1 a 2 segundos na passagem estrela- triângulo. Esta temporização permite uma diminuição da força contra- eletromotriz, logo do pico de corrente transitória. Esta variante só pode ser utilizada se a máquina tem inércia suficiente para evitar uma desaceleração excessiva durante a temporização. n partida em 3 tempos: estrela-triângulo+resistência- triângulo. O desligamento subexiste, mas a resistência, ligada em série durante cerca de três segundos com os enrolamentos ligados em triângulo, reduz o pico de corrente transitória. n partida estrela-triângulo+resistência-triângulo sem desligamento. A resistência é ligada emsérie com os enrolamentos, imediatamente antes da abertura do contator estrela. Evita- se assim a interrupção da corrente e portanto o aparecimento de fenômenos transitórios. A utilização destas variantes exige a aplicação de componentes suplementares, o que pode ter como conseqüência um aumento considerável do custo de instalação. A utilização de um dispositivo estático do tipo Altistart pode ser, em muitos casos, uma boa solução. Fig. 11: curvas em partida estrela-triângulo Fig. 12: partida estrela-triângulo 7.3 Partida por autotransformador O motor é alimentado a tensão reduzida através de um autotransformador, que é desligado do circuito no final da partida. A partida é feita em três tempos: n no primeiro tempo, o autotranformador é ligado primeiro em estrela e em seguida o motor é ligado à rede, por intermédio de uma parte dos enrolamentos do autotransformador. A partida é feita com uma tensão reduzida, que é função da relação de transformação. O autotransformador está geralmente equipado com derivações, que permitem escolher a relação de transformação e, portanto, o valor da tensão reduzida mais apropriado. n antes de passar à ligação a tensão plena, a ligação em estrela é aberta. A fração do enrolamento ligada à rede constitui então uma indutância ligada em série como o motor. Esta operação é realizada quando se atinge a velocidade de equilíbrio, no final do primeiro tempo. n a ligação à plena tensão é feita após o segundo tempo, que geralmente é muito curto (uma fração de segundo). As indutâncias ligadas em série com o motor são curto- circuitadas e em seguida o autotransformador é desligado do circuito. A corrente e o conjugado de partida variam nas mesmas proporções. Dividem-se por (U rede / U reduzida)2. Obtêm- se os seguintes valores: Ia = 1,7 a 4 I partida direta Ca = 0,5 a 0,85 C partida direta A partida é feita sem interrupção da corrente no motor. Assim, evitam-se os fenômenos transitórios resultantes da interrupção. Podem, no entanto, produzir-se fenômenos transitórios da mesma natureza no momento da ligação à tensão plena, se não forem tomadas certas precauções. De fato, o valor da indutância ligada em série com o motor após a abertura da ligação estrela é elevado, relativamente ao do motor. Daí resulta uma queda de tensão elevada, que provoca um pico de corrente transitória no momento da ligação a plena tensão. Para evitar este incoveniente, no circuito magnético do autotransformador existe um entreferro, cuja presença dá lugar a uma diminuição do valor da indutância. Este valor é calculado de tal modo que, no momento da abertura da ligação estrela, no segundo tempo, não há variação de tensão nos terminais do motor. A presença do entreferro tem como conseqüência um aumento da corrente magnetizante do autotranformador, que aumenta a corrente exigida na rede durante o primeiro tempo de arranque. Este modo de partida é geralmente utilizado para motores com potência superior a 10 kW. Implica, no entanto, no emprego de equipamentos relativamente caros, devido ao preço elevado do autotranformador. Fig. 13: curva em partida por autotransformador Schneider / Procobre - Eficiência energética e acionamento de motores / p.15 inseridos usando o teclado. O controlador do conjugado usa estes valores de conjugado, junto com o tempo inserido de rampa do conjugado, para gerar o conjugado desejado do motor. O controlador do conjguado é usado então para controlar o disparo do tiristor, de acordo com o conjugado real do motor versus o valor desejado. O conjugado do motor não é mais estritamente dependente da tensão aplicada no motor e das características de velocidade-conjugado do motor, mas é aumentado de acordo com uma rampa temporizada. O conjugado inicial, o conjugado limite, e os valores dos tempos de aceleração são todos ajustáveis pelo usuário para a máxima flexibilidade e adaptabilidade às cargas variantes. 7.5.2 Vantagens do controle do conjugado O sistema de controle de conjugado ATS46 fornece muitas vantagens da aplicação, como: - desenvolvimento somente do conjugado necessitado para acelerar a carga, - taxa constante de aceleração, independente da carga do motor, Perdas estatorTI (hard) Sincro. tensão (hard) Cálculo da potência Cálculo das perdas Cálculo conjugado Comando em conjugado disparo tiristor (hard) Cálculo do cos ϕ Correntes instantâneas leitura de corrente Compensação perdas estator LSC Potência Conjugado nominal motor In Conjugado de referência Conjugado LTR Retardo do disparo no comando corrente γ Retardo disparo no comando de tensão α (Rampa de conjugado) Fig. 18: diagrama de blocos do soft-start TCS - rampa de conjugado configurável que fornece o conjugado constante de aceleração para cargas de conjugado tanto variáveis como constantes, - ajuste do conjugado do motor e indicação com o teclado/ display para coordenar com a aplicação, - o controle linear do conjugado das rampas de aceleração de desaceleração para cargas de conjugado variável (como as bombas e os ventiladores) - a rampa de desaceleração começa no ponto do conjugado da carga do motor, para maximizar a rampa linear da desaceleração para todas as cargas de bomba, - nenhum dispositivo de realimentação externo de velocidade do motor é necessário. O conversor de partida ALTISTART 46, com seu sistema de controle de conjugado (TCS), é baseado em microprocessadores, fazendo-o muito versátil. O conversor de partida pode variar o padrão do chaveamento do tiristor resultando em diversos tipos diferentes de rampas de aceleração e de desaceleração, como exigido por uma variedade das aplicacões. Pode ser configurado para fornecer oconjugado constante de aceleração para cargas de torque constante como também para conjugado variável. Isto permite uma rampa linear de aceleração para uma aceleração contínua, constante de zero à velocidade máxima. Fig. 19: partida suave de ALTISTART 46 com TCS p.16 / Eficiência energética e acionamento de motores - Schneider / Procobre O conjugado constante de aceleração torna mais fácil determinar as exigências da aplicação para cargas com elevada inércia, tais como prensas perfuradas, centrífugas, serras de fita, trituradores e compressores. Os conversores de partida da tecnologia precedente exigiam comparações ponto-a-ponto da curva de carga às curvas do motor. O torque constante de aceleração assegura também uma aceleração contínua, fixa dos transportadores, reduzindo a possibilidade de derramamento material ou de ruptura durante a aceleração. As cargas de conjugado variável, como as bombas centrífugas, exigem o conjugado de aceleração que aumenta com velocidade, baseado nas leis da afinidade. O conversor de partida ALTISTART 46 pode ser configurado para aumentar linearmente o conjugado do motor durante um tempo, começando de uma valor selecionável pelo usuário, valor porcentagem do conjugado inicial do motor, ao conjugado a plena carga do motor. Esta configuração fornece uma rampa de aceleração linear para as bombas centrífugas e os ventiladores. Uma rampa linear de aceleração ajuda a coordenar a abertura da válvula de verificação com a aceleração do motor/bomba, eliminando o martelo d'água. Elimina também o escorregamento da correia em cargas de ventilador, reduzindo o desgaste da máquina e a manutenção. O conversor de partida ALTISTART 46 fornece também uma rampa diminuindo linearmente o torque para a desaceleração de cargas da bomba centrífuga. Uma redução gradual na velocidade torna possível coordenar a válvula de verificação que fecha-se sem causar o martelo d'água. O conversor de partida monitora continuamente o conjugado da carga do motor, e quando um comando de parada é dado, começa a rampa de desaceleração neste ponto de torque da carga. Esta monitoração permite uma rampa linear de desaceleração em cargas da bomba, mesmo quando o motor está carregado 60 - 70% somente. Os conversores de partida da geração precedente nem sempre executavam satisfatoriamente a desaceleração deste tipo de carga, tendo por resultado o martelo d'água. Na maioria de casos, o ALTISTART 46, entretanto, evita o martelo d'água quando a bomba para. O conversor de partida ALTISTART 46, com seu sistema de controle do conjugado único, oferece um desempenho AC que é inigualável por outros métodos de tensão reduzida disponíveis. Este desempenho superior é fornecido por melhorias tecnológicas do projeto, com nenhum custo adicionado ao usuário final. Os componentes principais de potência do conversor de partida ALTISTART 46 não são nada diferentes do que aqueles usados por conversores de partida da tecnologia precedente. A diferença é como os algorítmos do controle são executados para controlar o conjugado durante a aceleração e a desaceleração. O conversor de partida ALTISTART 46 oferece mais flexibilidade para adaptar-se às necessidades específicas da aplicação dos usuários. 7.5.3 Tecnologia 460 / 500 400 220 C Micro contrô leur Ventilateu r Détect ion tem pér atur e Allume urs Syn ch ron isa tionscour ant et tension Signe d es ten sio ns stato rique s Mes ure cour ants Con so le visua lisa tion Bor nier client Entrée s / sortie s Alimen tation à d écoup age Auto- tan sf orm ateu r vent ilation T. C T.C Filtre 1 L 1 3 L 2 5 L 3 A1 B1 C1 A2 B2 C2 2 T1 4 T2 6 T5 módulo visualizaçã Fig. 20: sinótico funcional Vantagens na utilização do soft-start n Para limitar o conjugado, visando a proteção das pessoas e dos produtos transportados; n Para limitar os conjugados, visando aumentar a vida das máquinas e reduzir o tempo perdido; n Para reduzir picos de corrente na rede durante a partida; n Para desacelerações suaves e eliminação de golpes de ariete em bombas; n Para paradas controladas sem desgastes e sem aumento de temperatura; n Para reduzir as quedas de tensão na linha; n Para reduzir o tempo de manutenção; n Para proteção efetiva do motor e da instalação e otimizar o funcionamento da máquina; n Para pré-aquecer o motor nas paradas longas sem necessidade de outro artifício específico; n Para manter um conjugado de frenagem na parada; n Para supervisionar o motor e a instalação; n Para possibilitar a partida em cascata de vários motores. Performances Curvas de conjugado n Um bloco interno permite calcular o conjugado durante o transitório da velocidade. n O tempo fixado para a rampa de aceleração é o tempo necessário para alcançar o conjugado nominal de funcionamento, isto é, a rampa de aceleração é igual a rampa de conjugado. Fig. 21: soft-start com controle em conjugado (TCS) n O tempo fixado para a aceleração é o tempo necessário para passar de um ângulo de retardo máximo à um ângulo de retardo mínimo. n Não existe domínio do conjugado n Não existe domínio da aceleração. Schneider / Procobre - Eficiência energética e acionamento de motores / p.17 Fig. 22: soft-start com rampa em tensão Características velocidade-corrente Soft-Start com controle em Conjugado (TCS) n Acionamento progressivo em rampa com controle do conjugado n Limitação do aquecimento do motor Soft-Start com rampa de tensão n Acionamento progressivo, porém não linear. n A aceleração é crescente e o controle é indireto. n Aquecimento do motor elevado fora do período de acionamento. Fig. 23: características velocidade-corrente 7.5.4 Aplicações Soft-Start com TCS aplicado em bombas Proteção do motor e das instalações n contras as sobrecargas, n contra a inversão de fase, n adaptável às bombas submersas ou tubulares, n eliminação dos golpes de ariete e válvulas: acelerações e n esacelerações constantes, n supervisão e comando centralizados, n religamento automático. Soft-Start com TCS aplicado em ventiladores cargas centrífugas Adaptação às partidas de motores e paradas longas n proteção térmica regulável, n otimização da corrente e da instalação ele'trica, n frenagem para diminuir o tempo de parada e os riscos de acidente. Pré-aquecimento do motor Anti-giro na partida/parada (tubulação de ar) Soft-Start com TCS aplicado em transportadores Aceleração e desacelerações contantes n eliminação dos trancos mecânicos, n estabilidade e proteção dascargas, n redução dos desgastes. 8 Acionamentos estáticos 8.1 Principais tipos de acionamentos estáticos Um acionamento estático é um conversor de energia cuja função é modular a energia elétrica fornecida ao motor. Os tipos de acionamentos utilizados mais correntemente são os seguintes: Conversor de corrente contínua Fornece corrente contínua, a partir de uma rede de corrente alternada monofásica ou trifásica, controlando o valor médio da tensão. Obtém-se a variação desta tensão modificando o ângulo de condução dos semi-condutores de potência. Este tipo de conversor alimenta motores de corrente contínua, na maior parte dos casos com excitação independente. Inversor de freqüência Fornece, a partir de uma rede de corrente alternada em freqüência fixa, uma tensão alternada de valor eficaz e de freqüência variável (segundo alei U/f = constante). O circuito de potência é constituído por um retificador e um ondulador. A regulação se faz de mesma maneira que com o retificador controlado. A tensão de saída do inversor não pode ultrapassar a alimtação, o conjugado descrito na proporção inversa da velocidade funcionando em potência constante P=Cw. Este tipo de inversor é utilizado pelos motores assíncronos de gaiola. Regulador de tensão Fornece, a partir de uma rede de corrente alternada monofásica ou trifásica, uma corrente alternada de freqüência fixa igual à da rede, controlando o valor eficaz da tensão. Obtém-se a variação desta tensão modificando o ângulo de condução dos semi-condutores de potência. É utilizado habitualmente como dispositivo de partida progressiva para motores assíncronos de rotor gaiola padrões sempre que não seja necessário um conjugado de partida elevado, podendo também ser utilizado como inversor de velocidade para motores assíncronos de rotor gaiola resistente ou de rotor bobinado. 8.2 Objetivos dos acionamentos n Controle de velocidade e torque nos motores elétricos. n Precisão na movimentação de carga. n Sincronismo na operação conjunta de motores. n Proteção operacional contra sobrecargas, curto-circuitos e acidentes. n Repetibilidade e uniformidade na produção industrial. n Possibilidade de interligação em redes de automação. p.20 / Eficiência energética e acionamento de motores - Schneider / Procobre A corrente Id e o fluxo serão mantidos constantes no caso do funcionamento em conjugado constante. Algorítmo tipo um comando vetorial A estrutura da parte potência é clássica, ela é constituída de um ondulador de tensão associado a um retificador não controlado e um filtro capacitivo. As ondas de tensão são geradas por modulação de largura de impulsos. A velocidade do motor é seja medida por um detector seja calculada. A referência do fluxo é elaborada em função da velocidade do motor. A saída do regulador de velocidade constitue a referência do conjugado. A velocidade do campo girante é obtida em acréscimo na velocidade do motor o escorregamento que tem que ser calculado para obter o conjugado. Dois círculos de corrente são utilizadas para impor as correntes trifásicas ao motor em função do fluxo e do conjugado necessário. 9 Condutores e alimentadores 9.1 Conceito de dimensionamento A bitola de um condutor depende da corrente elétrica. O condutor se aquece, devido ao Efeito Joule. Há um limite máximo de aquecimento suportado pelo fio ou cabo, acima do qual ele começa a se deteriorar. Nessas condições, os materiais isolantes perdem sua capacidade de isolação, expondo o condutor de cobre, podendo provocar choques e causar incêndios. Proteção através de disjuntores ou fusíveis nos quadros de alimentação. Dessa forma, o valor do disjuntor ou fusível deve ser compatível com a bitola do fio, sendo que ambos dependem da corrente elétrica que circula na instalação. Fig. 29: diagrama de blocos acionamentos 9.2 Critérios técnicos de dimensionamento Chamamos de dimensionamento técnico de um circuito à aplicação dos diversos itens da NBR 5410 relativos à escolha da seção de um condutor e do seu respectivo dispositivo de proteção. 9.2.1 Seção mínima; As seções dos condutores fase, em circuitos de corrente alternada, e dos condutores vivos, em circuitos de corrente contínua, não devem ser inferiores aos valores dados na tabela 43 (NBR 5410). 9.2.2 Capacidade de condução de corrente; As prescrições desta subseção são destinadas a garantir uma vida satisfatória aos condutores e suas isolações, submetidas aos efeitos térmicos produzidos pela circulação de correntes de valores iguais às capacidades de condução de corrente respectivas, durante períodos prolongados em serviço normal. Schneider / Procobre - Eficiência energética e acionamento de motores / p.21 9.2.3 Queda de tensão; A queda de tensão entre a origem de uma instalação e qualquer ponto de utilização não deve ser superior aos valores da tabela 46 (NBR 5410), dados em relação ao valor da tensão nominal da instalação. 9.2.4 Sobrecarga; A devem ser previstos dispositivos de proteção para interromper toda corrente de sobrecarga nos condutores dos circuitos antes que esta possa provocar um aquecimento prejudicial à isolação, às ligações, aos terminais ou às vizinhanças das linhas. 9.2.5 Curto-circuito; Devem ser previstos dispositivos de proteção para interromper toda corrente de curto-circuito nos condutores dos circuitos, de forma a evitar que os efeitos térmicos e dinâmicos da corrente prevista possam causar a danificação dos condutores e/ou de outros elementos do circuito. 9.2.6 Contatos indiretos; O seccionamento automático da alimentação destina-se a evitar que uma tensão de contato se mantenha por um tempo que possa resultar em risco de efeito fisiológico perigoso para as pessoas (ver IEC 479-1). Esta medida de proteção requer a coordenação entre o esquema de aterramento adotado e as características dos condutores de proteção e dos dispositivos de proteção. 9.3 Dimensionamento 9.3.1 Seção do condutor neutro n Conforme 6.2.6.2 da NBR 5410/97, o condutor neutro deve possuir, no mínimo, a mesma seção que os condutores fase nos seguintes casos: - em circuitos monofásicos e bifásicos; - em circuitos trifásicos, quando a seção do condutor fase for igual ou inferior a 25 mm2; - em circuitos trifásicos, quando for prevista a presença de harmônicas. n Conforme 6.2.6.2 da NBR 5410/97, apenas nos circuitos trifásicos, é admitida a redução do condutor neutro nos seguintes casos: - quando não for prevista a presença de harmônicas; - caso a máxima corrente susceptível de percorrer o neutro seja inferior à capacidade de condução de corrente correspondente à seção reduzida do condutor neutro. 9.3.2 O condutor de proteção (fio terra) n A NBR 5410/1997 recomenda o uso de condutores de proteção (designados por PE), que, preferencialmente, deverão ser condutores isolados, cabos unipolares ou veias de cabos multipolares. A norma indica a seção mínima do condutor de proteção em função da seção dos condutores fase do circuito. Em alguns casos, admite-se o uso de um condutor com a função dupla de neutro e condutor de proteção. É o condutor PEN (PE + N), cuja seção mínima é de 10 mm2, se for condutor, se for condutor isolado ou cabo unipolar, ou de 4 mm2, se for uma veia de um cabo multipolar. 10 Esquemas de aterramento Para as redes de BT, existem três tipos de esquemas de aterramento. diferem quanto ao aterramento ou não do ponto neutro da fonte de tensão, e pelo modo de conexão das massas. A escolha do esquema de aterramento depende das características da instalação e das condições e imperativos de operação. Esquema TT - Neste tipo de esquema, o neutro da fonte é conectado a um eletrodo de aterramento distinto das massas, e todas as massas protegidas por um mesmo dispositivo de interrupção devem ser conectadas a um mesmo eletrodo de aterramento. Impõe a interrupção imediata, porque toda falta pode apresentar um risco de eletrocussão. Esquema TN - O princípio deste esquema é que toda falta provoca um curto-circuito monofásico fase-neutro. A interrupção imediata é também imposta, e este esquema permite utilizar as proteções de sobrecorrente habituais como proteção contra as faltas. Neste tipo de esquema, o ponto neutro de BT de cada fonte é conectado diretamente à terra, e todas as massas da instalação são também conectadas à terra (e, portanto, ao neutro) por um condutor de proteção. Se o condutor de proteção (PE) é distinto do condutor neutro, o esquema é denominado TN-S, e se o condutor de proteção (PEN) e o neutro são comuns, é o esquema TN-C. Este último não é recomendado para a alimentação dos dispositivos eletrônicos, por causa da possível circulação de correntes harmônicas no condutor neutro, que é também o condutor de proteção. Esquema IT - Neste tipo de esquema, o neutro do transformador é isolado da terra (neutro isolado) ou conectado à terra através de uma impedância de valor elevado (neutro impedante). Todas as massas da instalação são interconectadas e ligada à terra. A primeira falta não impõe a interrupção, o que permite que a instalação continue funcionando normalmente. Entretanto, esta falta deve ser detectada e anunciada, e em seguida reparada, antes que uma segunda flta ocvorra num outro condutor vivo, exigindo então o desligamento imediato. Esta regra confere ao esquema IT a melhor continuidade de alimentação. O valor da corrente de falta fase-terra (em modo comum) depende do esquema de aterramento. Freqüentemente, seu valor é baixo demais para que seja detectado e eliminado pelas proteções de sobrecorrentes convencionais (proteção térmica ou magnética de um disjuntor), como ocorre com os esquemas TT e IT. Daí a necessidade de usar os dispositivos a corrente diferencial- residual (DRs) e, no caso do sistema IT, também os DSIs (dispositivos de supervisão de isolamento). 10.1 Padronização n Os diferentes esquemas de aterramento descritos caracterizam o método de aterramento do neutro da BT de um transformador AT/BT e o aterramento das partes metálicas expostas da instalação suprida por ele. A escolha desses métodos orienta as medidas necessárias para proteção contra os riscos de contatos indiretos. p.22 / Eficiência energética e acionamento de motores - Schneider / Procobre n primeira letra - Situação da alimentação: T = um ponto diretamente aterrado; I = isolação ou aterramento de um ponto através de uma impedância; n segunda letra - Situação das massas: T = massas aterradas, independentemente do ponto de alimentação; N = massas ligadas diretamente ao ponto de alimentação aterrado; n outras letras - Disposição do neutro e do condutor de proteção: S = funções de neutro e de proteção por condutores distintos; C = funções de neutro e de proteção em um único condutor. T T (neutro à terra) massas à terra neutro ligado à terra Fig. 30: esquema TT T N (as massas são ligadas à terra através do neutro) massas ligadas ao neutro ponto neutro ligado à terra Fig. 31: esquema TN-C Fig. 32: esquema TN-S n Esquema TN-C - O condutor neutro é também usado como condutor PEN (condutor de proteção e neutro). Este esquema não é permitido para condutores PE de secção inferior a 10mm2 e para os equipamentos portáteis. n Esquema TN-S - Os condutores de proteção e neutro são separados. Quando há cabo enterrado com capa de proteção de chumbo, esta é o condutor de proteção. n Esquema TN-C-S - Os esquemas TN-C e TN-S podem ser usados na mesma instalação. No esquema TN-C-S, o esquema TN-C não deve nunca ser usado a jusante do sistema TNS. I T (neutro isolado) massas à terra neutro isolado ou aterrado através de uma resistência de valor elevado Visite nosso site: www.schneider.com.br Para acessar esta e as outras Apostilas de Instalações Elétricas e Cardernos Técnicos: www.schneider.com.br → Produtos e sistemas on-line → Download de arquivos (selecione a categoria)
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