Acionamentos de Máquinas Elétricas

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(Parte 3 de 7)

Vê-se que o tempo de aceleração será aumentado pois o conjugado médio motor ficará reduzido da área AMNP, restando somente a área hachurada. Isto pode trazer problemas para o motor no que se refere à sua elevação de temperatura, como será visto no capítulo I.

A especificação de uma chave autotransformadora é um problema muito simples para o engenheiro de aplicação, pois os fabricantes deste tipo de equipamento fornecem modelos padronizados para os quais é necessário sejam fornecidas as seguintes informações:

• número de partidas por hora

• potência do motor • tempo de aceleração

• tensão da rede

• número de derivações necessárias.

• classe de isolamento térmico

2.8) CHAVE ESTRELA-TRIÂNGULO

Para que um motor de indução possa usar uma chave estrela-triângulo ele deve satisfazer a duas condições preliminares:

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• O enrolamento do estator deve ser ligado em triângulo quando ele opera na sua condição normal, recebendo a tensão plena.

• Os 6 terminais do enrolamento devem ser trazidos até a caixa de ligação do motor para permitir as conexões entre eles através dos contatores. Na partida enrolamento do estator é ligado em estrela de modo que a tensão por fase que ele recebe seja dividida por 3. Enquanto o enrolamento estiver ligado em estrela, a corrente de partida e o conjugado serão reduzidos. No instante em que atinge a velocidade em que deve ser feita a comutação para a tensão plena, os contatores operam, religando o enrolamento em triângulo.

Se o motor fosse ligado diretamente à rede, a corrente de partida que circularia por ela seria igual a:

Zp p

Quando a chave é ligada, a corrente de partida na rede passa a ser:

VZ V Zp p p

3[2.18]

= = Dividindo membro a membro as igualdades acima teremos:

I Ip

3[2.19]

Portanto, quando se usa a chave estrela-triângulo na partida do motor, a corrente de partida da rede é 1/3 da corrente de partida a plena tensão. De seu lado, o conjugado de partida fica também reduzido de 3 vezes pois ele é proporcional ao quadrado da tensão aplicada.

A figura 2.07 mostra os circuitos de potência e de comando da chave estrelatriângulo cuja seqüência de operação é a seguinte:

• Simbologia

A mesma simbologia usada na chave autotransformadora observando apenas que o relé temporizado usado no circuito de controle possui dois contatos: um NF que “conta” tempo para abrir (no circuito da bobina K3) e um NA que “conta” tempo para fechar (no circuito da bobina K2) se mantendo nestas posições enquanto a bobina do relé se mantiver energizada.

• Ligação

Ao pressionar o botão S1 a bobina do contator K3 é energizada através dos contatos

NF do relé temporizado KT1 e do contato auxiliar de K2. O contator K3 fecha seu contato NA e abre seu contato NF comandando o fechamento de K1 e não permitindo o fechamento de K2. O motor é ligado à rede em estrela recebendo a tensão reduzida.

•• Comutação

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Transcorrido o tempo ajustado, o relé KT1 opera abrindo o circuito da bobina de K3 e fechando o da bobina de K2 que se retem através de seu contato auxiliar de retenção. Os contatores K1 e K2 permanecem ligados e o motor opera ligado em triângulo recebendo a tensão da rede. Observar o intertravamento entre K3 e K2 que impede o fechamento simultâneo dos contatores.

•• Desligamento

Qualquer um dos dispositivos de proteção ou botão S0 quando pressionado abre o circuito de controle desligando o contator K1. Podem ser acrescentados outros contatos abridores atuados por dispositivos de proteção tais como relés de temperatura, chaves fim de curso, relés antivibração, etc, em série com o botão S0.

Como se pode observar pela seqüência de operação acima descrita, durante a comutação, o motor fica durante um transitório desligado da rede. Isto pode provocar um surto de corrente ao ser fechado o contator K2 devido à tensão residual existente em seus terminais, após o desligamento, que se compõe com a tensão aplicada. Este tipo de chave é chamado de transição em circuito aberto. A figura 2.08 apresenta as características de corrente de partida e de conjugado de uma chave estrela-triângulo.

Vê-se no exemplo da figura 2.08 (a) que o surto de corrente no momento da comutação ultrapassa a corrente reduzida. Pelo fato de reduzir o conjugado de partida para 1/3 de seu valor a plena tensão e de fazer a transição em circuito aberto, a chave estrela-triângulo não é usada para ligar motores que acionam cargas que possuem um valor elevado de conjugado resistente na partida, como por exemplo, as cargas de característica constante com a velocidade. Elas são usadas para

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Apostila de Máquinas Elétricas Eletrotécnica ligar motores que acionam cargas tipo parabólica, que possuem um conjugado de partida da ordem de 10% do seu conjugado nominal, ou quando eles podem partir a vazio, sendo a carga acoplada posteriormente.

2.9) CHAVES COM IMPEDÂNCIAS PRIMÁRIAS

A chave de partida com impedâncias primárias é constituída, basicamente, de uma impedância, por fase, em série com o enrolamento do estator. Ao ser ligado à rede, o motor recebe uma tensão V’ que é igual à tensão da rede menos a queda de tensão na impedância, isto é:

=−3[2.20]

V V Z Ia p ' sendo Za a impedância por fase em série com o enrolamento do estator. Como impedâncias são usadas resistências ou reatâncias, sendo normal os fabricantes fornecerem conjuntos ajustáveis de mo- do a se poder escolher o valor da tensão V’ que se deseja aplicar ao motor. Em geral, os valores de resistência ou de reatância são ajustados de modo a se ter uma tensão uma queda de tensão de 20 a 30%. A escolha entre resistência e reatância está, em geral, associada à potência do motor: para motores pequenos e médios é usada resistência; para motores de grande potência é usada a reatância. Todavia, fatores econômicos podem mudar esta orientação.

A figura 2.09 mostra os circuitos de potência e de comando de uma chave com impedância primária. A seqüência de operação da chave é muito simples e fica proposto como exercício a sua descrição.

Devido ao seu modo de operar, a chave com impedâncias primárias é, inerentemente, uma chave com transição em circuito fechado. Vê-se que a corrente que "entra" no motor é a mesma da rede. Isto significa que a redução que se obtém com esta chave, é menor, comparada com as

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Apostila de Máquinas Elétricas Eletrotécnica duas chaves vistas anteriormente. A grande vantagem da chave com impedâncias primárias reside no fato de ela proporcionar uma aceleração suave que a faz ideal para dar a partida em motores que acionam cargas delicadas, tais como se encontram na indústria têxtil. À medida que o motor se acelera, o surto de corrente vai diminuindo e, conseqüentemente, a queda de tensão na impedância torna-se menor. A tensão reduzida V’ cresce gradualmente nos terminais do motor o que proporciona um aumento gradual do conjugado de aceleração. A aceleração se completa curto-circuitando-se a impedância acrescentada através de um contator.

A figura 2.10 mostra as características de corrente de partida e de conjugado de um motor quando se usa uma chave com impedância primária onde se pode notar os pequenos surtos de corrente e de conjugado, comparados com os surtos das outras chaves.

2.9.1 - Dimensionamento das impedâncias

O valor de uma resistência a ser acrescentada em série com o enrolamento do estator pode ser facilmente calculada através do diagrama fasorial das impedâncias mostrado na figura 2.1 onde as letras têm o seguinte significado:

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Apostila de Máquinas Elétricas Eletrotécnica pppjXRZ+== impedância do motor na partida. No circuito equivalente, faz-se s = 1.

pZ= impedância total (motor + resistência adicionada)

aR = resistência de partida a ser acrescentada em cada fase. cos pφ= fator de potência do motor na partida

(a)(b)
'pZ
pX
0pR aR
O valor de Ra será obtido através da solução do triângulo retângulo de hipotenusa 'pZ

pZ e catetos pX e (aR + pR).

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2'[2.21]

pppa RXZR −−=

Os valores de ''''

,,,,,,,pCVIZ estão relacionados através das igualdades abaixo:

p p CCVVIIZ

===[2.2]

Se em lugar de resistências usarmos reatâncias, a expressão [2.20] se transforma em:

'2[2.23]

X Z R Xa p p p= − −

Para calcularmos os valores de Rp e de Xp seria necessário conhecer o fator de potên- cia do motor, cos φp, na partida. Este, entretanto, não é um dado disponível de catálogo. Como Rp, comparado com Xp, é um valor muito pequeno, é comum desprezar seu valor e fazer Xp = Zp. Toda- via, se se deseja obter um valor de cosφp, pode-se fazê-lo através da expressão empírica [2.24], proposta por B.Y. Lipkin em seu livro Electrical Equipment for Industry.

cos cosφ φ η η p m n p pC s I

3[2.24]

Os símbolos e as letras se referem a um determinado motor, todos os valores são dados em p.u., tomando as grandezas nominais do motor como valores base e têm o seguinte significado:

cos φp = fator de potência do motor na partida. cos φ = fator de potência do motor a plena carga

Cm = conjugado máximo Ip = corrente de partida η = rendimento a plena carga sn = escorregamento nominal

2.10) CHAVES ESTÁTICAS (SOFT STARTERS)

Os semicondutores de potência existem há mais de 30 anos mas, até relativamente pouco tempo, eram muito caros para serem usados em chaves de partida de motores elétricos, substituindo as chaves convencionais. Porém, com a redução dos custos de produção dos semicondutores, têm surgido no mercado as chamadas chaves estáticas (soft starters) com preços mais competitivos, ampliando o seu uso nos dias atuais. Além de possibilitar a redução da tensão aplicada ao motor na partida a valores muito baixos, elas têm incorporado outras operações de controle e proteção do motor, tornando-se extremamente versáteis. O principal componente da chave estática é o tiristor ou retificador controlado de silício (SCR - silicon controlled rectifier) que opera em dois estados estáveis: aberto ou fechado, tal como um interruptor comum. O controle da tensão aplicada,

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Apostila de Máquinas Elétricas Eletrotécnica mediante o ajuste do ângulo de disparo dos tiristores, permite obter partidas e paradas suaves do motor, donde o seu nome em inglês.

Com o ajuste adequado das variáveis, o conjugado produzido é ajustado à necessidade da carga, garantindo a mínima corrente necessária para a partida. Como os tiristores operam como interruptores que permitem fluxo de corrente em um único sentido, nos circuitos de corrente alternada eles são ligados dois a dois, formando a chamada ligação antiparalela (Figura 2.12).

Desta forma, a corrente alternada circula normalmente e, ao mesmo tempo se obtém o controle da tensão aplicada ao motor. As chaves estáticas permitem um ajuste contínuo da tensão entre 0 e 100% da tensão de linha e não têm, como as chaves eletromagnéticas convencionais, o problema do surto de corrente e conjugado quando se passa para a tensão plena. A WEG e a SIEMENS produzem chaves estáticas avançadas, com várias funções.

A utilização de controladores micro-processados para as chaves estáticas é uma tendência geral entre os fabricantes. O uso dos micro-processadores permite ampliar o número de funções de controle da chave, não se limitando a ligar e desligar o motor. Algumas destas funções são, resumidamente, as seguintes:

•• Função partida suave: o tempo de aceleração do motor pode ser controlado.

• Função limitação de corrente: limita a corrente a valores pré-determinados

Função partida de bombas hidráulicas: reduz o chamado golpe de aríete que ocorre

• quando há desligamento do motor.

• Função parada suave: permite que o tempo de desaceleração do motor possa ser contro- lado, reduzindo-se gradualmente a tensão do motor ao invés de desligá-lo da rede.

• Função freio: o disparo dos tiristores pode ser feito de forma assimétrica, aplicando ao motor uma tensão desequilibrada que provoca o aparecimento de uma componente de tensão de seqüência negativa que, por sua vez, cria um conjugado de sentido oposto ao da rotação, freando o motor.

O uso das chaves estáticas sempre acarreta algum tipo de impacto sobre os motores de indução devido aos harmônicos que ela introduz no enrolamento do motor ao realizar as suas funções.

2.1) CONSIDERAÇÕES FINAIS

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O uso de qualquer uma das chaves descritas anteriormente provoca a redução do conjugado do motor durante o processo de aceleração que pode ser considerado concluído quando o motor atinge a velocidade correspondente ao escorregamento crítico sm. Se a redução for significativa, como ocorre no caso da chave estrela triângulo ou da chave autotransformadora na derivação de 50%, há o risco da curva do conjugado motor cortar a curva do conjugado resistente em um ponto bem antes do conjugado máximo e, com isto, abortar o processo de aceleração. Além disso, o conjugado de aceleração diminui o que pode provocar um maior aquecimento do motor durante o período de aceleração, conforme será mostrado no capítulo I.

A escolha de um dos tipos de chave depende do tipo de carga que será acionada pelo motor e, obviamente, de fatores econômicos. As chaves estrela triângulo são as mais baratas e devem ser usadas, preferencialmente, quando o motor aciona cargas de característica mecânica parabólica. As chaves com impedâncias primárias são muito usadas em motores de pequena e média potência, tipicamente, em motores abaixo de 20 kW. Se o objetivo principal é reduzir o surto de corrente na rede, a chave autotransformadora deve ser a indicada.

De todas as chaves, a chave estática é a que oferece a aceleração a mais suave e pode incorporar, como já dito, várias funções de proteção e controle do motor. Seu inconveniente, comparada com as demais, é o custo.

As chaves de partida só devem ser usadas quando a partida direta do motor não for possível devido ao surto de corrente que ela provoca ou quando se deseja reduzir o conjugado de aceleração para permitir uma partida suave.

2.12) EXEMPLOS

2.12.1 - Um motor de indução trifásico, rotor em gaiola, aciona uma máquina diretamente acoplada ao seu eixo que deverá girar a 1140 RPM na condição nominal de operação. A partida do motor deverá ser efetuada por meio de uma chave autotransformadora usando a derivação de 50%. O conjugado da máquina acionada varia com a seguinte equação:

n em RPM e Cr em Nm. Escolher o motor adequado para fazer o acionamento usando o catálogo da WEG e calcular a corrente de partida na rede quando se usa a chave.. A tensão disponível é 220 V e a freqüência é de 60 Hz.

SOLUÇÃO Na condição nominal de operação, o conjugado resistente será igual a:

A potência requerida pela máquina será:

P C n

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O conjugado do motor na partida, usando a chave autotransformadora, deverá ser maior do que o valor inicial do conjugado resistente Co = 13,64 Nm, isto é, 'pC> 13,64 Nm.

Porém, CKCC C

K Cp p p p p'

O motor a ser escolhido deverá ter um conjugado de partida maior do que 54,56 Nm a plena tensão. Consultando o catálogo da WEG, encontramos um motor com os seguintes dados de placa:

18,5 kW; 220 V; 6 polos; 1165 RPM; In = 60,3 A; Ip= 7,9 p.u; Cn = 150 Nm; Cp = 2,6 p.u. = 390 Nm; Cm = 2,8 p.u; tb = 8 s; Jm = 0,30337 jgm2; Categoria N.

O motor escolhido atende às condições do problema, pois Cp = 390 Nm (R)

Observação: não foi feita a verificação da capabilidade de aceleração por não ter sido dado o momento de inércia da máquina.

2.12.2 - Um soprador de ar de um alto forno de uma usina siderúrgica possui os seguintes dados operacionais:

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