GUIA DE
APLICAÇÃO DE
SOFT-STARTERS
GUIA DE
APLICAÇÃO DE
SOFT-STARTERS
WEG AUTOMAÇÃO www.weg.com.brAUTORIA AUTORIA AUTORIA AUTORIA AUTORIA
AUTORIA:
Este Guia de Soft-Starter foi
escrito pelo Tecnólogo Rogério Ferraz, a
quem coube a coordenação do trabalho e
a criação dos capítulos 1, 4, 5, 6, 7, 8 e
anexo II, e pelo Engº. Enivaldo C. do
Nascimento que atuou na criação do
capítulo 4.
Os capítulos 2 e 3 e os anexos I e
III foram revisados pelos autores a partir
do Guia do Inversores de Freqüência da
Weg.
1.1 Métodos de partida de motores _______________ 12 1.2 Métodos tradicionais de partida de motores_____ 12 1.2.1 Partida de motores com embreagens _____ 13 1.2.2 Transmissão hidráulica _________________ 13 1.2.3 Acoplamento hidrálico _________________ 13 1.2.4 Motor de anéis ________________________ 15 1.2.5 Inversor de Freqüência como um
método de partida_____________________ 16
2.1 Princípíos básicos de funcionamento ___________ 21 2.2 Análise de funcionamento ____________________ 26 2.3 Curvas características de motor de indução _____ 28 2.3.1 Torque x Velocidade____________________ 28 2.3.2 Corrente x Velocidade __________________ 29 2.4 Potência e perdas ___________________________ 29 2.5 Características de temperatura - classes de
isolamento térmico__________________________ 30 2.6 Tempo de rotor bloqueado ____________________ 31
3.1 Categorias de partida ________________________ 35 3.2 Formas de partida __________________________ 36 . Partida direta _____________________________ 36 . Partida estrela-triângulo ____________________ 37 . Partida eletrônica (soft-starter) ______________ 38 . Partida série-paralelo _______________________ 39 . Partida compensadora ______________________ 41 3.3 Frenagem __________________________________ 43 3.3.1 Frenagem por contra-corrente ___________ 43 3.3.2 Frenagem por injeção de corrente
contínua (CC) _________________________ 44 3.4 Vantagens e desvantagens dos métodos de
partida ____________________________________ 45 . Partida direta _____________________________ 45 . Estrela-triângulo ___________________________ 46 . Soft-starter _______________________________ 46 . Partida série-paralelo _______________________ 46 . Partida compensadora ______________________ 47 3.5 NBR-5410 referente a partida com corrente
reduzida ___________________________________ 48
ÍNDICE
ÍNDICE
1
INTRODUÇÃO
2
COMO FUNCIONA UM
MOTOR DE INDUÇÃO?
3
MÉTODOS DE COMANDO
DE UM MOTOR DE
INDUÇÃO
5
PARÂMETROS DA
SOFT-STARTER
4.1 Introdução _________________________________ 53 4.1.1 Semicondutores e componentes eletrônicos ___________________________ 53 4.1.2 A característica mais marcante dostiristores _____________________________ 54 4.1.3 Introdução às válvulas de descarga
a gás ________________________________ 54 4.1.4 Thyratron ____________________________ 56 4.1.5 SCR (Silicon Controlled Rectifier) ________ 57 4.1.6 Entendendo o disparo do SCR ___________ 59 4.2 Princípio de funcionamento da Soft-Starter _____ 65 . Circuito de potência ________________________ 66 . Circuito de controle ________________________ 68 4.3 Principais características _____________________ 68 4.3.1 Principais funções _____________________ 69 . Rampa de tensão na aceleração ________ 69 . Rampa de tensão na desaceleração _____ 70 . Kick Start ___________________________ 71 . Limitação de corrente _________________ 72 . Pump control ________________________ 73 . Economia de energia _________________ 74 4.3.2 Proteções ____________________________ 75 4.3.3 Acionamentos típicos __________________ 75 . Básico / Convencional ________________ 76 . Inversão de sentido de giro ____________ 77 . Frenagem por injeção de CC ___________ 78 . By-pass _____________________________ 79 . Multimotores / Cascata _______________ 80 5.1 Parâmetros de leitura ________________________ 84 5.2 Parâmetros de regulação _____________________ 86 5.3 Parâmetros de configuração __________________ 94 5.4 Parâmetros do motor _______________________102 5.5 Erros e possíveis causas _____________________ 105
6.1 Introdução ________________________________111 6.1.1 Definições ___________________________ 111 6.1.2 Relações básicas _____________________ 112 6.2 Interação entre processo, máquina, motor e
acionamento ______________________________116 6.2.1 A importância do processo/máquina ____116 6.2.2 Aplicação de acionamentos elétricos
-problemas típicos ____________________118 6.3 O que a carga requer _______________________119 6.3.1 Tipos de cargas ______________________119 6.3.2 O pico da carga ______________________121 6.3.3 Estimando cargas ____________________122 6.4 Seleção de acionamentos (motor/Soft-Starter) __123 6.4.1 Categorias AC53a e AC53b _____________123
4
SOFT-STARTER
6
DIMENSIONAMENTO DO
CONJUNTO MOTOR +
SOFT-STARTER
7
INSTALAÇÃO DA
SOFT-STARTER
8
LINHAS DE
SOFT-STARTER WEG
6.4.2 Capacidade térmica da Soft-Starter _____124 6.4.3 Corrente RMS num ciclo (IRMS) __________125 6.4.4 Casos especiais ______________________129 . Efeito da temperatura ambiente _______129 . Efeito da altitude____________________130 6.4.5 Tempo de rotor bloqueado do motor_____131 6.4.6 Tempo de aceleração _________________132 6.5 Afundamento de tensão ou queda de tensão
momentânea (Voltage Sag / Voltage Dip) ______141 6.5.1 Conseqüências de uma queda de tensão
momentânea ________________________145 6.5.2 Comentários sobre soluções contra
queda de tensão momentânea _________146 6.5.3 Capacidade relativa da rede de
alimentação _________________________148 6.5.4 Comentários sobre a queda de tensão e
a influência na partida do motor _______158 6.6 Aplicações típicas __________________________160 6.6.1 Máquinas com partidas leves __________161 6.6.2 Máquinas com partidas severas ________165 6.7 Regras práticas de dimensionamento _________173
7.1 Introdução ________________________________179 7.2 Ligação padrão, entre a rede e o motor _______180 7.2.1 Chave seccionadora __________________181 7.2.2 Fusíveis ou disjuntor __________________181 7.2.3 Contator ____________________________181 7.2.4 Fiações de controle e interface
Homem-Máquina (IHM) _______________181 7.2.5 Correção de fator de potência __________182 7.2.6 Aterramento _________________________182 7.3 Ligação dentro do delta do motor ____________183 7.3.1 Introdução __________________________183 7.3.2 Exemplo de ligação com SSW-03 Plus
dentro da ligação delta do motor _______185 7.3.3 Ligação de terminais de motores com
tensões múltiplas ____________________188 7.3.4 Possibilidades de ligação da SSW-03 Plus
em função do fechamento do motor _____191 7.4 SSW-05 (Micro Soft-Starter) _________________193 7.5 Ligação da SMV-01 (Soft-Starter para Média
Tensão) ___________________________________196 8.1 Introdução ________________________________199 8.2 SSW-03 e SSW-04 __________________________199 . Benefícios _______________________________200 . Principais aplicações ______________________200 . Interface Homem-Máquina _________________201 . Tabela de especificação SSW-04 _____________202 . Dimensões e pesos ________________________203 . SSW-03 Plus _____________________________204
ANEXO 3
CHECK-LIST PARA
DETALHAMENTO DA
APLICAÇÃO
- SOFT-STARTER
. Características técnicas ____________________205 . Tipo de ligação (Soft-Starter > motor) _____206 . Funções principais ________________________207 . Acessórios e periféricos ____________________209 8.3 SSW-05 ___________________________________210 . Benefícios _______________________________210 . Tabela de especificação ____________________211 . Codificação - exemplo de utilização _________ 212 . Características técnicas ____________________212 8.4 SMV-01 __________________________________213 . Características gerais ______________________215 . Modelos _________________________________ 215 . Características técnicas ____________________2161. Momento de inércia de formas simples ________219 2. Teorema dos eixos paralelos _________________221 3. Momento de inércia de formas compostas _____222 4. Momento de inércia de corpos que se movem
linearmente _______________________________223 5. Transmissão mecânica ______________________223 6. Exemplos de cálculos de momento de inércia
de massa _________________________________ 224 6.1 Cálculo do momento de inércia de massa 224 6.2 Cálculo do momento de inércia total ____225
1. Introdução ________________________________229 2. Como acessar _____________________________230 3. Como usar ________________________________231 4. Limite de responsabilidade pelo uso do
software SDW _____________________________254
Soft-Starter
Folha de dados para dimensionamento ____________257
Referências Bibliográficas _______________________259 Comentários___________________________________261
ANEXO 1
CÁLCULO DO MOMENTO
DE INÉRCIA DE MASSA
ANEXO 2
SOFTWARE DE
DIMENSIONAMENTO
WEG - SDW
INTRODUÇÃO
1.1 Métodos de partida de motores
1.2 Métodos tradicionais de partida de
motores
1.2.1 Partida de motores com embreagens 1.2.2 Transmissão hidráulica
1.2.3 Acoplamento hidráulico 1.2.4 Motor de anéis
INTRODUÇÃO
1
É recorrente no desenvolvimento de nossa sociedade a necessidade de acelerar, manter em movimento e parar máquinas.
Seja através de tração animal, sejam monjolos, moinhos de vento ou vapor, foram várias as soluções de que nossos precursores lançaram mão para obter maior conforto, maior segurança. e para atingir melhores resultados em suas atividades.
Figura 1.1 - Moinho de Vento
O atual estado de desenvolvimento dos acionamentos elétricos concentra o resultado de um longo período de tentativas e descobertas, em diversas áreas do
conhecimento, para movimentar nossas máquinas cada vez mais sofisticadas e exigentes.
A Soft-Starter hoje já é uma alternativa plenamente consolidada para partidas e paradas de motores trifásicos de indução. A evolução dos processos e máquinas criou um ambiente propício ao acionamento suave, controlado e com múltiplos recursos
disponibilizados pelo controle digital.
Indo além, há uma maior consciência de que nossos recursos exigem conservação cuidadosa, o que faz da Soft-Starter um equipamento em sintonia com o cenário energético atual, colaborando para o uso racional de nossas instalações.
Temos a satisfação de reconhecer que o Brasil está muito bem representado nesta área por uma empresa nacional cujo nome já é sinônimo de qualidade nos cinco continentes, a Weg.
Estamos certos de que este guia será de grande valia para os técnicos, engenheiros e empreendedores que,
INTRODUÇÃO
1
conosco, trabalham para construir um futuro à altura das potencialidades do nosso país. Já é possível ver este futuro.
Conforme veremos no capítulo 2 (Funcionamento do motor de indução), picos de corrente e torque são intrínsecos à partida com plena tensão do motor trifásico.
Na prática, muitas vezes deseja-se limitar o valor da corrente que será drenada da rede de alimentação a fim de evitar:
1) distúrbios na rede ou
2) aumento da demanda de energia elétrica.
No caso dos distúrbios na rede, o objetivo é reduzir a queda de tensão (ou mesmo a sua interrupção). No caso do aumento da demanda, deseja-se atender limites definidos junto às concessionárias de energia elétrica, uma vez que o não atendimento destes limites é punido com a cobrança tarifas elevadas.
Embora, invariavelmente a redução da corrente seja acompanhada de uma redução do torque no motor, nem sempre esta redução de torque é tida como prejudicial. Na verdade este é um dos aspectos que precisam ser cuidadosamente ponderados a fim de obter-se o melhor dimensionamento do conjunto motor + sistema de partida.
Podemos agrupar os métodos de partida de motores trifásicos conforme segue:
1) Aqueles em que a tensão aplicada ao motor é a tensão plena da rede (partida direta)
2) Aqueles em que a tensão aplicada ao motor é a tensão plena, entretanto a ligação das bobinas do motor leva a uma tensão menor em cada bobina (chaves estrela- triângulo e série- paralela) 3) Aqueles em que a tensão aplicada ao motor é
efetivamente reduzida (chaves compensadoras e Soft-Starter)
Os itens acima são abordados em maior profundidade nos capítulos seguintes.
1.1 MÉTODOS DE
PARTIDA DE
MOTORES
1.2 MÉTODOS
TRADICIONAIS DE
PARTIDA DE
MOTORES
!
INTRODUÇÃO
1
O objetivo básico que leva a utilização de embreagens é permitir que durante a aceleração de motores assíncronos a partida se dê praticamente a vazio e a corrente de partida tenha uma duração mínima, com vantagens para a rede de alimentação e para o motor. Por outro lado o motor poderá atingir seu conjugado máximo em processo momentâneo de desaceleração (durante o acoplamento da embreagem), enquanto nos outros métodos este conjugado máximo será atingido em plena aceleração.
A necessidade de manutenção e maior complexidade de montagem do conjunto mecânico são algumas das restrições do uso de embreagens.
Em um sistema de transmissão hidráulica, a energia é transferida empregando-se um fluído para controlar um movimento linear ou um eixo de saída.
Há dois tipos principais de transmissão hidráulica: 1) hidrocinéticos (como acoplamentos hidráulicos),
que utilizam a energia cinética de um fluído 2) hidrostáticos, que utilizam a energia de pressão do
fluído.
O princípio de funcionamento do acoplamento hidráulico pode ser explicado por analogia com um sistema de bombeamento. Neste sistema uma bomba centrífuga de óleo (parte motora) é acionada por um motor elétrico. Uma turbina (parte movida), cujo eixo aciona a máquina, é acionada através do óleo
movimentado pela bomba.
Tanto a parte motora quanto a parte movida compartilham um mesmo invólucro, sem conexão mecânica entre elas. A energia é transmitida pelo fluído (óleo) entre as partes.
Desde o início do movimento do motor há uma
tendência de movimento da parte movida (eixo que aciona a máquina). Quando o conjugado transmitido ao eixo que aciona a máquina se igualar ao conjugado resistente inicia-se a aceleração da máquina.
1.2.1 Partida de motores
com embreagens
1.2.2 Transmissão
hidráulica
1.2.3 Acoplamento
Hidráulico
"
INTRODUÇÃO
1
Este é um método de partida historicamente associado a partida de cargas com inércia elevada, como moinhos ou transportadores.
O gráfico a seguir ilustra a evolução do torque no eixo de saída do acoplamento.
Figura 1.2 - O acoplamento hidráulico segue o princípio das máquinas centrífugas: o torque transmitido ao eixo de saída é proporcional ao quadrado da velocidade
Fisicamente, instala-se o acoplamento hidráulico entre o motor e a máquina
Figura 1.3 - Exemplo de acoplamento hidráulico com montagem por polias
O acoplamento hidráulico necessita de manutenção para checagem do nível e carga de óleo, o que pode se tornar um procedimento mais ou menos difícil em função da montagem (com polias, axial ao eixo do motor, com redutores, etc).
#
INTRODUÇÃO
1
Manutenção inadequada ou vazamento do óleo podem causar danos no sistema.
Os motores de anéis caracterizam-se pela capacidade de alteração das curvas de conjugado e corrente através da inserção de resistências externas ao circuito rotórico do motor.
Figura 1.4 - Exemplo de circuito de força de motor de anéis
$
INTRODUÇÃO
1
Esta alteração das curvas do motor tornaram o uso do motor de anéis bastante conveniente para aceleração de máquinas com alto conjugado resistente em baixas rotações, como pode-se observar na figura abaixo.
Figura 1.5 - Partida com motor de anéis. A inserção dos devidos
resistores no circuito rotórico leva o torque máximo do motor ao instante inicial de partida.
O motor de anéis também encontrou aplicação em máquinas que necessitam de alguma variação de velocidade e redução na corrente de partida. Entretanto, o uso de Inversores de Freqüência tem levado os motores de anéis a fazer parte apenas de situações muito específicas.
Vale lembrar que o uso de Inversores para partidas de cargas com alto conjugado de partida merece cuidado particular de dimensionamento. Deve-se levar em conta o ciclo de operação e a corrente solicitada com Inversor no dimensionamento térmico do conjunto motor + inversor.
Embora a principal função do Inversor de Freqüência seja a variação de velocidade, não é possível deixar de lado suas virtudes no que tange à aceleração e parada de máquinas.
Em todos os métodos de partida, o que se procura são maneiras de lidar com os transitórios de partida
1.2.5 Inversor de
Freqüência como um
Método de Partida
%
INTRODUÇÃO
1
(elétricos e mecânicos), e, assim, alcançar com sucesso, e com o mínimo de distúrbio, o funcionamento estável do sistema.
Figura 1.6 - Curva torque versus rotação de um motor trifásico acionado por Inversor Vetorial. Desde que provido de meio de ventilação adequado, o motor trifásico acionado por Inversor de Freqüência pode aplicar seu torque nominal mesmo em velocidades baixas durante quanto tempo for necessário
Com o Inversor de Freqüência estes transitórios são praticamente eliminados, ou, pelo menos, são bastante reduzidos.
Por exemplo, em cargas com alta inércia, o torque e a rampa de aceleração podem ser ajustados da maneira que se consiga a aceleração mais suave possível. Isto porque o Inversor de Freqüência toma as rédeas do sistema desde os primeiros instantes da aceleração. Quando se necessita de controle na desaceleração, com ou sem frenagem, também através do Inversor
encontramos o maior número de alternativas: tanto pode-se conseguir a parada e desaceleração suaves de uma bomba, quanto torque de frenagem para a descida de uma carga (ponte rolante, guindaste).
&
Figura 1.7 Fundamental de uma fase na saída do inversor de freqüência durante um processo de aceleração seguido de desaceleração.
Com uma taxa de aumento de velocidade (rampa de aceleração) adequada, aliada a novas tecnologias de controle vetorial como o Vectrueâ, pode-se praticamente eliminar os transitórios de partida em
algumas aplicações.
Entretanto, convém frisar que cada máquina requer seus devidos cuidados no dimensionamento do
Inversor e eventuais acessórios (resistor de frenagem, tipo de retificador, etc).
Figura 1.8 - Inversores de Freqüência série CFW-09. A baixa exigência de manutenção é um dos principais diferenciais dos Inversores de Freqüência, assim como as Soft-Starters
INTRODUÇÃO
COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUÇÃO?
2.1 Princípios básicos de funcionamento
2.2 Análise de funcionamento
2.3 Curvas características do motor de
indução
2.3.1 Torque x Velocidade 2.3.2 Corrente x Velocidade
2.4 Potência e perdas
2.5 Características de temperatura - Classes
de isolamento térmico
COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUÇÃO?
2
Para compreender o funcionamento da Soft-Starter e de um Inversor de Freqüência é de fundamental importância entender primeiro como funciona um motor de indução. Para começar enunciaremos os princípios físicos básicos da conversão de energia elétrica em energia mecânica.
1. Uma corrente circulando por um condutor produz um campo magnético, representado na figura 2.1 pelas linhas circulares chamadas de linhas de
indução magnética. No centro da figura se encontra o condutor e as linhas circulares em volta são uma representação gráfica do campo magnético gerado pela corrente.
Figura 2.1
2. Se um condutor é movimentado dentro de um campo magnético, aparecerá uma tensão induzida entre os terminais do condutor, proporcional ao número de linhas de indução cortadas por segundo (figura 2.2). Se o dito condutor forma um circuito fechado, circulará por ele uma corrente elétrica.
Figura 2.2
2.1 PRINCÍPIOS BÁSICOS
DE FUNCIONAMENTO
COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUÇÃO?
2
3. Dois condutores adjacentes (a e b) pelos quais está circulando uma corrente elétrica (ia e ib) produzem cada um deles um campo magnético (Item 1). A interação entre estes dois campos magnéticos produzirá uma força (F) de atração ou repulsão entre os condutores (figura 2.3), proporcional à corrente que circula por ambos condutores e à distância (d) entre eles.
Figura. 2.3
4. Um bobinado polifásico, igual ao mostrado na figura 2.4, alimentado por um sistema de tensões trifásico (figura 2.5) produzirá um campo magnético girante (figura 2.6). Este princípio é similar ao visto na figura 2.1, com a diferença que neste o campo magnético é estático.
!
Figura 2.5
Na figura 2.6, os pontos identificados com os números ... correspondem aos momentos em que a tensão de uma das três fases é igual a zero. Desta maneira é mais fácil fazer a composição dos vetores de indução magnética para cada instante. Na figura pode-se ver que a resultante destes vetores está girando (campo girante) com uma velocidade proporcional a freqüência e ao número de pólos do motor.
Figura 2.6
COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUÇÃO?
"
5. A velocidade do campo girante descrito
anteriormente, chamada de velocidade síncrona, é proporcional à freqüência do sistema de tensões trifásico e ao número de pólos do bobinado.
Velocidade do campo girante [rpm]= (freqüência [1/ s] x 120 ) / n° de pólos
6. Conjugado: O conjugado (também chamado de torque, momento ou binário) é a medida do esforço necessário para girar um eixo. É sabido, pela
experiência prática, que para levantar um peso por um processo semelhante ao usado em poços de água ver figura 2.7 a força F que é preciso aplicar à manivela depende do comprimento da manivela.
Quanto maior a manivela, menor será a força necessária.
Se dobrarmos o tamanho da manivela, a força F necessária será diminuída a metade. No exemplo da figura 2.7, se o balde pesa 20kgf e o diâmetro do tambor é 20 cm, a corda transmitirá uma força de 20 kgf na superfície do tambor, isto é, a 0,1m (10cm) do centro do eixo.
Para contrabalançar esta força, precisamos de 10 kgf na manivela, se o comprimento a for 0,2 m (20cm).
Se a for o dobro, isto é 0,4 m, a força F será a metade, ou seja, 5kgf.
Como se vê, para medir o esforço necessário para fazer girar o eixo não basta definir a força
empregada: é preciso também dizer a que distância do eixo a força é aplicada. O esforço é medido pelo conjugado, que é o produto F x a , da força pela distância.
No exemplo citado, o conjugado vale:
C = 20 kgf x 0,1 m = 10 kgf x 0,2 m = 5 kgf x 0,4 = 2mkgf
COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUÇÃO?
#
Figura 2.7
Os motores de indução mais utilizados na indústria são os chamados motores de gaiola trifásicos (figura 2.8 - rotor e estator).
COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUÇÃO?
2
Figura 2.8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 NÚCLEO DE CHAPAS BARRAS DE ANÉIS DE CURTO-CIRCUITO NÚCLEO DE CHAPAS VENTILADOR PROTEÇÃO DO VENTILADOR CAIXA DE LIGAÇÃO TERMINAIS EIXO TAMPAS CARCAÇA ENTROLAMENTO TRIFÁSICO ROLAMENTOS$
COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUÇÃO?
2
Estator: Carcaça (1), Núcleo de Chapas (2), Enrolamento trifásico (8)
Rotor: Eixo (7), Núcleo de chapas (3), Barras e anéis de curto-circuito (12)
Outras partes: Tampas (4), Ventilador (5), Proteção do ventilador (6), Caixa de ligação (9), Terminais (10), Rolamentos (11).
Nestes motores o rotor é fabricado com espiras em curto-circuito formando uma verdadeira gaiola. O estator é formado por três bobinas (bobinado trifásico), com pares de pólos em cada fase.
Para análise de funcionamento pode-se considerar o motor de indução como um transformador, onde o enrolamento primário deste transformador é formado pelo estator e o enrolamento secundário pelo rotor. O próprio nome motor de indução se deve ao fato de que toda a energia requerida pelo rotor para a geração de torque é induzida pelo primário do transformador (estator) no secundário (rotor).
Como existem dois campos magnéticos, um no estator e outro no rotor, e como descrito no item 3, aparecerá uma força entre o rotor e o estator que fará com que o rotor gire, já que é o único que pode se movimentar pois está montado sobre rolamentos, disponibilizando assim energia mecânica (torque) no seu eixo.
Para facilitar o entendimento do funcionamento do motor de indução dividiremos o estudo em três casos hipotéticos:
CASO 1
Primeiramente consideraremos um motor de dois pólos com o rotor bloqueado, isto significa que através de algum dispositivo mecânico impediremos que o eixo do motor (rotor) gire. Nesta condição, se aplicarmos
tensão trifásica com freqüência de 60Hz nos terminais do bobinado do estator, este produzirá um campo magnético girante com velocidade de 3600 rpm (item 5). As linhas de indução deste campo magnético cortarão as espiras do rotor com velocidade máxima induzindo assim a máxima tensão nas espiras do rotor, e como estas estão em curto-circuito, circulará também a máxima corrente por elas. Como toda a energia produzida no rotor tem de ser induzida pelo estator,
2.2 ANÁLISE DE
%
COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUÇÃO?
2
circulará no bobinado do estator uma corrente elevada (6 a 8 vezes maior que a corrente nominal do motor). Se esta condição for mantida por mais que alguns segundos os fios do bobinado do estator irão esquentar de forma indevida, podendo até danificar (queimar) o bobinado, pois não foram projetados para suportar esta corrente por um período de tempo grande.
CASO 2
Agora vamos para o outro extremo. Vamos supor que o rotor do motor possa girar exatamente à velocidade de 3600 rpm. Neste caso as linhas de indução do campo magnético girante produzido pelo estator não
cortarão as espiras do rotor pois os dois estão girando com mesma velocidade. Sendo assim não haverá tensão induzida, nem corrente, nem geração de campo magnético.
Para a produção de energia mecânica (torque) no motor é necessária a existência de dois campos
magnéticos, sendo assim, não haverá torque no eixo do motor.
CASO 3
Vamos supor agora que, nas mesmas condições do Caso 2, baixamos a velocidade do rotor do motor para 3550 rpm. O campo magnético girante tem uma velocidade de 3600 rpm, é assim que as linhas de indução do campo magnético girante do estator cortarão as espiras do rotor com uma velocidade de 50 rpm (3600 rpm 3550 rpm = 50 rpm), produzindo uma tensão e uma corrente induzida no rotor. A interação entre os dois campos magnéticos, o do estator e o do rotor, produzirão uma força, que pela sua vez produzirá torque no eixo do motor.
A diferença entre a velocidade síncrona (3600 rpm) e a velocidade do rotor é conhecida como
escorregamento.
Escorregamento = velocidade síncrona velocidade do rotor
(Ns N) S =
&
COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUÇÃO?
2
Descritas estas três condições, podemos agora imaginar o que acontece na prática com nosso motor de indução. Na partida acontece algo similar ao descrito no caso 1, mas na prática a diferença do rotor bloqueado do caso 1 nosso motor pode girar livremente. Sendo assim circulará no bobinado do estator uma corrente elevada (6 a 8 vezes maior que a corrente nominal do motor) que diminuirá a medida que a velocidade do motor aumenta.
Quando a velocidade do rotor se aproxima da velocidade síncrona (caso 2) o torque produzido diminuirá, fazendo diminuir também a velocidade do rotor. Existirá então um ponto de equilíbrio entre a carga do motor e a velocidade do rotor (caso 3). Se a carga no eixo do motor aumenta, a velocidade do rotor tenderá a diminuir, e o escorregamento
aumentará. Se o escorregamento aumenta a
velocidade com que as linhas de indução do campo magnético do rotor cortam o estator aumentará, aumentando também a tensão e corrente induzida no rotor. Se a corrente é maior, o campo magnético gerado por esta também será maior, aumentando assim o torque disponível no eixo do motor, chegando
novamente numa condição de equilíbrio. Se o torque requerido pela carga é maior que o nominal do motor, e se esta condição é mantida por muito tempo, a corrente do motor será maior que a nominal e o motor será danificado.
É a curva que mostra a relação entre o torque
desenvolvido pelo motor e a sua rotação. Na partida, quando o motor é ligado diretamente à rede, o torque (torque de partida) será de aproximadamente 2 a 2,5 vezes o torque nominal, diminuindo a medida que a velocidade aumenta até atingir um valor de 1,5 a 1,7 do torque nominal a aproximadamente 30% da velocidade nominal. A medida que a velocidade aumenta o torque aumenta novamente até atingir o seu valor máximo (80% da velocidade nominal)
chegando a seu valor nominal na velocidade nominal. Como mostra a curva (linha cheia) da figura 2.9.
2.3 CURVAS
CARACTERÍSTICAS
DO MOTOR DE
INDUÇÃO
'
COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUÇÃO?
2
2.4 POTÊNCIA E PERDAS
2.3.2 Corrente x Velocidade
É a curva (linha tracejada da figura 2.9) que mostra a relação entre a corrente consumida pelo motor em função da sua velocidade. A figura mostra que na partida, quando o motor é ligado diretamente à rede, a corrente que circula por ele será 5 a 6 vezes maior que a corrente nominal, diminuindo a medida que avelocidade aumenta até atingir um valor estacionário determinado pela carga acoplada ao motor. Se a carga for a nominal a corrente será também a corrente nominal.
Figura 2.9 - Curva Torque x Velocidade e Corrente x Velocidade para motores de indução de rotor em gaiola alimentados com tensão e freqüência constantes
Na placa de identificação do motor existe um
parâmetro chamado de rendimento e identificado pela letra grega h. Este parâmetro é uma medida da
quantidade de potência elétrica transformada pelo motor em potência mecânica. A potência transmitida à carga pelo eixo do motor é menor que a potência elétrica absorvida da rede, devido às perdas no motor. Essas perdas podem ser classificadas em:
!
COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUÇÃO?
2
2.5 CARACTERÍSTICAS
DE TEMPERATURA
CLASSES DE
ISOLAMENTO
TÉRMICO
n perdas no enrolamento estatórico (perdas no cobre); n perdas no rotor;
n perdas por atrito e ventilação;
n perdas magnéticas no núcleo (perdas no ferro);
Sendo o motor de indução uma máquina robusta e de construção simples, a sua vida útil depende quase exclusivamente da vida útil da isolação do bobinado e da vida mecânica dos rolamentos. Vida útil da isolação refere-se ao envelhecimento gradual do isolante, não suportando mais a tensão aplicada e produzindo curto-circuito entre as espiras do bobinado.
Para fins de normalização, os materiais isolantes e os sistemas de isolamento (cada um formado pela combinação de vários materiais) são agrupados em CLASSES DE ISOLAMENTO, cada qual definida pelo respectivo limite de temperatura, ou seja, pela maior temperatura que o material pode suportar
continuamente sem que seja afetada sua vida útil. As classes de isolamento utilizadas em máquinas elétricas e os respectivos limites de temperatura conforme norma NBR-7094, são mostradas na tabela a seguir: Tabela 2.1 - Classes de isolamento
CLASSE TEMPERATURA (°C) A 105 E 120 B 130 F 155 H 180
As classes B e F são as freqüentemente utilizadas. O sistema de isolamento convencional dos motores, que tem sido utilizado com sucesso em todos os casos de alimentação com fontes senoidais tradicionais (50/ 60Hz) pode não atender os requisitos necessários se os mesmos forem alimentados por outro tipo de fonte. É o caso dos motores alimentados por inversores de
freqüência. Atualmente, com a utilização generalizada destes equipamentos, o problema do rompimento da isolação provocado pelos altos picos de tensão
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COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUÇÃO?
2
gerados pelo inversor, bem como a alta freqüência com que estes são produzidos, obrigou a implementar melhorias no isolamento dos fios e no sistema de impregnação, afim de garantir a vida dos motores. Estes motores com isolamento especial são chamados de Inverter Duty Motors.
Tempo de rotor bloqueado é o tempo necessário para que o enrolamento da máquina, quando percorrido pela sua corrente de partida, atinja a sua temperatura limite, partindo da temperatura em condições nominais de serviço e considerando a temperatura ambiente no seu valor máximo.
Este tempo é um parâmetro que depende do projeto da máquina. Encontra-se normalmente no catálogo ou na folha de dados do fabricante. A tabela abaixo mostra os valores limites da temperatura de rotor bloqueado, de acordo com as normas NEMA e IEC.
2.6 TEMPO DE ROTOR
BLOQUEADO
Tabela 2.2 - Temperatura limite de rotor bloqueado
CLASSE TEMPERATURA MÁXIMA (°C)
DE DDDDDTmáx(°C)
ISOLAMENTO NEMA MG1.12.53 IEC 79.7
B 175 185 80
F 200 210 100
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COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUÇÃO?
2
Para partidas com tensão reduzida o tempo de rotor bloqueado pode ser redefinido como segue:
trb = tb x ( Un / Ur )2
Onde:
trb = Tempo de rotor bloqueado com tensão reduzida
tb = Tempo de rotor bloqueado à tensão nominal
Un = Tensão nominal Ur = Tensão reduzida
Outra forma de se redefinir o tempo de rotor
bloqueado é através da utilização da corrente aplicada ao motor, como segue:
Ipn trb = tb . ( )²
Ipc Onde:
trb = Tempo de rotor bloqueado com corrente reduzida
tb = Tempo de rotor bloqueado à corrente nominal
Ipn = Corrente de partida direta do motor Ipc = Corrente de partida do motor com
corrente reduzida
Geralmente, Ipn é obtido de catálogos e possui o valor em torno de 6 a 8 vezes a corrente nominal do motor, e Ipc depende do método de partida do motor. Se por exemplo esta partida for do tipo estrela-triângulo o valor da corrente será de aproximadamente 1/3 da corrente de partida.
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MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE
INDUÇÃO
3.1 Categorias de partida
3.2 Formas de partida
3.3 Frenagem
3.4 Vantagens e desvantagens dos métodos
de partida
3.5 NBR-5410 referente a partida com
corrente reduzida
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MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO
3
Os métodos de comando de um motor de indução, são implementados com equipamentos eletromecânicos, elétricos e eletrônicos. Estes equipamentos permitem acelerar (partir) e desacelerar (frenar) o motor de acordo com requisitos impostos pela carga, segurança, concessionárias de energia elétrica, etc.
Conforme as suas características de torque em relação à velocidade e corrente de partida, os motores de indução trifásicos com rotor de gaiola, são classificados em categorias, cada uma adequada a um tipo de carga. Estas categorias são definidas em norma (NBR 7094), e são as seguintes:
a) CATEGORIA N
Constituem a maioria dos motores encontrados no mercado e prestam-se ao acionamento de cargas normais, como bombas, máquinas operatrizes, e ventiladores.
b) CATEGORIA H
Usados para cargas que exigem maior torque na partida, como peneiras, transportadores carregadores, cargas de alta inércia, britadores, etc.
c) CATEGORIA D
Usados em prensas excêntricas e máquinas
semelhantes, onde a carga apresenta picos periódicos. Usados também em elevadores e cargas que
necessitam de torques de partida muito altos e corrente de partida limitada.
3.1 CATEGORIAS DE
PARTIDA
Tabela 3.1 - Características das categorias de partida direta
Categorias Torque Corrente Escorregamento
de partida de partida de partida
N Normal Normal Baixo
H Alto Normal Baixo
D Alto Normal Alto
!$
MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO
3
Figura 3.1 - Curvas características de torque em função da categoria do motor (partida direta)
l PARTIDA DIRETA
A maneira mais simples de partir um motor de indução é a chamada partida direta, aqui o motor é ligado à rede diretamente através de um contator (ver figura 3.2). Porém, deve-se observar que para este tipo de partida existem restrições de utilização. Como já foi visto anteriormente, a corrente de partida de um motor de indução quando ligado diretamente à tensão da rede é 5 a 8 vezes maior que a corrente nominal. Por este motivo, e fundamentalmente para motores de grande porte, a partida direta não é utilizada.
3.2 FORMAS DE
PARTIDAS
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MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO
3
l PARTIDA ESTRELA-TRIÂNGULO
(Y-
D
)
Este tipo de partida só pode ser utilizado em motores que possuam ligação em dupla tensão (por exemplo 3 x 380 V e 3 x 220 V). A menor tensão deverá ser igual à tensão de rede e a outra 1,73 vezes maior. (Ex.: 220/ 380V, 380/660V). Esta partida é implementada com dois contatores como mostra a figura 3.3. Na partida o motor é ligado na conexão de maior tensão, isto
possibilita uma redução de até 1/3 da corrente de partida do motor, como mostra a figura 3.4.
A partida estrela-triângulo poderá ser usada quando a curva de torque do motor for suficientemente elevada para que possa garantir a aceleração da máquina com a corrente reduzida, ou seja, o torque resistente da carga não deverá ser superior ao torque do motor quando o motor estiver em estrela.
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MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO
3
Figura 3.4 - Curva característica de torque e corrente, motor com partida estrela-triângulo
l PARTIDA ELETRÔNICA
(SOFT-STARTER)
Será abordada em profundidade no capítulo a seguir.
Figura 3.5 - Curva característica de torque e corrente, motor com partida suave (soft-starter)
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MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO
3
Além da vantagem do controle da corrente durante a partida, a chave eletrônica apresenta, também, a vantagem de não possuir partes móveis.
Ainda, como um recurso adicional, a soft-starter apresenta a possibilidade de efetuar a desaceleração suave das cargas de baixa inércia.
l PARTIDA SÉRIE-PARALELO
Este tipo de partida só pode ser utilizado em motores que possibilitam a ligação em dupla tensão.
A menor das duas tensões deve ser igual a tensão da rede e a outra deve ser o dobro.
Por exemplo: 220V- 440V e 380V-760V (mais comuns), ou outros valores de tensão de rede, seguindo a mesma regra: 230V-460V, etc.
Para tanto, o motor deve dispor de 9 ou 12 terminais de ligação, para permitir as ligações triângulo série-paralelo (figuras 3.6 e 3.7) ou estrela série-série-paralelo (figuras 3.8 e 3.9).
Figura 3.6 - Ligação triângulo série: apta a receber ligação superior, entretanto aplica-se tensão reduzida: este é o princípio de funciona-mento da série-paralelo
"
MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO
3
Figura 3.7 - Ligação triângulo paralelo: apta a receber tensão reduzida, e efetivamente aplicando-se tensão reduzida: o motor desenvolve suas características nominais
Figura 3.8 - Ligação estrela série: apta a receber ligação superior, entre-tanto aplica-se tensão reduzida, conforme o princípio de funcionamen-to da série paralelo
Figura 3.9 - Ligação estrela paralelo: apta a receber tensão reduzida, e efetivamente aplicando-se tensão reduzida: o motor desenvolve suas características nominais
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MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO
3
No momento da partida a corrente fica reduzida para 25 a 33% da corrente de partida direta, entretanto o mesmo ocorre com o torque, restringindo o uso desta chave para partidas em vazio.
Figura 3.10 - Chave série paralelo, usando nove cabos do motor
l PARTIDA COMPENSADORA
Esta chave de partida alimenta o motor com tensão reduzida em suas bobinas, na partida.
A redução de tensão nas bobinas (apenas durante a partida) é feita através da ligação de um
autotransformador em série com as mesmas. Após o motor ter acelerado as bobinas passam a receber tensão nominal.
A redução de corrente depende do TAP em que o autotransformador estiver ligado.
TAP 65%: Redução para 42% do seu valor de partida direta
TAP 80%: Redução para 64% do seu valor de partida direta
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MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO
3
A chave de partida compensadora pode ser usada para motores que partem com alguma carga. O conjugado resistente deve ser inferior ao conjugado
disponibilizado pelo motor durante a partida com tensão reduzida pela compensadora.
Os motores podem ter tensão única e, apenas, três cabos disponíveis.
Figura 3.11 - Curvas características do motor trifásico partindo com chave compensadora, TAP 85%
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MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO
3
Os motores de indução possibilitam várias formas de frenagem, isto é, onde se tem s < 0 e o motor opera com características de gerador. A seguir
apresentaremos dois métodos de frenagem elétrica. Obtém-se a frenagem por contra-corrente através da inversão de duas fases da tensão de alimentação do enrolamento estatórico (ver figura 3.14), para reverter a direção de rotação do campo girante do motor com o mesmo girando ainda na direção inicial. Dessa forma, a rotação do rotor fica agora contrária a um torque que atua em direção oposta (ver figura 3.13) e começa a desacelerar (frenar). Quando a velocidade cai a zero o motor deve ser desenergizado, caso contrário, passará a funcionar em sentido oposto. Para este tipo de frenagem, as correntes induzidas nos enrolamentos rotóricos são de freqüências altas (duas vezes a
freqüência estatórica) e de elevada intensidade, pois o torque desenvolvido pelo motor é elevado, onde há a absorção de potência elétrica da rede com corrente maior que a nominal, acarretando em um
sobreaquecimento do motor.
Figura 3.13 - Curva de torque x rotação na frenagem por contra-corrente
3.3 FRENAGEM
3.3.1 Frenagem por
contra-corrente
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MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO
3
É obtida através da desconexão do estator da rede de alimentação e da posterior conexão a uma fonte de corrente contínua (ver figura 3.16). A corrente
contínua enviada ao enrolamento estatórico estabelece um fluxo magnético estacionário cuja curva de
distribuição tem uma fundamental de forma senoidal. A rotação do rotor em seu campo produz um fluxo de corrente alternada no mesmo, o qual também
estabelece um campo magnético estacionário com respeito ao estator. Devido à interação do campo magnético resultante e da corrente rotórica, o motor desenvolve um torque de frenagem (ver figura 3.15) cuja magnitude depende da intensidade do campo, da resistência do circuito rotórico e da velocidade do rotor.
Figura 3.15 - Curva de torque x rotação durante a frenagem CC
Na prática, a frenagem CC tem sua aplicação limitada devido ao fato de que toda a energia de frenagem é dissipada no próprio motor, podendo causar
sobreaquecimento excessivo no mesmo. Assim, para não comprometer a vida útil do motor, utiliza-se a frenagem CC com tensões contínuas limitadas a
aproximadamente 20% da tensão nominal CA do motor.
3.3.2 Frenagem por
injeção de corrente
contínua (CC)
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MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO
3
Figura 3.16 - Frenagem por injeção de CC
l PARTIDA DIRETA
Vantagens
· Menor custo de todas
· Muito simples de implementar · Alto torque de partida
Desvantagens
· Alta corrente de partida, provocando queda de
tensão na rede de alimentação. Em função disto pode provocar interferência em equipamentos ligados na mesma instalação
· É necessário sobredimensionar cabos e contatores · Limitação do número de manobras/hora
· Picos de torque
3.4 VANTAGENS E
DESVANTAGENS DOS
MÉTODOS DE
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l ESTRELA-TRIÂNGULO
Vantagens
· Custo reduzido
· A corrente de partida é reduzida a 1/3 quando
comparada com a partida direta
· Não existe limitação do número de manobras/hora
Desvantagens
· Redução do torque de partida a aproximadamente
1/3 do nominal
· São necessários motores com seis bornes · Caso o motor não atingir pelo menos 90% da
velocidade nominal, o pico de corrente na
comutação de estrela para triângulo é equivalente ao da partida direta
· Em casos de grande distância entre motor e chave
de partida, o custo é levado devido a necessidade de seis cabos.
l SOFT-STARTER
Terá suas vantagens e desvantagens abordadas em profundidade no capítulo a seguir.
l PARTIDA SÉRIE-PARALELO
Vantagens
· Custo reduzido
· A corrente de partida é reduzida a ¼ quando
comparada com a partida direta Desvantagens
· Redução do torque de partida a aproximadamente
¼ do torque de partida nominal
· São necessários motores com pelos menos nove
bornes (ou seja, capacidade de fechamento das bobinas para tensão igual à duas vezes a tensão da rede)
· Caso o motor não atingir pelo menos 90% da
velocidade nominal, o pico de corrente na
comutação da ligação é equivalente ao da partida direta
· Em casos de grande distância entre motor e chave
de partida, o custo é elevado devido a necessidade de nove cabos.
MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO
"%
l PARTIDA COMPENSADORA
Vantagens
· Capacidade de partir com alguma carga
· Possibilidade de algum ajuste de tensão de partida,
selecionando (conectando) o TAP no transformador
· Necessário apenas três terminais disponíveis no
motor
· Na passagem da tensão reduzida para a tensão da
rede, o motor não é desligado e o segundo pico é bem reduzido
Desvantagens
· Tamanho e peso do autotransformador · Número de partidas por hora limitado · Custo adicional do autotransformador
MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO
"&
A NBR 5410 de novembro de 1997, no item referente a motores elétricos, orienta sobre a corrente de partida de motores e a necessidade de se reduzir a corrente de partida dos motores elétricos a fim de se evitar
perturbações na rede.
Figura 3.17 - NBR-5410 (reprodução de fotocópia)
MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO
3
3.5 NBR-5410
REFERENTE A
PARTIDA COM
CORRENTE
REDUZIDA
"'
MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO
3
Abaixo segue transcrição do texto da NBR 5410, item 6.5.3
Como pode ser observado no texto acima, a redução da corrente de partida de motores é uma necessidade prevista em norma.
Dentre as diversas formas de redução da corrente de partida, trataremos nos capítulos seguintes da forma mais eficaz, e com excelente relação custo/benefício para a maioria das aplicações: a partida de motores através da SOFT-STARTER.
6.5.3 Motores
6.5.3.1 Generalidades
As cargas constituídas por motores elétricos apresentam peculiaridades que as destinguem das demais.
a) A corrente absorvida durante a partida é muito maior que a de funcionamento normal em carga;
b) A potência absorvida em funcionamento é determinada pela potência mecânica no eixo solicitada pela carga acionada, o que pode resultar em sobrecarga na rede de alimentação se o motor não for protegido adequadamente.
Em razão destas peculiaridades, a instalação de motores, além das demais prescrições desta Norma, deve atender às prescrições seguintes.
6.5.3.2 Limitação das perturbações devidas à partida de motores Para evitar perturbações inaceitáveis na rede de distribuição na própria instalação e nas demais cargas ligadas a instalação de motores deve-se: a) Observar as limitações impostas pela concessionária local referentes
a partida de motores;
NOTA: Para partida direta de motores com potência acima de 3,7kW (5CV), em instalações alimentadas por rede de distribuição pública em baixa tensão, deve ser consultada a concessionária local.
b) Limitar a queda de tensão nos demais pontos de utilização, durante a partida do motor, aos valores estipulados em 6.2.6.1.
Para obter conformidade às limitações descritas nas alíneas a) e b) anteriores, pode ser necessário o uso de dispositivos de partida que limitem a corrente absorvida durante a partida.
NOTA Em instalações contendo muitos motores, pode ser levado em conta a probabilidade de partida simultânea de vários motores.
"
SOFT-STARTER
4.1 Introdução
4.1.1 Semicondutores e componentes eletrônicos 4.1.2 A característica mais marcante dos tiristores 4.1.3 Introdução às válvulas de descarga a gás 4.1.4 Thyratron
4.1.5 SCR (Silicon Controlled Rectifier) 4.1.6 Entendendo o disparo do SCR
4.2 Princípio de funcionamento da
Soft-Starter
· Circuito de potência · Circuito de controle4.3 Principais características
4.3.1 Principais funções 4.3.2 Proteções 4.3.3 Acionamentos típicos#!
SOFT-STARTER
4
Entender o funcionamento da Soft-Starter é importante para construir uma base sólida de conhecimentos, a partir da qual o usuário do equipamento poderá desenvolver sua capacidade de aplicação do produto. Vamos abordar com especial atenção o principal componente de força da Soft-Starter: o SCR Silicon Controlled Rectifier. Entender o funcionamento do SCR é boa parte do entendimento do funcionamento da Soft-Starter.
Adotaremos a seguir uma seqüência de raciocínio baseada em analogias com outros fenômenos, e com outros componentes, permitindo assim o entendimento do funcionamento do SCR.
Um material semicondutor, como o silício, é um elemento com capacidade intermediária de condução de corrente, ou seja, sua capacidade natural de permitir fluxo de corrente elétrica é intermediária entre aquela de um condutor propriamente dito e aquela de um material isolante.
A maneira como um semicondutor lidará com cargas elétricas depende de como foram adicionadas
impurezas a sua composição, processo este chamado de dopagem. Existem dois tipos de dopagem: P e N, e cada uma delas têm comportamento complementar no que diz respeito à condução de cargas elétricas.
Exemplificando: o diodo, é um componente eletrônico que possui duas diferentes partes de semicondutor, formando um junção P-N. As propriedades de
condução são tais que fazem o diodo permitir o fluxo de corrente elétrica somente em um sentido, situação esta definida como diretamente polarizado. O mesmo diodo, porém polarizado inversamente tem o
comportamento de um isolante.
As condições que desencadeiam o comportamento elétrico de um componente eletrônico variam com o nível de tensão ou corrente, a presença de um sinal elétrico de estimulo externo ou até mesmo por luz visível, infravermelho, etc.
4.1.1 Semicondutores e
componentes
eletrônicos
4.1 INTRODUÇÃO
#"
SOFT-STARTER
4
4.1.2 A característica mais
marcante dos
tiristores
Tiristores são componentes que exibem uma propriedade marcante: de maneira geral, ele não retorna ao seu estado original depois que a causa da sua mudança de estado tenha desaparecido.
Uma analogia simples é a ação mecânica de um
interruptor de luz: quando o interruptor é pressionado, ele muda de posição e permanece assim mesmo depois do estímulo do movimento ter desaparecido (ou seja, mesmo depois de tirar a mão do interruptor).
Em contraste, um botão de campainha volta a sua posição original após cessar o estímulo externo. Transistores bipolares e IGBTs, também não travam em um determinado estado após terem sido
estimulados por um sinal de corrente ou tensão: para qualquer sinal de entrada o transistor exibirá um comportamento previsível conforme sua curva característica.
Voltando aos Tiristores: eles são componentes semicondutores que tendem a permanecer ligados, uma vez ligados, e tendem a permanecer desligados, uma vez que tenham sido desligados. Um evento momentâneo é capaz de ligá-los ou desligá-los, e assim eles permanecerão por conta própria, mesmo que a causa de mudança de estado tenha sido eliminada. Antes de analisar o tiristor propriamente dito, é interessante analisarmos seu precursor histórico: as válvulas de descarga a gás.
Uma tempestade é uma oportunidade de presenciar fenômenos elétricos interessantes.
A ação do vento e da chuva acumula cargas elétricas estáticas entre as nuvens e a terra, e entre as próprias nuvens. A diferença de carga manifesta-se como altas tensões, e quando a resistência elétrica do ar não pode mais suportar esta alta tensão, ocorrem surtos de corrente entre pólos de carga elétrica oposta, o que chamamos de relâmpagos, raios ou descargas atmosféricas.
4.1.3 Introdução às
válvulas de descarga
a gás
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SOFT-STARTER
4
Figura 4.1 - Descarga atmosférica
Sob condições normais o ar tem uma tremenda resistência elétrica. Genericamente sua resistência é tratada como infinita. Sob presença de água e/ou poeira sua resistência diminui, mas permanece um bom isolante para a maioria das situações. Quando um nível suficientemente alto de tensão é aplicado através de uma distância de ar, entretanto, suas propriedades elétricas são alteradas: elétrons são arrancados de suas posições normais em torno do núcleo de seus átomos, e são liberados para constituir corrente elétrica. O ar nesta situação é considerado ionizado, recebe a
denominação de plasma, e tem resistência elétrica bem menor que o ar.
Conforme a corrente elétrica se movimenta pelo ar, energia é dissipada na forma de calor, o que mantém o ar em estado de plasma, cuja baixa resistência favorece a manutenção do raio mesmo após alguma redução da tensão. O relâmpago persiste até que a tensão caia abaixo de um nível insuficiente para manter corrente suficiente para dissipar calor. Finalmente, não há calor para manter o ar em estado de plasma, que volta ao normal, deixa de conduzir corrente e permite que a tensão aumente novamente.
Observe como o ar se comporta neste ciclo: quando não está conduzindo, ele permanece um isolante até que a tensão ultrapasse um nível crítico. Então, uma vez que ele muda de estado, ele tende a permanecer um condutor até que a tensão caia abaixo de um nível mínimo. Este comportamento, combinado com a ação do vento e chuva, explica a existência dos raios como breve descargas elétricas.
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SOFT-STARTER
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Nas válvulas thyratron pode-se observar
comportamentos semelhantes à do ar durante a
ocorrência de um relâmpago, com a diferença de que a válvula pode ser disparada por um pequeno sinal. O thyratron é essencialmente uma válvula preenchida com gás, que pode conduzir corrente com uma
pequena tensão de controle aplicada entre o grid e o cátodo, e desligado reduzindo-se a tensão plate-catodo.
Figura 4.2 - Circuito de controle simplificado do thyratron
No circuito visto acima a válvula thyratron permite corrente através da carga em uma direção (note a polaridade através da carga resistiva) quando disparado pela pequena tensão DC de controle conectada entre grid e cátodo.
O pontinho dentro do circulo do símbolo esquemático indica preenchimento com gás, em oposição ao vácuo verificado em outras válvulas.
Observe que a fonte de alimentação da carga é alternada, o que dá uma dica de como o thyratron desliga após ter sido disparado: uma vez que a tensão AC periodicamente passa por zero volt a cada meio ciclo, a corrente será interrompida periodicamente. Esta breve interrupção permite à válvula resfriar e retornar a seu estado desligado. Condução de corrente pode prosseguir apenas se há tensão suficiente aplicada pela fonte AC e se a tensão DC de controle permitir.
Um osciloscópio indicaria a tensão na carga conforme figura 4.3:
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SOFT-STARTER
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4.1.5 SCR (Silicon
Controlled Rectifier)
Figura 4.3Enquanto a fonte de tensão sobe, a tensão na carga permanece zero, até que o valor de threshold voltage seja atingido.
Neste ponto a válvula começa a conduzir, seguindo a tensão da fonte até a próxima fase do ciclo. A válvula permanece em seu estado ligado, mesmo após a tensão reduzir-se abaixo do valor de disparo (threshold voltage). Como os thyratron são one-way, não há condução no ciclo negativo. Em circuitos práticos, poder-se-ia arranjar vários thyratron para formar um retificador de onda completa.
Thyratrons tornaram-se obsoletos com o surgimento dos tiristores, exceto para algumas aplicações muito especiais, devido a possibilidade de thyratrons lidar com valores altíssimos de tensão e corrente.
Partiremos da representação do SCR para iniciar nossa explanação:
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SOFT-STARTER
4
Representado da maneira acima o SCR assemelha-se a dois transistores bipolares interligados, um PNP e outro NPN.
Há três maneiras de dispará-lo:
· com uma variação brusca de tensão · ultrapassando-se um limite de tensão · aplicando-se a tensão entre gate e cátodo.
A última maneira é, na prática, a única desejada. Os SCRs normalmente são escolhidos com valor de tensão de breakover bem superior a tensão esperada no circuito.
O circuito de teste de um SCR é excelente para entender sua operação.
Figura 4.5 - Circuito de teste do SCR
Uma fonte DC é usada para energizar o circuito, e dois botões com retorno são usados para disparar e para desenergizar o SCR.
Pressionado o botão liga conecta-se o gate ao ânodo, permitindo corrente de um terminal da bateria através da junção PN do cátodo- gate, através do contato do botão, da carga resistiva e de volta ao outro terminal da bateria.
Esta corrente de gate deve ser suficiente para o SCR selar na posição ligado. Mesmo soltando o botão, o SCR deve permanecer conduzindo.
Pressionar o botão desliga (normalmente fechado) corta a corrente e força o SCR desligar.
Se neste teste o SCR não selar o problema pode ser o valor ôhmico da carga. O SCR necessita de um valor mínimo de corrente de carga para permanecer conduzindo.
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SOFT-STARTER
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A maioria das aplicações para o SCR são controle em AC, apesar dos SCR serem inerentemente DC
(unidirecionais).
Se é necessário um circuito bidirecional, vários SCR podem ser usados (um ou mais em cada direção) para lidar com a corrente de ambas fases do ciclo, positiva e negativa.
O principal motivo do uso do SCR em circuitos de força AC é a sua resposta à onda AC: trata-se deu um
componente que permanece conduzindo (como o thyratron, seu precursor) uma vez estimulado e até que a corrente da carga passe por zero.
Conectando-se o devido circuito de controle ao gate do SCR nós podemos cortar a senóide em qualquer ponto para conseguir controlar a energia entregue à carga. Tomemos o seguinte circuito como exemplo.
Figura 4.6 - Fonte AC, SCR e carga resistiva ligados em série
Aqui o SCR é inserido em um circuito para controlar energia de uma fonte AC fornecida à carga. Sendo unidirecional, no máximo poderemos entregar meia onda à carga, entretanto, para demonstrar o conceito básico de controle, este circuito é mais fácil do que um para controle de toda a senóide, que exigiria dois SCR. Sem disparar o gate, e com fonte AC abaixo do valor de breakover, o SCR nunca começará a conduzir.
Conectar o gate ao ânodo através de um diodo normal, disparará o SCR quase imediatamente no início de qualquer fase positiva do ciclo.
4.1.6 Entendendo o
disparo do SCR
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SOFT-STARTER
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Figura 4.7 - Gate conectado ao ânodo através de diodo
Pode-se, entretanto, atrasar-se o disparo inserindo-se alguma resistência no circuito de disparo do gate, incrementando assim a quantidade de tensão necessária para provocar o disparo. Em outras
palavras, se dificultarmos para os elétrons transitarem através do gate, a tensão AC terá de alcançar um valor mais alto até que haja corrente para ligar o SCR. Resultado:
Figura 4.8 - Resistência inserida ao circuito de gate
Com a meia onda cortada em um nível mais elevado pelo disparo atrasado do SCR, a carga recebe menos energia, uma vez que a carga fica conectada à fonte por um tempo menor.
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SOFT-STARTER
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ajustes à energia fornecida:
Figura 4.9 - Variando a resistência, variamos o ponto de disparo do SCR (quanto maior a resistência maior é o ponto, ou ângulo, de disparo)
Infelizmente este esquema de controle tem uma
limitação significativa. Usando a fonte AC para disparar o SCR, limita-se o controle à metade da fase positiva do ciclo, em outras palavras, não há como atrasar o
disparo para depois do pico. Isto limitaria o nível mínimo de energia àquele conseguido com o disparo do SCR no pico da onda (a 90 graus). Elevando-se a resistência a um valor maior, faria o circuito não disparar nunca.
Uma solução é a adição de um capacitor defasador ao circuito:
Figura 4.10 - A forma de onda com menor amplitude é a tensão no capacitor.
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SOFT-STARTER
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A título de ilustração, vamos supor que a resistência de controle é alta, ou seja, o SCR não está disparando sem este capacitor e não há corrente através da carga, exceto a pequena quantia de corrente através do capacitor e resistor.
A tensão do capacitor pode ser defasada de 0 a 90 º em relação à fonte AC. Quando esta tensão defasada atingir um valor alto o suficiente, o SCR será disparado. Supondo que há periodicamente tensão suficiente nos terminais do capacitor para disparar o SCR, o a forma de onda de corrente resultante será como segue:
Figura 4.11 - O disparo do tiristor se dá após o pico máximo, devido à escolha conveniente do capacitor.
Uma vez que a forma de onda do capacitor ainda está subindo após o pico da senoide de tensão de
alimentação, é possível dispará-lo depois do pico, cortando a onda de corrente de modo a liberar um valor de energia mais baixo à carga.
Os SCR também podem ser disparados por circuitos mais complexos.
Transformadores de pulsos são usados para acoplar o circuito de disparo ao gate/ cátodo do SCR para prover isolação elétrica entre os circuitos de disparo e de força:
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SOFT-STARTER
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Figura 4.12 - Disparo com transformador defasador
Quando múltiplos SCR são utilizados para controle de força, os cátodos não são eletricamente comuns, tornando difícil o uso de um único circuito de disparo para todos SCR.
Um exemplo é a ponte retificadora controlada:
Figura 4.13 - Ponte controlada
Como em qualquer retificador, os elementos opostos devem conduzir simultaneamente. SCR 1 e 3, e SCR 2 e 4.
Como eles não compartilham a conexão de cátodo, faz-se necessário lançar mão de transformadores de pulso, conforme mostra a figura 4.14:
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SOFT-STARTER
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Figura 4.14 - Uso de transformadores de pulso (circuito simplificado para dois tiristores para facilitar o entendimento)
No circuito acima foi omitido o transformador de pulso do SCR 1 e 3 a fim de tornar o desenho mais claro. Naturalmente, os circuitos de controle não são limitados à circuitos monofásico. Assim como na Soft-Starter, o circuito de controle pode ser trifásico. Um retificador trifásico com os circuitos de disparo omitidos parece com o seguinte:
$#
SOFT-STARTER
4
O funcionamento das Soft-Starters está baseado na utilização de uma ponte tiristorizada (SCRs) na configuração anti-paralelo, que é comandada através de uma placa eletrônica de controle, a fim de ajustar a tensão de saída, conforme programação feita
anteriormente pelo usuário. Esta estrutura é apresentada na figura 4.16.
Figura 4.16 - Blocodiagrama simplificado
Como podemos ver, a Soft-Starter controla a tensão da rede através do circuito de potência, constituído por seis SCRs, onde variando o ângulo de disparo dos mesmos, variamos o valor eficaz de tensão aplicada ao motor. A seguir faremos uma análise mais atenciosa de cada uma das partes individuais desta estrutura, já que notamos nitidamente que podemos dividir a estrutura acima em duas partes: o circuito de potência e o circuito de controle.
4.2 PRINCÍPIO DE
FUNCIONAMENTO DA
SOFT-STARTER
$$
SOFT-STARTER
4
CIRCUITO DE POTÊNCIA
Como já sabemos, a etapa de potência da Soft-Starter tem como principais componentes os tiristores SCR (Silicon Controlled Rectifier).
Controlando o ângulo de disparo do SCR, podemos controlar a tensão média aplicada à carga, controlando assim sua corrente e potência.
Numa soft-starter, o controle da tensão tem que ser feito nos dois sentidos da corrente, devendo ser utilizada a configuração anti-paralela de dois SCR por fase, conforme indicado na figura abaixo.
Figura 4.17 - Dois tiristores em anti-paralelo
Neste caso, tem-se o controle da tensão nas duas metades do ciclo, mediante os disparos nos Gates provenientes do circuito de controle.
Na figura 4.18 temos um diagrama simplificado do circuito de potência de uma soft-starter, onde notamos o uso dos pares de tiristores (SCR) em anti-paralelo em cada fase do circuito.
Mediante um circuito de controle para os disparos dos tiristores, a tensão a ser aplicada no motor pode ir crescendo linearmente, tendo com isso um controle da corrente de partida do motor.
Ao final da partida do motor, o motor terá sobre seus terminais praticamente toda a tensão da rede.
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SOFT-STARTER
4
Figura 4.18 - SCRs no circuito de força do motor (ligação fora do delta do motor)
A seguir temos a ilustração da forma de onda da tensão em uma das fases do motor em quatro instantes. Nota-se que ao reduzir o ângulo de disparo dos SCR, a tensão a ser aplicada no motor aumenta, aumentando com isso a corrente no mesmo.
Figura 4.19b - Disparo a 90º
Figura 4.19d - Disparo a 15º Figura 4.19a - Disparo a 150º
