FACULDADE ANHANGUERA DE INDAIATUBA

ENGENHARIA MECÂNICA

ALEXANDRE ZECCHI - 1359484379

GABRIEL FELIPE SANTANA DELFINO RA: 6000007460

GABRIEL RODRIGUES RA: 1310364624

CHAVES DE LIGAÇÕES DE MOTORES ELÉTRICOS

Soft-starters

INDAIATUBA

2017

ALEXANDRE ZECCHI - 1359484379

GABRIEL FELIPE SANTANA DELFINO RA: 6000007460

GABRIEL RODRIGUES RA: 1310364624

CHAVES DE LIGAÇÕES DE MOTORES ELÉTRICOS

Soft-starters

Trabalho da disciplina de Eletrotécnica do

curso de graduação em engenharia mecânica

da faculdade Anhanguera de Indaiatuba, sobre

Soft-strarters. Um tipo de chave de ligação de

motores elétricos.

Orientador: Gulherme

INDAIATUBA

2017

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RESUMO

O trabalho a seguir busca apresentar as questões referentes às

funcionalidades de um soft-starter.

As chaves soft-starters são equipamentos eletrônicos que consistem em

elementos de comutação bidirecionais, compostas por ligações entre tiristores que

atuam como chaves de partida estática, projetadas para regular a rampa de

aceleração nas partidas de motores de indução trifásicos, a fim de controlar a

corrente de partida da máquina, em substituição às técnicas mais antigas, como por

exemplo, ligação estrela-triângulo e chaves compensadoras.

Os soft-starters atuam também na rampa de desaceleração, nas paradas da

máquina e ainda na proteção elétrica do motor. Seu uso é comum em bombas

centrífugas, ventiladores e sistemas de elevada potência cuja aplicação não exija a

variação de velocidade. Para aplicações com variação de velocidade, torna-se mais

interessante a aplicação de equipamentos como inversores de frequência. As

chaves soft-starters são equipamentos especialmente recomendados para

aplicações em:

• Bomba de Vácuo a Palheta;

• Bombas Centrífugas;

• Calandras;

• Compressores do tipo Parafuso;

• Misturadores;

• Refinadores;

• Ventiladores Axiais de Cargas Leves;

Qualquer modelo de soft-starter apresenta as seguintes vantagens em

relação aos equipamentos de partida tradicionais:

• Partida Suave do sistema mecânico;

• Redução e limitação da corrente de partida;

• Evita picos de corrente;

• Possibilidade de incorporação de paradas suaves e proteções do sistema;

Os soft-starters contribuem para a redução dos esforços mecânicos sobre os

outros dispositivos de transmissão do sistema, tais como correias, polias, entre

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outros, aumentando assim a vida útil do motor e equipamentos mecânicos da

máquina acionada, devido à eliminação de choques mecânicos. Também contribui

para a economia de energia, devido à necessidade de uma infraestrutura de ligação

muito menor no sistema aplicado. Além disso, vale ressaltar sua facilidade de

operação, ajuste e manutenção.

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ABSTRACT

The following project is to present the questions regarding the functionalities

of a soft-starter.

Soft-starters are electronic equipment consisting of bi-directional switching

elements composed of links between thyristors, acting as static starters, designed to

regulate the acceleration ramp of three-phase induction motors in order to control the

start current machine, replacing older techniques such as star-delta connection and

compensating switches.

The soft-starters also act on the deceleration ramp, in the machine stops

and also in the electrical protection of the motor. Its use is common in centrifugal

pumps, fans and systems of high power whose application does not require the

variability of speed. For applications with speed variation, it becomes more

interesting to apply equipment as frequency inverters. Soft-starters are specially

recommended equipment for applications in:

• Vacuum Pump with Vane;

• Centrifugal pumps;

• Calenders;

• Screw type compressors;

• Mixers;

• Refiners;

• Axial Fans of Light Loads;

Any soft-starter model has the following advantages over traditional starters:

• Soft start of the mechanical system;

• Reduction and limitation of the starting current;

• Prevents current peaks;

• Possibility of incorporating soft stops and system protections;

Soft-starters contribute to reduce mechanical stresses on other system

transmission devices, such as belts, pulleys, and others, this increases the life of the

motor and mechanical equipment of the driven machine, due to the elimination of

mechanical shocks. It also contributes to energy savings, due to the need for a much

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smaller link infrastructure in the applied system. In addition, it is worth mentioning its

ease of operation, adjustment and maintenance.

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SUMÁRIO

1 – INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 8

2 – PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ..................................................................... 9

3 – SISTEMA DE CONTROLE ................................................................................. 11

3.1 – Controladores de torque ............................................................................ 12

3.2 – Controladores de tensão em malha aberta ............................................... 13

3.3 – Controladores de tensão em malha fechada ............................................ 13

3.4 – Controladores de corrente em malha fechada ......................................... 13

4 – APLICAÇÕES DE SOFT-STARTERS ................................................................ 13

4.1 – Bombas ........................................................................................................ 13

4.2 – Compressores ............................................................................................. 14

4.3 – Ventiladores ................................................................................................. 14

5 – PROTEÇÃO DE UM SOFT-STARTER ............................................................... 14

5.1 – Falta de fase ................................................................................................ 14

5.2 – Curto-circuito .............................................................................................. 15

5.3 – Sobre-corrente ............................................................................................ 15

5.4 – Sobre-temperatura ...................................................................................... 15

CONCLUSÃO ........................................................................................................... 16

REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 17

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1 – INTRODUÇÃO

Neste trabalho será tratado de um tema muito atual e que tem crescido mais e

mais com o avanço da tecnologia dos equipamentos elétricos e com a necessidade

de dispositivos mais confiáveis para atuar nesses equipamentos. Soft-starters é um

desses dispositivos e tema deste trabalho.

Aqui será explicado um pouco da teoria por trás desse dispositivo, como e

onde ele surgiu, quem criou e quais ideias estavam envolvidas em sua criação e

desenvolvimento. Além disso, teremos os tipos de ligações possíveis e suas

aplicações.

O trabalho tem o objetivo de mostrar o porquê esse equipamento é tão

importante e como ele auxilia tanto na melhoria do desempenho do equipamento

quanto na questão de gastos com o prolongamento da vida útil do mesmo.

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2 – PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

O soft-starter, diferente de outras chaves de partida direta de motores

elétricos, ele controla a potência tanto na partida, quanto na frenagem do motor.

Assim diminui os esforços que o motor sofreria caso o sistema não tivesse uma

chave do tipo soft-starter.

Abaixo vemos uma imagem do dispositivo soft-starter:

Figura 1 – Modelo real de um soft-starter

Fonte: Catálogo WEG

O principio de partida de um soft-starter se baseia em um equipamento

estático chamado de tiristor, que é basicamente um interruptor de ação rápida,

semicondutor que pode possuir até 4 terminais.

Abaixo podemos ver um esquema de dois tiristores:

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Figura 2 – Esquema de tiristores

Fonte: <https://www.mundodaeletrica.com.br/o-que-e-um-soft-starter/>

A tensão de partida de um motor elétrico é reduzida dependendo do ângulo

de condução dos tristores, diminuindo assim os picos na corrente. Um dos deveres

de um soft-starter é controlar a potência de um motor sem altera a sua frequência.

Para realizar isso os tristores atuam em dois pontos: controle por tensão zero e

controle por corrente zero.

O circuito de controle tem que temporizar os pulsos de disparo a partir do

último valor de zero da forma de onda, tanto da tensão como da corrente. O sensor

pode transformar a corrente tanto em uma única fase quanto para cada fase que o

sistema tiver.

Veja agora um esquema de um soft-starter com seis trsitores:

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Figura 2 – Diagrama de blocos simples de um circuito com soft-starter

Fonte: <https://www.mundodaeletrica.com.br/o-que-e-um-soft-starter/>

3 – SISTEMA DE CONTROLE

Por se tratar de um componente eletrônico que possui um circuito de potência

incorporado, o soft-start consegue realizar o controle da tensão fornecida. A seguir,

na tabela 1, serão apresentadas algumas das principais vantagens e desvantagens

da utilização deste componente, comparando com outros sistemas de partida direta,

como por exemplo, Ligação Estrela-Triângulo e Chaves Compensadoras.

Tabela 1 – Vantagens e desvantagens do uso de soft-starter

Vantagens e Desvantagens do Uso de Soft-Starter

Vantagens Desvantagens

Controle da corrente de partida do sistema;

Redução do torque na partida (é possível programar um pulso de torque para o arranque);

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Proteção ao motor incorporada; Gera harmônicas devido ao chaveamento dos SCR's;

Diminuição dos choques mecânicos com rampa de aceleração e desaceleração;

Os SCR's provocam perda de potência se continuarem ligados ao circuito após a partida;

Possibilidade de partida de vários motores simultaneamente;

A gama de aplicações utilizando Soft-Starter é ampla, mas normalmente está

interligada a sistemas que necessitem trabalhar com partida suave de motores. Por

conta disso, os mesmos são divididos conforme o tipo de controle ao qual é

aplicado. São eles:

Controladores de Torque;

Controladores de Tensão em Malhas Abertas;

Controladores de Tensão em Malha Fechada;

Controladores de Corrente em Malha Fechada;

3.1 – Controladores de torque

Os controladores de torque, que podem controlar uma ou duas fases

dependendo do modelo e modo de aplicação, promovem apenas a redução do

torque de partida. Sendo assim, ele é considerado o modelo mais simples de soft-

starters.

Por serem a versão de entrada de soft-starters é recomendado o uso juntamente

com contatores e rele de sobrecarga. Como o controlador monofásico causa

aquecimento dos componentes durante a partida do sistema, o controle trifásico

deve ser usado em sistemas que utilizam partidas frequentes ou com cargas. Esse

aquecimento ocorre principalmente porque as tensões da bobina ficam sob tensão

nominal, uma vez que elas não são controladas, fazendo com que a corrente circule

por um período maior do que durante uma partida direta, resultando em um

aquecimento do sistema.

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3.2 – Controladores de tensão em malha aberta

Para os controladores de tensão em malha aberta é necessário que haja uma

análise quanto à aplicação de relés de sobrecarga e contatores no sistema. Dessa

forma, são componentes que devem estar agregados para formar um sistema de

partida.

3.3 – Controladores de tensão em malha fechada

Os controladores de tensão em malha fechada são uma variação do sistema

de malha aberta. Eles se diferenciam por receber realimentação da corrente de

partida do motor e usam essa informação para cessar a rampa de partida do motor

quando a corrente limite que foi estabelecida pelo usuário é alcançada.

3.4 – Controladores de corrente em malha fechada

Os controladores de corrente em malha fechada são os mais avançados de

todos. Diferentemente do sistema de tensão em malha fechada, eles usam a

corrente como referência principal. As vantagens dessa aproximação são controle

preciso da corrente de partida e fácil ajuste. Muitos ajustes do usuário podem ser

feitos automaticamente por sistemas baseados em corrente.

4 – APLICAÇÕES DE SOFT-STARTERS

As aplicações de soft-starters estão entre as mais diversas. Misturadores e

aeradores; britadores e moedores; picadores de madeira; refinadores de papel;

fornos rotativos; serras e plainas (madeira) e etc.

Porém entre suas principais aplicações estão bombas, compressores e

ventiladores.

4.1 – Bombas

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Em bombas, a rampa de tensão se iguala as curvas do motor e da carga. A

rampa de partida se adequa a curva de torque que o motor sobre a da bomba.

Assim, a corrente de partida se reduz em aproximadamente 2,5 vezes a corrente

nominal.

Uma das facilidades que mais interessam na hora de aplicar soft-strater em

uma bomba, é o recurso kick-start, que é um pulso de tensão rápido e de grande

amplitude aplicado no instante da partida. Ajudando a vencer a inércia de partida

quando há a presença de alguma sujeira na bomba.

4.2 – Compressores

O soft-starter aplicado em compressores faz com que a manutenção seja

reduzida e permite que compressores que precisam ficar ligados integralmente não

desliguem quando não for necessário. Por outro lado, devido a alimentação muito

fraca, evita que esses mesmos motores sejam desligados quando estiverem sendo

utilizados normalmente.

4.3 – Ventiladores

Assim como as bombas, os ventiladores necessitam de um torque

proporcional à velocidade, mas também têm grande inércia. O limite de corrente é

utilizado normalmente para estender o tempo de rampa, enquanto a inércia é

vencida.

5 – PROTEÇÃO DE UM SOFT-STARTER

Para a proteção de um soft-starter de qualquer distúrbio ou falha pode ser

utilizado as seguintes proteções.

5.1 – Falta de fase

Ocorre quando se é detectado falha e falta de fase na entrada ou na saída do

soft-starter. Quando isso ocorre acende um LED, que comuta o rele de falha e inibe-

se o disparo dos tiristores.

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Quando o motor está sem carga, tanto no método de supervisão de tensão

como no de corrente esse tipo de proteção pode não agir, já que o motor gera

tensão nominal na fase faltante e no outro caso a corrente é muito baixa e a

detecção é feita por comparação entre as fases. Não há problemas nesse caso pois

o motor não trabalha com tensão 0.

5.2 – Curto-circuito

Essa proteção atua caso ocorra uma corrente instantânea com o valor de oito

vezes a corrente nominal do soft-starter. Acende um LED também, inibe os disparos

e o rele de indicação de falha se comuta. Esse tipo de produção não dispensa o uso

de fusíveis para a proteção dos tiristores, já que os curtos-circuitos podem atingir

altos valores de corrente.

5.3 – Sobre-corrente

Esse tipo de proteção é ajustável, e pode variar de 70 a 120% da corrente

nominal. Começa a agir depois de 10 segundos com sobrecarga acendendo o LED,

comutando o rele de falha e inibindo o disparo dos tiristores. Esse tipo de proteção

deve estar presente em toda chave soft-starter, protegendo assim de sobrecargas

acima dos níveis aceitáveis.

5.4 – Sobre-temperatura

Em algumas chaves tem esse sistema de sobre-temperatura, que ao verificar

uma temperatura muito elevada acende um LED vermelho, comutando o rele e

inibindo os disparos dos tiristores.

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CONCLUSÃO

Após a realização do seguinte trabalho, foi possível constatar as diversas

aplicações com utilização de soft-starter. Além de se tratar de um equipamento

oriundo dos avanços das técnicas mais tradicionais, como estrela-triângulo e chaves

compensadoras, é possível notar também o avanço no emprego de tecnologia sobre

os mesmos.

Dentro da gama de produtos utilizados para o controle de partida e

desaceleração de sistemas, podemos considerar o soft-starter em um nível

intermediário de aplicação, sendo uma aplicação com melhores recursos em relação

às partidas tradicionais e um pouco abaixo em relação a recursos se comparados

com inversores de frequência, por exemplo.

Por conta disso, para uma instalação e utilização correta de um sistema, é

interessante antes de qualquer coisa que se realize um estudo da aplicação,

considerando os componentes do sistema e principalmente as tarefas a serem

realizadas pelo mesmo, afim de que se possa optar pelo melhor componente com

relação a sua aplicação. Outro aspecto muito importante a ser considerado é com

relação ao investimento monetário, pois como consequência, quanto maior o nível

de tecnologia empregado no sistema, maior será o custo inicial do mesmo.

Outro aspecto importante a ser mencionado é o de que, este trabalho visa

uma apresentação técnica do soft-starter e principalmente, os aspectos que o

diferencia dos outros sistemas de partida. Para maiores informações, é mais do que

essencial a consulta a catálogos de fornecedores destes tipos de componentes.

Dentro das referências apresentamos os catálogos de 2 fornecedores, Siemens e

WEG.

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REFERÊNCIAS

MUNDO DA ELÉTRICA. O que é um soft-starter. Disponível em: <https://www.mundodaeletrica.com.br/o-que-e-um-soft-starter/>. Acesso em: 10 abr. 2017.

CATÁLOGOS (WEG, SIEMENS E SCHNEIDER).

ECATALOG. WEG soft-starter ssw05. Disponível em:

<http://ecatalog.weg.net/files/wegnet/WEG-soft-starter-ssw05-10413073-catalogo-

portugues-br.pdf>. Acesso em: 10 abr. 2017.

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