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Partida Estrela-TriânguloAline Feitosa, Almir Viana, Argemiro Lima, Carlos Mailson, Gilberto Dias, Keilly Oliveira, Luciene Pereira, Tayana Tavares

Fundação Universidade Federal de Rondônia, Núcleo de Ciência e Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica - DEEBacharelado em Engenharia Elétrica - 9o Período - Disciplina de Lab. Conversão de Energia

Resumo—A compreensão de um sistema de acionamento e pro-teção merece muita atenção, pois dela dependem a durabilidadedo sistema e o funcionamento correto dos equipamentos a seremacionados. A partida estrela-triângulo é uma das partidas maisusadas na indústria no acionamento de motores de máquinas. Achave de partida estrela-triângulo destina-se à partida de motorestrifásicos com rotor em gaiola e tem como objetivo diminuir osefeitos da partida na instalação elétrica. O motor é inicialmenteligado em estrela até que alcance uma velocidade próxima davelocidade de regime, quando então essa conexão é desfeita e omotor é ligado em triângulo. Durante a partida em estrela, oconjugado e a corrente de partida ficam reduzidos a 1/3 de seusvalores nominais, assim proporcionando uma partida mais lentapara o motor, amenizando os efeitos mecânicos causados pelarápida aceleração.

Index Terms—Acionamento industrial, Diagrama de comando,Diagrama de potência, Motor de indução, Partida de motores,

I. MOTORES DE INDUÇÃO POLIFÁSICO

OMotor elétrico é uma máquina que transforma energiaelétrica em energia mecânica de utilização. Os motores

indução polifásico são utilizados tanto na indústria como noambiente doméstico, porque os sistemas atuais de distribuiçãode energia elétrica normalmente são trifásicos de correntealternada.

Os motores de indução, também conhecidos como assín-cronos, são alimentados por um sistema trifásico a três fios,em que as tensões estão defasadas de 120 graus elétricos. Sãoconstituídas de duas partes básicas:

• Estator: Formado pela carcaça, que corresponde à es-trutura de suporte do rotor; o núcleo constituído dechapas magnéticas adequadamente fixadas ao estator; eos enrolamentos, dimensionados em material condutorisolado e disposto sobre o núcleo.

• Rotor: Constituído pelo eixo, responsável pela transmis-são da potência mecânica gerada pelo motor, o núcleoconstituído de chapas magnéticas e os enrolamentos,composto de material condutor e dispostos sobre o nú-cleo.

As correntes rotatórias são geradas eletromagneticamentepelo estator, único elemento do motor ligado à linha de ali-mentação. O comportamento de um motor elétrico de indução,no que é relativo ao rotor é comparado ao secundário dotransformador.

O rotor pode ser constituído de duas formas: bobinado ougaiola de esquilo. O motor com rotor gaiola de esquilo é o maisutilizado atualmente. Tem a vantagem de ser mais econômicoem relação aos motores monofásicos tanto na construção comona utilização.

Este tipo de rotor é constituído por um núcleo de chapasferromagnéticas, isoladas entre si, sobre o qual são colocadas

barras de alumínio (condutores), disposta paralelamente entresi e unidas nas suas extremidades por dois anéis condutores,também em alumínio, que provocam um curto circuito noscondutores. As barras são geralmente colocadas com umacerta inclinação para evitar as trepidações e ruídos pela açãoeletromagnética entre os dentes das cavas do estator e do rotor.

O princípio de funcionamento de um motor de indução sebaseia na formação de campos magnéticos rotativos produzi-dos no estator pela passagem da corrente alternada em suasbobinas, cujo fluxo, por efeito da sua variação se desloca emvolta do rotor, gerando neste correntes induzidas que tendema opor-se ao campo rotativo, sendo, no entanto arrastadopor este. Em nenhuma hipótese o rotor atinge a velocidadedo campo rotativo, pois, do contrário, não haveria geraçãode correntes induzidas, eliminando-se o fenômeno magnéticorotativo responsável pelo trabalho mecânico do rotor.

A vantagem desse rotor em relação ao rotor bobinado éque resulta em uma construção do induzido mais rápida, maisprática e mais barata. Trata-se de um motor robusto, barato,de rápida produção, que não exige coletor e de rápida ligaçãoa rede.

A principal desvantagem é que o torque de partida éreduzido em relação à corrente absorvida pelo estator. O motorde indução de rotor bobinado substitui o rotor em gaiola deesquilo em potências muito elevadas, devido a redução dacorrente de partida permitido pela configuração do rotor.

Apesar de ser utilizado em casos com velocidades cons-tantes de serviço, aplica-se, preferencialmente, quando asvelocidades de serviços são variadas.

De um modo geral, os circuitos que alimentam equipamen-tos a motor apresentam certas características não encontradasnos circuitos que alimentam outros tipos de cargas. São elas:

• Queda de tensão significativa durante a partida do motor;• Número e freqüência de partidas geralmente elevados;• O dispositivo de proteção contra correntes de sobrecarga

deve suportar, sem atuar, a corrente de partida do motor.Por essas razões, tais circuitos podem exigir, como reco-

nhece a NBR 5410, um tratamento diferenciado - seja notocante aos componentes utilizados (alguns dos quais sãomesmo exclusiva ou majoritariamente utilizados em circuitosde motores), seja no que se refere ao dimensionamento. Naprática, as prescrições específicas de circuitos de motoresapresentadas pela norma são endereçadas às cargas industriaise similares, admitindo-se então que os circuitos de motores(ou de “equipamentos a motor”) de cargas residenciais ecomerciais sejam tratados como circuitos “normais”, cobertospelas regras gerais da norma.

A Figura 1 indica os elementos a considerar num circuitoterminal de motor, destacando as diversas funções a serem

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Figura 1. Elementos a ser considerado na alimentação de um motor

exercidas pelos dispositivos. A Tabela I indica os dispositivosutilizados para as diversas funções, no caso de cargas indus-triais e similares.

II. PARTIDA DE MOTORES DE INDUÇÃO

Um dos instantes mais críticos é a partida de motoreselétricos, pois solicitam da rede de alimentação uma correntede valor nominal elevado, da ordem de 6 a 10 vezes a suacorrente nominal, devido à mudança de um estado de inérciado motor. Esse fato é chamado de pico de corrente. Nestascondições, o circuito, que inicialmente fora projetado paratransportar a potência requerida pelo motor, é solicitada agorapela corrente de acionamento durante certo período de tempo.Em consequência, o sistema fica submetido a uma queda detensão normalmente muito superior aos limites estabelecidospara o funcionamento em regime, podendo provocar sérios dis-túrbios operacionais nos equipamentos de comando e proteção,além de afetar o desempenho da iluminação, notadamente aincandescente.

Os equipamentos de comando, tais como os contatores,podem operar diante de uma queda de tensão, de acordo comos valores normativos ou com a especificação do fabricante.Também, os motores síncronos e assíncronos, quando subme-tidos a tensão inferiores aos limites estabelecidos, podem pararpor perda de sincronismo ou por insuficiência de conjugadomotor.

Segundo a NBR 5410 recomenda, a queda de tensão durantea partida de um motor não deve ultrapassar 10% da sua tensãonominal no ponto de instalação de dispositivos de partidacorrespondente, desde que respeitados os restantes dos itensprevistos para quedas de tensão.

III. CONJUGADO

Os motores elétricos quando ligados apresentam um esforçoque lhes permite girar o seu eixo. A esse esforço dá-se onome de conjugado do motor. Já a carga acoplada reage a esteesforço negativamente, ao que se dá o nome de conjugado decarga, ou conjugado resistente.

Todo motor dimensionado para acionar adequadamente umadeterminada carga acoplada ao seu eixo necessita, durante apartida, possuir em cada instante um conjugado superior aoconjugado resistente da carga.

A curva do conjugado motor deve guardar uma distância dacurva do conjugado resistente durante o tempo de aceleraçãodo conjunto até que o motor adquira a velocidade de regime.Esse intervalo de tempo é especificado pelo fabricante, acimado qual o motor deve sofrer sobreaquecimento, podendodanificar a isolação dos enrolamentos.

Por esse motivo, cuidados especiais devem ser tomados nautilização de dispositivos de partida com redução de tensão.Nestas circunstâncias, o conjugado motor é reduzido, enquantoo conjugado da carga não é alterado. Como consequência, otempo de aceleração é aumentado e, sendo superior ao tempode rotor bloqueado, pode danificar o motor.

IV. SISTEMA DE PARTIDA ESTRELA-TRIÂNGULO

A adoção de um sistema de partida eficiente pode serconsiderada uma das regras básicas para se obter do motoruma vida útil prolongada, custos operacionais reduzidos, alémde dar à equipe de manutenção da indústria tranquilidade nodesempenho das tarefas diárias.

Os critérios para a seleção do método de partida adequadoenvolvem considerações quanto à capacidade de instalação,requisitos da carga a ser considerada, além, da capacidade dosistema gerador.

Em instalações elétricas industriais, principalmente aque-las sobrecarregadas, pode ser usadas chaves estrela-triângulocomo forma de suavizar os efeitos de partida dos motoreselétricos.

De acordo com a NBR 5410, para evitar perturbações quecomprometam a rede de distribuição, a própria instalaçãoe o funcionamento das demais cargas por ela alimentadas,além dos limites de queda de tensão, devem ser respeitadasas restrições impostas pela empresa distribuidora de energiaelétrica à partida de motores. A NTC 001, da antiga CERON(atualmente, Eletrobrás Distribuição Rondônia), especifica quemotores com potência nominal até 5 CV, é permitida a partidadireta, entre 5 a 15 CV, deve ser utilizada chave estrela-triângulo e para potências superiores a 15 CV, a utilizaçãode chave compensadora ou soft starter.

A partida com chave estrela-triângulo consiste na alimenta-ção do motor com uma redução de tensão nas bobinas durantea sua partida. O motor parte em estrela, isto é, com umatensão de 58% da tensão nominal, e após um certo tempo,quando este alcança uma velocidade próxima da velocidadede regime, a ligação é convertida em triângulo, assumindo atensão nominal.

Essa chave proporciona uma redução na corrente de partidaaproximadamente 33% do seu valor, como mostra a Figura2, devem ser usada em aplicações que tenham um conjugadoresistente (conjugado da carga) de até um terço do conjugadode partida.

As chaves de partida estrela-triângulo, na prática, é utilizadaquase exclusivamente para partidas de máquinas a vazio, isto é,sem carga. Uma vez que o conjugado de partida é proporcional

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Função Dispositivos(1) (2) (3) (4)

Seccionamento SeccionadorProteção contra Seccionador fusívelcorrentes de Dispositivo fusível ou disjuntor apenascurto-circuito magnético Disjuntor-motor Disjuntor-ContatorProteção contracorrentes de Relé Térmico Contator comsobrecarga relé térmicoComando Funcional Contator Contator

Tabela IFUNÇÕES E DISPOSITIVOS NUM CIRCUITO TERMINAL DE MOTOR

Figura 2. Corrente de partida na chave estrela-triângulo

ao quadrado da tensão de alimentação, teremos um conjugadode mais ou menos 20 a 50% do conjugado normal. Somentedepois de ter atingido a tensão nominal é que a carga podeser aplicada.

A velocidade do motor estabiliza-se quando os conjugadosmotor e resistente se equilibram, geralmente entre 75% e85% da velocidade nominal. Os enrolamentos são ligados emtriângulo e o motor recupera as suas características nominais.A passagem da ligação estrela para a ligação em triângulo écontrolada por um temporizador. A Figura 3 mostra um gráficoque mostra o conjugado para esse tipo de partida.

Figura 3. Conjugado na partida da chave estrela-triângulo

Para ser possível a ligação em estrela-triângulo, os motores

devem ter a possibilidade de ligação em dupla tensão (220/380V, 380/660 V). Os motores devem ter no mínimo seis bornesde ligação.

V. ESQUEMA DE LIGAÇÃO DA CHAVE DE PARTIDAESTRELA-TRIÂNGULO

O esquema de ligação de força é simples. Consiste basi-camente no controle de 3 contatores, sendo um destinado aalimentação, outro para a conexão em estrela, e a última paraa ligação em triângulo. A Figura 4 mostra o circuito de forçana partida estrela-triângulo

Figura 4. Circuito de força na partida estrela-triângulo

Para este tipo de partida, foi especialmente desenvolvido orelé de tempo estrela-triângulo. Este possui dois circuitos detemporização em separado. Um tem por função o controle docontator estrela, e o outro, com tempo fixo de aproximada-mente 100 ms, para controle do contador que faz a ligaçãodas bobinas em triângulo. Aplicando-se tensão aos terminaisA1-A2, o contato de saída da temporização estrela comuta.Passando o tempo da temporização selecionado, o contatode saída da estrela volta ao seu estado inicial, começando a

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contagem do tempo fixo de 100 ms, que após transcorrido,fecha o contato da saída triângulo. Este atraso ocorre paraevitar um curto-circuito entre as fases, ja que os contatos nãodevem ser fechados simultaneamente.

Um circuito de comando possível para a ligação utilizandoo relé estrela-triângulo é mostrado na figura 5

Figura 5. Circuito de comando na partida estrela-triângulo utilizando reléde tempo estrela-triângulo

Ao se pressionar a chave de impulso S1, a bobina KT1 dotemporizador estrela-triângulo é alimentada. Desta forma, ocontato 18-15 é fechado, alimentando a bobina K2, fechandoos contatos de força da ligação estrela. A lâmpada H1 é acesa,indicando que a bobina está realmente energizada. Por suavez, o contato 13-14 do contato K2 é fechado, alimentandoa bobina K1. No circuito de força resulta na alimentação domotor, iniciando a sua aceleração. No circuito de comando,ocorre o selamento das bobinas K2 e K1, através dos contatos13-14 e 43-44 de K1. Desta forma, permanece a alimentaçãodas bobinas, mesmo com a chave S1 aberta.

Decorrido o tempo ajustado do relé, o contato 15-18 dorelé é aberto, desernergizando a bobina K2 comutando seuscontatos. Decorrido em torno de 100 ms, o contato 25-28é fechado, alimentando a bobina K3, o qual se mantémenergizado através do selo produzido por 13-14. A luz desinalização H2 indica a energização da bobina, e o fechamentodos contatos de força, resultando na conexão das bobinas domotor em triângulo.

Na impossibilidade de utilização de um um relé de tempoestrela-triângulo, é possível realizar a partida com um relé detempo com retardo na energização. O diagrama de comandopode ser visto na Figura 6.

Ao ser dado o impulso pela chave S1, as bobinas do contatorK2 e o relé de tempo D1 são energizadas. Estas são seladaspelos contato 13-14 de K2. A lâmpada HY é acesa, indicandoa energização desta bobina. No circuito de força, da mesmaforma como o circuito anterior, a conexão em estrela é feitanas bobinas. A bobina K1 é energizadas através do contato

Figura 6. Circuito de comando na partida estrela-triângulo utilizando reléde tempo com retardo na energização

23-24 de K2, sendo selada pelo seu contato 23-24. O motor éentao alimentado, iniciando seu processo de aceleração.

Decorrido o tempo ajustado do relé, o contato 15-16 éaberto desenergizando a bobina K2,resultado no desligamentode HY e a consequente abertura da conexão estrela do motor.O contato 31-32 de K2 é fechado, e a bobina K3 passa a serenergizada, sendo visualmente indicada por HA. As bobinaspassam a ser conectadas em triângulo, alcançando o regime defuncionamento. Ao ser pressionado o botão de impulso S0, oscircuitos das bobinas dos contatores K1 e K2 são desligados,sendo desenergizado o circuito.

VI. EQUACIONAMENTO DA CHAVE DE PARTIDAESTRELA-TRIÂNGULO

Sendo Vn a tensão nominal de cada uma das fases doenrolamento do motor, o conjugado desenvolvido é dado pelaseguinte equação.

T∆ = K.V n2 (1)

Sendo:T∆: Torque desenvolvido na ligação ∆K: Constante do motorV n: Tensão nominal de cada uma das fases.Quando o motor esta conectado em ∆, Vn é a tensão de

linha, VL, da rede, portanto:

T∆ = K.VL(Rede)2 (2)

Quando é feita a ligação em estrela, tem-se a tensão de fase(Vf ) sendo aplicada ao motor e essa tensão é dada por:

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Vf = VL(Rede)/1, 73 (3)

Desta forma, tem-se:

TY = K.(VL(Rede)/1, 73)2 = K.(VL(Rede))2/3 (4)

O que resulta em:

TY = T∆/3 (5)

Como o motor parte em Y, ocorre redução de um terço doconjugado na partida do motor.

A. Determinação das correntes da chave estrela-triângulo

Para se determinar as correntes nos circuitos da chaveestrela-triângulo, é necessário considerar o diagrama unifilardo circuito de força que está representado no circuito de forçana Figura 7.

Figura 7. Diagrama unifilar de força da chave estrela-triângulo

Assim para a análise das correntes que circulam nos conta-tores K1, K2 e K3 são, respectivamente, IK1, IK2 e IK3. Parase obter os respectivos valores de corrente, parte-se da ligaçãoem triângulo, conforme Figura 8.

Considerando a corrente nominal In igual a corrente delinha, IL, a relação entre a corrente em ∆ e a corrente delinha é dada por IL/

√3. como a corrente de triângulo, I∆, é

a mesma que circula nos contatores K1 e K3, tem-se:

I∆ = IK1 = IK3 = IL/√

3 = 0, 58.In (6)

A sua impedância é dada

Z =Un

In/√

3=

Un.√

3

In(7)

Para se calcular a corrente no contator K3(IK3), deve-se considerar a ligação em estrela, pois ele somente entraem funcionamento na ligação estrela do motor. A Figura 9mostra um diagrama de força da ligação em estrela com suasrespectivas correntes.

Figura 8. Ligação do motor em triângulo

Figura 9. Ligação do motor em estrela

Desta forma, a corrente em estrela é obtida pela tensãodividida pela impedância.

IY =Un/

√3

Z=

Un/√

3

Un.√

3/In=

In3

= 0, 33.In (8)

A corrente do relé de sobrecarga FT1 é a mesma do contatorK1, por o relé está ligado em série com este, circulando, destaforma, a mesma corrente que no contator K1. Desta forma ascorrentes são:

• IK1 = IK3 = 0, 58.In• IK2 = 0, 33.In• IFT = 0, 58.InA corrente de partida tem uma redução de 33% em relação

a partida direta devido à ligação estrela-triângulo, desta forma:

Ip = ((Ip/In).In).0, 33 (9)

VII. VANTAGENS DA CHAVE ESTRELA-TRIÂNGULO

• Apresenta baixo custo (em relação à chave compensa-dora);

• Pequeno espaço ocupado pelos componentes;

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• Corrente de partida reduzida a 1/3 da corrente de pico;• Sem limite máximo para manobras.

VIII. DESVANTAGENS DA CHAVE ESTRELA-TRIÂNGULO

• Se o motor não atingir pelo menos 90% de sua rotaçãonominal, na comutação para a ligação triângulo, o picode corrente é quase o mesmo da partida direta;

• Apresenta conjugado de partido reduzido a 1/3 do nomi-nal;

• O motor dever ter pelo menos seis terminais acessíveispara ligações;

• O valor da tensão da rede deve coincidir com o valor detensão da ligação triângulo do motor.

IX. CONCLUSÃO

A chave de partida estrela-triângulo é vantajosa no aci-onamento de motores na indústria, pois proporciona segu-rança no acionamento do motor, custo reduzido, dimensõesrelativamente reduzidas, fácil instalação e elevado númerode manobras. Como desvantagens, temos a exigência de atensão da rede coincidir com a tensão em triângulo do motor,e também aplicação específica a motores com dupla tensãonominal e que disponham de seis terminais acessíveis.

REFERÊNCIAS

[1] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TéCNICAS. NBR 5410:Instalações elétricas de baixa tensão. Rio de Janeiro, 2004.

[2] CERON. NTC 001: Fornecimento de energia elétrica em tensão secun-dária de distribuição. Porto Velho, 2008.

[3] Franchi, Clailton Moro. Acionamentos elétricos - 4a ed. São Paulo:Érica, 2008.

[4] Mamede Filho, João. Instalações elétricas Industriais. - 8a Ed. Rio deJaneiro: LTC, 2010.

[5] MODERNA, Eletricidade. Guia EM da NBR 5410. 2002.[6] NISKIER, Julio; MACINTYRE, A. J. Intalações elétricas. Rio de

Janeiro: LTC, 2000.