partida motores acionamentos schneider

2

EFICIÊNCIA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E ENERGÉTICA E

ACIONAMENTOS DE ACIONAMENTOS DE MOTORESMOTORES

3

OBJETIVOOBJETIVO

Analisar os princípios e as tecnologias disponíveis Analisar os princípios e as tecnologias disponíveis para os acionamentos elétricos de motores para os acionamentos elétricos de motores assíncronos, identificando as vantagens e assíncronos, identificando as vantagens e desvantagens dos métodos apresentados.desvantagens dos métodos apresentados.

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PROGRAMAPROGRAMA

Tipos de motores elétricosTipos de motores elétricos Contatores – categoria de emprego de motoresContatores – categoria de emprego de motores Coordenação e seletividadeCoordenação e seletividade Tipos de partidas de motoresTipos de partidas de motores Acionamentos elétricosAcionamentos elétricos Sistemas de Velocidade variávelSistemas de Velocidade variável

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IntroduçãoIntrodução

ACIONAMENTO ELÉTRICO: Sistema capaz de converter energia ACIONAMENTO ELÉTRICO: Sistema capaz de converter energia elétrica em energia mecânica (movimento), mantendo sob elétrica em energia mecânica (movimento), mantendo sob controle tal processo de conversão.controle tal processo de conversão.

São normalmente utilizados para acionar máquinas ou São normalmente utilizados para acionar máquinas ou equipamentos que requerem algum tipo de movimento equipamentos que requerem algum tipo de movimento controlado, como por exemplo a velocidade de rotação de uma controlado, como por exemplo a velocidade de rotação de uma bomba.bomba.

Os motores mais amplamente utilizados nos acionamentos Os motores mais amplamente utilizados nos acionamentos elétricos são os motores de indução monofásicos e trifásicos.elétricos são os motores de indução monofásicos e trifásicos.

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Um acionamento elétrico moderno é formado normalmente pela Um acionamento elétrico moderno é formado normalmente pela combinação dos seguintes elementos:combinação dos seguintes elementos:

• MOTOR: converte energia elétrica em energia mecânica• DISPOSITIVO ELETRÔNICO: comanda e/ou controla a potência elétrica• TRANSMISSÃO MECÂNICA: adapta a velocidade e inércia entre motor e

máquina (carga)

SISTEMAELÉTRICO

MOTORELÉTRICO

CARGAMECÂNICA

CONTROLE

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A escolha do motor e de seus dispositivos de partida e parada, A escolha do motor e de seus dispositivos de partida e parada, mesmo influenciada por aspectos ambientais, está diretamente mesmo influenciada por aspectos ambientais, está diretamente relacionada com a carga mecânica a ser acionada e ao impacto relacionada com a carga mecânica a ser acionada e ao impacto dela no sistema elétrico.dela no sistema elétrico.

No acionamento das cargas mecânicas os conjugados No acionamento das cargas mecânicas os conjugados resistentes e de arraste precisam ser analisados para evitar resistentes e de arraste precisam ser analisados para evitar problemas operacionais como desgaste, vibração, aquecimento...problemas operacionais como desgaste, vibração, aquecimento...

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Dispositivos de partida de motores elétricosDispositivos de partida de motores elétricos

Funções de partidas-motoresFunções de partidas-motores

Distribuição Elétrica de BT

Seccionamento

Proteção contra curto-circuito

Proteção contra sobrecarga

Comutação

Seccionamento

Proteção contra curto-circuito

Comutação

Soft-Start Inversor defreqüência

Motor Motor

Isolar eletricamente o circuito deforça da alimentação geral

Detectar e interromper o maisrápido possível correntesanormais superiores a 10 In

Detectar aumentos de correnteaté 10 In e evitar o aquecimentodo motor e dos condutores antesda deterioração dos isolantes

Consiste em estabelecer,interromper e regular o valor dacorrente absorvida pelo motor

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Sistemas de velocidade variávelSistemas de velocidade variável

Muitos processos industriais requerem dispositivos de Muitos processos industriais requerem dispositivos de acionamento de cargas com velocidade variável:acionamento de cargas com velocidade variável:

• BOMBAS: variação de vazão de líquidos

• VENTILADORES: variação de vazão de ar

• SISTEMAS DE TRANSPORTE: variação da velocidade de transp.

• TORNOS: variação da velocidade de corte

• BOBINADEIRAS: compensação da variação de diâmetro da bobina

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Sistemas de velocidade variávelSistemas de velocidade variável

Durante muitos anos, as aplicações industriais de velocidade Durante muitos anos, as aplicações industriais de velocidade variável foram ditadas pelos requisitos dos processos e limitadas variável foram ditadas pelos requisitos dos processos e limitadas pela tecnologia, pelo custo, pela eficiência e pelos requisitos de pela tecnologia, pelo custo, pela eficiência e pelos requisitos de manutenção e componentes empregados.manutenção e componentes empregados.

No passado: a variação de velocidade era feita por No passado: a variação de velocidade era feita por motor de motor de indução de velocidade fixaindução de velocidade fixa (primeiro dispositivo de conversão de (primeiro dispositivo de conversão de energia elétrica para energia mecânica) + dispositivo de energia elétrica para energia mecânica) + dispositivo de conversão de energia através de conversão de energia através de componentes mecânicos, componentes mecânicos, hidráulicos ou eletromagnéticoshidráulicos ou eletromagnéticos (segundo dispositivo de (segundo dispositivo de conversão de energia).conversão de energia).

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Sistemas de velocidade variável tradicionaisSistemas de velocidade variável tradicionais

VARIADORES MECÂNICOSVARIADORES MECÂNICOS• Acoplamento por polias: redução ou ampliação de velocidade

fixas, sem a possibilidade de uma variação contínua de rotação. Para cada nova rotação, o motor deve ser desligado para a troca das polias. Baixo rendimento com o motor operando quase sempre nas suas condições nominais, independente das rotações desejadas na sua saída (desperdício de energia).

• Variadores mecânicos (motoredutores): avanço em relação ao anterior, pois aqui já se consegue variar a rotação de saída através de um jogo de polias/engrenagens variáveis. Continua o baixo rendimento com o motor, operando quase sempre nas suas condições nominais, independente das rotações desejadas na sua saída (desperdício de energia). Equipamentos limitados a baixas e médias potências (limite das engrenagens).

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Motoredutores Correias

Polias

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VARIADORES HIDRÁULICOSVARIADORES HIDRÁULICOS

• O controle da variação de velocidade do motor é feita através da vazão do fluido injetado no motor.

• Permite variação contínua de velocidade.• Baixo rendimento e elevada manutenção.

VARIADOR HIDROCINÉTICOVARIADOR HIDROCINÉTICO• Composto de um eixo de entrada (rotação fixa) e de um eixo de

saída, cuja rotação pode variar linearmente de zero até uma rotação muito próxima à do eixo de entrada (existem perdas...)

• Permite variação contínua de velocidade• Baixo rendimento

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Variadores oleodinâmicos de velocidade, com variação de velocidade de 0-1700 rpm com potência de 0,5HP a 30HP

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VARIADORES/EMBREAGENS ELETROMAGNÉTICOSVARIADORES/EMBREAGENS ELETROMAGNÉTICOS

• Mudou-se o conceito de variação exclusivamente mecânica para variação eletromecânica;

• Utiliza-se técnicas baseadas no princípio físico das correntes de Foucault, utilizando um sistema de discos acoplados a bobinas que podem ter seu campo magnético variável, variando-se assim o torque (e também a velocidade) na saída do variador.

• Rendimento muito baixo, pois apresenta perdas por aquecimento e ruído

• Aqui também o motor sempre estará girando na rotação nominal, independente da rotação desejada no eixo de saída (desperdício de energia), quando se opera em rotações abaixo da nominal.

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Sistemas de velocidade variável atuaisSistemas de velocidade variável atuais

Na década de 80, com o desenvolvimento de semicondutores de Na década de 80, com o desenvolvimento de semicondutores de potência com excelentes características de desempenho e potência com excelentes características de desempenho e confiabilidade, foi possível a implementação de confiabilidade, foi possível a implementação de sistemas de variação sistemas de variação de velocidade eletrônicosde velocidade eletrônicos..

O dispositivo de conversão de energia elétrica para mecânica O dispositivo de conversão de energia elétrica para mecânica continuou sendo o motor, porém sem a utilização de dispositivos continuou sendo o motor, porém sem a utilização de dispositivos secundários mecânicos, hidráulicos ou eletromagnéticos.secundários mecânicos, hidráulicos ou eletromagnéticos.

Os sistemas de variação contínua de velocidade proporcionam, entre Os sistemas de variação contínua de velocidade proporcionam, entre outras, as seguintes vantagens: economia de energia, melhoramento outras, as seguintes vantagens: economia de energia, melhoramento do desempenho de máquinas e equipamentos (adaptação da do desempenho de máquinas e equipamentos (adaptação da velocidade aos requisitos do processo), elimina picos de corrente na velocidade aos requisitos do processo), elimina picos de corrente na partida etc.partida etc.

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Tipos de motores elétricosTipos de motores elétricos

Motores assíncronos trifásicosMotores assíncronos trifásicos

• Estator: em um motor assíncrono trifásico, três enrolamentos geométricamente deslocados 120º são alimentados cada um por uma das fases de uma rede trifásica alternada. Os enrolamentos percorridos por estas correntes alternadas produzem um campo magnético girante com velocidade síncrona (rpm):

• Rotor: constituído por barras curto-circuitadas que sob ação do campo girante, tem força eletromotriz induzida nas barras, dando origem à circulação de correntes que interagindo com o campo magnético girante darão origem a forças (conjugado) movimentando o rotor no sentido do campo magnético.

P

fNs

120 f = frequência; P = nº polos

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P

fNs

120

ns

n

S

rpmNs

Hzpólos

18004

60120

60,4

Curva conjugado x corrente x velocidadeCurva conjugado x corrente x velocidade

19


s

s

s

n

nnS

nnS

(%)

ns

n

S

%3,3(%)

1001800

17401800(%)

1740

S

S

n

Curva conjugado x corrente x velocidadeCurva conjugado x corrente x velocidade

p

Sfn

1120

20


Ponto de equilíbrio = conjugado de aceleração é zero e a

velocidade permanece constante (nominal)

O conjugado do motor deve ser sempre MAIOR que o conjugado da carga, em todos os pontos entre zero a a velocidade nominal (inclusive na partida)

21


• O rendimento varia com a carga do motor;

• Rendimento alto significa baixas perdas;

• Quanto maior o rendimento, menor a potência absorvida da linha, e portanto, menor o custo da energia elétrica.

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Pu=C.

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Rotor de gaiola simplesRotor de gaiola simples– É caracterizado por um conjugado de partida relativamente suave

mas com uma corrente absorvida muito superior a corrente nominal

quando do funcionamento em regime.

Rotor de gaiola duplaRotor de gaiola dupla– É caracterizado por possuir duas gaiolas: a externa de alta

resistência elétrica que limita a corrente na partida e a interna de

baixa resistência que oferece características de bom desempenho

em regime.

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Motores de alto RendimentoMotores de alto Rendimento

Motor de Alto RendimentoMotor de Alto Rendimento

• Possui rendimento superior ao motor standard• Gera baixas perdas;• Reduz significativamente a elevação de temperatura, com

conseqüente aumento de vida útil;• Promove a racionalização da produção e do consumo de

energia elétrica, eliminando os desperdícios e reduzindo os custos.

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Eficiência energética através do Eficiência energética através do motor de Alto Rendimentomotor de Alto Rendimento

• O setor industrial é responsável por 43% do consumo anual de energia em nosso país. Dentro deste setor, onde há maior demanda de energia elétrica, os motores são responsáveis por aproximadamente 55% deste consumo.

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Diferenças entre o motor de Alto Rendimento e o motor standard Diferenças entre o motor de Alto Rendimento e o motor standard

• Maior quantidade de cobre: reduz as perdas Joule (perdas no estator);

• Chapa magnética com alta permeabilidade, baixas perdas e entreferro

reduzido - reduz a corrente magnetizante e consequentemente as perdas

no ferro;

• Enrolamento dupla camada: resulta em melhor dissipação de calor;

• Rotores tratados termicamente: reduz as perdas suplementares;

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A diferença de rendimento entre os motores padrão e Alto rendimento A diferença de rendimento entre os motores padrão e Alto rendimento

variam entre 1,5 e 7 % sendo que para os motores de potencia menor a variam entre 1,5 e 7 % sendo que para os motores de potencia menor a

diferença é maior. Vale lembrar que a economia de energia em motores diferença é maior. Vale lembrar que a economia de energia em motores

maiores é sempre maior, pois 2% em um motor de 150CV, pode ser muito maiores é sempre maior, pois 2% em um motor de 150CV, pode ser muito

maior que 7 % em um motor de 1CV.maior que 7 % em um motor de 1CV.

Motor standard

Motor A.R

Motor 5 CV 4 polosMotor 5 CV 4 polos 85,085,0 88,588,5

Motor 150CV 4 polosMotor 150CV 4 polos 93,5 93,5 9595,,00

O custo do motor AR varia entre 30 e 40% a mais que o Standard e o O custo do motor AR varia entre 30 e 40% a mais que o Standard e o

tempo de retorno está ente 8 meses e 18 meses, com média de 12 mesestempo de retorno está ente 8 meses e 18 meses, com média de 12 meses

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Características técnicas dos motores standard e de alto rendimento

Item decomparação

Motor standard Motor altorendimento

Característica

Quantidade decobre

Menor Maior Reduz perdasJoules

Comprimento dopacote de ferro

Menor Maior Reduz perdasmagnéticas

Enrolamento Camada Simples Dupla camada Provê melhordissipação do calor

geradoChapa metálica Altas perdas Baixas perdas Reduz a corrente

magnetizante

Rotor Sem tratamento Tratadotermicamente

Reduz perdassuplementares no

ferro

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CONTATORES: Categoria de emprego de motoresCONTATORES: Categoria de emprego de motores

A suportabilidade dos contatores aos esforços decorrentes da interrupção A suportabilidade dos contatores aos esforços decorrentes da interrupção de correntes superiores à sua corrente nominal e a sua durabilidade ao ser de correntes superiores à sua corrente nominal e a sua durabilidade ao ser submetido a operações repetidas levou a uma classificação dos submetido a operações repetidas levou a uma classificação dos contatores pela IEC. contatores pela IEC.

Essa classificação leva em conta:Essa classificação leva em conta:– a freqüência das operações liga - desliga,– valor das sobrecargas,– fator de potência da carga,– tipo de operação dos motores: na partida, na frenagem, na inversão

da rotação, etc.

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CONTATORES: Categoria de emprego CONTATORES: Categoria de emprego

Categorias de emprego segundo IEC 947-4Categorias de emprego segundo IEC 947-4• As categorias de emprego normalizadas fixam os valores de corrente que

o contator deve estabelecer ou interromper, mantendo vida útil de 1,0 a 10,0x107 manobras.

• Elas dependem:– da natureza do receptor controlado: motor de gaiola ou de anéis,

resistências, capacitores, lâmpadas fluorescentes, etc.– das condições nas quais são efetuados os fechamentos e aberturas:

motor em regime ou bloqueado ou em partida, inversão do sentido de rotação, frenagem por contracorrente.

31


As categorias de emprego em corrente alternadaAs categorias de emprego em corrente alternada

32


As categorias de emprego em corrente alternadaAs categorias de emprego em corrente alternada

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CONTATORES: Categoria de emprego de motores CONTATORES: Categoria de emprego de motores

Categorias de Categorias de emprego emprego segundo IEC segundo IEC 947-4947-4

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CoordenaçãoCoordenação

A coordenação das proteções é o A coordenação das proteções é o ato de associar, de maneira ato de associar, de maneira seletiva, um dispositivo de seletiva, um dispositivo de proteção contra os curtos-proteção contra os curtos-circuitos (fusíveis ou disjuntores) circuitos (fusíveis ou disjuntores) com um contator e um dispositivo com um contator e um dispositivo de proteção contra as sobrecarga. de proteção contra as sobrecarga. Tem por objetivo interromper, em Tem por objetivo interromper, em tempo, toda corrente anormal, sem tempo, toda corrente anormal, sem perigo para as pessoas e perigo para as pessoas e assegurando uma proteção assegurando uma proteção adequada da aparelhagem contra adequada da aparelhagem contra uma corrente de sobrecarga ou uma corrente de sobrecarga ou uma corrente de curto-circuito.uma corrente de curto-circuito.

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CoordenaçãoCoordenação Sem coordenaçãoSem coordenação

• São grandes os riscos para o operador, como também podem ser grandes os danos físicos e materiais.

Coordenação tipo 1Coordenação tipo 1

• É aceita uma deterioração do contator e do relé sob 2 condições:

– nenhum risco para o operador,

– todos os demais componentes, exceto o contator e o relé térmico, não devem ser danificados.

Coordenação tipo 2Coordenação tipo 2

• O risco de soldagem dos contatos do contator é admitido se estes puderem ser facilmente separados. Após ensaios de coordenação tipo 2, as funções dos componentes de proteção e de comando continuam operacionais.

• É a solução que permite a continuidade de serviço.

Coordenação totalCoordenação total

• É a solução em que não são aceitos nenhum dano ou desregulagem.

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Qual a escolha certa?Qual a escolha certa?• O tipo certo de coordenação para determinada instalação

depende dos parâmetros de funcionamento. A escolha acertada proporcionará ao usuário um custo de instalação mínimo. Fatores determinantes para uma instalação englobam:

– TIPO 1: pessoal de manutenção especializado; equipamentos de custos acessíveis; continuidade de serviço não requerido ou feito pela substituição da chave de partida do motor sob defeito.

– TIPO 2: continuidade de serviço; redução do pessoal especializado e especificações que estipulam o tipo 2.

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38

Tipos de partida de motores assíncronosTipos de partida de motores assíncronos

Tipos de acionamentos estáticos para motores Tipos de acionamentos estáticos para motores assíncronos:assíncronos:

• Partida direta• Estrela-triângulo• Auto-transformador• Soft-starter com controle de tensão/conjugado

Variadores de velocidadeVariadores de velocidade

• Inversor de frequência

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Partida diretaPartida direta

É o modo de partida mais simples, com o estator ligado diretamente à rede. O motor parte com as suas características naturais.

Para motores de grande porte, não é utilizado (grande Ip !!!)

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Principais característicasPrincipais características

• Destina-se a máquinas que partem em vazio ou com carga;

• Partidas normais (< 10s). Para partidas prolongadas (pesadas), deve-se ajustar as especificações do contator, relé de sobrecarga, condutores, etc;

• Relé de sobrecarga: ajustar para a corrente de serviço (nominal do motor);

• Frequência de manobras: média 15 manobras/hora.

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Partida diretaPartida direta

VANTAGENS

• Menor custo• Muito simples de implementar• Alto torque de partida

DESVANTAGENS

• Alta corrente de partida, provocando queda de tensão na rede de alimentação (interferência em equipamentos ligados na mesma instalação• É necessário sobredimensionar cabos e contatores• limitação do número de manobras/hora

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PARA EVITAR OS PROBLEMAS MENCIONADOS COM A PARTIDA DIRETA, PODE-SE UTILIZAR UM SISTEMA DE PARTIDA COM REDUÇÃO DE TENSÃO E, CONSEQUENTEMENTE, REDUÇÃO DE CORRENTE.

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Partida estrela-Partida estrela-triângulotriângulo

Este processo de partida só pode ser utilizado num motor em que as duas extremidades de cada um dos três enrolamentos estatóricos estejam ligadas à placa de terminais. Consiste na alimentação do motor com redução de tensão na partida.

Y

Y

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Partida estrela-triânguloPartida estrela-triângulo

• Este processo de partida só pode ser utilizado em motores que possuam ligação em dupla tensão (por exemplo 380/220V).• A menor tensão deverá ser igual a tensão de rede e a outra 1,73 vezes maior. • Esta partida é implementada com dois contatores, proporcionando na partida ligação estrela no motor (maior tensão, com redução da corrente de partida em 1/3) e após a partida ligação em triângulo (tensão nominal).

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Principais características:Principais características:

• Apropriada para máquinas com conjugado resistente de partida baixo (até 1/3 do conjugado de partida do motor), praticamente constante, tais como máquinas para usinagem de metais (tornos etc);• É aplicada quase que exclusivamente para partidas em vazio (sem carga). Somente depois de se ter atingido a rotação nominal a carga poderá ser aplicada;• O conjugado resistente da carga não deve ultrapassar o conjugado de carga do motor, nem a corrente no instante da comutação deve atingir valores muito elevados;

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Principais características:Principais características:

• Partidas normais (< 15s). Para partidas prolongadas (pesadas), deve-se ajustar as especificações do contator, relé de sobrecarga, condutores, etc.• Relé de sobrecarga: ajustar para 0,58 vezes a corrente de serviço (nominal do motor);• Relé de tempo: ajustar a um tempo de aceleração à aproximadamente 90% da rotação nominal;• Frequência de manobras: média de 15 manobras/hora.

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85 95

48



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 para duas tensões com seis bornes acessíveis• caso o motor não atingir pelo menos 90% da velocidade nominal, o pico de corrente na comutação estrela para triângulo 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 seis cabos

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Tipos de partida de motoresTipos de partida de motores

Partida por Partida por autotransformadorautotransformador

O motor é alimentado com tensão reduzida através de um autotransformador, que é desligado do circuito no final da partida.

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Principais característicasPrincipais características

• Destina-se a máquinas de grande porte, que partem com aproximadamente metade da carga nominal (conjugado resistente de partida próximo da metade do conjugado nominal do motor), tais como: calandras, britadores, compressores, etc;• Partidas normais (< 20s). Para partidas prolongadas (pesadas), deve-se ajustar as especificações do contator, relé de sobrecarga, condutores, etc;• Auto-transformador (com proteção térmica): taps de 65 a 80%;• Relé de sobrecarga: ajustar para a corrente de serviço (nominal do motor);• Relé de tempo: ajustar a um tempo de aceleração à aproximadamente 90% da rotação nominal;• Frequência de manobras: média de 10 à 15 manobras/hora.

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Partida por auto-transformadorPartida por auto-transformador

VANTAGENS

• pode ser usada para partida de motores sob carga• proporciona um conjugado de partida ajustável às necessidades da carga• a corrente de partida é reduzida (proporcional a I2):

– TAP 65% de Un: redução para 42% do seu valor de partida direta– TAP 80% de Un: redução para 64% do seu valor de partida direta

DESVANTAGENS

• custo maior que a estrela-triângulo, além da construção mais volumosa, necessitando de quadros maiores• frequência de manobras limitada

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QUADRO COMPARATIVOQUADRO COMPARATIVO

Tipo de chaveTipo de chave TensãoTensão IpIp TorqueTorque PartidaPartida

DiretaDireta 100%100% IpIp CpCp A plena cargaA plena carga

Estrela-triânguloEstrela-triângulo 58%58% Ip x 0,33Ip x 0,33 Cp x 0,33Cp x 0,33 Praticam. a Praticam. a vazio*vazio*

CompensadoraCompensadora 80%80% Ip x 0,64Ip x 0,64 Cp x 0,64Cp x 0,64 Com cargaCom carga

TAP 80%TAP 80% TAP 80%TAP 80%

65%65% Ip x 0,42Ip x 0,42 Cp x 0,42Cp x 0,42

TAP 65%TAP 65% TAP 65% TAP 65%

* ex: bombas e ventiladores com registro fechado, correias transp. sem carga, compressores * ex: bombas e ventiladores com registro fechado, correias transp. sem carga, compressores com válvula fechada, etc.com válvula fechada, etc.

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TODOS OS MÉTODOS DE PARTIDA VISTOS TODOS OS MÉTODOS DE PARTIDA VISTOS ANTERIORMENTE CONSEGUEM UMA REDUÇÃO NA ANTERIORMENTE CONSEGUEM UMA REDUÇÃO NA

TENSÃO, TORQUE E CORRENTE DE PARTIDA, PORÉM A TENSÃO, TORQUE E CORRENTE DE PARTIDA, PORÉM A COMUTAÇÃO É POR COMUTAÇÃO É POR DEGRAUS DE TENSÃODEGRAUS DE TENSÃO

)f(UC

UfI2

bornes nos )(

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Tipos de partida de motoresTipos de partida de motores

Soft-starter (partida Soft-starter (partida suave)suave)

A alimentação do motor, quando é colocado em funcionamento, é feita por aumento progressivo da tensão (rampa de tensão), o que permite uma partida sem golpes e reduz o pico de corrente.

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É um dispositivo eletrônico para controle de tensão, ou seja, É um dispositivo eletrônico para controle de tensão, ou seja, servem para acelerar/desacelerar a velocidade dos motores na servem para acelerar/desacelerar a velocidade dos motores na partida.partida.

A tensão reduzida é controlada ajustando-se o ângulo de disparo A tensão reduzida é controlada ajustando-se o ângulo de disparo de um par de tiristores em antiparalelo em cada fase da fonte. de um par de tiristores em antiparalelo em cada fase da fonte. Circuitos de controle eletrônico controlam a tensão aplicada ao Circuitos de controle eletrônico controlam a tensão aplicada ao motor.motor.

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Pelo ajuste correto das Pelo ajuste correto das variáveis de controle, o torque variáveis de controle, o torque do motor e a corrente são do motor e a corrente são idealmente ajustadas às idealmente ajustadas às necessidades da carga. A necessidades da carga. A medida que a tensão vai medida que a tensão vai aumentando (num período aumentando (num período ajustável de tempo – rampa de ajustável de tempo – rampa de tensão), a corrente aumenta tensão), a corrente aumenta para acelerar a carga de uma para acelerar a carga de uma maneira suave e sem degraus.maneira suave e sem degraus.

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Parada do motor: por inércia Parada do motor: por inércia ou controladaou controlada

• Por inércia: tensão vai “instantaneamente” a zero, implicando que o motor não produza nenhum conjugado na carga, que por sua vez vai perdendo velocidade até parar.

• Controlada: soft-starter vai gradualmente reduzindo a tensão de saída até um valor mínimo de tempo pré-definido.

1- Reduzindo tensão aplicada ao motor, este perde conjugado

2- Perda de conjugado, aumento escorreg.

3- Aumento de escorreg., motor perde veloc.

4- Motor perde veloc., a carga também perderá

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Partida por soft-starterPartida por soft-starter

VANTAGENS

• controle da corrente de partida (próxima à nominal)• não existe limitação do número de manobras/hora• longa vida útil pois não possui partes eletromecânicas móveis• torque de partida próximo do torque nominal• pode ser empregada também para desacelerar o motor• possibilita inversão do sentido de rotação• Proteções integrais (falta de fase, sobrecorrente, subcorrente, sobrecarga etc)

DESVANTAGENS

• É necessário tensão auxiliar para o soft-starter• Maior custo na medida em que a potência do motor é reduzida • distorções harmônicas na linha

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Nova tecnologia TCS - Torque Control SystemNova tecnologia TCS - Torque Control System

A tecnologia TCS foi desenvolvida para o Soft-Start e permite, através de um novo algoritmo, o Controle de Tensão e Corrente do motor, fazendo com que o Conjugado de aceleração e desaceleração sejam lineares.

Esta Tecnologia conta com uma lógica chamada:

“Fuzzi Logic”- conhecida como lógica nebulosa ou difusa.

Com a utilização deste algoritmo conseguimos respostas mais rápidas, precisas e estáveis para o controle em Conjugado.

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Nova tecnologia TCS - Torque Control SystemNova tecnologia TCS - Torque Control System

Vantagens do controle do conjugadoVantagens do controle do conjugado

Soft-Start controle em tensão Soft-Start controle em conjugado

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Inversores: Acionamentos de Inversores: Acionamentos de velocidade variávelvelocidade variável

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Inversores: Acionamentos de velocidade variávelInversores: Acionamentos de velocidade variável

p

Sfn

1120velocidade

frequência

Nº de pólos

escorregamento

Podemos observar que, para se variar a rotação do motor, deveremos ou variar a frequência (f), ou o escorregamento (S) ou o número de pólos.

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Variação do número de pólos:

Pode ser feita através de:

• enrolamentos separados no estator

• um enrolamento com comutação de pólos

• combinação dos dois anteriores

Não é interessante para os objetivos colocados, pois teríamos uma variação discreta de velocidade. Além disso, a carcaça é geralmente bem maior que o de velocidade única.

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Variação do escorregamento:

Também seria inviável, pois com este método as perdas aumentarão e os valores de torque do motor seriam alterados

• variação da resistência rotórica • variação da tensão do estator

Pouco utilizado, uma vez que também gera perdas rotóricas e a taxa de variação de velocidade é pequena

C

IRS

s

22

223

66


p

Sfn

1120

67


rpmn 1750

4

0278,0160120

Motor 4 pólos; S = 0,0278

a) f = 60 Hz (frequência nominal)

rpmn 875

4

0278,0130120

b) f = 30 Hz

rpmn 2625

4

0278,0190120

c) f = 90 Hz

Variação da frequência:

68


O QUE QUEREMOS???:

O ideal será obtermos uma variação da frequência que vamos aplicar ao enrolamento estatórico do motor, conseguindo assim alterar a rotação do motor, mas com TORQUE CONSTANTE.

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Variação da frequência:

2IC m

f

Um Como o torque precisa ser

mantido adequado e este só se

mantém constante se o fluxo (m) permanecer constante, teremos que variar então a tensão (U) juntamente com a frequência (f).

O torque (C) será constante se o

fluxo (m) permanecer constante

Kf

U

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Curva TORQUE x VELOCIDADE quando o motor é alimentado com frequência variável:

Para cada frequência, teremos uma velocidade síncrona, mantendo-se uma diferença constante do escorregamento

Motor 4 pólos/60Hz/S=50rpm

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Como podemos, a partir da tensão e frequência constante da rede, obter um sistema trifásico com

frequência variável?

INVERSORES DE FREQUÊNCIA

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O que é um inversor de frequência?O que é um inversor de frequência?

O inversor de freqüência é um equipamento eletrônico desenvolvido para variar a velocidade de motores de indução trifásicos, composto de três etapas distintas: retificação, filtragem e inversão.

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74


ETAPA DE ENTRADA (RETIFICADORA)ETAPA DE ENTRADA (RETIFICADORA)• Composta de pontes trifásicas de diodos, que fazem o papel de retificação

da tensão e frequência alternada da rede com valor fixo (ex, 220V-60Hz), transformando-a em corrente contínua.

ETAPA DE FILTRAGEM (CIRCUITO INTERMEDIÁRIO)ETAPA DE FILTRAGEM (CIRCUITO INTERMEDIÁRIO)• Composta por capacitores para troca de potência reativa com o motor nos

momentos em que o motor opera como “motor” ou “gerador”, além de diminuir as ondulações na tensão que foi retificada pela etapa de entrada, garantindo o fornecimento de tensão CC à etapa seguinte.

ETAPA DE POTÊNCIAETAPA DE POTÊNCIA• Com o sinal CC, os semicondutores que compões o inversor, através de

técnicas digitais (ex: PWM), chaveiam o sinal controlando o tempo de “ligamento e desligamento” dos semicondutores, fazendo o valor médio variar, conseguindo “fabricar” uma nova onda senoidal com frequência variável.

75


Objetivos dos acionamentos utilizando inversoresObjetivos dos acionamentos utilizando inversores

• Controle de velocidade e torque nos motores elétricos;• Precisão na movimentação de carga;• Sincronismo na operação conjunta de motores;• Proteção operacional contra sobrecargas, curto-circuitos e acidentes;• Repetibilidade e uniformidade na produção industrial;• Possibilidade de interligação em redes de automação.

76


Filosofias de controleFilosofias de controle

• CONTROLE ESCALAR: Variação da tensão e freqüência proporcionalmente dependendo do modelo do inversor (controle U/f).

• CONTROLE VETORIAL: Controle individual dos componentes elétricos do motor (corrente de magnetização, corrente rotórica). Controle de velocidade e torque do motor.

77


Controle escalar de tensão: controle U/fControle escalar de tensão: controle U/f

• A variação U/f é feita linearmente até a frequência nominal (ex. 60Hz);

• Acima de 60Hz, a tensão, que já é a nominal permanece constante;

• A partir de 60Hz, a corrente, o fluxo, e conseqüentemente o torque, diminuirão (região de enfraquecimento de campo).

78



• Fazendo uma análise muito simplificada, a corrente do estator I2 é proporcional à resistência R e ao valor da reatância XL (2fL)

• Acima de 30Hz, R << XL;

• I2 = CONSTANTE ( In)

222

LXR

UI

Lf

U

X

UI

L

22

f

UI 2

79



• A região de enfraquecimento de campo é uma região onde o fluxo começa a decrescer e, portanto, o torque também começa a diminuir

2IC m f

Um Constante após fn

Aumentando...

fn

80



• A potência de saída do conversor de frequência segue a variação U/f, ou seja, cresce linearmente até a frequência nominal e permanece constante acima desta.

CP

Redução do consumo (kWh) ficando a potência “P” (kW),“modulada” pela carga aplicada “C” (kgf.m) e pela rotação do motor “” (rpm).

81



• O motor de indução é auto-ventilado. Com a redução de rotação (f), a ventilação já não é mais a mesma do que seria se estivesse nas suas condições nominais;

• de 0 a 30Hz, deve ser feita uma análise do tipo de carga acionada para tirar conclusões a respeito do aquecimento do motor;

• a tensão de saída do conversor apresenta distorção harmônica (forma de onda não perfeitamente senoidal), provocando aumento da corrente eficaz e consequente aumento de perdas;

• LOGO, É NECESSÁRIO REDUZIR CONJUGADO E POTÊNCIAS ADMISSÍVEIS NO MOTOR (CURVA PADRONIZADA)

82



83


Controle escalar em inversores de frequência é utilizado em Controle escalar em inversores de frequência é utilizado em aplicações normais que não requerem elevada dinâmica (grandes aplicações normais que não requerem elevada dinâmica (grandes acelerações e frenagens), nem elevada precisão e nem controle acelerações e frenagens), nem elevada precisão e nem controle de torque;de torque;

Um inversor com controle escalar pode controlar a velocidade Um inversor com controle escalar pode controlar a velocidade de rotação do motor com precisão de 0,5% da rotação nominal de rotação do motor com precisão de 0,5% da rotação nominal para sistemas sem variação de carga, e de 3 a 5% com variação para sistemas sem variação de carga, e de 3 a 5% com variação de carga de 0 a 100% do torque nominal;de carga de 0 a 100% do torque nominal;

A faixa de variação de velocidade é pequena e da ordem de 1:10 A faixa de variação de velocidade é pequena e da ordem de 1:10 (ex: 6Hz a 60Hz);(ex: 6Hz a 60Hz);

O inversor de frequência escalar é mais utilizado em sistemas O inversor de frequência escalar é mais utilizado em sistemas que não requerem alto desempenho;que não requerem alto desempenho;

Custo menor quando comparado ao controle vetorial.Custo menor quando comparado ao controle vetorial.

84


Controle vetorialControle vetorial

• Em aplicações onde se faz necessária uma alta performance dinâmica, respostas rápidas e alta precisão de regulação de velocidade, o motor elétrico deverá fornecer essencialmente um controle preciso de torque para uma faixa extensa de condições de operação;

• Acionamentos CC sempre representaram uma solução ideal, pois a proporcionalidade da corrente de armadura, do fluxo e do troque num motor CC proporcionam um meio direto para o seu controle;

• A diferença entre controle escalar (U/f) e o controle Vetorial, é a malha de controle, que permite monitoração independente da velocidade e do torque requerido.

85



86


Controle vetorialControle vetorial• No motor de indução, a corrente do estator é a responsável por

gerar o fluxo de magnetização e o fluxo de torque, não permitindo obter um controle direto de torque;

• No inversor V/f a referência de velocidade é usada como sinal para gerar os parâmetros V/f;

• No inversor vetorial, calcula-se a corrente necessária para produzir o torque requerido pela máquina, calculando-se a corrente do estator e a corrente de magnetização;

• Controle vetorial: performance dinâmica de um acionamento CC e as vantagens de um motor CA;

87



O Controle Vetorial pode ser de dois tipos:O Controle Vetorial pode ser de dois tipos: • Sensorless: malha aberta (sem encoder – tacogerador de

pulsos)

• Com encoder: malha fechada (com realimentação de velocidade por encoder)

Ambos apresentam excelentes características de regulação e Ambos apresentam excelentes características de regulação e resposta dinâmica, sendo que o controle com encoder apresenta resposta dinâmica, sendo que o controle com encoder apresenta um grau de desempenho superiorum grau de desempenho superior

88


Com encoderCom encoder

• Regulação de velocidade: 0,01%

• Regulação de torque: 5%

• Faixa de variação de velocidade: 1:1000

• Torque de partida: 400% máx.

• Torque máximo (não contínuo): 400%

““Sensorless”Sensorless”

• Regulação de velocidade: 0,1%

• Regulação de torque: não tem

• Faixa de variação de velocidade: 1:100

• Torque de partida: 250% máx.

• Torque máximo (não contínuo): 250%

89


inversor motor carga

Aumento/diminuição de carga

Compensação do escorregamento é feita pelo inversor para manter a velocidade constante independentemente de mudanças de carga

Frequência de saída do inversor aumenta ou diminui conforme a corrente do motor varia em função do aumento ou diminuição de carga

Velocidade constante

Lembrete: “S” é determinado diretamente

pela condição de carga do motor. Logo, se “S”

varia, a velocidade também!

90


91


VANTAGENSVANTAGENS

• Utilização de motores de indução padrão;

• Alta precisão de velocidade;• Suavidade nos movimentos;• Sincronismo c/ alta precisão;• Torque controlável;• Ampla faixa de variação de

velocidade;• Pesos e dimensões reduzidas;• Operação em áreas de risco;• Disponibilidade de “by-pass”;• Cos próximo de 1;• Frenagem regenerativa;• Economia de energia.

DESVANTAGENSDESVANTAGENS

• Distorção harmônica da rede;• Rendimento: como a tensão de

alimentação não é senoidal, haverão harmônicos que provocarão maiores perdas e consequente redução do rendimento;

• Ruído: variará sensivelmente em função da frequência e do conteúdo de harmônicas do inversor

• Confiabilidade do equipamento eletrônico

92

Aplicações de acionamentos com Aplicações de acionamentos com motores de indução e inversores de motores de indução e inversores de

frequênciafrequência

93


• Assim como precisamos saber como se comportam as características de torque e de potência ao longo das rotações do motor quando este é acionado por inversor de frequência, precisamos também estudar os tipos de torque resistentes e potências consumidas nas mais diversas aplicações pelas respectivas cargas.

• Conjugado nominal: conjugado nominal necessário para mover a carga em condições de funcionamento à velocidade específica.

MOTOR CARGAX

94


• Conjugado de partida: conjugado requerido para vencer a inércia estática da máquina em movimento. Para que uma carga, partindo da velocidade zero, atinja a sua velocidade nominal, é necessário que o conjugado do motor seja sempre superior ao da carga.

• Conjugado de aceleração: conjugado necessário para acelerar a carga à velocidade nominal. O conjugado do motor deve ser sempre superior ao conjugado de carga, em todos os pontos entre zero e a rotação nominal. No ponto de inserção das duas curvas, o conjugado de aceleração é nulo, ou seja, é atingido o ponto de equilíbrio a partir do qual a velocidade permanece constante. Este ponto de interseção corresponde a velocidade nominal

95


• O conjugado de aceleração assume valores bastante diferentes na fase da partida.

• O conjugado de aceleração obtém-se a partir da diferença entre o conjugado do motor e o conjugado da carga.

96


97


Conjugado constante

Nas máquinas deste tipo, o conjugado permanece constante durante a variação da velocidade e a potência aumenta proporcionalmente com a velocidade (ex: esteiras transportadoras, pontes rolantes, guinchos pórticos, cadeira do laminador etc).

kP

C

CP

(k) constante

98


Conjugado variável (crescente com a velocidade)

Ex.: sistemas de acoplamento hidráulico ou eletromagnéticos, geradores ligados em carga de alto fator de potência

2

kP

kC

CP

99


Conjugado variável (crescente com o quadrado da velocidade)

Ex.: bombas centrífugas e ventiladores.

3

2

kP

kC

CP

100


Conjugado variável (inversamente proporcional a velocidade)

Ex.: brocas de máquinas, bobinador, desbobinador, máquinas de sonda e perfuração de petróleo.

kP

kC

CP

101


Com base no que estudamos até agora, podemos tirar a primeira conclusão importante sobre a aplicação de acionamentos:

“Nunca utilizar um acionamento sem antes conhecer o tipo de carga acionada”

Deve-se levar em consideração as curvas características:

• TORQUE x VELOCIDADE

• POTÊNCIA x VELOCIDADE DO MOTOR E DA CARGA

102


Comportamento do motor de indução com variação da frequência

fn0 Hz

f0 até fn

U/f = constante

Enfraquecimento de campo

1 2

103


OPERAÇÃO ABAIXO DA ROTAÇÃO NOMINAL: OPERAÇÃO ABAIXO DA ROTAÇÃO NOMINAL:

• As perdas no cobre são resultado da corrente do motor, então a perda de potência será proporcional a carga.

• Dessa forma, se o motor gira mais lento, com a mesma corrente nominal (determinada pela carga) gerando a mesma perda de potência que ocorre em velocidades elevadas, o motor se sobreaquece, pois há um menor fluxo de ar de refrigeração disponível.

• Ventiladores e bombas centrífugasVentiladores e bombas centrífugas: a carga normalmente diminui, conforme a velocidade se reduz, desta forma o “problema” de sobreaquecimento deixa de existir

104


• Em motores autoventilados, a redução da ventilação nas baixas rotações faz com que seja necessária a diminuição no torque demandado ou o sobredimensionamento do mesmo.

• O fator K (fator de redução de torque) leva em consideração as influências da redução da ventilação em baixas rotações, bem como das harmônicas e do enfraquecimento de campo.

• IMPORTANTE: para motores com ventilação independente, não existirá mais o problema de sobreaquecimento do motor por redução de refrigeração, podendo o mesmo ser dimensionado com a carcaça normal e potência necessária ao acionamento.

105


• Geralmente, até 50% da fn utiliza-se o fator K como redutor de potência ou, se quisermos, poderemos utilizar o Fs (fator de serviço) e/ou o aumento da classe de isolamento do motor para manter o torque constante.

• Abaixo de 50% frequência nominal, para se manter o torque constante, geralmente deve-se aumentar a relação U/f do inversor.

106


constante

107


OPERAÇÃO ACIMA DA OPERAÇÃO ACIMA DA ROTAÇÃO NOMINAL: ROTAÇÃO NOMINAL:

• Acima da frequência nominal, como já visto, como o motor funcionará com enfraquecimento de campo, a máxima velocidade estará limitada pelo torque máximo disponível do motor e pela máxima velocidade periférica das partes girantes do motor (ventilador, rotor, mancais).

108


Curva de Torque x Frequência para uso de motor com inversor de frequência

• K = fator de redução de torque (“derating factor”)

• K está entre 0,7 a 1,0 e depende do conteúdo de harmônicas do inversor (valores típicos são de 0,8 a 0,9)A B C

109


110


EFEITO DA TEMPERATURA EFEITO DA TEMPERATURA

• NBR-7094: condição usual de serviço para temperatura ambiente < 40ºC

• Temparatura ambiente > 40º, utilizar Fator de Redução de potência nominal

•Fator de redução = 2% / ºC

111


EFEITO DA ALTITUDE EFEITO DA ALTITUDE

• NBR-7094: condição usual de serviço para altitude < 1000m

• altitude > 1000m, utilizar Fator de Redução de potência nominal

•Fator de redução = 1% / 100m

112


EXEMPLO PRÁTICO:

• Uma esteira transportadora necessita operar de 150 a 900 rpm. Considerando o conjugado resistente na rotação nominal igual a 1,6 kgf.m, rede de 380V, 60Hz, determine o motor para operação com inversor de frequência.

Dados:

900 rpm/60Hz

pólosf

ps

8900

60120120

kWkWP

rpmmkgfCkWP

47,19749006,1)(974

)().()(

113


Frequência dentro da faixa de variação de velocidade:

Hzp

f

Hzp

f

s

s

60120

8900

120

10120

8150

120

2

1

2

1

Da curva Torque x Frequência , obtemos:

9,0

5,0

22

11

Kf

Kf

114


Determinação do torque nominal do motor (necessidade de pleno torque a baixa velocidade):

mkgfmkgf

K

acCmotorCn .2,3

5,0

.6,1)arg()(

1

Através do catálogo de fabricante de motor, obtemos:

Motor de P = 4cv (3,0kW), Cn = 3,29 kgf.m, 380V, 60Hz, 8 pólos (900rpm)

Valor deve ser maior!

115


PROVA: Marque com Verdadeiro (V) ou Falso (F)

( ) O motor acionado por inversor apresenta características de torque constante de 6 a 60Hz.

( ) O inversor apresenta em sua saída tensão constante e frequência variável.

( ) O inversor é constituído basicamente de um módulo retificador, filtro, ponte de transistores e módulo de controle

( ) O motor acionado por inversor apresenta características de torque constante acima de 60Hz

V

F

V

F

116


( ) O Toque de partida de um motor CA acionado por inversor é de aproximadamente 2,5 vezes o toque nominal do motor

( ) Para frequência abaixo de 6Hz é necessário o reforço de torque ajustado pelo aumento do fluxo de magnetização.

( ) Nunca se deve utilizar um inversor sem conhecer o tipo de carga acionada.

( ) Em aplicações com inversores, sempre que trabarmos abaixo da rotação nominal, estaremos ECONOMIZANDO energia.

( ) O motor não pode ser acionado por inversor acima de 60Hz por falta de ventilação e sobreaquecimento.

F

F

V

V

V

117

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Outro assunto bastante importante abordado é o de gerenciamento de energia e tarifação energética. Em face do crescente uso de automação nas indústrias e do aumento das multas e ajustes cobrados pelas concessionárias, o gerenciamento da energia elétrica vem se tornando uma necessidade para as empresas interessadas em reduzir custos.

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todas as etapas para a elaboração de um projeto de instalações elétricas residenciais de baixa tensão, conforme prescrições da NBR 5410.A didática aplicada é de ser realmente passo-a-passo, ensinando os conceitos e teorias com a aplicação prática, partindo de uma planta de arquitetura de uma residência de 8 cômodos. Cada simples etapa do projeto vai sendo desenvolvida e representada pelo acréscimo de uma nova planta, implantada sobre a da etapa anterior, resultando em uma visão dinâmica e muito clara do desenvolvimento do projeto.b Enfim, é um material muito útil aos profissionais eletrotécnicos, sejam eles iniciantes ou não, pois trata não apenas de conceitos básicos (muitas vezes esquecidos por profissionais experientes), mas o que deve ser feito e como deve ser feito, abordando todas as questões de dimensionamento e segurança, preparando e atualizando o profissional para a elaboração de projetos elétricos e para o promissor mercado de trabalho de Avaliação da Conformidade das Instalações Elétricas, onde serão exigidos certificados de inspeção das instalações elétricas pelas concessionárias.

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Esta planilha oferece ao usuário uma rapidez para a elaboração de uma memória de cálculo referente a todas as etapas de dimensionamento de uma instalação elétrica residencial (limitada para 15 cômodos por quadro de distribuição), permitindo a impressão dos resultados obtidos, como, por exemplo, o dimensionamento do padrão de entrada e do quadro de distribuição de cargas, com a indicação dos circuitos, potência, corrente, condutores fase, neutro e de proteção, disjuntor, etc para cada circuito terminal.

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avaliação da conformidade das instalações elétricas de baixa tensão.avaliação da conformidade das instalações elétricas de baixa tensão.Conforme exigência da NBR 5410, qualquer tipo de edificação residencial, comercial ou industrial, sejam elas novas ou reformas em instalações existentes, deve proceder à "verificação final" das instalações antes de entregues ao uso, através de uma inspeção visual e de diversos ensaios, a fim de se verificar se a instalação está em conformidade com suas exigências e prescrições.

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Um dos grandes destaques da NBR 5410, e, infelizmente, na maioria das vezes, passado despercebido por grande parte dos projetistas, é a classificação das chamadas influências externas, as quais orientam as tarefas de seleção e instalação dos componentes de uma instalação elétrica. É fundamental o conhecimento da compatibilidade entre as características construtivas de um determinado componente da instalação e o ambiente onde será instalado. A seleção correta está intimamente relacionada ao emprego de um componente com o grau de proteção adequado, sendo esta a informação que os fabricantes de materiais elétricos costumam fornecer em seus catálogos ou no corpo do próprio componente.

Este produto apresenta as regras sobre a classificação das influências externas e aplicação dos graus de proteção em projetos de engenharia de uma maneira mais inteligível, fornecendo orientação sobre a aplicação destas regras e, mais do que isso, as principais razões das prescrições normativas citadas, utilizando exemplos práticos.

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