ROBERVAL BULGARELLI

PROTEO TRMICA DE MOTORES DE INDUO TRIFSICOS

INDUSTRIAIS

Dissertao apresentada Escola Politcnica

da Universidade de So Paulo para obteno

do Ttulo de Mestre em Engenharia.

So Paulo

2006

ROBERVAL BULGARELLI

PROTEO TRMICA DE MOTORES DE INDUO TRIFSICOS

INDUSTRIAIS

Dissertao apresentada Escola Politcnica

da Universidade de So Paulo para obteno

do Ttulo de Mestre em Engenharia.

rea de Concentrao:

Sistemas de Potncia

Orientador:

Prof. Dr. Eduardo Csar Senger

So Paulo

2006

FICHA CATALOGRFICA

Bulgarelli, Roberval

Proteo trmica de motores de induo trifsicos industri- ais / R. Bulgarelli. - So Paulo, 2006.

136 p.

Dissertao (Mestrado) - Escola Politcnica da Universidade de So Paulo. Departamento de Engenharia de Energia e Auto-mao Eltricas.

1.Motores de induo trifsicos 2.Proteo trmica 3.Modelo trmico 4.Proteo digital I.Universidade de So Paulo. Escola Politcnica. Departamento de Engenharia de Energia e Automa- o Eltricas II.t.

AGRADECIMENTOS

Expresso meus agradecimentos Escola Politcnica da Universidade de So Paulo por

ter proporcionado a oportunidade de evoluo pessoal, profissional e acadmica, decorrentes

da pesquisa, elaborao e realizao deste trabalho de mestrado;

Ao professor e orientador Dr. Eduardo Csar Senger, pela dedicao disciplina, pelo

incentivo, apoio, diretrizes e orientao durante a pesquisa, desenvolvimento e elaborao

deste trabalho;

Aos professores Jos Roberto Cardoso, Jos Antnio Jardini e Armando de Oliveira

Alves de Souza, pelo apoio e incentivo para o ingresso no Programa de Ps Graduao em

Engenharia Eltrica da Escola Politcnica da USP;

Aos professores Josemir Coelho dos Santos, Loureno Matakas, Srgio Luiz Pereira e

Ccero Couto de Moraes, pelo profissionalismo e dedicao na transmisso de conhecimentos

nas disciplinas cursadas na ps-graduao e que, alm de competentes professores,

mostraram-se tambm grandes colegas, enriquecendo e tornando ainda mais gratificante o

perodo de Mestrado na POLI/USP;

Aos colegas da rea de proteo de sistemas eltricos de potncia do Departamento de

Engenharia de Energia e Automao Eltricas (PEA) e do Laboratrio de Pesquisa em

Proteo de Sistemas Eltricos (L-PROT), pela amizade, apoio e companheirismo

demonstrados durante as etapas de pesquisa e desenvolvimento dos trabalhos;

Ao engenheiro Stanley Ernest Zocholl, pesquisador norte-americano, Life-Fellow do

IEEE, exemplo de profissional dedicado pesquisa sobre proteo de sistemas eltricos,

atuante na rea desde os anos 50 at a proteo digital moderna, autor de livros e de diversos

artigos que serviram como referncia para a pesquisa e elaborao deste trabalho;

Petrobras Refinaria Presidente Bernardes de Cubato (RPBC), que forneceu os

necessrios incentivo, apoio e infra-estrutura para a participao nos estudos e trabalhos do

programa de mestrado da EPUSP;

minha esposa, pela constante presena, pacincia, compreenso e estmulo, durante

todo o perodo de elaborao deste trabalho;

A todos os colegas, professores e amigos que direta ou indiretamente colaboraram para

a realizao deste trabalho de pesquisa.

i

RESUMO

Em funo das limitaes apresentadas pelos rels eletromecnicos, a proteo trmica

de motores foi historicamente tratada como um problema de coordenao de sobrecorrente,

sem levar em considerao a dinmica e o histrico trmico envolvido na operao contnua

do motor. Os atuais rels microprocessados para proteo de motores implementam equaes

diferenciais de primeira ordem, cujos algoritmos, processados em tempo real, possibilitam

uma nova abordagem para uma adequada proteo trmica, utilizando modelos matemticos.

Especialmente para os motores industriais de grande porte e de maior importncia

operacional, somente os recentes rels de proteo microprocessados e seus algoritmos

digitais tem sido efetivamente capazes de fornecer proteo adequada, baseados em modelos

trmicos que realisticamente estimam, continuamente e em tempo real, o nvel trmico atual

do motor.

A proteo trmica de motores de induo trifsicos tem sido uma das maiores reas

onde a proteo numrica, baseado em microprocessadores, tem proporcionado um

aprimoramento do nvel bsico das funes de proteo de motores. O mtodo da proteo

trmica tem sido aperfeioado, de forma a implementar modelos que levam em considerao

o aquecimento do motor devido s correntes de seqncia positiva e negativa e as

caractersticas trmicas de um motor de induo. A capacidade do processamento digital de

sinais tem possibilitado a implementao de novas solues para as deficincias de proteo

de motores industriais trifsicos apresentadas pelas tecnologias convencionais de proteo, at

ento fundamentadas em proteo de sobrecorrente.

As principais funes de proteo aplicveis para motores trifsicos industriais, bem

como os aspectos do estado da arte de hardware, software e filtros digitais implementados nos

atuais rels de proteo microprocessados so discutidos neste trabalho. O equacionamento

de um sistema trmico de primeira ordem e os requisitos de modelo para a implementao da

proteo trmica de motores so tambm aqui analisados. So discutidas as dinmicas de dois

modelos trmicos, um baseado em proteo por sobrecorrente e outro baseado em um sistema

trmico de primeira ordem. So simulados e comparados os desempenhos destes dois

diferentes algoritmos de proteo trmica de motores, quando submetidos s correntes de

carga e de sobrecarga, tanto constantes como cclicas.

Palavras chaves: modelo de proteo trmica, modelo trmico, proteo trmica de

motor, proteo de sobrecorrente, rel microprocessado para proteo de motor.

ii

ABSTRACT

On account of the limitations presented for the electromechanical relays, the motor

thermal protection was historically treated as an overcurrent coordination issue, without

taking into account the dynamics and the thermal historical involved in the process. The

modern microprocessor-based relays for motor protection implement discrete time first-order

differential equations, whose algorithms, based on the power of the real time signal

processing, make possible a new approach for a proper thermal protection, applying

mathematical models. Especially for large and critical operational significance industrial

motors, only the recent numerical relays for motor protection and its digital algorithms has

been efficiently suitable to provide an adequate protection, based in thermal models that

realistically take into account, continuously and in real time, the actual motor thermal level.

The thermal protection of three-phase induction motors has been one of the biggest

areas where the numerical protection, based in microprocessor-based relays, has provide an

improvement of the basic level of the motor protection functions. The method of the thermal

protection has been improved, in such wise as to implement models that take into account the

motor heating due to both positive and negative sequence currents, and the thermal

characteristics of an induction motor. The capacity of the digital signal processing has made

possible the implementation of new solutions for the deficiencies of three-phase industrial

motors protection, established on the conventional protection technologies, till then based on

overcurrent protection.

The main applicable protection functions for industrial three-phase motors, as well as

the aspects of the state of the art of the hardware, software and digital filters implemented in

the actual microprocessor-based protection relays are discussed in this work. The derivation

of a first-order thermal system and the requirements of model for the implementation of the

motor thermal protection also are studied in this work. The dynamics of two thermal models,

one based in overcurrent protection and another based on a first-order thermal system are

analyzed. The performances of these two different algorithms of motor thermal protection are

simulated and compared, when subjected to both constants and cyclic, load and overload

currents.

Key words: thermal protection model, thermal model, motor thermal protection,

overcurrent protection, microprocessor-based motor protection relay.

iii

SUMRIO

1 Introduo.........................................................................................................................1

2 Caractersticas gerais e aplicao de motores trifsicos industriais.................................5

2.1 Caractersticas gerais de motores de induo trifsicos industriais.................................5

2.2 O Fator de Servio (FS) de motores ................................................................................6

2.3 Faixas tpicas de potncia utilizadas em motores de induo trifsicos industriais, em

funo do nvel de tenso do sistema eltrico. ................................................................7

2.4 Tipos de falhas em motores de induo trifsicos...........................................................8

2.5 Riscos potenciais de danos ao motor.............................................................................10

2.6 Problemas, sintomas e possveis solues para elevaes de temperatura em motores.11

2.7 Classificao dos sistemas de isolao de motores .......................................................12

3 Funes de proteo para motores eltricos trifsicos industriais .................................18

3.1 Conceitos gerais e critrios para proteo de motores industriais.................................18

3.2 Funes de proteo aplicveis a motores trifsicos industriais ...................................19

3.3 Proteo trmica (Funo 49)........................................................................................21

3.4 Proteo de sobrecorrente instantnea e de tempo inverso (Funes 50/51) ................27

3.5 Proteo de sobrecorrente de terra (Funo 50 GS)......................................................30

3.6 Proteo de desbalano de corrente ou corrente de seqncia negativa (Funo 46) ...31

3.7 Proteo por inibio de repartida (Funo 66).............................................................33

3.8 Proteo por monitorao de tempo de partida ou partida longa (Funo 48)..............35

3.9 Proteo de subvelocidade (Funo 14) ........................................................................36

3.10 Proteo diferencial para motor (Funo 87 M)............................................................36

3.11 Proteo de subtenso (Funo 27) ...............................................................................38

3.12 Proteo contra rotao ao contrrio (back-spin) ..........................................................38

3.13 Critrios tpicos de aplicao de funes de proteo de motores, em funo da

potncia e da aplicao dos motores em sistemas industriais. ......................................40

iv

4 Estado da arte de hardware, filtros e algoritmos de rels microprocessados para

proteo de motores. ......................................................................................................50

4.1 Componentes de hardware de rels microprocessados para proteo de motores ........50

4.2 Filtragem analgica antialiasing....................................................................................52

4.3 A Converso A/D em rels de proteo microprocessados...........................................53

4.4 O DSP - Processador Digital de Sinais e a arquitetura para hardware para

implementao de filtros do tipo FIR ............................................................................55

4.5 Algoritmos e filtragem digital em rels microprocessados de proteo de motores .....56

4.6 Caractersticas de projeto de filtros digitais para rels de proteo numricos.............57

4.7 A funo de sobrecorrente instantnea adaptativa em rels microprocessados devido

saturao de TCs. .........................................................................................................59

5 Modelo para proteo trmica de motores de induo trifsicos industriais baseado em

sistemas trmicos de primeira ordem.............................................................................63

5.1 Conceitos bsicos sobre sistemas trmicos ...................................................................64

5.2 Perdas em motores de induo trifsicos industriais .....................................................65

5.3 Modelagem da potncia trmica dissipada no motor componentes de seqncia

negativa..........................................................................................................................66

5.4 Caractersticas e clculo da constante de tempo trmica () de um motor de induo..74

5.5 Equacionamento de um sistema trmico de primeira ordem.........................................78

5.6 A dinmica de um modelo de proteo baseado em um sistema trmico de primeira

ordem.............................................................................................................................82

5.7 O modelo de proteo trmica de motores apresentado na Norma IEC 60255-8 .........85

6 Modelo para proteo trmica de motores de induo trifsicos industriais baseado em

modelo de sobrecorrente ................................................................................................91

6.1 Aplicao histrica da funo de proteo por sobrecorrente para proteo de motores91

6.2 As caractersticas tempo-corrente das Normas ANSI/IEEE C37.112 e IEC 60255-3 e a

implementao digital da funo de sobrecorrente .......................................................92

6.3 Algoritmo do modelo de proteo por sobrecorrente com reset trmico ......................98

v

7 Comparao de respostas de modelos de proteo trmica por sobrecorrente e por

modelo trmico de primeira ordem ..............................................................................104

7.1 Dados do motor considerados para a parametrizao dos modelos de sobrecorrente e

trmico .........................................................................................................................105

7.2 Parametrizao do algoritmo de proteo trmica baseado em sistema trmico de

primeira ordem. ...........................................................................................................106

7.3 Parametrizao do algoritmo de proteo trmica por sobrecorrente. ........................106

7.4 Comparao de respostas dos modelos com o motor submetido corrente de carga

constante ......................................................................................................................107

7.5 Comparao de respostas frente corrente de sobrecarga constante ..........................108

7.6 Comparao de respostas frente a correntes de carga e sobrecarga cclicas ...............112

7.7 Comparao entre a temperatura de um motor e a resposta de um algoritmo baseado

em modelo trmico de primeira ordem........................................................................118

8 Concluses sobre proteo trmica de motores de induo trifsicos industriais........120

Anexo

Anexo A - Algoritmos baseados na Transformada Discreta de Fourier (DFT) ......................122

Referncias Bibliogrficas.......................................................................................................133

vi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 Distribuio de consumo de energia eltrica no Brasil ...........................................3

Figura 1.2 Distribuio de consumo de energia eltrica no setor industrial brasileiro ............3

Figura 1.3 Distribuio de acionamentos na indstria .............................................................3

Figura 2.1 Temperaturas limites normalizadas para as classes trmicas de sistemas de

isolao normalmente utilizadas nos atuais motores de induo trifsicos...........15

Figura 3.1 - Exemplo de aplicao de rel de proteo multifuno a um motor de

induo trifsico. ...................................................................................................21

Figura 3.2 - Curva tpica de limite de dano trmico e de corrente de partida de um motor. .....25

Figura 3.3 - Esquema de ligao de cabos de mdia tenso e blindagens atravs de TC

toroidal para proteo Ground Sensor...................................................................31

Figura 3.4 Esquema tpico de proteo diferencial autobalanceada para motores. ................37

Figura 3.5 Valores mnimos de tempo tE de motores do tipo Segurana Aumentada em

funo da relao da corrente de partida e corrente nominal (IA/IN). ....................49

Figura 4.1 - Diagrama de blocos de um rel microprocessado para proteo de motor. ..........51

Figura 4.2 - Arquitetura de hardware para implementao de um filtro do tipo FIR. ..............56

Figura 4.3 - Tempo de operao de um rel de proteo microprocessado versus taxa de

amostragem............................................................................................................58

Figura 4.4 - Diagrama de blocos de um elemento de sobrecorrente instantneo

(Funo 50) com filtro adaptativo de cosseno e de pico. ......................................60

Figura 5.1 - Distribuio de corrente nas barras do rotor de um motor de induo em

funo do escorregamento e do desequilbrio de correntes. ..................................68

Figura 5.2 - Curvas tpicas de corrente, torque do motor e resistncia do rotor versus

escorregamento, durante a partida de um motor. ..................................................71

Figura 5.3 - Resposta de aquecimento de um motor quando submetido a um degrau de

corrente nominal. ...................................................................................................77

Figura 5.4 Resposta de aquecimento de um motor submetido corrente nominal e

resfriamento aps desligamento. ...........................................................................78

vii

Figura 5.5 Representao de um motor como um sistema trmico de primeira ordem. ........79

Figura 5.6 - Resposta dinmica do modelo de proteo trmica de primeira ordem, com

motor em estado inicial a frio. ...............................................................................84

Figura 5.7 - Resposta dinmica do modelo de proteo trmica de primeira ordem, com

motor em estado inicial (prvio) a quente. ............................................................85

Figura 6.1 - Curvas caractersticas de tempo inverso para trip e para reset..............................95

Figura 6.2 - Coordenao obtida entre a caracterstica de tempo Extremamente Inversa

(EINV) e a caracterstica de um fusvel de mdia tenso......................................97

Figura 6.3 Superposio de curva de sobrecorrente do tipo extremamente inverso com

os pontos da curva caracterstica nmero 1 do manual do rel de proteo de

motor....................................................................................................................101

Figura 7.1 - Curva caracterstica nmero 5 do manual de rel de proteo de motor do

tipo modelo de sobrecorrente, para coordenar com o tempo e corrente de

rotor bloqueado do motor. ...................................................................................106

Figura 7.2 - Comparao de resposta do modelo trmico e do modelo de sobrecorrente

com o motor submetido corrente de carga constante........................................108

Figura 7.3 - Comparao de tempo para trip entre ambos os modelos trmicos,

submetidos corrente de sobrecarga constante...................................................109

Figura 7.4 - Comparao de resposta do modelo trmico e do modelo de sobrecorrente

frente a corrente de carga seguida de sobrecarga constante. ...............................110

Figura 7.5 - Resposta do modelo de proteo trmica submetido uma corrente cclica de

sobrecarga igual ao limite do trip trmico, com o motor previamente

aquecido...............................................................................................................113

Figura 7.6 - Resposta do modelo de sobrecorrente submetido uma corrente cclica de

sobrecarga igual ao limite do trip trmico, com o motor previamente

aquecido...............................................................................................................113

Figura 7.7 - Comparao de resposta do modelo de proteo trmica e de sobrecorrente

submetidos uma corrente cclica de sobrecarga igual ao limite do trip

trmico, com o motor previamente aquecido. .....................................................114

viii

Figura 7.8 - Comparao de resposta dos modelos trmico e de sobrecorrente a uma

corrente cclica de sobrecarga igual ao limite do trip trmico, com motor

inicialmente na temperatura ambiente.................................................................115

Figura 7.9 - Resposta do modelo de sobrecorrente a uma corrente cclica de sobrecarga

igual ao limite do trip trmico, com o recurso de reduo do valor da

constante de tempo trmica do motor..................................................................116

Figura 7.10 - Comparao de resposta de modelo de proteo trmica e modelo de

sobrecorrente a uma corrente cclica de sobrecarga abaixo do limite do trip

trmico, com o motor inicialmente na temperatura ambiente. ............................117

Figura 7.11 - Medio direta da temperatura de um motor submetido sobrecarga cclica

e comparao com a resposta de um modelo de proteo trmica......................119

Figura A.1 - Relao entre DFT e DFT-1.................................................................................124

Figura A.2 - Famlia de Transformadas de Fourier como funo do tipo de sinal no

domnio do tempo................................................................................................124

Figura A.3 - Resposta em freqncia de Filtro DFT Janela de 1 Ciclo e de Ciclo. .........128

Figura A.4 - Comparao de resposta em freqncia de filtros digitais DFT, Cosseno e

Seno, com janela de 1 ciclo. ................................................................................130

Figura A.5 - Comparao da amplitude da componente fundamental de um sinal

submetido a filtros DFT, filtro Cosseno e filtro Seno com janela de 1 Ciclo e

filtro DFT com janela de Ciclo........................................................................131

Figura A.6 - Exemplo de resposta em freqncia de um conjunto de filtro analgico e

filtro digital do tipo cosseno. ...............................................................................132

ix

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 Faixas tpicas de potncia utilizadas para aplicao de motores industriais, com

partida direta na rede, em funo do nvel de tenso do sistema eltrico. .......................8

Tabela 2.2 - Tipos e taxas de falhas ocorridas em motores industriais. ......................................9

Tabela 2.3 - Tipos e objetivos das protees em motores eltricos ..........................................10

Tabela 2.4 Problemas, sintomas e possveis solues para elevaes de temperatura em

motores industriais. ........................................................................................................12

Tabela 2.5 - Temperaturas mximas de enrolamentos para sobrecargas com variao lenta, de

acordo com a Norma IEC 60034-11. .............................................................................16

Tabela 3.1 - Funes de proteo indicadas na Norma ANSI/IEEE C37.2, aplicveis a

motores industriais trifsicos..........................................................................................20

Tabela 6.1 - Constantes e expoentes para curvas caractersticas de tempo-corrente inverso, de

acordo com a Norma ANSI/IEEE C37-112. ..................................................................94

Tabela 6.2 - Constantes e expoentes para curvas caractersticas de tempo-corrente inverso, de

acordo com a Norma IEC 60255-3. ...............................................................................94

1

1 INTRODUO

A proteo de equipamentos e sistemas eltricos de potncia por rels uma rea da

engenharia eltrica que est em constante mudana e expanso, o que desafia aqueles que se

encontram envolvidos com esta rea. As mudanas de tecnologias aplicadas, iniciando com a

eletromecnica, passando depois de muitas dcadas para a de circuitos eletrnicos analgicos

a semicondutor discreto, logo depois para os circuitos integrados e mais recentemente para

microprocessadores, tm contribudo para a soluo de antigos problemas, representando um

campo fascinante de estudo e pesquisa.

Embora algumas vezes rotulada como conservadora, a rea de proteo de sistemas

eltricos de potncia, tanto em termos de filosofia como em termos de equipamentos, vem

passando por grandes inovaes em um curto espao de tempo.

A histria da evoluo dos rels de proteo para sistemas eltricos um dos aspectos

mais surpreendentes da evoluo tecnolgica dentro da rea da engenharia eltrica. Neste

contexto histrico, que teve origem no incio do sculo XX, os rels eletromecnicos, com

componentes baseados em mecnica de preciso e de relojoaria, com caractersticas

monofsicas e de uma nica funo de proteo, provaram ser eficientes e confiveis por

cerca de um sculo. Ainda hoje so encontrados diversos sistemas eltricos operando com

este tipo de equipamentos eletromecnicos. Ao longo das trs ltimas dcadas os rels de

proteo sofreram uma evoluo substancial em seus aspectos tecnolgicos, construtivos e de

operao, incorporando os avanos da microeletrnica, dos processadores digitais de sinais e

das redes de comunicao de dados. Em meados da dcada de 60, os rels estticos, com

tecnologia eletrnica analgica, sucederam os rels eletromecnicos, porm tiveram um

perodo de vida extremamente curto. Na dcada de 80, os rels microprocessados, j

incorporando definitivamente o conceito do processamento digital de sinais, dos elementos de

software, da multi-funcionalidade e da comunicao de dados, rapidamente substituram os

rels das duas geraes anteriores.

As indstrias de um modo geral se esforam para otimizar o tempo de operao das

plantas e dos processos produtivos. Uma vez que os motores eltricos representam cerca de

90% dos acionamentos das mquinas associadas a estes processos, a identificao e a

correo de problemas de manuteno eltricos e mecnicos destes motores so fundamentais

para a elevao dos nveis de confiabilidade do sistema e para o aumento dos lucros

operacionais.

2

As recentes tcnicas digitais de proteo dos rels microprocessados podem contribuir

para o aumento dos nveis de produtividade dos processos industriais, evitando paradas no

programadas de motores e contribuindo para a reduo dos tempos de perda de produo.

Com rels microprocessados, so possibilitadas as implementaes de funes de proteo e

controle complementares, que objetivam principalmente a operao ininterrupta e a

maximizao da utilizao de carga dos motores.

Em muitos casos, por exemplo, um sinal de alarme indicando que o limite de

capacidade trmica atingido pode contribuir para manter elevado o nvel de produtividade.

Ao efetuar um alarme prvio de uma condio de sobrecarga, antes que um desligamento seja

necessrio, o operador pode dispor de tempo suficiente para reduzir esta condio operacional

do motor antes da parada de produo. Com rels microprocessados contendo modelamentos

trmicos do motor, esta funo pode ser implementada digitalmente. [1]

Em processos industriais, todos os aspectos de produo necessitam ser analisados de

forma a possibilitar a produo com qualidade, segurana e a custos desejados. Os custos de

investimento e de consumo de energia podem ser otimizados pela rgida coordenao entre o

motor e a carga acionada, uma vez que a menor potncia possvel para o motor deve ser

especificada, de forma a operar no valor de eficincia mais alto possvel, o que no ocorreria

se o motor tivesse sido sobre-dimensionado. A seleo e a aplicao adequada dos

dispositivos de proteo do motor contribuem para minimizar os custos operacionais da

indstria.

Os custos de reparos podem ser mantidos em valores mnimos pela deteco antecipada

e preditiva de ndices que possam levar a ocorrncia de falhas em motores. Um pr-alarme ou

inibio de repartidas a quente de um motor pode reduzir o nmero de ocorrncias de

desligamentos, de forma que as aes de ajustes necessrios ao processo possam ser

efetuadas, ou atravs de desligamentos automticos, antes que os danos efetivamente ocorram

ao motor. Nestes casos, podem ser executados servios de manuteno preventiva com

menores custos, quando comparados aos elevados custos das manutenes corretivas, onde

normalmente so exigidos reparos ou substituio de equipamentos ou componentes

danificados.

A fonte de motivao para a pesquisa e elaborao deste trabalho tem como base o fato

de que o setor industrial responsvel pelo consumo de quase metade do total da energia

eltrica gerada. Dentro deste setor industrial, motores eltricos so os responsveis por mais

da metade de toda a energia eltrica consumida. Estes dados de participao dos motores com

3

relao ao consumo de energia e aos tipos de acionamentos industriais, divulgados pelo

Ministrio das Minas e Energia - ELETROBRAS - PROCEL - Programa de Conservao de

Energia Eltrica [2] so indicados nas Figuras 1.1, 1.2 e 1.3 apresentadas a seguir.

45

28

27

Industrial

Comercial

Residencial

Figura 1.1 Distribuio de consumo de energia eltrica no Brasil

19

18

6 2

55

Motores

Processos EletroqumicosAquecimento

RefrigeraoIluminao

Figura 1.2 Distribuio de consumo de energia eltrica no setor industrial brasileiro

90

10

Motores Eltricos

Outros Acionamentos

Figura 1.3 Distribuio de acionamentos na indstria

Este trabalho se prope a estudar a proteo trmica de motores atravs da seguinte

seqncia de captulos e evoluo de assuntos:

No Captulo 2 deste trabalho so apresentadas as caractersticas tcnicas gerais de motores trifsicos industriais, bem como consideraes sobre suas aplicaes e

defeitos ocorridos.

4

No Captulo 3 so apresentadas as caractersticas e consideraes sobre as principais funes de proteo aplicveis para motores industriais.

No Captulo 4 apresentado o estado da arte de hardware e de software de um rel microprocessado para a proteo de motores, bem como consideraes sobre filtros

digitais e os principais algoritmos utilizados nestes rels numricos.

No Captulo 5 so discutidos os requisitos necessrios para um adequado modelo para proteo trmica de motores, bem como o equacionamento de um sistema trmico de

primeira ordem. tambm analisado um algoritmo baseado na equao diferencial

deste sistema trmico e a dinmica de resposta deste modelo. So efetuadas

consideraes sobre as suas caractersticas, comparados com os requisitos e

equacionamento apresentados na atual edio da Norma internacional IEC 60255-8.

No Captulo 6 so discutidos, para fins de comparao com o modelo trmico do sistema de primeira ordem, detalhes e a dinmica de um modelo baseado na funo de

proteo de sobrecorrente, ainda atualmente utilizado na proteo trmica de motores

por alguns fabricantes. analisado um modelo trmico que implementa esta dinmica

para a regio de operao (trip), utilizando a constante de tempo trmica do motor

para o decrscimo exponencial do valor do elemento de sobrecorrente (reset trmico).

No Captulo 7 so comparados os desempenhos dos dois algoritmos destinados proteo trmica de motores, um baseado em um sistema trmico de primeira ordem e

outro baseado em um modelo de sobrecorrente. apresentada tambm uma

comparao entre a medio real de temperatura de um motor, quando submetido a

correntes cclicas de sobrecarga, com a resposta de estimativa de nvel trmico

calculado por um algoritmo de proteo baseado em um sistema trmico de primeira

ordem.

5

2 CARACTERSTICAS GERAIS E APLICAO DE MOTORES TRIFSICOS INDUSTRIAIS

Motores de induo trifsicos so to comuns na indstria que, em muitas plantas,

representam a totalidade do acionamento eltrico utilizado [3]. Esta simples e robusta

mquina, baseada em um engenhoso princpio de induo, descoberto no final do sculo XIX,

ainda mantm uma popularidade incomparvel na prtica atual dos processos industriais.

2.1 Caractersticas gerais de motores de induo trifsicos industriais

Motores de induo trifsicos aplicam um simples, mas inteligente e eficiente sistema

de converso eletromecnica de energia. No motor de gaiola de esquilo, o qual constitui a

vasta maioria das mquinas de induo, o rotor inacessvel. Nenhum contato mvel

necessrio, tais como o comutador e as escovas das mquinas de corrente contnua ou os anis

deslizantes e as escovas nos motores e geradores sncronos. Este arranjo eleva

consideravelmente a confiabilidade dos motores de induo e elimina os riscos de centelhas,

permitindo aos motores do tipo gaiola de esquilo serem utilizados com segurana em

ambientes muito agressivos ou em reas classificadas contendo atmosferas potencialmente

explosivas.

Um grau adicional de robustez provido pela ausncia de fiao no rotor, cujos

enrolamentos consistem de barras de metal no isoladas formando uma gaiola de esquilo a

qual d o nome a este tipo de motor. Este robusto rotor pode girar em elevadas rotaes e

suportar grandes sobrecargas mecnicas e eltricas. Nos casos de aplicao com VFDs

(Variable Frequency Drives), a baixa constante de tempo dos enrolamentos eleva a resposta

dinmica dos comandos de controle de freqncia.

Os motores de induo com rotor bobinado so utilizados em aplicaes especiais, nas

quais a existncia e a acessibilidade dos enrolamentos do motor seja uma vantagem e podem

ser alcanados atravs de escovas e de anis deslizantes. No caso mais simples, resistores

ajustveis (reostatos) so conectados em srie com os enrolamentos durante a partida deste

sistema de acionamento, de forma a reduzir a corrente do motor. Os terminais desses

enrolamentos so curto-circuitados quando o motor tiver alcanado a velocidade de operao.

Em contrapartida das possibilidades adicionais fornecidas pelos motores com rotor

bobinado, so introduzidas algumas desvantagens, tais como o seu maior custo e a sua menor

6

confiabilidade, quando comparados com os motores do tipo gaiola de esquilo. Em aplicaes

industriais da atualidade, os motores com rotor bobinado esto tornando-se cada vez mais

raros, ficando restritos a somente algumas aplicaes especificas, sendo cada vez mais

freqentemente substitudos por motores do tipo gaiola de esquilo, acionados por conversores

de freqncia eletrnicos.

Embora os princpios de um motor de induo tenham se mantido inalterados,

significantes progressos tecnolgicos tm sido introduzidos atravs dos anos, particularmente

nas ltimas dcadas.

Em comparao com os primeiros motores de induo trifsicos, os motores atuais so

mais compactos, leves, confiveis e eficientes. Os assim chamados motores de alta

eficincia possuem reduzidas resistncias de enrolamento e materiais com baixas perdas

ferro-magnticas, que resultam em considervel economia de energia. Motores com alta

eficincia so atualmente ainda relativamente mais caros do que os motores padro, mas em

muitas aplicaes, o perodo de retorno do investimento bastante reduzido, o que justifica a

sua especificao e utilizao nos novos sistemas eltricos industriais. Conservativamente, o

perodo de vida mdio de um motor de induo trifsico pode ser estimado em cerca de 20

anos, embora motores devidamente dimensionados e manutenciados possam operar

adequadamente por dcadas. [3]

2.2 O Fator de Servio (FS) de motores

Uma caracterstica importante para o estudo de proteo trmica de um motor o

denominado Fator de Servio, definido como um fator multiplicador (por exemplo, 1.00,

1.05, 1.10 ou 1.15) que, quando aplicado potncia nominal do motor de induo, indica a

carga que pode ser acionada continuamente sob tenso e freqncia nominais, dentro do

limite permitido de elevao de temperatura do enrolamento.

Quando da operao do motor utilizando o fator de servio, os valores de rendimento,

fator de potncia e velocidade podem diferir dos valores nominais, porm o conjugado, a

corrente de rotor bloqueado e o conjugado mximo permanecem inalterados. O fator de

servio representa uma capacidade de sobrecarga contnua, ou seja, uma reserva de potncia

que possibilita ao motor uma capacidade de suportar melhor a operao em condies

desfavorveis de sobrecarga.

7

A utilizao do fator de servio implica uma vida til inferior quela do motor com

carga nominal. O fator de servio no deve ser confundido com a capacidade de sobrecarga

momentnea que o motor pode suportar, geralmente da ordem de alguns minutos.

A norma NBR 7094 - Mquinas Eltricas Girantes - Motores de Induo e NEMA

MG 1 Motors and Generators [5], especificam os fatores de servio usuais em funo de

classes de potncia. Fator de servio 1.0 significa que o motor no foi projetado para operar

continuamente acima de sua potncia nominal, entretanto, no muda a sua capacidade para

sobrecargas ocasionais. Para o caso de Fator de Servio 1.0, os motores trifsicos com

potncia nominal inferior ou igual a 315 kW e com tenso nominal inferior ou igual a 1 kV

devem ser capazes de suportar uma corrente de sobrecarga ocasional igual a 1.5 vezes a

corrente nominal durante um mnimo de 2 minutos. Para os motores trifsicos com potncia

nominal superior a 315 kW, nenhuma sobrecorrente ocasional especificada para motores

com Fator de Servio 1.0. Estes motores devem, entretanto, serem capazes de suportar

durante 15 s, sem parada ou mudana brusca de velocidade, um excesso de 60% do seu

conjugado nominal, sob tenso e freqncia nominais.

2.3 Faixas tpicas de potncia utilizadas em motores de induo trifsicos industriais, em

funo do nvel de tenso do sistema eltrico.

Os critrios de projeto para dimensionamento de circuitos de fora e de dispositivos de

manobra, comando e proteo de motores industriais levam ao estabelecimento prtico de

faixas de potncia tpicas, adotadas para a seleo de motores, em funo dos nveis de tenso

normalmente existentes em sistemas eltricos industriais de grande porte. Desta forma,

requisitos prticos de especificao de circuitos eltricos para alimentao de motores, tais

como, por exemplo, a seo nominal dos cabos, queda de tenso na partida e nvel de potncia

dos transformadores e nveis de curto circuito de painis do tipo CCM limitam as faixas de

potncia nominal dos motores de induo trifsicos normalmente adotadas, dentro de cada

nvel de tenso existente.

Para os casos tpicos de aplicao de motores de induo trifsicos com partida

diretamente na rede, plena tenso, em grandes sistemas industriais de plantas de

processamento de petrleo e plantas petroqumicas, so normalmente utilizados os valores de

potncia de motores em funo do nvel de tenso do sistema eltrico, conforme indicado na

Tabela 2.1.

8

Tenso nominal do sistema 3 industrial

Tenso nominal do motor de induo

trifsico

Faixa de potncia nominal do motor, para partida diretamente na rede.

Dispositivo de manobra

normalmente utilizado

480 V 440 V At 55 kW Contator a ar

480 V 440 V Acima de 55 kW at 150 kW

Disjuntor do tipo Power Air Circuit

Breaker

2.400 V 2.300 V Acima de 150 kW at 900 kW Contator isolado a SF6

ou a vcuo

4.160 V 4.000 V Acima de 150 kW at 1.200 kW Contator isolado a SF6

ou a vcuo

4.160 V 4.000 V Acima de 1.200 kW at 1.500 kW Disjuntor isolado a SF6

ou a vcuo

13.800 V 13.200 V Acima de 1.500 kW Disjuntor isolado a SF6 ou a vcuo

Tabela 2.1 Faixas tpicas de potncia utilizadas para aplicao de motores industriais, com partida direta na rede, em funo do nvel de tenso do sistema eltrico.

Para casos de motores acionados por soft-starter ou controlados atravs de conversores

de freqncia, as potncias utilizadas podem ser maiores, em funo das menores correntes de

partida e quedas de tenso proporcionadas por estes equipamentos, o que contribui para o

melhor dimensionamento dos circuitos alimentadores e dos transformadores de fora.

2.4 Tipos de falhas em motores de induo trifsicos

Freqentemente os motores so solicitados por situaes que podem lev-los alm de

suas caractersticas nominais de servio. Estas solicitaes incluem o aumento de corrente

devido a sobrecarga do motor, o que leva a prematuras falhas do isolamento. Danos trmicos

devidos ventilao insuficiente podem ser resultantes de entradas de ar obstrudas por

materiais externos, material particulado, poeira ou sujeira. Falhas de mancais podem ser

resultantes de lubrificao indevida, vibraes excessivas e falhas no alinhamento com a

maquina acionada. Sempre que o motor operar alm de seus parmetros de projeto, existe o

risco de falha.

9

As causas mais freqentes de falhas em motores industriais trifsicos so falhas em

mancais, sobrecarga, desbalano de tenso, operao monofsica, sobre ou subtenso,

ventilao deficiente ou obstruda, ciclos de carga muito rpidos, umidade e vibrao [1].

A Tabela 2.2 mostra a estatstica de taxas de falhas de motores, levantadas de acordo

com estudos do IEEE-IAS e EPRI (Electric Power Research Institute), realizados em 1985

[6]:

Tipo de falha em motores de induo trifsicos industriais

Taxa de Falha

Falha em mancais 41%

Falhas no estator 37%

Falhas no rotor 10%

Outros tipos de falhas 12%

Tabela 2.2 - Tipos e taxas de falhas ocorridas em motores industriais.

De forma a evitar a ocorrncia destes tipos de falhas existe o desenvolvimento de

diversos tipos de dispositivos de proteo de motores. A princpio foram utilizadas a proteo

trmica por sobrecorrente e a proteo mecnica. Atualmente os rels de proteo

microprocessados tm sido desenvolvidos para proporcionar uma adequada proteo de

motores crticos e de grande porte. Alm disto, os avanos das facilidades de proteo,

controle e monitorao proporcionados pelas redes de comunicao de dados possibilitam ao

pessoal de operao e manuteno uma melhor avaliao do comportamento do desempenho

dos motores e o desenvolvimento de essenciais estratgias de manuteno preditiva, antes que

as falhas ocorram. [6]

A proteo de motores pode ser dividida em vrios objetivos com relao s

necessidades de gerenciamento de uma planta de processo, conforme mostrado na Tabela 2.3.

No existem substitutos para a aplicao adequada das funes da proteo e dos

procedimentos de manuteno preditiva e preventiva de motores. Porm, a aplicao

adequada de dispositivos de proteo possibilita a utilizao otimizada dos motores, em suas

capacidades mximas, sem prejuzo ou reduo de vida til do seu sistema de isolamento,

alm de proporcionar um acompanhamento contnuo do histrico do seu nvel trmico.

10

Tipo de proteo Objetivos da proteo Causas de atuao da proteo

Inibio de repartida Evitar danos ao motor Evitar repeties de partidas indevidas

Seqncia de fase incorreta Reserva trmica insuficiente Defeitos no sistema de isolamento

Desligamento rpido Evitar danos ao motor Reduzir os danos ao motor

Curtos circuitos Falta a terra em sistemas aterrados Mximas temperaturas excedidas

Pr-alarme de limite trmico

Evitar a parada para medies preventivas. Possibilitar o desligamento do motor em momentos convenientes.

Falta a terra em sistemas isolados Falha no sistema de resfriamento Alimentao desequilibrada Variaes ou aumento da temperatura do enrolamento ou do ambiente

Disponibilidade de dados operacionais Otimizao do processo

Temperatura do motor utilizada para controle otimizado de carga

Tabela 2.3 - Tipos e objetivos das protees em motores eltricos

2.5 Riscos potenciais de danos ao motor

So relacionados a seguir os riscos potenciais normalmente considerados quando da

especificao do sistema de proteo a ser aplicado em um motor trifsico industrial. [7]

Falta entre fases ou para a terra Danos trmicos provenientes de:

o Sobrecarga (contnua ou cclica); o Rotor bloqueado (falha na partida ou emperramento do rotor durante

funcionamento).

Condies anormais: o Operao com correntes de fase desbalanceadas; o Subtenso ou sobretenso; o Reverso de fases; o Re-partida (partida ou re-energizao quando o motor ainda se encontra

rodando, aps desligamento); o Condies ambientais adversas (atmosferas explosivas, temperatura ambiente

elevada, umidade ou sujeira);

Estas condies so aplicveis para motores de induo, que representam a grande

maioria dos motores em servio. Para motores sncronos, os riscos potenciais adicionais so:

11

Perda de excitao (perda de aplicao de campo); Operao fora do sincronismo; Seqncia de partida incompleta.

Os riscos potenciais de danos aos motores podem ser reclassificados com relao suas

causas bsicas de falhas ocorridas conforme a seguir:

Oriundos do motor: o Falhas de mancais; o Falhas no isolamento dos enrolamentos; o Falhas mecnicas outras; o Falhas de campo em motores sncronos.

Causados pela carga: o Sobrecarga (e subcarga); o Emperramento da mquina acionada (load jam); o Elevada inrcia da mquina acionada.

Causados pelo ambiente: o Elevada temperatura no local de instalao do motor; o Presena de elevado nvel de material particulado ou sujeira (bloqueio

do sistema de ventilao); o Umidade.

Causados pelo sistema de potncia: o Falta de fase; o Sobretenso; o Subtenso; o Reverso de fase; o Condio de desbalano de fase resultante de desequilbrios do sistema.

Causados pela operao ou pela aplicao o Sincronismo, fechamento ou religamento fora de fase; o Ciclo intermitente severo; o Partidas freqentes (jogging); o Reverso rpida do sentido de rotao.

2.6 Problemas, sintomas e possveis solues para elevaes de temperatura em motores.

Baseados em experincias prticas em aplicaes industriais, a Tabela 2.4 apresenta

uma relao de problemas que podem ocasionar a elevao de temperatura em motores

industriais, as quais podem ser responsveis pela reduo da vida do sistema de isolao dos

enrolamentos. So relacionados aos problemas normalmente encontrados bem como os seus

respectivos sintomas e possveis solues.

12

Problema Sintoma Possveis solues

Tenso baixa Trip por sobrecarga Elevada corrente de carga Baixa vida til do motor

Correo do sistema de alimentao ou especificao da tenso do motor compatvel com a tenso atual do sistema.

Tenso elevada

Trip por sobrecarga Elevada corrente de carga Baixa vida til do motor

Correo do sistema de alimentao ou especificao da tenso do motor compatvel com a tenso atual do sistema.

Tenso desbalanceada

Desbalanceamento das correntes de fase Trip por sobrecarga

Determinao das causas de desbalanceamento das tenses de fase e correo.

Sobrecarga Trip por sobrecarga Elevada corrente de carga Baixa vida til do motor

Determinao das causas para a sobrecarga. Aumento da carcaa do motor ou reduo da velocidade da carga.

Elevadas temperaturas ambientes

Baixa vida til do motor

Reenrolamento do motor para uma classe de isolao superior. Sobre dimensionamento do motor, visando a reduo da elevao da temperatura. Melhorias no sistema de ventilao da rea, de forma a reduzir a temperatura ambiente.

Ventilao bloqueada

Baixa vida til do motor Operao normal com temperatura elevada Correntes de carga normais

Limpeza ou desobstruo de material particulado, sujeira ou materiais estranhos que estejam obstruindo o sistema de ventilao do motor ou utilizao de motor com um invlucro e mtodo de resfriamento adequado para a aplicao.

Partidas freqentes Baixa vida til do motor

Utilizao de um sistema de partida com tenso reduzida. Reenrolamento do motor para uma classe de isolao superior.

Cargas com elevada inrcia

Baixa vida til do motor Trip por sobrecarga na partida

Sobre dimensionamento da carcaa do motor. Reenrolamento do motor para uma classe de isolao superior. Utilizao de um sistema de partida com tenso reduzida.

Tabela 2.4 Problemas, sintomas e possveis solues para elevaes de temperatura em motores industriais.

2.7 Classificao dos sistemas de isolao de motores

Um sistema de isolao consiste em uma montagem de materiais isolantes em

associao com os condutores dos enrolamentos do estator e do rotor do motor e suas

respectivas partes estruturais. As perdas eltricas e mecnicas em motores de induo

13

ocorrem com a subseqente transformao destas perdas em energia trmica, ocasionando o

aquecimento das diversas partes da mquina. Para assegurar a adequada operao do motor, o

aquecimento de cada uma de suas partes necessita ser mantido dentro de valores compatveis

com os materiais que compe o seu sistema de isolao.

Uma das maiores limitaes no projeto de um motor assegurar o adequado

desempenho deste sistema de isolao dos enrolamentos, uma vez que todos os materiais

isolantes conhecidos iniciam um processo de deteriorao em temperaturas relativamente

baixas. Por outro lado, a mxima potncia disponvel em um dado motor limitada pela

mxima temperatura permissvel para os materiais isolantes utilizados na fabricao deste

motor.

Considerando-se que um motor de induo trifsico industrial apresenta uma forma

construtiva robusta e uma construo simples, a sua vida til pode ser considerada como

sendo dependente predominantemente, da vida til da isolao dos seus enrolamentos. O

estado desta isolao afetado por diversos fatores agressivos, tais como umidade, esforos

eltricos e mecnicos, vibrao, ambientes corrosivos, ambientes com material particulado ou

com poeiras ou gases inflamveis. Dentre estes fatores, um dos mais relevantes

representado pela temperatura de trabalho dos materiais isolantes empregados. [8] [9]

Decorrente do fato da temperatura em produtos eletromecnicos ser freqentemente o

fator predominante para o envelhecimento dos materiais isolantes, certas classificaes

trmicas bsicas so internacionalmente normalizadas. O que diferencia as classes de

isolao so os materiais isolantes utilizados. Os materiais e sistemas isolantes so

classificados conforme a resistncia temperatura por longo perodo de tempo.

A especificao das capacidades trmicas dos materiais de isolao eltrica, baseada na

experincia de servios mostrou ser impraticvel, devido ao rpido desenvolvimento da

tecnologia dos polmeros e dos materiais isolantes, bem como do longo tempo necessrio para

a aquisio da apropriada experincia de servios e aplicaes. Procedimentos para ensaios

para envelhecimento acelerado tornaram-se desta forma necessrios para obter as informaes

requeridas. A norma IEC 60216 - Electrical insulating materials - Properties of thermal

endurance - Part 1 - Ageing procedures and evaluation of test results [10] foi desenvolvida

para formalizar estes procedimentos e a interpretao dos resultados. Modelos fsico-

qumicos postulados para os processos de envelhecimento trmico levaram a assumir as quase

que universalmente aceitas equaes de Arrhenius para descrever a taxa de envelhecimento.

Como resultado foi definido o conceito de ndice de Temperatura (TI Temperature Index),

14

como um ponto nico caracterstico, baseado em dados de envelhecimento trmico acelerado.

Este ndice de Temperatura um valor numrico da temperatura (em C), sob o qual o tempo

levado para a deteriorao da propriedade considerada do material isolante para atingir um

ponto final aceitvel aquele especificado (normalmente especificado um tempo de 20.000

horas).

A vida til da isolao de um motor (em termos de temperatura de trabalho,

normalmente bem abaixo daquela em que o material sofre os efeitos de degenerao trmica),

refere-se ao envelhecimento gradual dos materiais isolantes. Estes materiais passam por

processos de deteriorao qumica e vo se tornando ressecados, perdendo o poder isolante,

at que no mais sejam capazes de suportar a tenso aplicada e provoquem a ocorrncia de

uma falha de isolamento, com a conseqncia de uma fuga para a terra ou um curto-circuito.

Um aumento da ordem de 10 C na temperatura da isolao acima de sua classe trmica

normalmente reduz sua vida til pela metade. Esta limitao de temperatura refere-se ao

ponto mais quente da isolao e no necessariamente aos enrolamentos como um todo. Deste

modo, a existncia de apenas um ponto quente no interior dos enrolamentos pode levar

existncia de um ponto fraco e ao comprometimento do estado de todo o sistema de

isolao do motor.

2.7.1 Sistemas de isolao e classes trmicas dos materiais de isolao de motores

Apesar da principal funo do material isolante ser de impedir o fluxo de corrente de

um condutor para terra ou para um potencial mais baixo, ele atua tambm como suporte

mecnico, como proteo contra a degradao dos condutores, provocada pelo meio

ambiente, bem como para a transferncia do calor gerado nos enrolamentos para o ambiente

externo. Os sistemas de isolao influenciam na boa qualidade do motor e o tipo e a

qualidade da isolao afetam o custo, o peso, o desempenho e a vida deste equipamento

eltrico.

Denomina-se de sistema de isolao a uma combinao ntima e nica de dois ou mais

materiais isolantes utilizados na fabricao de um motor eltrico. Essa combinao, em um

motor de induo, consiste do fio magntico, da isolao de fundo de ranhura, da isolao de

fechamento de ranhura, da isolao entre fases, do verniz e/ou resina de impregnao e da

isolao dos cabos de ligao. Qualquer material ou componente que no esteja em contato

com a bobina no considerado como parte constituinte do sistema de isolao do motor.

15

Os materiais de isolao mais utilizados atualmente no processo de fabricao dos

atuais motores de induo trifsicos industriais podem ser classificados termicamente segundo

a Norma IEC 60085 - Electrical insulation - Thermal classification [11], nas seguintes classes

[8] [9]:

Classe B: materiais base de polister e poli-imdicos aglutinados com materiais orgnicos ou impregnados com estes. A temperatura caracterstica dessa classe de 130 C.

Classe F: materiais base de mica, amianto e fibra de vidro, aglutinados com materiais sintticos, usualmente silicones, polisteres ou resinas epxi. A temperatura caracterstica dessa classe de 155 C.

Classe H: materiais base de mica, asbestos ou fibra de vidro aglutinado tipicamente com silicones de alta estabilidade trmica. A temperatura caracterstica dessa classe de 180 C.

A Figura 2.1 apresenta as faixas de temperaturas normalizadas de sobre-elevao mdia

acima da ambiente e o acrscimo de temperatura normalizado para o ponto mais quente para

as classes trmicas dos sistemas de isolao B, F e H, normalmente utilizadas em motores de

induo trifsicos industriais.

Figura 2.1 Temperaturas limites normalizadas para as classes trmicas de sistemas de isolao normalmente utilizadas nos atuais motores de induo trifsicos.

2.7.2 Limites de temperatura para os enrolamentos do motor

A temperatura do ponto mais quente dos enrolamentos deve ser mantida abaixo do

limite da classe trmica. A temperatura total vale a soma da temperatura ambiente com a

16

elevao de temperatura () mais a diferena que existe entre a temperatura mdia dos

enrolamentos e o seu ponto mais quente.

A temperatura ambiente mxima definida por norma de 40 C. Acima deste valor as

condies de trabalho devem ser consideradas como sendo especiais. A literatura recomenda

que, para operao nesta temperatura ambiente, os rels de proteo, quando dotados de

sensores de temperatura dos enrolamentos do motor, sejam ajustados de acordo com os

seguintes valores, de forma a preservar o estado dos materiais isolantes:

Classe F: Alarme: 130 C. Desligamento: 155 C Classe H: Alarme: 155 C. Desligamento: 180 C

Os valores de alarme e desligamento podem ser definidos em funo da experincia do

usurio do motor, para cada tipo de aplicao. Porem recomendado que normalmente no

sejam ultrapassados estes limites indicados, de forma a no comprometer a vida til do

sistema de isolao do motor.

A Norma IEC 60034-11 Rotating electrical machines Thermal protection [12],

define requisitos para proteo trmica de sobrecarga com variao lenta, isto , uma taxa de

variao que pode ser medida sem atraso considervel por um detector de temperatura ou por

uma proteo trmica. De acordo com esta norma, para estas sobrecargas nestas condies, as

quais podem ocorrer em alguns casos de aplicao, o sistema de proteo deve operar de

forma a evitar que a temperatura dos enrolamentos do motor exceda os valores apresentados

na Tabela 2.5, indicada a seguir:

Classe trmica do sistema de isolao do motor (IEC 60085)

B 130 C

F 155 C

H 180 C

Temperatura mxima dos enrolamentos para sobrecargas com variao lenta (IEC 60034-11) 145 C 170 C 195 C

Tabela 2.5 - Temperaturas mximas de enrolamentos para sobrecargas com variao lenta, de acordo com a Norma IEC 60034-11.

Estes valores de temperaturas mximas indicam uma elevao de cerca de 10% acima

do limite de temperatura da classe trmica dos respectivos sistemas de isolao. Conforme

indicado na norma, a aplicao destes valores requer o estabelecimento de um acordo entre o

fabricante do motor e o usurio. Os requisitos desta norma no so destinados a assegurar a

totalidade do tempo de vida til normalmente esperado do motor, para todas as condies de

utilizao. Esta norma tem por objetivo, porm, estabelecer limites de temperaturas de

17

operao do motor de forma a evitar tanto a ocorrncia de falhas como o envelhecimento

trmico prematuro da isolao dos seus enrolamentos.

Os requisitos estabelecidos nesta norma resultam de um compromisso, uma vez que o

nvel de ajuste da proteo no deve ser setado em um valor to baixo que possa provocar

desligamentos indevidos, decorrentes de sobrecargas momentneas requeridas pelo processo,

e nem ser setado em um valor to elevado que permita a operao contnua em temperaturas

que possam afetar seriamente a vida do sistema de isolao. Uma vez que a variao da

temperatura proporcional ao quadrado da corrente de carga do motor ( I 2), uma

elevao de temperatura da ordem de 10 C equivalente a uma sobrecarga de 1.05 em

relao corrente nominal (1.05 2 = 1.10). Este valor sobrecarga de 1.05 um valor

encontrado em manuais tcnicos de fabricantes de rels de proteo de motor, de forma a

atender aos requisitos desta norma da IEC.

Muitas indstrias da rea petroqumica e de processamento de petrleo normalmente

especificam motores com classe de isolao F, porm com elevao de temperatura

equivalente classe B ( de 80 C). Desta forma, embora o motor seja construdo com um

sistema de isolao constitudo por materiais capazes de suportar elevaes de temperatura de

at 100 C, o motor projetado para operar com elevao de temperatura de somente 80 C,

quando da utilizao da sua potncia mxima. Esta especificao conservativa, normalmente

aplicada tambm para motores para instalao em reas classificadas contendo atmosferas

explosivas, permite ao motor operar com uma temperatura mais baixa do que o limite de

temperatura permitido para a classe de isolao do tipo F. Este requisito construtivo contribui

para que o motor possa operar mais frio, de forma mais segura e com menores esforos

trmicos do sistema de isolao, contribuindo para uma elevada vida til.

A especificao de motores com classe de isolao F com elevao de temperatura da

classe B permite a aplicao das tolerncias de temperatura e de sobrecarga indicadas na

Norma IEC 60034-11, o que permite ao usurio explorar a reserva trmica do motor, a fim

de evitar desligamentos indesejados decorrentes de sobrecargas momentneas e sem

comprometer a vida til do sistema de isolao.

18

3 FUNES DE PROTEO PARA MOTORES ELTRICOS TRIFSICOS INDUSTRIAIS

So discutidas neste captulo as principais funes de proteo aplicveis na proteo

de motores trifsicos industriais, utilizando rels microprocessados multifuno, bem como

apresentados critrios de engenharia de aplicao destas funes de proteo.

3.1 Conceitos gerais e critrios para proteo de motores industriais

Motores alimentados por sistemas com tenso nominal at 660 V so normalmente

protegidos por disjuntores de caixa moldada e rels de sobrecarga eletromecnicos (nos casos

de CCMs convencionais) ou digitais (nos casos de CCMs do tipo inteligente). Motores

alimentados por sistemas com tenso nominal acima de 660 V e at 4.160 V so normalmente

protegidos contra curtos-circuitos por fusveis, enquanto motores alimentados com tenso

nominal de 13.800 V so protegidos por rels de proteo e disjuntores [13]. Os rels de

proteo contra sobrecorrente utilizados para a proteo de motores so basicamente os

mesmos dos rels utilizados para a proteo de alimentadores (feeders).

Os motores de mdia tenso, como por exemplo, em 2.300V e em 4.000 V, so

normalmente limitados pelo rotor sob condies de partida (corrente de rotor bloqueado) e

limitados pelo estator sob condies de sobrecarga em operao. Motores de baixa tenso so

tipicamente limitados pelo estator sob ambas as condies. [14] Desta forma, para a maioria

das aplicaes de motores em mdia tenso, o tempo de rotor bloqueado define o limite

trmico do motor na partida. Em alguns casos especiais, entretanto, a capacidade trmica do

motor durante situaes de partida ou de rotor bloqueado pode ser determinada pelo limite

trmico do estator. Uma regra prtica para definir a limitao de um motor pelo estator na

partida ou em rotor bloqueado, baseada em dados construtivos tpicos, estabelece que

quando a tenso nominal de um motor for igual ou maior do que 10 vezes a sua potncia

nominal (em HP), o motor limitado pelo estator. Exemplo de motor limitado pelo estator

na partida: potncia de 300 HP, tenso de 4.000 V. [15]

Atualmente a proteo trmica de motores de induo basicamente projetada para

proteger a isolao dos enrolamentos contra sobrecarga trmica, o que pode implicar na

reduo de sua vida til. Existe a clara necessidade que os rels microprocessados forneam

todos os requisitos de proteo de um motor, incluindo a monitorao contnua de seu nvel

trmico. Os rels de proteo microprocessados devem possuir caractersticas de operao

19

sob qualquer condio do sistema eltrico ou da carga, serem facilmente configurados a partir

dos dados fornecidos pelos fabricantes dos motores e devem fornecer informaes sobre a

condio de operao do motor que sejam facilmente interpretadas pelo operador, sem a

necessidade de um especialista em proteo residente na planta. [14]

Estas necessidades levam imposio dos seguintes requisitos para os rels utilizados

na proteo de motores:

Proteo trmica baseada em estimativa da temperatura motor, atravs de modelos trmicos, de forma a manter o nvel trmico calculado do motor abaixo da sua curva

de dano trmico;

Proteo trmica contra sobrecargas, incluindo as sobrecargas constantes e cclicas; Proteo contra sobre temperatura de enrolamentos e de mancais atravs de RTDs; Proteo contra aquecimento adicional devido a desequilbrio de correntes de fase; Bloqueio de re-partida em funo do nvel trmico; Proteo por monitorao do tempo de partida; Proteo contra desbalano de tenso e reverso de fase; Proteo contra emperramentos mecnicos da carga (sobrecorrente temporizada); Proteo contra sobrecorrente instantnea; Proteo contra sobrecorrente de terra; Proteo de motores acionados por conversores de freqncia; Ajuste da capacidade trmica do motor em funo de variaes significativas da

temperatura ambiente;

Capacidade de interligao a redes de comunicao de dados e a sistemas de superviso, de forma a propiciar funes de monitorao e o controle remoto do

processo;

Construdo de modo a operar em ambiente industrial, com elevadas temperaturas de operao, sujeito a transientes de tenso e a interferncias eletromagnticas.

3.2 Funes de proteo aplicveis a motores trifsicos industriais

Muitos rels de proteo microprocessados possuem a capacidade de terem as suas

funes de proteo configuradas pelo usurio, dependendo da aplicao e da proteo

requerida pelo circuito. Um rel de proteo microprocessado atual, para a proteo de

motor, pode incorporar vrias funes de proteo, conforme indicadas na Tabela 3.1, de

20

acordo com a Norma ANSI/IEEE C37.2 - Standard Electrical Power System Device Function

Numbers and Contact Designations - Description [16]. A implementao de todas estas

funes de proteo pode no ser necessria para todos os motores, mas mostra a quantidade

de diferentes funes de proteo que atualmente podem ser desempenhadas por um nico

rel de proteo numrico.

Funo de proteo

Descrio da funo de proteo aplicvel a motores de induo trifsicos industriais

27 Subtenso

37 Subcorrente

38 Proteo de temperatura de mancal (RTD)

46 Desbalano de corrente ou corrente de seqncia negativa

47 Seqncia de fase incorreta ou reverso de fase

48 Monitorao de tempo de partida

49 Proteo Trmica

50 Sobrecorrente instantnea

50 GS Sobrecorrente de terra (ground sensor)

51 Sobrecorrente de tempo inverso (load jam)

66 Inibio de repartida

86 Bloqueio de partida

87 M Diferencial de fluxo autobalanceado

Tabela 3.1 - Funes de proteo indicadas na Norma ANSI/IEEE C37.2, aplicveis a motores industriais trifsicos.

Motores trifsicos necessitam ser protegidos tanto durante os estados de partida, como

quando em funcionamento normal, bem como durante condies anormais de operao do

sistema eltrico, do sistema mecnico ou do prprio motor.

A Figura 3.1. apresenta um diagrama tpico de proteo de um motor de grande porte,

utilizando um rel de proteo microprocessado multifuno, contendo as funes de proteo

requeridas na Norma ANSI/IEEE 37.96 - Guide for AC Motor Protection [17]. Este conjunto

de funes de proteo pode ser considerado como uma referncia para um sistema completo

de proteo para um motor.

21

Figura 3.1 - Exemplo de aplicao de rel de proteo multifuno a um motor de induo trifsico.

3.3 Proteo trmica (Funo 49)

A deteriorao do sistema de isolamento dos enrolamentos de um motor uma causa

comum de ocorrncia de falhas e de reduo de vida til destes equipamentos. Estas

conseqncias podem ser resultantes de diversas causas, tais como exposio dos

enrolamentos umidade, excessiva solicitao dieltrica, danos mecnicos ou solicitaes

trmicas acima das temperaturas especificadas para o isolamento.

As propriedades fsicas e dieltricas de um sistema de isolamento so deterioradas com

o seu envelhecimento, e tal como qualquer atividade qumica, este processo acelerado com a

elevao da temperatura. Uma regra prtica, baseada em testes e na experincia, indica que a

vida til de um sistema de isolamento reduzida pela metade para cada elevao de 10C na

temperatura dos enrolamentos de um motor, e de forma inversa, dobra para cada 10C de

22

reduo desta temperatura. Desta forma, a vida do isolamento do motor o resultado do

perodo de tempo em que o sistema de isolamento mantido a uma dada temperatura. [17]

A proteo trmica de um motor tem por funo evitar danos quando cargas mecnicas

so aplicadas acima das capacidades nominais, com o motor em operao. A proteo

trmica tambm requerida para proteo contra rotor bloqueado durante a partida do motor.

Uma condio de rotor bloqueado ocorre quando o motor parte e o momento de inrcia da

carga acionada for elevado o suficiente para gerar um torque no eixo maior que

aproximadamente 80% do torque de partida do motor.

O sistema de proteo trmica necessita determinar o estado de operao do motor,

monitorar as correntes de linha e calcular a quantidade de capacidade trmica utilizada. O

algoritmo de um rel de proteo microprocessado pode comparar o valor presente da

capacidade trmica com os valores limites para alarme e para trip, para a deciso de

desligamento do motor.

A funo de proteo trmica executa um papel vital na preveno de danos ao motor,

incluindo funes ou controles que evitam ou bloqueiem eminentes condies que possam

resultar em sobrecarga trmica dos enrolamentos do motor. Exemplos de tais funes ou

controles o bloqueio de partida com reset automtico ou manual para determinados valores

de capacidades trmicas, onde feita a inibio de re-partida baseada em nveis de capacidade

trmica utilizada e limitao de partidas por hora. Enquanto que condies de sobrecargas

severas freqentemente resultam em danos aos motores, pequenas sobrecargas contribuem

para a reduo da sua vida til.

Um elemento de proteo de sobrecorrente de tempo inverso e um elemento de

proteo de sobrecorrente de seqncia negativa podem ser aplicados, de forma a evitar o

sobre aquecimento causado pelas condies de rotor travado e de correntes desbalanceadas

em um motor. Entretanto, nenhum destes elementos de proteo leva em considerao a

histria trmica ou registra continuamente as excurses de temperatura do motor. Para uma

adequada proteo trmica do motor, deve ser utilizado um algoritmo que calcule e acumule o

aquecimento do efeito trmico por r.I2 tanto de correntes de seqncia positiva como de

correntes de seqncia negativa. Este algoritmo deve ser baseado em um modelo de proteo

trmica, parametrizado de acordo com os dados fornecidos pelo fabricante do motor, e deve

ser capaz de estimar a temperatura atual do motor. Nesta proteo trmica, esta temperatura

virtual atual do motor deve ento ser comparada com os pontos de limites de alarme e de trip

23

trmico, de forma a evitar sobre aquecimentos durante condies anormais de sobrecarga,

rotor bloqueado, partidas freqentes, partidas longas e desbalano de corrente ou tenso. [18]

Durante a condio de funcionamento normal, uma mquina acionada por um motor

eltrico, tal como uma bomba ou um compressor, pode requerer uma potncia acima da

nominal de placa do motor, em funo de necessidades momentneas do processo. A

sobrecarga do motor resulta em um aumento da temperatura dos enrolamentos do estator e

conseqentemente da reduo da sua vida til.

Os mtodos de deteco de uma sobrecarga ou sobre temperatura do motor em

funcionamento podem tanto ser por meio de um rel do tipo imagem trmica (Funo 49),

alimentado por transformadores de corrente (TCs), ou por meio de sensores de temperatura

(RTDs) instalados nos enrolamentos do estator. O mtodo de proteo trmica mais

adequada para um motor de grande porte e de grande responsabilidade operacional provido

pela aplicao de ambos os mtodos de proteo, baseado na medio de corrente e na

medio de temperatura.

Rels de proteo microprocessados utilizam a capacidade de processamento dos

microprocessadores para a implementao de complexos algoritmos, de forma a modelar

termicamente o motor nas condies de partida, operao ou repouso. As caractersticas de

aquecimento do motor se alteram durante a sua operao. Alguns destes rels modificam os

parmetros do modelo de proteo trmica baseados em sensores trmicos instalados no

interior do motor e na carcaa, de forma a monitorar tambm a variao da temperatura

ambiente. Rels microprocessados podem estabelecer modelos eltricos e trmicos

calculados a partir dos dados de corrente de entrada, de dados fornecidos pelo fabricante do

motor e opcionalmente por medies de temperaturas do motor e ambiente atravs de RTDs.

Estes modelos so utilizados no algoritmo do rel, de forma a calcular a condio trmica do

motor, em tempo real, em cada condio de operao.

Muitos rels microprocessados de proteo de motor tm entradas projetadas para

elementos sensores trmicos, tanto para os enrolamentos como para os mancais. O material

de RTD mais utilizado a platina 100 (PT 100). Uma vez programada a quantidade de

RTDs, o algoritmo do rel automaticamente mede e indica a temperatura aproximada dos

enrolamentos e dos mancais. Nos casos em que existe a medio de temperatura do ar

ambiente, o algoritmo do rel microprocessado automaticamente reduz o valor da temperatura

de trip dos enrolamentos pelos RTDs e o valor do limite de trip do elemento trmico, se a

temperatura ambiente aumenta para um valor acima de 40C. medida que aumenta a

24

temperatura ambiente, a capacidade do motor dissipar calor para o meio ambiente reduzida e

a sua temperatura interna aumenta. De forma a preservar a vida til do isolamento, e

atendendo a recomendaes da Norma NEMA MG-1 [5], o algoritmo reduz a temperatura de

trip dos RTDs para cada 1C devido ao aumento da temperatura ambiente, alm de 40C. Os

rels microprocessados possuem lgicas especficas para detectar se o circuito do RTD

encontra-se defeituoso (em curto circuito ou em aberto), de forma que somente RTDs que

estejam operando adequadamente contribuem para os clculos das funes de alarme e trip.

3.3.1 A finalidade da proteo trmica do motor

Motores submetidos a sobrecargas podem gerar pontos quentes com elevadas

temperaturas nos seus enrolamentos, alm dos limites trmicos projetados para o sistema de

isolamento. Entretanto, em todos os casos de operao que resulta em sobre temperatura, o

tempo um fator importante. A capacidade de armazenamento de calor de um motor de

induo industrial relativamente elevada. Pequenas sobrecargas durante curtos intervalos de

tempo normalmente no resultam em temperaturas que possam danificar o isolamento, uma

vez que o calor adicional absorvido pela massa dos condutores, ncleo e partes estruturais

do motor. Em contraste, para condies de partida ou de rotor bloqueado, a taxa de elevao

da temperatura muito elevada, em funo da presena de correntes tambm elevadas. Uma

vez que durante o curto perodo de tempo de partida ou de rotor bloqueado, somente uma

pequena quantidade de calor transmitida dos condutores para as demais partes de maior

massa do motor, o limite trmico do isolamento dos enrolamentos pode ser atingido dentro de

um perodo de tempo da ordem de segundos. [17]

Um motor de induo industrial tpico de grande porte, nas aplicaes usuais de

alimentao direta pela rede, apresenta uma elevada corrente de partida. Esta elevada

corrente de estator corresponde, por sua vez, a uma tambm comparavelmente elevada

corrente no rotor. Devido ao efeito pelicular, no momento da partida, a resistncia do rotor

com escorregamento unitrio (r1) apresenta um valor maior do que a resistncia do rotor

quando o motor est em rotao nominal, com escorregamento quase nulo (r0). Desta forma,

durante a partida, considerando-se um exemplo de corrente de partida da ordem de 6 vezes a

corrente nominal e a resistncia de rotor na partida da ordem de 3 vezes o valor da resistncia

do rotor em rotao nominal, o aquecimento no rotor devido ao efeito r.I2 de

aproximadamente 3 x 62 ou 108 vezes o aquecimento devido ao efeito r.I2 quando o motor

encontra-se em operao normal. Consequentemente, o sistema de isolamento do motor

25

necessita suportar uma temperatura extrema por um limitado perodo de tempo durante a

partida, tanto em seu projeto construtivo como nos ajustes do seu rel de proteo. Os

fabricantes de motores informam a capacidade do motor na partida atravs da especificao

dos tempos mximos de rotor bloqueado a quente e a frio e da corrente de rotor bloqueado.

De forma similar, os fabricantes de motores informam tambm a capacidade do motor em

operao sob condio de carga contnua, atravs da especificao do Fator de Servio (FS).

A finalidade da proteo trmica do motor permitir que o motor possa partir e operar

dentro dos limites especificados pelo fabricante, mas efetue o desligamento do motor se a

energia de aquecimento exceder aquelas especificaes devido a sobrecargas, correntes de

seqncia negativa, partidas sucessivas ou situaes de rotor bloqueado. A Figura 3.2 mostra

curvas caractersticas de limite de dano trmico e de corrente de partida, fornecidas pelos

fabricantes dos motores.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101

10

100

1.000

Mltiplos da Corrente de Plena Carga (FLA) [pu]

Tem

po [s

]

Figura 3.2 - Curva tpica de limite de dano trmico e de corrente de partida de um motor.

Algumas aplicaes de proteo de motor utilizam indevidamente uma funo de

sobrecorrente de fase de tempo extremamente inverso para fornecer proteo contra

sobrecarga, em conjunto com uma funo separada de sobrecorrente de seqncia negativa

(Funo 46) para a proteo resultante de correntes desbalanceadas. Infelizmente, nenhuma

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destas funes de proteo capaz de acompanhar adequadamente a excurso da temperatura

dos condutores dos enrolamentos do motor. [19]

Para implementar uma proteo trmica adequada, um modelo de proteo trmica

deve tambm levar em considerao o aquecimento decorrente das correntes de seqncia

negativa. Este modelo de proteo trmica, de forma a atender a requisitos prticos, deve ser

capaz de ser parametrizado de acordo com os dados normalmente indicados nas folhas de

dados do fabricante do motor e deve calcular e estimar a temperatura do motor em tempo real.

Um adequado modelo de proteo trmica de um rel de proteo microprocessado

deve fornecer proteo para as seguintes condies potenciais de danos ao motor: [20]

Partidas com rotor bloqueado; Sobrecargas constantes ou cclicas em operao normal; Operao com correntes desequilibradas; Partidas prolongadas; Partidas freqentes.

De forma a fornecer uma proteo trmica adequada e eficiente durante estas

condies, o algoritmo do modelo de proteo trmica deve executar as seguintes funes, as

quais sero discutidas ao longo deste trabalho:

Constantemente manter uma estimativa numrica do nvel trmico do motor; Ponderar o efeito do aquecimento do motor decorrente das correntes de seqncia

positiva e negativa;

Calcular o nvel trmico do motor baseado na medio das correntes de seqncia positiva e negativa;

Comparar o valor da estimativa do nvel trmico de aquecimento presente com um limite de trip de partida, ou a um limite de trip de operao, dependendo do estado do motor;

Fornecer um sinal de trip de sada, se o valor da estimativa do aquecimento presente exceder o limite presente de trip;

Fornecer um sinal de alarme de sada, se o valor da estimativa do aquecimento presente exceder o limite presente de alarme;

Ajustar os limites de trip e de alarmes presentes, baseado na medio por RTD de temperatura ambiente, quando habilitado.

27

3.4 Proteo de sobrecorrente instantnea e de tempo inverso (Funes 50/51)

3.4.1 Proteo de sobrecorrente instantnea (Funo 50)

Em complemento ao modelo de proteo trmica do motor, os elementos de proteo

de sobrecorrente de fase e de terra de tempo inverso, tempo definido e instantneo fornecem

proteo nos casos de ocorrncia de faltas nos terminais e nos cabos de alimentao do motor

e faltas internas do prprio motor. Na proteo instantnea (Funo 50), no existe atraso de

atuao associado com esta funo de proteo, uma vez que a sua finalidade desligar o

motor defeituoso to rapidamente quanto possvel. A proteo contra curto-circuito entre

fases para motores trifsicos deve ser considerada somente quando o dispositivo de manobra

for um dispositivo de interrupo tripolar adequadamente dimensionado para interromper as

correntes de falta, normalmente um disjuntor. A proteo contra curto-circuito utilizando

cubculos com contatores com fusveis limitadores de corrente que no sejam totalmente

coordenados no recomendada. Esta falta de coordenao poderia resultar na ocorrncia de

uma grave falha no cubculo e da possvel evoluo da falta em danos ao painel, ou mesmo

incndio ou ferimentos ao pessoal envolvido. Estas graves conseqncias so devidas

possibilidade de que a mxima capacidade de interrupo de cubculos com contatores ser

atingida, com a utilizao de fusveis limitadores de corrente. O contator possui uma

capacidade de interrupo de corrente, porm esta significantemente menor do que a

capacidade de interrupo dos fusveis limitadores de corrente. extremamente importante

que a aplicao de dispositivos de proteo de fase instantneos em contatores para a partida

de motores seja totalmente analisada antes da sua implementao.

Quando do ajuste da proteo de curto-circuito do motor para falta entre fases, a funo

50 deve estar ligeiramente acima da corrente de partida do motor. Uma regra prtica efetuar

o ajuste do valor de pickup da corrente desta funo entre 1.2 e 1.5 vezes a corrente de rotor

bloqueado de forma a evitar o desligamento devido a corrente de partida. Faltas entre fases

geralmente fornecem correntes maiores do que a corrente de partida de rotor bloqueado,

exceto para faltas entre espiras. [7]

3.4.2 Funo de proteo de sobrecorrente temporizado (Funo 51)

Rels de proteo do tipo rplica de imagem trmica so freqentemente utilizados para

simular a curva de sobrecarga trmica do motor, enquanto que rels de sobrecorrente de

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tempo inverso so freqentemente utilizados para a proteo de motor contra emperramentos

do rotor e contra rotor bloqueado [21].

Durante a partida normal dos motores e acelerao adequada, grandes correntes de

partida, conhecidas como correntes de inrush so verificadas, resultando em substanciais

aquecimentos dos motores. Sob tais condies, o calor aumenta rapidamente nos condutores

e no existe tempo suficiente para a transmisso do calor gerado para as demais e maiores

partes estruturais do motor. [22]

Com correntes de inrush da ordem de 5 a 7 vezes a corrente nominal do motor, o calor

resultante pode atingir valores da ordem de 25 a 50 vezes o calor gerado em condies

normais de funcionamento. O limite trmico do motor pode ser alcanado muito rapidamente

e freqentemente no so transmitidos pelos RTDs com um tempo de resposta dinmica

adequada, devido aos inerentes tempos de atraso dos sistemas trmicos envolvidos. Desta

forma, para proteger o motor durante condies de rotor travado na partida ou rotor travado

em funcionamento, so normalmente utilizadas funes de sobrecorrente temporizadas,

adicionalmente funo de proteo trmica. Muitos esquemas de proteo contra rotor

bloqueado podem ser aplicados a motores com tempo de acelerao superior ao seu tempo

permitido (seguro) de rotor bloqueado. [21]

Durante condies anormais de partida ou de funcionamento, quando o rotor pode se

tornar travado, ocorre o aumento de calor gerado no motor em funo do aumento da

resistncia do rotor, devido freqncia induzida de 60 Hz no rotor (em um sistema eltrico

de 60 Hz), similar ao efeito pelicular. Adicionalmente, a normalmente disponvel ventilao

solidria ao eixo de motores autoventilados deixa de existir em condies de rotor travado,

contribuindo para o severo aquecimento.

A funo de proteo por sobrecorrente de tempo inverso (Funo 51) pode ser

utilizada como funo de retaguarda para a funo de proteo trmica do motor, em

condies de sobrecargas por travamento do rotor. Esta funo tambm denominada como

proteo de travamento da carga (load jam protection). Uma condio de emperramento

genericamente definida como um ponto onde a carga mecnica excede a capacidade de torque

mximo do motor e leva ocorrncia de uma corrente excessiva. Uma condio mais severa

de emperramento pode mesmo levar o motor a uma parada completa.

A ocorrncia de freqentes partidas da funo de sobrecorrente temporizada indica a

ocorrncia de tambm freqentes emperramentos do motor, indicando que alguns

29

componentes no sistema mecnico podem estar sendo danificados. Nestes casos, o conjunto

deve ser desligado e verificado, uma vez que aguardar a atuao da funo por um eventual

trip pode causar danos adicionais na mquina que se encontra acionada pelo motor. Alm

disso, por medir a ocorrncia de um problema mecnico na carga acionada, a funo de

sobrecorrente de tempo inverso pode ser utilizada para indicar a ocorrncia de falhas em

mancais, permitindo o desligamento do motor antes que um dano de maior dimenso ocorra.

Os tempos de atuao desta funo de proteo de sobrecorrente temporizada devem

ser maior