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MÁQUINAS E ACIONAMENTOS ELÉTRICOS AULA 1 Profa. Maria Aline Gonçalves 2 CONVERSA INICIAL Bem-vindo(a) à nossa aula sobre Motores de Indução Trifásicos! Nesta jornada pelo mundo das máquinas elétricas e motores de indução trifásicos, vamos explorar os aspectos fundamentais que moldaram a história e o funcionamento dessas notáveis criações da engenharia elétrica. Esta aula foi desenvolvida para proporcionar uma visão abrangente dos motores de indução, desde sua origem até sua aplicação contemporânea. Começaremos nossa jornada com uma viagem ao passado, mergulhando na história dos motores de indução e descobrindo como a famosa "Guerra das Correntes" teve um papel crucial em impulsionar a popularização desses motores. Através dessa fascinante retrospectiva, entenderemos como as rivalidades entre os sistemas de corrente contínua e corrente alternada moldaram o cenário da eletrificação e trouxeram à tona a inegável eficiência e versatilidade dos motores de indução trifásicos. Com a história como nossa base, nos aprofundaremos na essência dos motores de indução trifásicos. Exploraremos os diferentes tipos desses motores, e examinaremos como cada um deles desempenha um papel vital em aplicações diversas. Além disso, entraremos na mecânica interna desses motores, revelando os segredos de seu funcionamento e as interações complexas entre os campos magnéticos e correntes elétricas. Ao abordarmos as características construtivas dos motores de indução trifásicos, você terá a oportunidade de descobrir os componentes-chave que compõem essas máquinas impressionantes. Desde o estator até o rotor e suas diferentes configurações, desvendaremos a engenharia por trás desses motores e como cada detalhe contribui para sua eficiência e desempenho. E não podemos esquecer das aplicações práticas que tornam esses motores indispensáveis em nossa sociedade moderna. De indústrias a sistemas de transporte, eles estão presentes em inúmeras áreas, impulsionando a produção e a inovação de maneira notável. Nossa aula explorará essas aplicações e 3 proporcionará insights sobre como os motores de indução trifásicos desempenham um papel crucial em nosso dia a dia. Ao final desta aula, você terá uma compreensão sólida dos motores de indução trifásicos e sua relevância no panorama tecnológico atual. Se você desejar se aprofundar ainda mais, forneceremos referências bibliográficas que poderão enriquecer sua jornada de aprendizado nesse campo empolgante. Então, prepare-se para explorar os fascinantes motores de indução trifásicos - desde suas origens históricas até suas aplicações modernas. Vamos mergulhar fundo nesse universo de inovação e engenhosidade! TEMA 1 – MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO: TIPOS DE MOTORES O motor de indução, também conhecido como motor assíncrono, foi uma criação resultante da evolução das teorias e tecnologias elétricas do final do século XIX. A ideia central por trás do motor de indução é a indução eletromagnética, um fenômeno descoberto por Michael Faraday em 1831, que estabeleceu que uma corrente elétrica poderia ser induzida em um condutor quando ele é exposto a um campo magnético variável. No entanto, a aplicação prática desse conceito para a criação de um motor elétrico envolveu uma série de desenvolvimentos subsequentes e esforços de vários cientistas e inventores. Um dos principais pioneiros no desenvolvimento do motor de indução foi Nikola Tesla, um inventor e engenheiro eletricista renomado. Tesla foi fundamental na compreensão da importância das correntes alternadas e na aplicação da teoria da indução para criar um motor funcional. A batalha das correntes elétricas, também conhecida como a "Guerra das Correntes", desempenhou um papel crucial na popularização do motor de indução. Thomas Edison promovia a corrente contínua (CC), enquanto George Westinghouse, com o apoio das ideias de Tesla, promovia a corrente alternada (CA). A capacidade da corrente alternada de ser transmitida a longas distâncias com perdas aceitáveis e a criação de sistemas de transmissão eficientes foram 4 fatores que favoreceram a adoção das correntes alternadas, e por consequência, do motor de indução, nos sistemas elétricos. Em 1887, Nikola Tesla patenteou o projeto do motor de indução trifásico, que se tornou a base para a maioria dos motores de indução utilizados atualmente. Esse tipo de motor apresentava a vantagem de ser mais simples, robusto e eficiente em comparação com os motores de corrente contínua da época. Assim, o motor de indução foi um resultado da colaboração de várias mentes brilhantes ao longo do final do século XIX. A aplicação da teoria eletromagnética, o entendimento das vantagens das correntes alternadas e a contribuição de inventores como Tesla foram essenciais para transformar o conceito de indução em uma tecnologia prática e revolucionária, que impulsionou a automação e a indústria ao longo do século XX. 1.1 Características Construtivas O motor trifásico de indução realiza a conversão de energia elétrica em energia mecânica ao utilizar materiais eletromagnéticos que facilitam a transferência de energia, efetivando assim a conversão desejada. Além disso, suas características construtivas desempenham um papel crucial em sua operação, permitindo um eficiente processo de transformação de energia elétrica em energia mecânica. Vamos aprofundar a exploração desses motores a partir de suas características construtivas. A Figura 1 proporciona uma visão geral dos motores de indução trifásicos. 5 Figura 1 – Exemplos de motores de indução trifásico. Fonte: Shutterstock. Acessado em 28/07/2020. Os principais elementos de um motor de indução trifásico são os seguintes: Carcaça: Representa a estrutura externa do motor, feita de material resistente como ferro fundido o alumínio, possui aletas que ajudam a dissipar o calor e abriga todos os componentes internos, oferecendo proteção contra fatores externos. Estator: É a porção imóvel do motor e abriga as bobinas de fio que são enroladas em torno de núcleos magnéticos. Essas bobinas são responsáveis por gerar o campo magnético necessário para induzir a corrente elétrica no rotor (Figura 2). 6 Figura 2 – Construção do estator de um motor de indução trifásico. Fonte: Shutterstock. Acessado em 28/07/2020. Rotor: Constituindo a parte rotativa do motor, ele pode ser construído de duas formas, como o rotor em gaiola de esquilo (mais comum) ou o rotor bobinado. O rotor em gaiola de esquilo (Fígura 3) é composto por barras condutoras curtocircuitada inseridas nas ranhuras do núcleo do rotor. Isso forma um circuito fechado que permite a indução de corrente quando há variação do campo magnético. Figura 3 – Rotor bobinado de um motor de indução trifásico. Fonte: https://www.rsaengenharia.com/2014/04/caracteristicas-do-motor-de- inducao.html. Acessado em 29/07/2020. https://www.rsaengenharia.com/2014/04/caracteristicas-do-motor-de-inducao.html.%20Acessado%20em%2029/07/2020 https://www.rsaengenharia.com/2014/04/caracteristicas-do-motor-de-inducao.html.%20Acessado%20em%2029/07/2020 7 A diferença entre o rotor bobinado e o rotor do tipo gaiola de esquilo está no preenchimento das ranhuras do núcleo do rotor. No rotor bobinado (Figura 4), as ranhuras do rotor são preenchidas por um enrolamento polifásico, cujos terminais são conectados a anéis deslizantes isolados montado sobre o eixo. Figura 4 – Rotor do tipo gaiola de esquilo. Fonte: Shutterstock. Acessado em 29/07/2020. No conjunto, esses elementos interagem de maneira sinérgica para viabilizar o funcionamento eficaz do motor de indução, promovendo a transformação eficiente da energia elétrica em energia mecânica. A placa de identificação é outra componente significativa do motor trifásico de indução. Nela estão contidasinformações essenciais sobre as propriedades elétricas, mecânicas, modo de operação e configuração de conexão, permitindo o funcionamento em diversas faixas de tensão. O detalhe de uma placa de identificação do motor é ilustrado na Figura 5. 8 Figura 4 – Placa de identificação de um motor de indução trifásico. Fonte: http://resumosparaengenheiros.blogspot.com/2017/12/dados-da-placa-do- motor-motores.html. Acessado em 29/07/2020. Por último, a Figura 5 oferece uma perspectiva interna do motor de indução trifásico, revelando seus componentes constituintes. Figura 5 – Vista interna de um motor de indução trifásico. Fonte: Shutterstock. Acessado em 29/07/2020. TEMA 2 – PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Agora que estamos familiarizados com as características construtivas de um motor trifásico de indução, vamos explorar seu funcionamento em detalhes. O motor de indução trifásico converte energia elétrica em energia mecânica por meio da interação entre campos magnéticos gerados pelas correntes no estator http://resumosparaengenheiros.blogspot.com/2017/12/dados-da-placa-do-motor-motores.html http://resumosparaengenheiros.blogspot.com/2017/12/dados-da-placa-do-motor-motores.html 9 e a resposta do rotor a esses campos. Esse processo resulta na transformação da energia elétrica em energia mecânica. Primeiramente, a energia elétrica é fornecida ao estator, onde os enrolamentos geram campos magnéticos girantes sincronizados. O princípio de indução eletromagnética faz com que correntes sejam induzidas nas barras do rotor à medida que o campo magnético do estator gira. Essas correntes induzidas no rotor criam seu próprio campo magnético, gerando forças que impulsionam o rotor a girar e a seguir o campo magnético rotativo do estator. Importante notar que o rotor gira sempre um pouco mais devagar que o campo magnético do estator, essa diferença entre as velocidades é conhecida como velocidade de escorregamento. Esse escorregamento é essencial para manter o fluxo das correntes induzidas no rotor, que geram um campo magnético necessário para manter o movimento. A contínua interação entre os campos magnéticos rotativos do estator e do rotor resulta na criação de torque no rotor, responsável por seu movimento de rotação. Quando o rotor enfrenta uma carga mecânica mais intensa, o escorregamento aumenta em relação à velocidade do campo magnético do estator, garantindo a manutenção do torque necessário. Consequentemente, o motor de indução opera de maneira assíncrona, onde a velocidade do rotor não é igual à velocidade do campo magnético do estator. Isso é controlado pela frequência da fonte de energia elétrica e pelas demandas de carga aplicadas ao motor. A simplicidade e confiabilidade desse princípio fazem com que o motor de indução seja amplamente utilizado em diversas aplicações industriais e comerciais. 2.2 Campo magnético girante O motor de indução trifásico é constituído por três bobinas situadas nas ranhuras do estator e seus terminais são conectados a uma fonte de alimentação. O rotor não está eletricamente ligado a nenhuma fonte de alimentação. Quando o motor é energizado uma corrente elétrica passa por cada uma das três bobinas do estator criando um campo magnético giratório. Esse campo magnético “corta” os 10 condutores do rotor induzindo uma força eletromotriz (𝑓𝑒𝑚) e consequentemente desencadeando o surgimento de corrente elétrica nesses condutores. Essa corrente gera um segundo campo magnético no rotor que interage com o campo magnético do estator gerando um torque eletromagnético sobre os condutores do rotor. Esse processo cria um movimento de rotação no rotor, o que, por sua vez, impulsiona a carga mecânica acoplada ao eixo do motor. Toda corrente induzida tem a tendência de resistir às mudanças no campo que a originou, segundo a lei de Lenz-Faraday. No contexto de um motor de indução, a alteração ocorre devido à rotação do campo magnético do estator. O efeito exercido sobre o rotor, busca contrariar o contínuo movimento do campo magnético do estator. Esse fenômeno é o motivo pelo qual o rotor tenta acompanhar o campo do estator, chegando o mais próximo possível, considerando fatores como o peso do rotor e a carga a ser movida. O campo do estator gira continuamente, ao contrário do rotor que não consegue girar à mesma velocidade e alinhar-se a ele. Por essa razão é que a velocidade do rotor é menor que a velocidade do campo magnético girante. Se as velocidades fossem idênticas, não haveria um deslocamento relativo entre eles e, consequentemente, não seria induzida uma força eletromotriz (𝑓𝑒𝑚) no rotor. A ausência de uma 𝑓𝑒𝑚 induzida resulta na falta de um conjugado (torque) atuando sobre o rotor. Até aqui já sabemos que o campo magnético gerado por uma bobina depende da corrente que passa por ela. Vamos entender melhor como funciona o campo magnético girante, a partir da análise eletromagnética do conjunto rotor-estator. Primeiramente, vale lembar a diferença entre graus mecânicos e graus elétricos, expressa matematicamente na Equação 1: 𝛼 = 2 𝑃 𝛽 [1] onde: 𝛼: ângulo em graus mecânicos; 𝑃: número de polos; 𝛽: ângulo em graus elétricos. 11 Considere um motor com três bobinas monofásicas defasadas em 120º elétricos no espaço alimentado por tensões senoidais a partir de uma fonte trifásica balanceada que geram um conjunto de três correntes senoidais idênticas com desfasagem de 120º elétricos no tempo, que podem ser descritas através da equação: 𝑖𝑎(𝑡) = I𝑎máx ∙ sen(𝜔𝑡) 𝑖𝑏(𝑡) = I𝑏máx ∙ cos(𝜔𝑡 − 120°) 𝑖𝑐(𝑡) = I𝑐𝑚á𝑥 ∙ cos(𝜔𝑡 + 120°) [2] onde: I𝑛máx : valor máximo ou de pico da corrente, sendo 𝑛 o índice identificador de cada fase (A); 𝜔: frequência angular elétrica (rad/s). A Figura 6, abaixo, representa, três correntes senoidais, defasadas de 120 graus elétricos. Figura 6 – Correntes trifásicas senoidais e seus respectivos fluxos magnéticos a cada instante de tempo. Fonte: Petruzella, 2013. 12 Essas correntes, por sua vez, geram três campos magnéticos, que também exibem um comportamento senoidal ao longo do tempo, com uma defasagem elétrica de 120° entre si. A direção desses campos pode ser determinada aplicando a regra da mão direita. A força magnetomotriz, medida em Ampere- espira (Ae), produzida por cada uma das bobinas com um número de espiras 𝑁𝑒, pode ser expressa de forma matemática por meio do seguinte conjunto de equações: 𝐹𝑎(𝑡) = 𝑁𝑒 I𝑎𝑚á𝑥 ∙ sen(𝜔𝑡) 𝐹𝑏(𝑡) = 𝑁𝑒 I𝑏𝑚á𝑥 ∙ sen(𝜔𝑡 − 120°) 𝐹𝑐(𝑡) = 𝑁𝑒 I𝑐𝑚á𝑥 ∙ sen(𝜔𝑡 + 120°) [3] onde: 𝐹𝑛: força magnetomotriz (Ae); Ne: número de espiras da bobina; I𝑛máx : valor máximo ou de pico da corrente (A); 𝜔: frequência angular elétrica (rad/s). A Figura 7 ilustra a disposição das espiras, com defasagem de 120° elétricos. Observe que, o campo magnético de cada bobina atuará no eixo perpendicular ao seu plano. Figura 7 – a) Disposição física das bobinas. b)Diagrama fasorial representando os eixos perpendiculares aos planos das bobinas. Fonte: Filho, 2013. 13 Considere um sistema de eixos ortogonais, XY, tomando 𝐹𝑎 como referência e situando-a no eixo x. Realizando a decomposição de forças, as projeções dos três vetores, 𝐹𝑎, 𝐹𝑏 e 𝐹𝑐, a força magnetomotriz resultante será a soma vetorial: 𝐹(𝑡) = 𝐹𝑎𝑥 + 𝐹𝑏𝑥 + 𝐹𝑐𝑥 [4] Observe que, se as três bobinas estivessem alinhadas, com defasagem de 0°, a força magnetomotriz resultante seria igual a zero. Porém, considerando a defasagem de 120° entre os vetores dos campos magnéticos e fazendo a decomposição de forças, a força magnetomotriz resultante será: 𝐹(𝑡) = 𝐹𝑎 ∙ cos(0°) + 𝐹𝑏 ∙ cos(120°) + 𝐹𝑐 ∙ cos(−120°) 𝐹(𝑡) = 𝑁 𝐼 ∙ [sen(𝜔𝑡) ∙ cos(0°) + sen(𝜔𝑡 − 120°) ∙ cos(120°) + sen(𝜔𝑡 + 120°) ∙ cos(−120°)][5] Resolvendo trigonometricamente a Equação 5, temos: 𝐹(𝑡) = 3 2 𝑁 𝐼 ∙ sen(𝜔𝑡) [6] O campo magnético girante produzido pela força magnetomotriz terá intensidade e força constantes. Essa velocidade depende da frequência das correntes aplicadas nas três bobinas. Note que, ao inverterem-se quaisquer duas fases, aplicando-se a regra da mão direita, o campo irá girar no sentido contrário alterando o sentido de giro do eixo do motor. TEMA 3 – VELOCIDADE SÍNCRONA E ESCORREGAMENTO No tópico anterior, examinamos o comportamento da força magnetomotriz resultante do campo magnético girante. A partir disso, chegamos à conclusão de que a cada ciclo completo da corrente elétrica, representado como uma forma 14 de onda senoidal, a força magnetomotriz resultante completa uma rotação total no interior do rotor. Esse processo resulta em um movimento de rotação do rotor, que, por sua vez, impulsiona o movimento do eixo do motor. A velocidade desse movimento rotacional é diretamente proporcional à frequência da rede elétrica de alimentação. No Brasil o padrão de frequência da corrente elétrica é 60Hz, ou seja, a 60 ciclos por segundo. A velocidade do campo girante, também conhecida como velocidade síncrona, 𝑁𝑆, é indicada em rotações por minuto, rpm. A velocidade síncrona é definida pela seguinte equação: 𝑁𝑆 = 120 ∙ 𝑓 𝑃 [7] onde: Ns: velocidade síncrona (rpm); 𝑓: frequência da rede elétrica (Hz); 𝑃: número de polos do motor. Com essas informações, é possível calcular as velocidades síncronas de motores alimentados por uma rede elétrica de 60Hz, conforme exposto na Tabela 1, abaixo: Tabela 1 – Velocidade síncrona em função da frequência e do número de polos. Fonte: adaptado de Filho, 2013, pg47. Número de Polos Velocidade Síncrona (rpm) 2 3600 4 1800 6 1200 8 900 Exemplo 3.1 15 Quais a velocidades síncronas dos motores de 2 e 4 polos alimentado por uma rede elétrica com frequência de 50Hz? 𝑁𝑆 = 120∙50 2 = 3000 rpm. 𝑁𝑆 = 120∙50 4 = 1500 rpm Conforme discutido nos tópicos anteriores, o rotor gira no mesmo sentido que o campo girante do estator, embora a uma velocidade diferente, que denominamos de 𝑁. Essa discrepância de velocidades é conhecida como o escorregamento do rotor, representado como 𝑆, e geralmente expressa como uma proporção da velocidade síncrona: 𝑆 = 𝑁𝑆 − 𝑁 𝑁𝑆 [8] onde: Ns: velocidade síncrona (rpm); 𝑁: velocidade do eixo do motor (rpm); 𝑆: escorregamento. O escorregamento caracteriza o desempenho dos motores de indução e na maioria das vezes é expresso em porcentagem, simplesmente multiplicando o valor obtido pela Equação 8 por cem. Por exemplo, um motor que tem escorregamento de S=0,045, opera com escorregamento de 4,5%. Utilizando a Equação 8, é possível obter a velocidade do eixo do motor em termos do escorregamento: 𝑁 = (1 − 𝑁𝑆)𝑆 [9] TEMA 4 – RENDIMENTO Ao referirmos ao rendimento de um motor de indução trifásico, estamos falando de fluxo e perdas de potência. Até aqui já podemos concluir que um motor trifásico recebe potência elétrica e transforma em potência mecânica, contudo 16 nem toda potência que entra no motor é transferida para o eixo do outro lado devido às perdas que ocorrem no interior do equipamento. A potência que entra no motor é convertida em trabalho mecânica, porém, uma parte dela é perdida em forma de calor e em forma de potência reativa, que apesar de necessária para a magnetização não produz trabalho. O rendimento, 𝜂, de uma máquina CA é dada pela relação direta entra a potência de saída, 𝑃𝑠, pela potência de entrada, 𝑃𝑒: 𝜂 = 𝑃𝑠 𝑃𝑒 ∙ 100 [10] onde: 𝜂: rendimento, ou eficiência, do motor (%); 𝑃𝑠: Potência na saída (W); 𝑃𝑒: Potência na saída (W); O cálculo do rendimento também pode ser feito em termos da potência de entrada e das perdas, 𝑃𝑝,conforme exposto abaixo: 𝜂 = 𝑃𝑒 − 𝑃𝑝 𝑃𝑒 ∙ 100 [11] Outra forma de se obter o rendimento de um motor trifásico de indução é utilizando os dados de placa, como a Potência nominal, tensão de cada fase, 𝑉𝐹, a corrente nominal, 𝐼, e o fator de potência, 𝑐𝑜𝑠(𝜑): η= 𝑃𝑠 √3𝑉𝐹𝐼𝑐𝑜𝑠(𝜑) [12] TEMA 5 – CARACTERÍSTICA DE PARTIDA Quando consideramos as características de partida de um motor de indução trifásico, há vários fatores importantes a levar em conta. Isso depende, 17 principalmente, da potência nominal do motor e da rede elétrica à qual está conectado, já que uma corrente de partida elevada pode resultar em uma queda temporária de tensão que afeta até mesmo sistemas vizinhos. Em motores de indução de gaiola de esquilo, a corrente de partida pode variar consideravelmente, dependendo da potência nominal do motor e da resistência efetiva do rotor nas condições iniciais. A corrente máxima consumida pelo motor de gaiola durante a partida é especificada por uma letra de código de partida que geralmente está impressa na placa de identificação do motor. Além disso, é importante mencionar que existem diversos métodos de partida projetados para atender às necessidades específicas de motores de indução trifásicos. Esses métodos serão detalhadamente explicados a seguir, oferecendo uma visão abrangente das opções disponíveis para otimizar a partida desses motores, considerando a potência, a eficiência e a estabilidade do sistema elétrico em cada situação. 5.1. Partida com Resistores em Estágios Em motores com enrolamento bobinado, é possível aumentar o torque de partida e reduzir a corrente inicial para níveis mais baixos. Isso pode ser alcançado de forma relativamente simples, inserindo resistências adicionais no circuito do rotor durante a partida. Figura 8- Diagrama elétrico do esquema de partida de um rotor bobinado com resistores. Fonte: Simone, 2009. 18 A Figura 8 ilustra o diagrama elétrico de um esquema de partida de um motor com rotor bobinado utilizando resistores em três estágios. Abaixo, uma explicação passo a passo da partida de um motor com rotor bobinado usando resistores em três estágios: Estágio 1 - Partida com Resistores em Série (Partida a Frio): Na primeira etapa, todos os resistores estão em série com o enrolamento do rotor. Quando o motor é ligado, a resistência adicional nos resistores, R1,R2 e R3 de cada fase, limita a corrente de partida. Isso reduz o pico de corrente inicial e evita sobrecargas no sistema elétrico. A partida com resistores em série é usada quando o motor está frio, pois nesse momento a resistência adicional é necessária para limitar a corrente. Estágio 2 - Transição (Retirada Gradual dos Resistores): À medida que o motor começa a girar e a velocidade aumenta, os resistores em série com o rotor são gradualmente retirados do circuito. Isso é feito para reduzir a resistência total do rotor e, consequentemente, aumentar o torque disponível para acelerar o motor. A retirada gradual dos resistores é realizada por meio de relés térmicos temporizados. Estágio 3 - Funcionamento Normal (Sem Resistores): Quando o motor atinge uma velocidade próxima à velocidade nominal, todos os resistores são completamente retirados do circuito. Nesse estágio, o motor opera em sua configuração normal, sem resistores adicionais no circuito do rotor. O motor está pronto para funcionar em sua capacidade total, fornecendo o torque necessário para sua aplicação. Em resumo, a partida de um motor com rotor bobinado usando resistores em três estágios é um método de partida suave que limita a corrente de partida, evitando picos de corrente prejudiciais ao sistema elétrico e ao motor. À medida que o motor acelera, os resistores são gradualmente retirados do circuito para permitir que o motor funcione em sua capacidade total. Esse processo ajuda a prolongar a vida útil do motor e a evitar danos ao sistema elétrico.19 5.2. Partida Direta A partida direta é o método mais simples e comum para iniciar um motor trifásico, sendo implementado por meio de um contator e dois botões de comando. Nesse método, o motor é conectado diretamente à fonte de alimentação trifásica, resultando em uma corrente de partida significativamente alta, podendo chegar a até oito vezes a corrente nominal. Essa corrente de pico inicial pode causar flutuações na rede elétrica e afetar outros equipamentos conectados à mesma fonte de alimentação. Portanto, é crucial dimensionar a proteção desse sistema para lidar com possíveis sobrecargas. A partida direta é geralmente empregada para motores de menor potência. Além disso, a partida direta proporciona um valor de conjugado no momento do início do funcionamento do motor, o que requer a adoção de dispositivos de acionamento mais robustos. Por outro lado, a estratégia do sistema de partida controlada por botões separa o comando do acionamento, conferindo maior controle e segurança durante o processo de partida. Figura 9 - Diagrama elétrico do esquema de partida direta de um motor de indução tipo gaiola de esquilo. Fonte: Simone, 2009. 20 A Figura 9 representa o esquema dos circuitos de potência e controle para um motor alimentado por uma fonte trifásica em corrente alternada. No circuito de potência, a sequência compreende três fusíveis (F1,F2,F3), um contator trifásico com contatos normalmente abertos (M1,M2,M3), relé térmico trifásico, uma botoeira de parada, uma botoeira de partida, um relé/contator (M), um dispositivo de proteção contra sobrecarga (SC) e, por fim, o motor. Quando a botoeira de partida é acionada energiza a bobina do relé M, e faz com que os contatos M1, M2 e M3 fecham e ocorre a partida do motor. O contato M4, que tem a função de selo, também fecha nesse momento, permitindo que o operador solte a chave de partida sem que o relé M seja desenergizado. Quando a botoeira de parada é acionada, o contato M é aberto, com isso o motor é desenergizado e para. O circuito magnético de partida direta para um motor trifásico de indução tipo gaiola tem vários mecanismos de proteção contra curto-circuitos, sobrecargas e sobretensão. Os fusíveis F1, F2 e F3 tem a função de proteção contra curto-circuito e são projetados para atuar apenas em situações em que ocorrem correntes de partida muitas vezes superior à corrente nominal. Portanto, eles não queimarão em caso de partida com corrente de partida nominal do motor. O dispositivo de proteção contra sobrecarga, SC, é um relé termomagnético, que é composto por um relé térmico e contatos de sobrecarga. Este dispositivo atua quando há sobrecarga térmica do relé abrindo os contatos M e desligando o motor. Apesar do custo relativamente mais elevado, a manutenção de um sistema de partida direta é relativamente simples. 5.3. Partida Estrela-Triângulo (Y-Δ) Esse método de partida é usado para reduzir a corrente de partida, minimizando o impacto na rede elétrica e possui baixo custo. É importante destacar que este 21 método só pode ser aplicado em motores que tenham seis terminais da bobina do estator disponívels, alguns possuem apenas três. Inicialmente, o motor é conectado em configuração estrela (Y) durante a partida, o que reduz a corrente. Após um curto período, o motor é comutado, através de três contatores e um temporizador, para a configuração triângulo (Δ), que é a configuração normal de funcionamento. Esse método é eficaz para motores de média potência, provoca redução da corrente de partida a um terço da nominal, porém o conjugado de patida também é reduzido o que pode vir a ser um problema para algumas aplicações. A Figura 10 mostra uma diagrama elétrico típico de uma conexão de partida estrela-triângulo. Figura 10 - Diagrama elétrico do esquema com chave de partida estrela- triângulo. Fonte: Petruzella, 2013. 22 Analisando o diagrama apresentado, é possível identificar claramente os componentes principais do sistema. O contator principal (M1), o contator triângulo (M2) e o contator estrela (S) estão diretamente ligados às bobinas do motor. Além disso, abaixo destes componentes, identificam-se as botoeiras de parada (stop) e partida (start), assim como os contatos normalmente abertos (NA) e normalmente fechados (NF) correspondentes aos contatores S, M1 e M2. Também são visíveis o temporizador TR e as bobinas de acionamento S, M1, M2 e TR. Ao acionar a botoeira de partida, a bobina do contator S é ativada, fechando o contato auxiliar S que estava normalmente aberto. Isso resulta na energização das bobinas do temporizador TR e do contator M1, fazendo com que o motor seja conectado na configuração estrela (Y). O contato normalmente aberto do contator M1 desempenha o papel de selo, assegurando que o circuito permaneça energizado mesmo após soltar a botoeira de partida. Após o período programado no temporizador se esgotar, o estado do TR é alterado. Isso desativa a bobina do contator S e ativa a bobina do contator M2. Consequentemente, o contator S, responsável pela configuração estrela do motor, é aberto, enquanto o contator M2 é fechado, realizando a conexão do motor em configuração triângulo. Isso permite que o motor entre em operação contínua. A partida estrela-triângulo é comumente usada em motores de indução principalmente por conta de seu baixo custo. No entanto, vale ressaltar, nem todos os motores são adequados para esse tipo de partida devido a suas características específicas e requisitos de torque. 5.4. Partida com Inversor Os inversores de frequência, também conhecidos como drives VFD (Variable Frequency Drives), permitem a partida suave e o controle preciso da velocidade de um motor de indução trifásico. Eles convertem a energia da rede elétrica em tensão e frequência variáveis, permitindo uma partida suave e controlada, sem 23 picos de corrente. Além disso, permitem ajustar a velocidade do motor de acordo com as necessidades da aplicação, economizando energia. Vamos entender resumidamente como ocorre uma partida com inversor de frequência. Antes da partida, o inversor de frequência é programado com os parâmetros necessários, incluindo a frequência inicial de operação, a rampa de aceleração, a corrente máxima permitida, entre outros. Ao acionar o inversor, ele começa a fornecer uma frequência baixa às bobinas do motor. Isso permite uma partida suave, reduzindo os picos de corrente e o estresse mecânico no motor. A frequência inicial normalmente é muito menor do que a frequência nominal do motor. O inversor então aumenta gradualmente a frequência fornecida ao motor de acordo com a rampa de aceleração programada. Isso resulta em um aumento controlado da velocidade do motor. A corrente também aumenta de maneira controlada conforme a frequência aumenta. Durante o processo de partida, o inversor permite ajustar a velocidade do motor conforme necessário para a aplicação. Isso é especialmente útil em aplicações onde uma aceleração mais lenta é desejada. O inversor ajusta a tensão e a frequência de saída para fornecer o torque necessário para a aplicação em diferentes velocidades. Isso permite que o motor mantenha um torque constante em uma ampla faixa de velocidades. Após o motor atingir a velocidade desejada, o inversor continua a controlar a frequência e a tensão para manter a velocidade e o torque necessários para a aplicação. Além da partida, o inversor também pode controlar a parada do motor de forma suave, reduzindo gradualmente a frequência até a parada completa. O uso de um inversor de frequência para partida de motores trifásicos de indução oferece vantagens como redução do estresse mecânico, economia de energia durante a partida, controle preciso de velocidade e torque, e menor impacto na rede elétrica devido à partida suave. 5.5. Partida com Softstarter24 Os soft starters são dispositivos eletrônicos projetados para controlar a corrente de partida de motores de indução. Eles proporcionam uma partida suave, reduzindo gradualmente a tensão fornecida ao motor e, consequentemente, a corrente de partida. Isso ajuda a evitar picos de corrente e reduz o estresse no motor e na rede elétrica. 5.6. Partida Compensadora (Autotransformador) O autotransformador é usado para fornecer uma tensão reduzida ao motor durante a partida, o que limita a corrente de partida, sem seja necessária qualquer manipulação nos terminais do estator. Este método de partida pode ser aplicado a qualquer motor, ligado em estrela ou triângulo. Após a partida, o motor é conectado diretamente à tensão de linha total. Isso ajuda a minimizar o impacto na rede elétrica. O motor trifásico é conectado ao autotransformador, que é composto por várias derivações. O autotransformador tem uma relação de transformação ajustável, "taps", o que permite variar a tensão aplicada ao motor durante a partida em 50,65 e 80% ta tensão nominal. O tap é escolhido em função da carga. Antes da partida, uma derivação apropriada no autotransformador é selecionada com base nas características do motor e nas condições da rede elétrica. A derivação determina a tensão inicial que será aplicada ao motor. Ao iniciar a partida, a tensão aplicada ao motor é inicialmente reduzida devido à configuração do autotransformador. Isso resulta em uma corrente de partida menor e em um torque inicial mais suave. O motor começa a acelerar de maneira gradual. À medida que o motor acelera e ganha velocidade, a tensão no autotransformador é aumentada gradualmente, permitindo que o motor alcance sua velocidade nominal de forma controlada. Esse aumento progressivo da tensão evita picos de corrente e protege a rede elétrica. Uma vez que o motor atinge a velocidade nominal e a tensão nominal é aplicada ao motor, ele opera normalmente como faria em uma partida direta. 25 Ao desligar o motor, a tensão no autotransformador é reduzida gradualmente antes de desligar completamente o motor. Isso evita sobrecorrentes no momento da desaceleração. A partida com chave compensadora é eficaz em reduzir o estresse inicial no motor e na rede elétrica, além de proporcionar uma aceleração mais suave. No entanto, esse método envolve o uso de um autotransformador, que adiciona complexidade ao sistema e pode ter custos mais elevados do que outros métodos de partida suave. Portanto, a escolha do método de partida depende das características do motor, das condições da rede elétrica e das necessidades específicas da aplicação. FINALIZANDO À medida que concluímos nossa jornada pelo mundo dos Motores Trifásicos de Indução, é evidente que essas maravilhas da engenharia elétrica transcendem seu status de simples máquinas. Ao revisitar os principais tópicos que exploramos, somos lembrados da complexidade e importância desses dispositivos inovadores. A história dos motores de indução nos transportou por uma época de descobertas aceleradas, onde a "Guerra das Correntes" desempenhou um papel crucial na definição do futuro da eletrificação. A rivalidade entre os sistemas de corrente contínua e alternada não apenas moldou a forma como a eletricidade é distribuída, mas também ressaltou o papel protagonista dos motores de indução trifásicos na propulsão dessa revolução. Exploramos os diferentes tipos de motores de indução trifásicos, desde os assíncronos até os de rotor bobinado, desvendando seus princípios fundamentais de funcionamento. As engrenagens invisíveis de campos magnéticos oscilantes e correntes elétricas interagem harmoniosamente para gerar movimento e potência, ilustrando a sofisticada união entre teoria e prática que impulsiona essas máquinas. Ao adentrar as características construtivas dos motores de indução trifásicos, mergulhamos nas entranhas de sua engenharia. O estator e o rotor, com suas 26 especificações precisas, demonstram como cada parte contribui para a eficiência e durabilidade dessas máquinas. As nuances de design revelam a dedicação à otimização e à busca contínua por aprimoramentos tecnológicos. O princípio subjacente do funcionamento dos motores de indução trifásicos tornou-se transparente durante nosso percurso. A interação entre os campos magnéticos giratórios e as correntes induzidas no rotor ilustra a magia por trás do movimento que esses motores proporcionam. Essa compreensão é essencial para apreciar plenamente a engenharia por trás de sua eficácia. E, por fim, exploramos as aplicações vastas e diversas dos motores de indução na indústria e em outras áreas. Desde linhas de produção até sistemas de transporte, essas máquinas impulsionam o progresso e a inovação, refletindo sua relevância contínua na sociedade moderna. Portanto, à medida que encerramos esta aula, convido você a considerar não apenas a funcionalidade desses motores, mas também sua importância histórica e sua influência duradoura em nossa vida cotidiana. Que essa compreensão abrangente dos Motores Trifásicos de Indução inspire todos nós a valorizar e explorar ainda mais os avanços extraordinários da engenharia. REFERÊNCIAS CHAPMAN, Stephen J. Fundamentos de máquinas elétricas. Porto Alegre: Grupo A, 2013. E-book. ISBN 9788580552072. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580552072/. FILHO, Guilherme F. Motor de Indução. São Paulo: Editora Saraiva, 2013. E- book. ISBN 9788536519999. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788536519999/. MOHAN, N. Máquinas elétricas e acionamentos: curso introdutório. Rio de Janeiro: LTC, 2015. 27 PETRUZELLA, Frank D. Motores elétricos e acionamentos. (Tekne). [Digite o Local da Editora]: Grupo A, 2013. E-book. ISBN 9788580552584. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580552584/. Acesso em: 26 ago 2023. SIMONE, Gilio A. Máquinas de Indução Trifásicas - Teoria e Exercícios. São Paulo: Editora Saraiva, 2009. E-book. ISBN 9788536519814. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788536519814/. UMANS, S. D. Máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley. 7ª ed. Porto Alegre: AMGH, 2014. MÁQUINAS E ACIONAMENTOS ELÉTRICOS AULA 2 Profa. Maria Aline Gonçalves CONVERSA INICIAL Olá, seja bem-vindo(a) novamente. Na aula anterior, estudamos os motores elétricos e suas características, mas ainda não vimos como essas máquinas são instaladas. O acionamento de motores elétricos envolve uma série de outros dispositivos, alguns deles estão relacionados à lógica ou comando, em que podemos citar as botoeiras, chaves, contatores, temporizadores, entre outros, mas outros estarão mais direcionados ao circuito de potência, como os dispositivos de proteção e manobra. Este é o tema desta aula, estudaremos os conceitos de lógica de contatos e os principais dispositivos utilizados no acionamento, proteção e manobra de motores elétricos. Preparado(a)? Então vamos lá, tenha uma ótima leitura. TEMA 1 – LÓGICA DE CONTATOS A lógica de contatos nada mais é do que a ligação que é feita entre os contatos de um circuito de comando elétrico, de modo que este circuito funcione da maneira que desejamos. Especificamente em comandos elétricos, a lógica de contatos implementada adequadamente, é o que permite que o acionamento dos motores elétricos seja feito corretamente em um processo industrial. Atualmente, com a crescente utilização dos Controladores Lógicos Programáveis (CLP), a utilização de lógicas de contatos mecânicas tende a diminuir. Porém, os primeiros acionamentos elétricos eram feitos na sua totalidade por lógicas de contatos eletromecânicos. Além disso, até hoje, pouquíssimas indústrias são totalmente automatizadas, portanto, aindaé possível encontrar com muita facilidade, motores elétricos acionados por chave de partidas eletromecânicas, e que utilizam contatos mecânicos para realizar o acionamento adequado. Ainda, para que seja possível a programação de dispositivos eletrônicos, como os CLPs, por exemplo, é necessário conhecer os tipos de contatos, e como eles funcionam. Portanto, tudo começa aqui, o conhecimento dos tipos de contatos, assim como as lógicas que são implementadas neles. 3 1.1 Contatos normalmente aberto (NA) e normalmente fechado (NF) Primeiramente, vamos entender o que é um contato. Um contato, em comandos elétricos, nada mais é do que uma chave, ou um interruptor. Para compreender melhor, considere um interruptor comum, destes utilizados para a energização de uma lâmpada, como temos em nossa casa. Um interruptor pode estar aberto ou fechado. Se um interruptor está aberto, a corrente elétrica não passa por ele, e, portanto, a lâmpada fica apagada. Se um interruptor está fechado, a corrente elétrica passa por ele, e a lâmpada fica acesa. Em resumo, um contato aberto não permite a passagem da corrente elétrica, enquanto um contato fechado permite a condução de corrente. Mas o que é um contato NA e NF? Bem, vamos lá. Um contato normalmente aberto (NA) ou, em inglês, normally open (NO), é um contato que está inicialmente aberto, e permanecerá assim até que ocorra alguma ação que faça com que ele mude sua posição de aberto para fechado, e permaneça fechado até que a ação que fez com que ele fechasse deixe de existir e o contato volte a abrir. O contato normalmente fechado (NF) ou, em inglês, normally closed (NC), possui a lógica oposta ao do contato NA. Neste caso, trata-se de um contato que está inicialmente fechado, e permanecerá assim até que ocorra alguma ação que faça com que ele mude sua posição de fechado para aberto, e permaneça aberto até que a ação que fez com que ele abrisse deixe de existir e o contato volte a fechar. A ação que faz com que estes contatos mudem de posição é uma força. A origem desta força pode ser uma pessoa pressionando um botão, pode ser a foça de um eletroímã gerado a partir da energização de uma bobina, por exemplo. Em comandos elétricos os contatos normalmente abertos e normalmente fechados possuem uma simbologia padronizada, com pequenas variações. Esta padronização é importante para que em todos os dispositivos que possuam contatos NA e NF utilizem a mesma simbologia, facilitando assim a elaboração dos diagramas lógicos que envolvem estes contatos. Na Figura 1 é apresentada a simbologia utilizada para os contatos NA e NF em comandos elétricos. 4 Figura 1 – Contatos do tipo NA e NF. Fonte: Autoria própria. Na Figura 1, o contato NA é aquele cujos terminais estão designados por _3 e _4, e o contato NF é aquele cujos terminais estão designados por _1 e _2. Esta atribuição não é por acaso. Em circuitos de comandos elétricos todos os terminais de todos os contatos devem ser numerados. E para facilitar a identificação do tipo de contato, padronizou-se que os contatos do tipo NA sempre terminam em 3 ou 4, sendo que o “_” representa outro número qualquer, de 1 a 9. O mesmo acontece para os contatos do tipo NF, a terminação deles é sempre em 1 e 2. Ainda, é necessário identificar a que equipamento eles estão associados, ou seja, se é o contato de um contator ou de um relé, por exemplo. Para contatores se costuma utilizar a letra K seguida do número do contator, para botões se costuma utilizar a letra S, também seguida do número do botão, por exemplo. A Tabela 1 apresenta a numeração que pode ser atribuída aos contatos NA e NF. Tabela 1 – Identificação de contatos NA e NF. CONTATO NA NF 13-14 11-12 23-24 21-22 33-34 31-32 43-44 41-42 53-54 51-52 63-64 61-62 73-74 71-72 83-84 81-82 93-94 91-92 Fonte: Autoria própria. No decorrer da disciplina, à medida que dispositivos forem sendo apresentados, ficará mais claro como é feita a nomeação dos contatos. 1.2 Operação lógica AND A operação lógica AND, ou simplesmente E, é uma operação que nos informa que a saída do sistema só será acionada se todas as entradas forem 5 acionadas. Para entender como está lógica funciona, vamos considerar que a saída é uma lâmpada de sinalização, e as entradas são contatos NA. A Figura 2 apresenta a lógica de uma operação E, com a lâmpada e os contatos NA. Figura 2 – Circuito da lógica de contatos do tipo E. Fonte: Autoria própria. Na Figura 2, os contatos NA1 e NA2 são as entradas, e a lâmpada L é a saída. Quando a lâmpada estiver acesa, significa que ela foi acionada. Para que isso aconteça, os dois contatos NA devem ter seu estado alterado, ou seja, eles devem ser fechados. Perceba que se somente o contato NA1 for fechado, a FASE chegará somente até o contato 13 de NA2, portanto a lâmpada continuará apagada. Da mesma forma que se apenas o contato NA2 for acionado permanecendo o contato NA1 aberto, a FASE não chegará até a lâmpada e ela não acenderá. Portanto, para que a saída seja acionada os contatos NA1 e NA2 devem ser acionados simultaneamente. Por isso esta lógica se chama lógica E. No caso da Figura 2, o NA1 “E” o NA2 devem ser acionados. A Tabela 2 apresenta todas as possíveis situações para a lógica de contatos tipo E, e qual será o estado da saída para cada uma delas. Tabela 2 – Lógica de contatos do tipo E. ENTRADAS CIRCUITO SAÍDA NA1 ABERTO NA2 ABERTO DESLIGADA NA1 ACIONADO NA2 ABERTO DESLIGADA NA1 ABERTO NA2 ACIONADO DESLIGADA NA1 ACIONADO NA2 ACIONADO LIGADA Fonte: Autoria própria. Vale ressaltar que embora o exemplo apresentado leve em consideração somente duas entradas, a lógica E pode ser aplicada a uma lógica de contatos com 3 ou mais entradas, seguindo o mesmo raciocínio de que todas as entradas devem ser acionadas para que a saída seja acionada. 6 1.3 Operação lógica OR A operação lógica OR, ou simplesmente OU, é uma operação que nos informa que a saída do sistema será acionada se uma das entradas for acionada. Para entender como está lógica funciona, vamos considerar que a saída é uma lâmpada de sinalização, e as entradas são contatos NA. A Figura 3 apresenta a lógica de uma operação OU, com a lâmpada e os contatos NA. Figura 3 – Circuito da lógica de contatos do tipo OU. Fonte: Autoria própria. Na Figura 3, os contatos NA1 e NA2 são as entradas, e a lâmpada L é a saída. Quando a lâmpada estiver acesa, significa que ela foi acionada. Para que isso aconteça, apenas um dos contatos NA precisa ter seu estado alterado, ou seja, somente um deles deve ser fechado. Perceba que se somente o contato NA1 for fechado, a FASE chegará até a lâmpada, da mesma forma que se apenas o contato NA2 for acionado a FASE também chegará até a lâmpada e ela acenderá. Portanto, para que a saída seja acionada é necessário que somente um dos contatos, NA1 e NA2, seja acionado, ou que ambos sejam acionados simultaneamente. Por isso esta lógica se chama lógica OU. No caso da Figura 3, o contato NA1 “OU” o contato NA2, ou ambos, deve ser acionado para ligar a lâmpada. A Tabela 3 apresenta todas as possíveis situações para a lógica de contatos tipo OU, e qual será o estado da saída para cada uma delas. Tabela 3 – Lógica de contatos do tipo OU. ENTRADAS CIRCUITO SAÍDA NA1 ABERTO NA2 ABERTO DESLIGADA NA1 ACIONADO NA2 ABERTO LIGADA 7 NA1 ABERTO NA2 ACIONADO LIGADA NA1 ACIONADO NA2 ACIONADO LIGADA Fonte: Autoria própria. Vale ressaltar que embora o exemplo apresentado leve em consideração somente duas entradas, a lógica OU pode ser aplicada a uma lógica de contatos com 3 ou mais entradas, seguindo o mesmo raciocínio de que somente uma das entradas é necessária ser acionada para que a saída seja acionada. 1.4 Operação lógica NOT A operação lógica NOT, ou NEGADO, tem como característicainverter a saída em função da entrada, ou seja, se a entrada for acionada a saída é desligada, e se a entrada não for acionada a saída é ligada. Como exemplo desta operação lógica em comandos elétricos, vamos considerar a entrada como sendo um contado NF e a saída uma lâmpada, conforme mostrado na Figura 4. Figura 4 – Circuito da lógica de contatos do tipo NOT. Fonte: Autoria própria. Na Figura 4 se percebe que em estado normal, ou seja, sem a entrada ser acionada, a lâmpada fica acesa, ou seja, com a saída acionada. Caso a entrada seja acionada, como se trada de um contato NF, ele irá abrir, e, portanto, a lâmpada será desligada, ou seja, a entrada e a saída sempre serão opostas. A Tabela 4 apresenta as duas situações possíveis para a lógica de contatos NOT. Tabela 4 – Lógica de contatos do tipo NOT. ENTRADAS CIRCUITO SAÍDA NF ACIONADO DESLIGADA NF NÃO ACIONADO LIGADA 8 Fonte: Autoria própria. 1.5 Operação lógica NAND e NOR As lógicas AND, OR e NOT estudadas anteriormente são as mais comuns. Entretanto, existem outras operações lógicas que também podem ser utilizadas em lógicas de contatos, que são as lógicas NAND e NOR, mostradas a seguir. • Operação lógica NAND A operação lógica NAND, ou NÃO E, adaptado para a língua portuguesa, é o inverso da operação lógica E, ou seja, para que a saída seja acionada, basta que nenhuma, ou apenas uma das entradas esteja acionada. Já para que a saída seja desligada é necessário que as duas entradas sejam acionadas. A Figura 5 mostra uma operação lógica do tipo NAND, tendo contatos NF como entradas, e uma lâmpada como saída. Figura 5 – Circuito da lógica de contatos do tipo NAND. Fonte: Autoria própria. Para entender a lógica da operação NAND, a Tabela 5 apresenta todas as combinações possíveis de entradas, e o estado da saída para cada uma delas. Tabela 5 – Lógica de contatos do tipo NAND. ENTRADAS CIRCUITO SAÍDA NF1 NÃO ACIONADO NF2 NÃO ACIONADO LIGADA NF1 ACIONADO NF2 NÃO ACIONADO LIGADA NF1 NÃO ACIONADO NF2 ACIONADO LIGADA NF1 ACIONADO NF2 ACIONADO DESLIGADA Fonte: Autoria própria. 9 Pela análise dos circuitos da Tabela 5 fica evidente que para que a FASE seja completamente interrompida e não chegue até a lâmpada é necessário que as duas entradas sejam acionadas, ou seja, que os dois contatos NF sejam acionados. • Operação lógica NOR A operação lógica NOR, ou NÃO OU, adaptado para a língua portuguesa, é o inverso da operação lógica OU, ou seja, para que a saída seja desligada, basta que apenas uma das entradas esteja acionada, ou que todas estejam acionadas. Já para que a saída seja ligada é necessário que nenhuma das entradas seja acionada. A Figura 6 mostra uma operação lógica do tipo NOR, tendo contatos NF como entradas, e uma lâmpada como saída. Figura 6 – Circuito da lógica de contatos do tipo NOR. Fonte: Autoria própria. Para entender a lógica da operação NOR, a Tabela 6 apresenta todas as combinações possíveis de entradas, e o estado da saída para cada uma delas. Tabela 6 – Lógica de contatos do tipo NOR. ENTRADAS CIRCUITO SAÍDA NF1 NÃO ACIONADO NF2 NÃO ACIONADO LIGADA NF1 ACIONADO NF2 NÃO ACIONADO DESLIGADA NF1 NÃO ACIONADO NF2 ACIONADO DESLIGADA NF1 ACIONADO NF2 ACIONADO DESLIGADA Fonte: Autoria própria. Pela análise dos circuitos da Tabela 6, fica evidente que para que a FASE seja completamente interrompida e não chegue até a lâmpada é necessário que somente uma ou as duas entradas sejam acionadas, ou seja, que os dois contatos NF sejam acionados. Como se trata de um circuito série, basta que um dos contatos fique aberto para que a lâmpada desligue. 10 1.6 Contatos de selo O contato de selo é um contato NA, que tem como objetivo manter uma saída acionada mesmo após a extinção da ação que levou ao acionamento da saída. Como exemplo, considere o circuito da Figura 7. Figura 7 – Etapas de funcionamento de um contato de selo. Fonte: Autoria própria. Na Figura 7 o contato NA atribuído à lâmpada, designado por L, fica ligado em paralelo ao contato NA1 (Etapa 1). Assim que o conato NA1 é acionado ele fecha, e aplica a FASE à lâmpada fazendo com que ela seja ligada (Etapa 2). Como o contato normalmente aberto L, é referente à lâmpada, assim que ela é acionada o contato irá fechar. Assim que o contato L se fecha, a FASE passa por ele e fica diretamente aplicada ao terminal da lâmpada mantendo-a energizada mesmo que o contanto NA1 volte a sua posição original (Etapa 3). 1.7 Contato de intertravamento O contato de intertravamento é um contato NF, que tem como objetivo impedir que uma saída seja acionada quando outra já estiver acionada. Em outras palavras, o contato de intertravamento tem a função de impedir que duas ou mais saídas não sejam acionadas simultaneamente. Como exemplo, considere o circuito da Figura 8. 11 Figura 8 – Etapas de funcionamento de um contato de intertravamento. Fonte: Autoria própria. A Figura 8 ilustra o funcionamento de um contato de intertravamento. Nele, está sendo considerado que as saídas L1 e L2 não podem ser acionadas simultaneamente (Etapa 1). Portanto, conforme é mostrado, ao acionar a entrada NA1, a lâmpada L1 será acionada (Etapa 2). Como a lâmpada L1 possui o contato auxiliar normalmente fechado L1, ao ser energizada este contato irá abrir. Dessa forma, mesmo que o contato NA2 seja acionado a lâmpada L2 não será acionada, pois o contato normalmente fechado de L1, que está em série com L2, impedirá a energização da lâmpada (Etapa 3). A lâmpada L2 só poderá ser energizada quando a lâmpada L1 for desligada, fazendo com que o contato normalmente fechado de L1 volte a sua posição original. O mesmo aconteceria se com o circuito na Etapa 1, o contato NA2 fosse acionado. A lâmpada L2 seria energizada, e a lâmpada L1 só poderia ser acionada se antes a lâmpada L2 fosse desligada. TEMA 2 – DISPOSITIVOS DE ACIONAMENTO Deixando de lado os dispositivos programáveis, como os CLPs, todos contatos e lógicas que vimos até aqui são implementados por chaves físicas, mecânicas ou eletromecânicas. Essas chaves podem ter diferentes formas e exercer desde funções básicas, como ligar ou desligar um circuito, ou assumir funções bem específicas na operação de procedimentos dentro de uma linha industrial, como a partida de motores ou uma parada de emergência, por exemplo. Conforme a aplicação, as chaves são adaptadas para o manuseio e função e neste tema veremos os principais dispositivos utilizados em acionamentos elétricos. 2.1 Botoeiras A botoeira é um nome genérico dado a um botão de uso industrial, que é acionado manualmente para enviar um comando a um circuito elétrico. Há vários tipos de botoeiras, como botões de emergência, botões de duas posições, botões com trava, mas o mais comum em comandos elétricos é o botão pulsador ou botão de impulso. A Figura 9 mostra alguns dos principais tipos de botoeiras encontradas nos painéis elétricos industriais. 12 Figura 9 – Exemplo de botões utilizados nos painéis elétricos industriais. Fonte: . O botão de impulso é assim chamado, pois altera o status dos contatos apenas enquanto está sendo pressionado. Ao parar de pressioná-lo, os contatos voltam para o estado inicial. Este será o tipo de botoeira que adotaremos em praticamente toda a disciplina, quando considerarmos que houve um comando enviado ao pressionar um botão. Um botão pulsador pode ter um ou mais contatos, seja NA ou NF, e a sua construção física é modular, permitindo que adicionemos módulos adicionais de contatos, que chamamos de contatos auxiliares. A Figura 10, mostras as partes constituintes deste botão. Embora todas as partes sejam indispensáveis, o destaque deve ser dado aos contatos auxiliares NA e NF. Figura 10 – Partes constituintes de uma botoeira de impulso. Fonte:Adaptado de www.margirius.com.br/blog/o-que-sao-botoeiras-e-para-que-servem. Acessado em 24 de agosto de 2023. Ele pode ser montado com contatos encadeados, sendo eles NA e NF, somente contatos NA ou somente contatos NF, e com quantos contatos forem necessários. Teoricamente, não há um limite para o número de contatos. A simbologia utilizada em comandos elétricos para representar uma botoeira é mostrada na Figura 11. Botão de impulso Botão de emergência Chave rotativa 13 Figura 11 – Simbologia utilizada para botoeiras. Fonte: Autoria própria. Note que se utiliza a letra S para indicar uma botoeira, do inglês, switch, que significa chave. Perceba ainda, que há a indicação dos contatos NA e NF, respeitando a numeração já estudada, em que os dígitos finais 3 e 4 correspondem a um contato NA (13-14) e os finais 1 e 2 designam um contato NF (11-12). No caso de haver mais de um contato NA ou NF, atribuímos os numerais de 1 a 9 para o primeiro dígito. Neste caso eles seriam denominados 23-24, 33- 34, 43-44 e assim por diante para os contatos NA, e 21-22, 31-32, 41-42 e assim por diante para os contatos NF. Entretanto, pode ser usada qualquer numeração, desde que terminada em 3 e 4 para NA e 1 e 2 para NF. As cores utilizadas nos botões podem representar funções específicas, como mostra a Tabela 7. Tabela 7 – Aplicação das cores em botões conforme a função. FUNÇÕES COR PREFERENCIAL COR OPCIONAL OBSERVAÇÕES Partir / Ligar O vermelho não é permitido para esta função. Parada ou desligamento de emergência --- Um botão vermelho com fundo amarelo só deve ser utilizado na função de parada de emergência. Parar / Desligar O verde não é permitido para esta função. O vermelho é permitido, desde que não esteja próximo a um botão de emergência. Reinicializar --- O verde não é permitido para esta função. Iniciar condição anormal --- Um exemplo de condição anormal é pular etapas ou interromper um ciclo automático de operação. Fonte: Autoria própria. 2.2 Contatores Os contatores são os principais dispositivos para o acionamento de motores elétricos. Eles são responsáveis pela energização e desenergização do motor permitindo que a corrente elétrica proveniente da fonte de alimentação 14 chegue até o motor. Isso significa que este dispositivo possui uma estrutura robusta, capaz de abrir ou fechar os seus contatos sob carga, evitando a formação de arco elétrico. Existem contatores de vários tamanhos, sendo que o tamanho está diretamente relacionado à capacidade de corrente que ele suporta. A Figura 12 apresenta alguns exemplos de contatores. Figura 12 – Exemplos de contatores de diferentes tamanhos e formatos. Fonte: . Também conhecido como chave magnética, o contator é um dos dispositivos mais populares nas instalações industriais, principalmente para sistemas automatizados, isto porque este equipamento opera como uma chave comanda remotamente. Isso é possível porque um contator possui uma bobina interna que atrai a parte móvel do dispositivo, abrindo e fechando os seus contatos. Além da bobina, um contator possui os contatos de força, os contatos auxiliares e os contatos de comando, que alimenta a bobina. Ao aplicarmos tensão aos terminais da bobina, criamos um eletroímã na parte fixa, que vai atrair o núcleo da parte móvel e juntamente com ele, os contatos. Assim, os contatos irão mudar seu estado, ou seja, os contatos NA vão fechar e os contatos NF abrem. Esta situação permanece até que a bobina seja desenergizada. Quando isso acontecer, uma mola existente no interior do contator vai empurrar a parte móvel, fazendo com que o conjunto volte para a sua posição inicial, como mostrado na 13. 15 Figura 13 – Partes internas de um contator e o funcionamento básico. Fonte: Autoria própria. De modo geral, os contatos de força são indicados pelos terminais 1, 3 e 5 (L1, L2 e L3) e 2, 4, e 6 (T1, T2 e T3). Os terminais L1, L2 e L3 são de entrada de linha, ou seja, são conectados às fases que alimentarão o motor, enquanto os terminais T1, T2 e T3 são os contatos de saída, que vão para o motor. Os contatos auxiliares são representados pela numeração já estudada, em que o final 3 e 4 corresponde ao contato NA e o final 1 e 2, um contato NF. Os terminais A1 e A2 estão interligados à bobina interna, portanto devem ser alimentados com uma tensão de comando, tipicamente 12 V ou 24 V. Os terminais e a simbologia utilizada em projetos, são representados na Figura 14. Figura 14 – Identificação dos terminais e a simbologia utilizada para contatores. Fonte: Autoria própria. 16 Note que todos os símbolos estão recebendo a letra K, isso significa que os contatos são dependentes da bobina K, ou seja, assim que a bobina for energizada todos os contatos mudarão de estado. Alguns contatores possuem somente contatos de força. Nestes casos, os fabricantes disponibilizam blocos de contato auxiliares, que são acoplados mecanicamente ao contator, de modo que operem juntamente com os contatos de força. Como exemplo, a Figura 15 apresenta os contatores com seus respectivos blocos de contatos auxiliares. Figura 15 – Contatores trifásicos com blocos de contatos auxiliares acoplados na face frontal. Fonte: . TEMA 3 – DISPOSITIVOS DE MANOBRA Interrupções programadas ou não programadas, emergências, isolamento de um grupo de cargas, partidas e desligamentos de motores, troca de uma fonte de energia, são algumas das situações que requerem um procedimento ou uma sequência de passos que chamamos de “manobra”. Para termos práticos, as manobras dependem de dispositivos capazes de interromper e restabelecer a energia de um circuito elétrico. Dentre os muitos dispositivos de manobra, iremos estudar a chave rotativa e o disjuntor-motor, que são os mais populares no assunto da nossa aula: acionamento de motores elétricos. 3.1 Chave rotativa Os termos chave, interruptor e seccionador, intuitivamente, nos passa a ideia de abertura ou descontinuidade de um circuito, mas a norma NBR 6935 estabelece uma definição técnica para cada um. 17 O termo chave é mais genérico e pode estar associado a alguma aplicação específica, como chave fusível ou chave seccionadora. Por definição, chave é um dispositivo mecânico de manobra que, na posição aberta, garante a interrupção da corrente elétrica e o isolamento entre os contatos. Já na posição fechada, deve ser capaz de manter a continuidade da corrente nas condições normais de operação. Os termos seccionador e interruptor diferem em função das condições da corrente no ato de abertura do circuito. Um seccionador pode ser definido como um dispositivo mecânico de manobra capaz de abrir e fechar um circuito elétrico, desde que a corrente no ato de abertura seja nula ou desprezível. Já um interruptor deve ser capaz de abrir e fechar um circuito elétrico com a presença de uma corrente nominal e ainda resistir aos esforços decorrentes da abertura. As chaves rotativas são dispositivos que, conforme a construção física, podem operar como chave interruptora, seccionadora, ou ainda, seletora. Este tipo de chave geralmente é utilizado na parte externa dos painéis elétricos, para que não seja necessário abrir o painel para ligar ou desligar uma carga. Figura 16 – Aplicação de chaves rotativas em painéis elétricos. Fonte: . As chaves rotativas assumem funções bastante comuns em uma instalação industrial, dentre as principais aplicações está a chave seletora ou comutadora, que tem a função de controlar o fluxo de corrente de um circuito, por meio de uma manopla mecânica manual. 18 Figura 17 – Exemplos de chaves rotativas seletoras para diferentes funções. Fonte: https://library.e.abb.com/public/5bdbc70ba6ce217083257afb004f515d/Chaves%20Rotativas.pdf. Acessado em 27 de agosto de 2023. As chavesseletoras podem ter um ou mais contatos secundários e, como o próprio nome sugere, permite a seleção de um dos estados da chave. A Figura 18 apresenta um exemplo de chave seletora de 3 posições e sua simbologia em diagramas de comandos e acionamentos elétricos. Figura 18 – Chave seletora de 3 posições e sua simbologia. Fonte: Autoria própria. 3.2 Disjuntor-motor Todos os dispositivos que estudamos até aqui, possuem contatos auxiliares para que um sinal possa ser enviado aos sistemas de controle, gerando alertas e ações previstas na lógica de comando. O disjuntor-motor é um misto de dois equipamentos, sendo um tipo de interruptor que permite a abertura do circuito sob carga, usado como liga e desliga de motores elétricos, além de oferecer a proteção contra uma corrente de sobrecarga ou curto-circuito, como um fusível ou disjuntor convencional. Para permitir a realização de manobras com carga é necessário que as propriedades de isolação sejam garantidas, para evitar acidentes com os usuários. O dispositivo vem equipado com botões start e stop ou com uma chave seletora para fazer a manobra de liga e desliga manualmente, como mostra a Figura 19, além disso, a maioria dos modelos permitem o ajuste da corrente de atuação. 19 Ainda existe a possibilidade de serem acoplados os contatos auxiliares NA e NF, que irão auxiliar no funcionamento da lógica de contatos desejada. Figura 19 – Exemplos de disjuntor-motor com chave rotativa e botões start-stop. Fonte: . A Figura 20 mostra a simbologia utilizada para o disjuntor-motor diagramas de comandos elétricos. A letra Q é a mais comum para a indicação do disjuntor-motor, mas a sigla DJ também é encontrada em alguns casos. Assim como nos contatores, os contatos de força são indicados pelos terminais de 1 a 6, sendo que os terminais 1, 3 e 5 são de entrada de linha, enquanto os terminais 2, 4 e 6 são os contatos de saída, que vão para o motor. Figura 20 – Simbologia utilizada para o disjuntor-motor. Fonte: Autoria própria. TEMA 4 – DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO Os dispositivos de proteção elétrica têm a função elementar de aumentar impedir ou atenuar os efeitos de uma sobrecarga que venha a gerar danos às instalações elétricas ou cargas elétricas. O aquecimento de um condutor sobrecarregado pode tanto danificar um motor elétrico como dar início a um incêndio. Mas o que é exatamente uma sobrecarga? A sobrecarga é um crescimento da corrente do circuito, acima do valor nominal e este aumento, em motores elétricos, pode ter várias razões. Quando colocamos uma carga mecânica maior que a nominal no eixo do motor, a 20 corrente elétrica drenada também será maior, com o propósito de atender à demanda mecânica. Sendo assim, uma falha mecânica que gere o travamento do eixo, levará a um crescimento repentino da corrente, resultando em grande sobrecarga ao circuito elétrico e até mesmo danos severos ao motor, se não interrompido. As bobinas internas de um motor são feitas de fios de cobre esmaltados e galvanicamente isolados, no entanto, ao sofrerem aquecimento severo, o esmalte pode perder a sua função isolante. Falhas na isolação causadas por aquecimento dos condutores, são as principais causas de curtos-circuitos em motores elétricos. Pensando na proteção das instalações e das cargas elétricas, em especial, os motores elétricos, adotamos dispositivos de proteção capazes de limitar correntes de sobrecarga ou interromper a corrente de um curto-circuito. Os principais dispositivos de proteção usados para este fim são os fusíveis e o relé de sobrecarga, também chamado de relé térmico. A seguir será realizado o estudo sobre cada um deles. 4.1 Fusíveis Os fusíveis têm a função de proteger o motor elétrico contra correntes de curto-circuito. Um curto-circuito é caracterizado por uma grande elevação de corrente em um intervalo de tempo muito pequeno, normalmente na faixa de micro ou milissegundos. Estas correntes são ocasionadas quando há o contato indevido de partes da instalação elétrica, como por exemplo, o contato direto dos condutores fase e neutro ou entre um condutor de fase e a carcaça do motor, que está aterrada. Um fusível, de modo geral, é composto por um corpo externo que abriga o elo fusível, que é um condutor de seção reduzida, projetado para suportar um valor específico de corrente. O elo fusível é feito de uma liga metálica que se funde quando a corrente conduzida é superior a um valor pré-definido, interrompendo o circuito. Além disso, o tempo de ruptura varia de acordo com o material, fazendo com que tenham diferentes modos de atuação. Apesar da interrupção do elo fusível, a corrente ainda pode ser mantida por arco elétrico no interior do fusível, em função de uma elevada diferença de potencial, por isso os fusíveis podem ser classificados pelas seguintes características: 21 • Corrente nominal (𝑰𝑰𝑵𝑵): corresponde ao valor da corrente nominal, em que o circuito opera normalmente, sem haver a atuação do fusível; • Capacidade de interrupção: esse é o valor máximo de corrente que o fusível é capaz de interromper. Correntes superiores a esse valor, poderão ser mantidas através de arco elétrico no interior do dispositivo; • Corrente convencional ou corrente de atuação (𝑰𝑰𝟐𝟐): trata-se do valor de corrente que provocará o rompimento do elo fusível. A ruptura deverá ocorrer dentro de um tempo determinado, chamado de “tempo convencional”; • Curva de atuação: representa graficamente a relação entre a corrente conduzida pelo fusível e o tempo de condução. Nesse quesito, os fusíveis podem ser rápidos ou retardados, como mostra a Figura 21. Figura 21 – Comparação entre a curva de atuação de um fusível rápido e um retardado. Fonte: Adaptado de NERY e KANASHIRO, 2014. Na partida de um motor elétrico, se não for usado um dispositivo de partida suave, a corrente drenada pode chegar de 8 a 10 vezes a corrente nominal. Em função disso, a atuação dos fusíveis não pode ser muito rápida. Em comandos elétricos normalmente são utilizados dois tipos de fusíveis: os do tipo D, chamados de diametral ou diazed, e os do tipo NH, conhecidos como fusíveis do tipo faca. A seguir vamos falar especificamente sobre cada um deles. Os fusíveis do tipo diametral são recomendados para correntes nominais entre 2 A e 63 A, onde a tensão é de até 500 V podendo chegar a 750 V dependendo do fabricante, e sua capacidade de interrupção pode variar entre 50 kA e 70 kA. A Figura 22 apresenta um exemplo de um fusível diametral e as suas partes, além da aplicação em um painel elétrico. Na figura, o número 1 é a base de fixação, o número 2 é a tampa do fusível e o número 3 é o próprio fusível. 22 Figura 22 – Partes constituintes do fusível diazed e sua aplicação em um painel elétrico. Fonte: . Os fusíveis do tipo NH são recomendados para corrente nominais entre 6 A e 630 A (podendo chegar a 1250 A dependendo do fabricante), onde a tensão é de até 500 V, podendo chegar a 690 V. A sua capacidade de interrupção é maior em relação aos fusíveis diazed, podendo chegar a 120 kA. A Figura 23 apresenta um exemplo de um fusível do tipo NH. Figura 23 – Exemplo de um fusível do tipo NH e sua aplicação em um porta-fusível. Fonte: . Independentemente do tipo de fusível, a simbologia é a mesma, conforme representada na Figura 24, e são representados pela letra F. Figura 24 – Simbologia utilizada para fusíveis. Fonte: Autoria própria. 4.2 Relé de sobrecarga Também conhecido como relé térmico ou relé bimetálico, o relé de sobrecarga recebe este nome por ser um dispositivo responsável por detectar uma condição de sobrecarga no circuito que alimenta o motor. 1 2 3 23 Conforme já vimos anteriormente, a sobrecarga típica de um ambiente industrial não é de origem elétrica, por falha de dimensionamento, e sim mecânica.Um motor elétrico é projetado para promover uma certa rotação, dada em função da carga mecânica no seu eixo. Quanto maior a força feita para rotacionar o eixo, maior será a corrente drenada da rede elétrica. A detecção de sobrecarga de forma recorrente, pode ajudar a diagnosticar falhas de manutenção, como nos rolamentos do motor, por exemplo. Um travamento de eixo pode causar uma sobrecorrente capaz de danificar os condutores do motor e da instalação, se não for interrompida rapidamente. Figura 25 – Exemplo de relé de sobrecarga. Fonte: . O funcionamento deste dispositivo está baseado no mesmo princípio térmico dos disjuntores, ou seja, a detecção de correntes de sobrecarga é feita através de lâminas bimetálicas, que se curvam com o aquecimento provocado pela corrente elétrica elevada e aciona a alavanca que muda o estado dos contatos. Apesar de haver um acionamento dos contatos auxiliares, este tipo de relé não possui uma estrutura de seccionamento, portanto, ele não é capaz de interrompe o circuito de força, mas a comutação dos contatos auxiliares pode ser utilizada para disparar outro dispositivo de seccionamento. Por isso a forma utilização do relé de sobrecarga é acoplado ao contator, como mostra a Figura 26. Em função do sinal de comando enviado pelos contatos auxiliares do relé, o contator fará a abertura dos contatos de força. 1 3 5 2 4 6 Seletor da corrente de atuação Contato NA Contato NF Seletor de rearme (manual ou autom.) 24 Figura 26 – Conexão entre o relé de sobrecarga e o contator e módulos de contatos auxiliares. Fonte: . No relé de sobrecarga a indicação dos contatos de força é idêntica a dos contatores, entretanto, há uma mudança nos contatos auxiliares. Os relés de sobrecarga normalmente possuem um contato auxiliar NA, indicado pelos números 97 e 98, e um contato auxiliar NF, indicado pelos números 95 e 96. A Figura 27 apresenta a simbologia utilizada para o relé de sobrecarga e seus contatos auxiliares em comandos elétricos. A sigla RT é utilizada para se referir ao relé de sobrecarga, entretanto, é comum encontrar a letra F para a representação deste dispositivo. Figura 27 – Conexão entre o relé de sobrecarga e o contator e módulos de contatos auxiliares. Fonte: Autoria própria. TEMA 5 – DISPOSITIVOS AUXILIARES Além dos dispositivos de comando e proteção que vimos até aqui, existem muitos outros elementos que são utilizados no segmento de acionamentos elétricos com funções auxiliares. Dentre as muitas opções, vamos destacar aqui os mais utilizados e os de funções mais importantes, são eles: temporizadores, e sinalizadores. Relé de sobrecarga Contator Módulo de contatos auxiliares para contatores 25 5.1 Temporizadores Algumas aplicações requerem ações temporizadas. Considere uma situação hipotética em que se deseja inverter as fases de um motor elétrico para fazer a reversão da rotação. Neste caso, o contator K1 ligas as fases A, B e C na carga, nesta ordem, já o contator K2 liga as fases C, B e A à carga, como mostra a Figura 28. Figura 28 – Esquema de inversão de fases de um motor elétrico. Fonte: Autoria própria. Note que se houver uma comutação simultânea de K1 e K2, as fases A e C estarão em curto. Para evitar uma falha como essa, um temporizador pode ser inserido no sistema, de modo que após a abertura de K1, abra-se uma contagem e, ao final, seja comutado o K2. Os temporizadores são dispositivos de comando, ou seja, não farão o seccionamento do circuito de força e sim, farão a comutação dos contatos auxiliares (NA ou NF) para que sejam utilizados na lógica de contatos. Sendo assim, á bastante comum o uso dos temporizadores associado aos contatores que farão a conexão com a carga ou circuito. Existem vários tipos de relés temporizadores. Em comandos elétricos para o acionamento de motores elétricos os mais utilizados são o relé temporizador com retardo na energização e o relé temporizador para partida estrela-triângulo. Estes dois tipos serão apresentados a seguir. • Relé temporizador com retardo na energização É um relé que possui um contato normalmente aberto e fechado (NAF), identificados por 15-16 (NF) e 15-18 (NA). Alguns modelos possuem dois contatos NAF, sendo o segundo identificado por 25-26 (NF), e 25-28 (NA). Após 26 a energização dos terminais, o relé espera passar o tempo ajustado, e então fecha o contato NA. A Figura 29 apresenta o aspecto físico de um relé temporizador com retardo na energização, além do diagrama de tempo dos contatos. Figura 29 – Relé temporizador com retardo na energização e diagrama de tempo. Fonte: https://static.weg.net/medias/downloadcenter/h45/hb9/WEG-automation-electronic- relays-50058082-en.pdf. Acessado em 27 de agosto de 2023. A simbologia utilizada para o relé temporizador com retardo na energização é mostrada na Figura 30. Figura 30 – Simbologia utilizada para o relé temporizador com retardo na energização. Fonte: Autoria própria. • Relé temporizador para chave de partida estrela-triângulo Este relé temporizador foi desenvolvido pelos fabricantes para atender especificamente as chaves de partida estrela-triângulo, que são largamente utilizadas na indústria. Este temporizador possui os terminais de alimentação (A1, A2 e A3) e sempre dois contatos NAF, sendo numerados como 15-16 (NF) e 15-18 (NA) para energizar o motor em estrela, e 25-26 (NF) e 25-28 (NA) para energizar o motor em triângulo. O funcionamento deste relé inicia a partir do instante em que os terminais de alimentação são energizados. No instante em que eles são energizados, o contato NA 15-18 fecha, e se inicia a contagem de tempo, e após finalizar a contagem do tempo ajustado, o contato 15-18 volta a sua posição original, ou seja, ele abre. Então o relé aguarda 100 ms, para então fechar o contato NA 25- 27 28. Após isso, o os contatos permanecerão nesta posição, até que os terminais de alimentação sejam desenergizados. A Figura 31 apresenta o aspecto físico de um relé temporizador com retardo na energização, além do diagrama de tempo dos contatos. Figura 31 – Relé temporizador para chave de partida estrela-triângulo e diagrama de tempo. Fonte: https://static.weg.net/medias/downloadcenter/h45/hb9/WEG-automation-electronic- relays-50058082-en.pdf. Acessado em 27 de agosto de 2023. A simbologia utilizada para o relé temporizador para chave de partida estrela-triângulo é mostrada na Figura 32. Figura 32 – Simbologia utilizada para o relé temporizador para chave de partida estrela- triângulo. Fonte: Autoria própria. 5.2 Sinalizadores Os sinalizadores fazem a interface com os operadores de circuitos elétricos e usuários em geral. Estes dispositivos podem ser usados como medida de segurança e alerta, para que um operador saiba identificar com maior facilidade quando alguma situação específica ocorreu, além disso, podem servir como indicadores de status de algum processo. Existem muitas formas distintas de sinalizadores, podendo ser tanto sinais luminosos, como sonoros (buzzer), como mostra a Figura 33. 28 Figura 33 – Exemplos de sinalizadores luminosos e sonoros e sua simbologia. Fonte: https://www.metaltex.com.br/produtos/automacao/sinalizadores. Acessado em 27 de agosto de 2023. Assim como nos botões, as cores utilizadas nos sinalizadores podem representar funções específicas, como: Vermelho Alerta ou perigo máquina parada ou atuação do sistema de emergência Verde Máquina OK pronta para trabalhar ou já está em operação Amarelo Alerta ou falha valores próximos do máximo ou em risco de falha Branco Indicador de circuitos circuito energizado, pronto para operar Azul Função extra qualquer função diferente das demais cores Figura 34 – Exemplos de aplicação dos sinalizadores luminosos em um painelelétrico. Fonte: . 29 FINALIZANDO Agora, quando entrar em um ambiente industrial e ter acesso às instalações elétricas, não terá mais dúvidas do que são todos os dispositivos ali instalados. Nesta aula, fizemos um resumo geral dos principais dispositivos utilizados nos painéis elétricos de comandos e acionamentos de motores elétricos, começando pela lógica de contatos, os dispositivos de acionamentos, de manobra, de proteção e finalizando com os com os temporizadores e sinalizadores como dispositivos auxiliares. REFERÊNCIAS CREDER, H. Instalações Elétricas. Atualização e revisão Luiz Sebastião Costa, 16 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. FRANCHI, C. M. Sistemas de acionamento elétrico. 1ª ed. São Paulo: Érica, 2014. NERY, N; KANASHIRO, N. M. Instalações Elétricas Industriais. 2 ed. São Paulo: Érica, 2014. PETRUZZELA, F. D. Motores elétricos e acionamentos. Porto Alegre: AMGH, 2013. MÁQUINAS E ACIONAMENTOS ELÉTRICOS AULA 3 Profa. Maria Aline Gonçalves CONVERSA INICIAL Olá, seja bem-vindo(a) novamente. Na aula anterior, estudamos os principais dispositivos utilizados para acionamentos e comandos elétricos, mas agora iniciaremos o estudo das técnicas de partidas, aplicadas a motores elétricos. Especificamente nesta aula será abordada a chave de partida direta. Serão apresentados os circuitos de força e de comando, assim como a descrição do funcionamento dos circuitos e suas características. Vamos lá? Tenha uma ótima leitura. TEMA 1 – PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Os motores elétricos podem ser submetidos a alguns métodos de partida em instalações elétricas. Cada partida é aplicada em função de alguns critérios pré-estabelecidos, dentre eles, podemos citar a potência do motor e a característica da carga, por exemplo. Vale ressaltar que não existe uma regra que defina qual partida usar, em função da potência do motor, se será do tipo estrela-triângulo ou eletrônica, por exemplo. Cada indústria é responsável pode definir qual tipo de partida será aplicada aos seus motores, mas um dos principais fatores que implica na escolha da chave de partida, é a relação Ip por In, que matematicamente é escrita como sendo: 𝐼𝐼𝑝𝑝 𝐼𝐼𝑛𝑛 = 𝑚𝑚 (1) Esta relação indica quantas vezes a corrente de partida (Ip) é maior que a corrente nominal do motor (In). Por exemplo, se a corrente nominal de um motor for igual a 22,3 A, e m for igual a 6,8, então significa que a corrente de partida deste motor pode ser de até 151,64 A. Quando há um pico de corrente muito acentuado em uma instalação, pode haver uma queda de tensão que venha a danificar outros equipamentos, ou causar mau funcionamento. Por este motivo a escolha de outros tipos de partida pode ser conveniente. No caso de uma partida direta, onde o motor é diretamente energizado a partir da fonte de alimentação, se ele estiver com carga mecânica nominal 3 aplicada ao eixo, no instante da partida, o motor pode absorver o valor integral da corrente de partida. E por que a corrente de partida é tão alta? Isto ocorre porque no instante em que o motor é energizado ele está em repouso. Para retirar o rotor da inércia é necessária uma grande quantidade de energia, e o motor absorve esta energia da rede elétrica. Se adotarmos a Equação 2, abaixo, 𝑃𝑃 = 𝑉𝑉 ∙ 𝐼𝐼 (2) podemos verificar que a tensão é uma grandeza estática nesta equação, portanto a corrente sofrerá a variação necessária para alcançar a potência nominal do motor. À medida que o motor vai ganhando velocidade, a corrente do motor diminui, pois ele a usa para tirar o rotor da inércia e depois acelerar o motor. Sendo assim, os dispositivos de proteção devem estar dimensionados corretamente para que não atuem durante a partida. Como mencionado anteriormente, não há uma definição da potência máxima que se pode utilizar esta partida. Por uma questão de bom senso, grande parte das indústrias, opta por utilizar este tipo de partida para motores de até 5 CV ou 10 CV no máximo. Sendo assim, entre as características da chave de partida direta, pode-se citar: • Destinada a motores de baixa potência; • Não reduz a corrente de partida do motor; • O motor pode ser ligado em estrela ou triângulo; • A tensão da rede deve ser a mesma da tensão de ligação do motor; • Elevado torque de partida; • Custo e volume físico reduzido; • Simplicidade de implementação. No caso de este tipo de partida ser aplicada a motores de elevada potência, vão existir desvantagens, como por exemplo • Acentuada queda de tensão na instalação; • Sobre dimensionamento do sistema de acionamento e proteção; • Imposição das concessionárias de energia, limitando a queda de tensão aceitável. 4 1.1 Alternativas Para contornar os problemas da chave de partida direta, existem várias soluções com o objetivo de reduzir esta corrente de partida. Várias delas serão abordadas nas aulas seguintes desta disciplina, mas aqui vamos apenas citar as principais características que influenciam na corrente de partida. • Partida estrela-triângulo Na partida estrela-triângulo, o motor é preparado inicialmente para receber a maior tensão, com sua ligação feita em estrela, mas a tensão aplicada é referente a ligação em triângulo, sendo assim, haverá uma redução na corrente de partida do motor, mas também no torque da partida. Nesta topologia, a corrente de partida fica reduzida a 1/3 da corrente da partida direta. • Partida compensadora Este tipo de partida utiliza um transformador para reduzir a tensão de partida e, consequentemente, o torque e a corrente de partida. O transformador utilizado possui derivações ou taps, que aumentam a tensão de partida progressivamente. Normalmente os taps possuem tensões de 50%, 65% e 80% do valor nominal, mas nada impede que sejam utilizados transformadores com tensões diferentes destas. Cada tap reduz, tanto o torque, quanto a corrente de partida em uma determinada porcentagem: o Tap em 50%, o torque e a corrente de partida é 25% da partida direta; o Tap em 65% o torque e a corrente de partida é 42% da partida direta; o Tap em 80% o torque e a corrente de partida é 64% da partida direta. • Partidas eletrônicas Além das partidas eletromecânicas, os motores de indução podem ser acionados por partidas eletrônicas. São duas as partidas eletrônicas mais comuns, a partida por meio de soft-starter e por inversores de frequência. Se focarmos apenas na partida do motor, então nosso estudo recairá sobre as soft- starters, isso porque os inversores de frequência possuem mais funções e opções de controle, enquanto a soft-starter é destinada apenas a partida do motor. As soft-starters são dispositivos eletroeletrônicos que permitem controlar a rampa de aceleração do motor, controlando também a sua tensão ou a sua corrente, até que seja atingida a velocidade nominal do motor. Alguns modelos 5 permitem que a tensão inicial seja nula, de modo que a curva de partida do motor se assemelhe muito à curva de partida do motor quando se utiliza um inversor de frequência. Para efeito de comparação, a Figura 1 apresenta um gráfico comparativo entre as correntes de partida do motor, em função do tempo e do tipo de chave utilizada. Figura 1 – Comparativo entre a corrente de partidas de motores de indução trifásicos. Fonte: Adaptado de OLIVEIRA, João B. et al. Na Figura 1, a corrente de partida direta inicia com valor máximo e, à medida que o tempo passa, a corrente estabiliza na corrente nominal, In. Na curva da partida estrela-triângulo, notadamente há uma redução da corrente de partida e no momento da comutação de estrela para triângulo há um elevado pico de corrente, mas de curta duração. Por fim, nas curvas das partidas eletrônicas, nota-se uma semelhança bastante grande, com uma pequena divergênciano final da curva, em que a soft-starter possui uma corrente maior que a do inversor de frequência. TEMA 2 – CHAVE DE PARTIDA DIRETA Agora que conhecemos as características gerais das partidas de motores, vamos estudar mais especificamente a chave de partida direta nesta aula. 1.1 Circuito de força A Figura 2 apresenta o circuito de força da chave de partida direta. 6 Figura 2 – Circuitos de força de uma chave de partida direta, utilizando fusíveis e relé de sobrecarga para a proteção do motor (a) ou um disjuntor-motor (b). Fonte: Autoria própria. No circuito da Figura 2(a) a energização do motor se dá pelo acionamento do contator K1. Quando ele é acionado, os seus contatos de força (1-2, 3-4 e 5- 6) se fecham e então a tensão trifásica (L1, L2 e L3) ficam aplicadas diretamente aos terminais de alimentação do motor (U1, V1 e W1). A corrente proveniente da fonte vai passar pelos fusíveis, que fazem a proteção contra corrente de curto- circuito (F1, F2 e F3), e também pelos contatos de força do relé de sobrecarga RT1 (1-2, 3-4 e 5-6), antes de chegar aos terminais do motor. Assim, caso haja um curto-circuito a corrente será detectada pelos fusíveis, e caso haja uma sobrecarga a corrente será detectada pelo relé. O desligamento do motor se dá pela desenergização do contator K1, que provocará também a abertura dos contatos de força, interrompendo o caminho entre a fonte de alimentação e o motor. O funcionamento do circuito da Figura 2(b) é o mesmo, ou seja, o acionamento do motor é feito pela energização do contator K1. Entretanto, para isso o disjuntor-motor Q1 deve ser fechado. Perceba que os contatos de força dele (1-2, 3-4 e 5-6) são normalmente abertos, portanto para que eles fechem e 7 permitam a passagem da corrente, o disjuntor-motor deve estar acionado. Além disso, somente assim as proteções contra correntes de curto-circuito e sobrecarga estarão habilitadas. Fazendo uma comparação direta entre os dois circuitos, ambos possuem pontos positivos e negativos. No circuito da Figura 2(b) a montagem é mais simples, o número de componentes é menor, porém pode apresentar um custo mais elevado e o disjuntor-motor deve ser acionado manualmente. Por outro lado, o circuito da Figura 2(a) apresenta um custo menor e é mais didático. Entretanto, como mencionado anteriormente, ambos podem ser utilizados sem nenhum problema. Cabe aos profissionais decidirem qual será o circuito mais adequado em cada situação. Outro ponto que merece destaque com relação à atuação da proteção contra correntes de curto-circuito. No circuito da Figura 2(a), dependendo do tipo de curto-circuito que venha a ocorrer, pode ser que somente o fusível de uma das fases se rompa. Caso isso ocorra, o motor passa a ser alimentado pelas duas fases restantes sobrecarregando-as. Assim, caberá ao relé de sobrecarga detectar esta corrente de sobrecarga e atuar no desligamento do motor. Para o restabelecimento do circuito, será necessária uma inspeção dos componentes danificados, como os fusíveis, realizar a substituição, para depois religar o motor. Já no circuito da Figura 2(b) isso não ocorre. Ainda que ocorra um curto- circuito em apenas uma das fases, isso já será o suficiente para a atuação do disjuntor-motor que irá interromper imediatamente a corrente das três fases, simultaneamente. Neste caso, basta eliminar a causa da atuação do disjuntor- motor, ligá-lo novamente e o circuito estará pronto para uso. 1.2 Circuito de comando O circuito de comando para a chave de partida direta é apresentado na Figura 3. 8 Figura 3 – Circuitos de comando de uma chave de partida direta, utilizando relé de sobrecarga (a) ou disjuntor-motor (b). Fonte: Autoria própria. A Figura 3 apresenta duas possibilidades para o circuito de comando da chave de partida direta. O circuito da Figura 3(a) deve ser utilizado juntamente com o circuito de força da Figura 2(a), e o circuito de comando da Figura 3(b) deve ser utilizado em conjunto com o circuito de força da Figura 2(b). Tomando o circuito da Figura 3(a) para a explicação do funcionamento do circuito, a energização da bobina do contator K1 se dá pela aplicação da tensão de comando (aqui definida como 24 VCC) aos seus terminais, A1 e A2. Isso ocorre quando a botoeira S2 é acionada. Perceba que quando a botoeira S2 é acionada, seu contato normalmente aberto (13-14) se fecha e permite que a corrente elétrica passe por ele, após ela passar pelo fusível F4, pelo contato normalmente fechado do relé térmico RT1 (95-96) e pelo contato normalmente fechado de S1 (11-12), chegando finalmente à bobina do contator K1, energizando-a. No instante em que a bobina de K1 é energizada, o contato normalmente aberto (13-14) de K1 se fecha, e então, mesmo que os contatos 13-14 da botoeira S2 que estavam fechados voltem a abrir, o circuito continua alimentado, 9 pois é formado o contato de selo através de K1, ou seja, é necessário somente um pulso na botoeira S2 para acionar o motor e mantê-lo ligado. Para desligar o motor, basta pressionar a botoeira S1 para que seu contato normalmente fechado, 11-12, se abra e interrompa o fluxo de corrente do circuito de comando, desenergizando a bobina do contator K1. Perceba ainda, que no circuito da Figura 3(a) existe o contato auxiliar do relé térmico RT1 (95-96). Este contato é normalmente fechado, e em caso de atuação do relé RT1 devido a corrente de sobrecarga no circuito de força, este contato irá se abrir desenergizando a bobina do contator K1, desligando assim o circuito de força. Agora, em relação ao circuito da Figura 3(b), o acionamento e o desligamento do motor são idênticos ao do circuito da Figura 3(a), ou seja, o motor é ligado quando a botoeira S2 é pressionada, e é desligado quando a botoeira S1 é pressionada. A grande diferença está em relação ao contato normalmente aberto do disjuntor-motor Q1 (13-14). O disjuntor-motor precisa ter seus contatos de força fechados manualmente, assim, o contato auxiliar também irá fechar, permitindo que a corrente elétrica chegue até a bobina do contator para acioná-lo. Em caso de atuação do disjuntor-motor, por sobrecarga ou curto- circuito, o contato auxiliar volta a sua posição original, ou seja, ficará aberto. É válido observar que nos circuitos da Figura 3 foi utilizada a tensão de 24 VCC. Este nível de tensão foi utilizado porque é comum a tensão do circuito de comando ser menor que a tensão do circuito de força. Isso proporciona mais segurança, e desvincula a alimentação do circuito de comando da alimentação do circuito de força, já que normalmente a tensão de 24 VCC é proveniente de uma fonte de alimentação que deve ser isolada. Assim, os problemas que acontecem na rede trifásica não afetam diretamente o circuito de comando, protegendo sua integridade. TEMA 2 – CHAVE DE PARTIDA DIRETA COM REVERSÃO NO SENTIDO DE ROTAÇÃO Em muitas aplicações dentro de uma linha produtiva, se faz necessária a inversão do sentido de rotação de um motor elétrico. Suponha por exemplo, uma esteira que ora leva peças em um sentido e ora traz peças no sentido contrário. Os motores elétricos trifásicos terão o sentido de rotação invertido, quando houver uma alteração na sequência das fases que o alimentam. 10 Por se tratar de uma ligação física, não é prático, nem viável, que um operador tenha que refazer as conexões a cada ocasião que deseja inverter o sentido de rotação, por isso é necessária uma nova lógica no circuito de comando e também no circuito de força, para conseguir tal efeito. 2.2 Circuito de força O circuito de força de uma chave de partida direta com reversão no sentido de rotação é mostrado na Figura 4. Figura 4 – Circuito de força de uma chave de partida direta com reversão no sentido de rotação, utilizando fusíveis e relé de sobrecarga (a) ou um disjuntor-motor (b). Fonte:Autoria própria. Assim como na partida direta sem reversão, são apresentados dois circuitos de força equivalentes, para a partida com reversão, sendo que em um deles a proteção do motor é feita por fusíveis e um relé de sobrecarga, e no outro, a proteção é feita por um disjuntor-motor. Em ambos os circuitos, se desconsiderarmos o contator K2, eles ficarão idênticos ao circuito de força de uma chave de partida direta sem reversão, portanto, o funcionamento é exatamente o mesmo, conforme já foi explicado. Agora, com a inclusão do contator K2, há a possibilidade de inversão no sentido de rotação do motor. 11 A inversão no sentido de rotação de um motor de indução trifásico se dá pela inversão de duas das três fases que chegam até os terminais de alimentação do motor, e é justamente esse o papel do contator K2. Perceba que quanto o contator K1 é acionado, a fase L1 é aplicada ao terminal U1 do motor, a fase L2 é aplicada ao terminal V1 e a fase L3 é aplicada ao terminal W1. Assim, a ligação da fonte de alimentação com os terminais do motor fica da seguinte forma: L1-U1, L2-V1 e L3-W1. Esta sequência vai fazer com que o motor seja acionado girando em um determinado sentido, que vamos chamar de sentido de rotação A. Agora vamos considerar que ao invés de o contator K1, acionaremos o contator K2. Neste caso, a fase L1 é aplicada ao terminal U1 do motor, a fase L2 é aplicada ao terminal W1 e a fase L3 é aplicada ao terminal V1. Assim, a ligação fica da seguinte forma: L1-U1, L2-W1 e L3-V1. Em comparação com o acionamento do contator K1, houve uma inversão das fases L2 e L3. Portanto, o motor será acionado no sentido de giro que vamos chamar de B. Em resumo, o contator K1 faz o motor ser acionado em um determinado sentido de giro, e o contator K2 faz o motor ser acionado no sentido de giro oposto, devido a inversão de duas das três fases de alimentação. Algo que é indispensável neste acionamento é o intertravamento entre os contatores K1 e K2. Como foi mencionado, quando o contator K1 é acionado, a a sequências das fases no motor é L1, L2 e L3, enquanto no contator K2, a sequência é L1, L3 e L2. Portanto, se os dois contatores forem acionados simultaneamente, haverá uma ligação direta das fases L2 e L3 nos terminais de ligação do motor, resultando em um curto-circuito entre estas duas fases. A garantia de que esta situação não vai ocorrer é o intertravamento feito no circuito de comando, que será apresentado a seguir. 2.2 Circuito de comando O circuito de comando para a chave de partida direta com reversão no sentido de rotação é apresentado na Figura 5. 12 Figura 5 – Circuitos de comando de uma chave de partida direta com reversão no sentido de rotação, utilizando relé de sobrecarga (a) ou disjuntor-motor (b). Fonte: Autoria própria. Conforme foi observado nos circuitos de força da Figura 4 é preciso dois contatores para realizar a reversão no sentido de rotação do motor. Além disso, foi mencionado que os contatores não podem ser acionados simultaneamente. Toda essa lógica de contatos pode ser verificada no funcionamento dos circuitos de comando da Figura 5. Tomando como base o circuito de comando da Figura 5(a), nota-se que a energização do contator K1 se dá pelo acionamento da botoeira S2. Ao pressioná-la, a tensão de 24 VCC fica diretamente aplicada aos terminais da bobina do contator K1, fechando os contatos de força e o contato normalmente aberto 13-14, que é um contato de selo para manter a bobina do contator energizada. É possível verificar também, que há um contato normalmente fechado de K1 (21-22) em série com a bobina do contator K2. Quando a bobina do contator K1 é energizada, este contato vai abrir, impedindo assim que a bobina do contator K2 seja acionada simultaneamente, realizando então, o intertravamento. 13 Para que o contator K2 seja acionado e então o motor inverta o sentido de rotação é necessário, antes de tudo, desenergizar a bobina do contator K1, pressionando a botoeira S1. Ao acionar esta botoeira todo o fluxo de corrente do circuito é interrompido, fazendo com que todos os contatos voltem ao estado original. Com todo o circuito de comando desenergizado, pressiona-se a botoeira S3 e a tensão de 24 VCC fica aplicada diretamente aos terminais da bobina do contator K2. Assim, os contatos de força do contator K2 são acionados, o contato de selo de K2 (13-14) se fecha, e o contato de intertravamento de K2 (21-22) se abre, evitando que a bobina de K1 seja energizada. Dessa forma, mantem-se o circuito em funcionamento, possibilitando o acionamento do motor em qualquer sentido de giro. Vale ressaltar que o circuito de comando da Figura 5(a) deve ser utilizado em conjunto com o circuito de força da Figura 4(a) onde a proteção é feita com fusíveis e o relé de sobrecarga, e o circuito de comando da Figura 5(b) deve ser utilizado com o circuito de força da Figura 4(b), onde o seccionamento e a proteção são feitas com a utilização de um disjuntor-motor. TEMA 4 – DIMENSIONAMENTO DE DISPOSITIVOS DE MANOBRA E PROTEÇÃO Agora que já conhecemos os métodos de partida direta de motores trifásicos, vamos verificar como é realizado o dimensionamento dos dispositivos de manobra e proteção. Será visto como realizar o dimensionamento de contatores, fusíveis, relé de sobrecarga e disjuntor-motor. 4.1 Dimensionamento de contatores O dimensionamento de contatores deve ser feito de acordo com a corrente nominal a que ele fica sujeito. Para obter este valor, basta determinar a corrente nominal do motor, conforme mostrado na equação a seguir ηϕ ⋅⋅⋅ = cos3 L N N V P I (3) onde PN é a potência nominal em watts (W), VL é tensão nominal de linha, cosφ, é o fator de potência do motor a plena carga, e η é o rendimento do motor a plena carga, entre 0 e 1. 14 Em função das correntes de partida que já vimos, nem sempre a corrente que passará pelo contator será a corrente nominal do motor. É importante avaliar o caso para adotar o contator de acordo com o valor da corrente que, de fato, irá conduzir. Para a chave de partida direta e chave de partida direta com reversão no sentido de rotação, os contatores sempre estarão em série com o motor. Na partida direta (Figura 2), isto é óbvio, já na partida direta com reversão no sentido de rotação (Figura 4), os contatores operam sempre um de cada vez, então a corrente que passará por eles também será a corrente do motor, conforme a Equação 3. Sendo assim, a corrente do contator K1 para a chave de partida direta será NK II =1 (4) e para a chave de partida com reversão no sentido de rotação será NKK III == 21 (5) Vale ressaltar dois pontos importantes no dimensionamento e especificações de contatores. Primeiro, que todos os contatores devem levar em consideração a capacidade de corrente para a categoria AC3, que se refere ao serviço normal de manobras em motores com rotor do tipo gaiola de esquilo, com desligamento em regime. O segundo ponto é quanto ao número de contatos auxiliares disponíveis, em que se deve optar por modelos que permitam implementar o circuito de comando, sem a necessidade de blocos auxiliares. Se isso não for possível, então deve ser especificado o bloco de contatos auxiliares. 4.2 Dimensionamento de relés de sobrecarga Os relés de sobrecarga têm a função de monitorar se a corrente que está sendo absorvida pelo motor pode ser considerada uma sobrecarga. Sendo assim, a corrente que deve passar por eles e, portanto, que devem suportar, é a corrente que alimenta o motor em regime permanente. No dimensionamento dos relés de sobrecarga, será especificada qual a corrente que ele passará a enxergar como sendo uma corrente de sobrecarga. Este valor será ajustado na regulagem do próprio dispositivo. 15 Na chave de partida direta e na partida direta com reversão de rotação,o relé de sobrecarga está ligado em série com o motor, e em série com os contatores, sendo assim, a corrente será a mesma dos contatores, portanto: NRT II = (6) Como a corrente determinada para o relé de sobrecarga é a mesma corrente à qual ele será ajustado, a corrente de sobrecarga calculada deve estar o mais possível no centro da escala de ajuste, permitindo variações para mais e para menos na mesma proporção. 4.3 Dimensionamento de fusíveis O dimensionamento de fusíveis deve levar em consideração duas situações. A primeira situação é durante a partida do motor, em que sabemos que pode atingir valores muito maiores que a corrente nominal. Sendo assim, o fusível não pode se romper durante a partida. Além disso, durante o funcionamento do motor com corrente nominal, o fusível também não pode ser romper. No caso da partida deve-se conhecer o tempo de duração da corrente de partida, e então verificar na curva do fusível imediatamente superior ao valor encontrado. Cruzando a informação da corrente de partida e tempo de partida, determinamos a corrente nominal do fusível. Como exemplo, vamos considerar que um motor de indução trifásico tem uma corrente nominal de 18 A, e uma relação m (IP/IN) de 5,55. Supondo que o tempo de partida é estimado em 5 segundos e será utilizado um fusível do tipo diazed, o primeiro passo é determinar a corrente de partida do motor pela relação IP/IN. AI I I I P P N P 10055,5 18 55,5 =→−→= (7) Agora vamos verificar a curva do fusível diazed na Figura 6. 16 Figura 6 – Curvas tempo x corrente – fusível diazed. Fonte: Adaptado de CREDER, 2022. Como o fusível deve proteger, além do motor, o contator e o relé de sobrecarga, precisamos ainda, verificar os seguintes critérios: • If ≥ 1,2 x IN: Significa que a corrente nominal do fusível deve ser no mínimo 20% acima da corrente nominal do motor. • If ≤ IK : Significa que a corrente nominal do fusível não pode ser maior que a corrente máxima do valor dimensionado para os contatores. • If ≤ IRT: Significa que a corrente nominal do fusível não pode ser superior à corrente máxima do relé de sobrecarga. Esta metodologia de dimensionamento pode ser utilizada para os diodos diazed (tipo D) e também para os fusíveis do tipo NH. 4.4 Dimensionamento de disjuntor-motor Os disjuntores-motores combinam as funcionalidades do fusível e do relé de sobrecarga para realizar a proteção de sistemas de partida de motores elétricos. Sendo assim, o seu dimensionamento consiste em combinar o dimensionamento do relé de sobrecarga com o dos fusíveis. Obviamente, deve ser verificado na curva de atuação de um disjuntor- motor, se os critérios de dimensionamento irão satisfazer as condições da partida 17 escolhida, e pode ser que pequenos ajustes tenham que ser realizados. Conforme estudamos na aula 2, a maioria dos modelos permitem o ajuste da corrente de atuação no próprio dispositivo. TEMA 5 – CARACTERÍSTICA DO TORQUE DE PARTIDA Os motores elétricos realizam um certo esforço para girar o seu eixo, a este esforço damos o nome de torque, que também pode ser chamado de conjugado do motor. Já a carga mecânica acoplada ao eixo do motor, devido à sua inércia, reage a este esforço negativamente, tentando mantê-lo em repouso, por isso a chamamos de conjugado de carga ou conjugado resistente. Quando dimensionamos um motor para acionar uma determinada carga acoplada ao seu eixo, é importante levar em consideração que durante a partida o conjugado (ou torque) do motor deve ser superior ao conjugado resistente. Ambos os conjugados, do motor e da carga (resistente), podem ser representados graficamente por curvas que relacionam o valor do conjugado e a velocidade de rotação no eixo do motor, como mostra a Figura 7. Figura 7 – Curvas dos conjugados x velocidade para um motor trifásico. Fonte: FRANCHI, 2014. Ainda na Figura 7, a área hachurada demarcar o intervalo conhecido como conjunto acelerante. Este trecho implica que, para haver a aceleração do conjunto (motor-carga), a curva do conjugado do motor deve se manter acima e distante da curva do conjugado resistente. O ponto de encontro dessas curvas, determina o instante em que não há mais aceleração do conjunto e o motor atinge a velocidade nominal ou velocidade de regime. Este intervalo de tempo é extraído através de ensaios e é especificado pelo fabricante, de modo que o tempo de partida é significativo para a integridade 18 do motor. Intervalos acima do recomendado, pode ser interpretado como um travamento do rotor, provocando sobreaquecimento, chegando ao ponto de danificar a isolação dos enrolamentos. Por esse motivo, devemos tomar alguns cuidados com técnicas de partidas que causem a redução de tensão. Nessas circunstâncias, o conjugado do motor é reduzido, enquanto o conjugado da carga não é alterado, consequentemente, o tempo de aceleração é aumentado e, sendo superior ao tempo de rotor bloqueado, pode danificar o motor. A NBR 17094-1:2018 define as características de partida dos motores, em função da especificação brasileira de motores de indução, e as separa em categorias que, resumidamente são: • Categoria N – Abrange os motores de aplicação geral, que acionam a grande parte das cargas de utilização industrial. Os motores desta categoria apresentam conjugado de partida normal, corrente de partida normal e baixo escorregamento. A aplicação típica é em ventiladores industriais, bombas e máquinas operatrizes em geral. No dimensionamento desses motores, é aconselhável estabelecer que o conjugado mínimo do motor deve ser superior em pelo menos 30 % do conjugado resistente da carga. Em situações críticas, pode-se admitir um conjugado mínimo de 15 %. • Categoria H – São motores que acionam cargas cujo conjugado resistente é elevado durante a partida. Os motores desta categoria apresentam conjugado de partida elevado, corrente de partida normal e baixo escorregamento. A aplicação típica é no acionamento de cargas de inércia elevada, como britadores, peneiras e transportadores-carregadores. • Categoria D – Estes motores que acionam cargas cujo conjugado resistente durante a partida é muito elevado, assim como a corrente de partida elevada e escorregamento. Os motores desta categoria são utilizados geralmente em elevadores de carga e aplicações semelhantes. A Figura 8 apresenta, esquematicamente, as curvas características de conjugado versus a velocidade dos motores de indução, segundo as categorias mencionadas. 19 Figura 8 – Curvas típicas do conjugado x velocidade para as categorias de motores de indução. Fonte: MAMEDE FILHO, 2023. 5.1 Torque na partida direta Na partida direta, seja ela com ou sem reversão no sentido de rotação, o torque é dado por uma relação simples entre a potência nominal do motor (P) e a velocidade de rotação do seu eixo (ω), e é medido no S.I. em Newton-metro, como mostrado abaixo. 𝑇𝑇 = 𝑃𝑃 𝜔𝜔 [𝑛𝑛.𝑚𝑚] (8) Para essa expressão, utilizamos a potência em watts [W] e a velocidade em radianos por segundo [rad/s]. No entanto, é mais comum em motores elétricos, encontrar a potência dada em cavalo-vapor [cv] ou horse-power [hp], e a velocidade em rotações por minuto [rpm], sendo assim, algumas conversões podem ser necessárias. Em radianos, uma rotação é igual a 2π, portanto a velocidade rad/s para o tempo de um minuto, será: 𝜔𝜔 = 2𝜋𝜋 𝑇𝑇 [𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟/𝑠𝑠] 𝑒𝑒𝑒𝑒 1min(60𝑠𝑠) �⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯� 𝜔𝜔 = 2𝜋𝜋 60 = 𝜋𝜋 30 [𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟/𝑠𝑠] (9) A velocidade em rpm é representada pela letra N, sendo que a conversão de rad/s para rpm pode ser obtida por: 1 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟/𝑠𝑠 = 𝜋𝜋 30 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑚𝑚 → 𝜔𝜔 = 𝜋𝜋.𝑁𝑁 30 (10) A velocidade em rpm é representada pela letra N, sendo que a conversão de rad/s para rpm pode ser obtida por: 1 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟/𝑠𝑠 = 𝜋𝜋 30 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑚𝑚→ 𝜔𝜔 = 𝜋𝜋.𝑁𝑁 30 (11) 20 A conversão de cavalo-vapor para watts é dada pela seguinte relação: 1 𝑐𝑐𝑐𝑐 ≈ 735,5 𝑊𝑊 (12) Vamos utilizar a placa de identificação da Figura 9, para obter os dados do fabricante e descobrir o seu torque. Observe que o número 1 indica a potência do motor em kilowatt [kW], à esquerda, e em cavalo-vapor à direita. Já o número 2 indica a velocidade de rotação nominal, em rpm. Figura 9 – Placa de identificação de um motor de indução trifásico. Fonte: https://blog.kimotor.com.br/leitura-da-placa-do-motor/. Acessado em 31 de agosto de 2023. A potência já é informada em quilowatts, portanto, 3 kW é igual a 3000 W. Convertendo a velocidade de rpm para rad/s, temos: 𝑁𝑁 = 1735 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑚𝑚 → 𝜔𝜔 = 𝜋𝜋. 1735 30 = 181,69 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟/𝑠𝑠 (13) por fim, aplicando os valores na Equação 8, temos que o torque do motor será: 𝑇𝑇 = 3000 181,69 = 16,51 𝑛𝑛𝑚𝑚 (14) 21 FINALIZANDO Esta aula foi bastante esclarecedora, não é mesmo? Começamos compreendendo o comportamento dos motores no momento da partida, em que a corrente drenada pode ter diferentes valores em função da técnica de partida adotada. Na sequência focamos na chave de partida direta, com e sem reversão no sentido de rotação, passando tanto pelos circuitos de força, quanto pelos circuitos de comando. Fizemos também o dimensionamento dos principais dispositivos envolvidos na partida direta e, por fim, analisamos os efeitos do torque em motores de indução trifásicos. Como vimos, esta aula esteve voltada para a partida direta, mas não deixe de acompanhar as aulas seguintes, pois veremos outras técnicas de partida e suas análises completas. REFERÊNCIAS CREDER, H. Instalações Elétricas. Atualização e revisão Luiz Sebastião Costa, 17 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2022. FRANCHI, C. M. Sistemas de acionamento elétrico. 1 ed. São Paulo: Érica, 2014. MAMEDE FILHO, J. Instalações elétricas industriais. 10 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2023. NERY, N; KANASHIRO, N. M. Instalações Elétricas Industriais. 2 ed. São Paulo: Érica, 2014. OLIVEIRA, J. B. et al. Aplicação de soft-start e conversores de frequência no acionamento de motores assíncronos. Universidade de Taubaté, Departamento de Engenharia Elétrica. Disponível em: <https://www.aedb.br/seget/arquivos/artigos09/191_AC%20-%20softstart.pdf>. Acessado em: 29 de agosto de 2023. PETRUZZELA, F. D. Motores elétricos e acionamentos. Porto Alegre: AMGH, 2013. MÁQUINAS E ACIONAMENTOS ELÉTRICOS AULA 4 Profª Maria Aline Gonçalves 2 CONVERSA INICIAL Sejam bem-vindos à quarta aula da disciplina de Máquinas e Acionamentos Elétricos. Nesta aula será realizado o estudo da chave de partida estrela-triângulo aplicada a motores elétricos trifásicos, com e sem reversão no sentido de rotação. Serão apresentados os circuitos de força e de comando de cada uma destas partidas assim como a descrição do funcionamento dos circuitos. TEMA 1 – CHAVE DE PARTIDA ESTRELA-TRIÂNGULO A chave de partida estrela-triângulo tem como principal objetivo reduzir o pico da corrente de partida direta. Quando o motor está parado e é aplicada a tensão nominal haverá um pico de corrente muito maior que a corrente nominal. Para motores de elevada potência, este pico pode ser prejudicial para o os equipamentos que irão ficar sujeitos aos efeitos desta queda de tensão. Assim, para minimizar estes efeitos, uma opção é utilizar a chave de partida estrela- triângulo, onde o motor é ligado em estrela, portanto preparado para receber a tensão nominal para este tipo de ligação (que é maior que a da ligação em triângulo), mas recebe a tensão referente a ligação em triângulo, que é menor. Depois de atingir um valor de velocidade próximo ao nominal, a ligação do motor é alterada automaticamente para triângulo. Assim, a partir deste instante, o motor passa a operar com tensão e corrente nominais. Este tipo de partida é recomendado para motores de potência superior aos motores que utilizam partida direta. Geralmente a potência de motores que fazem uso da partida estrela-triângulo é entre 5 e 15 CV, mas esta faixa pode variar. Devido a redução da tensão nominal na partida do motor, há a redução da corrente de partida e como consequência, há a redução do torque de partida na mesma proporção. Também é necessário que no momento da mudança da ligação de estrela para triângulo, o motor já tenha atingido uma determinada velocidade. Portanto, a seguir são listadas as características da chave de partida estrela-triângulo. • A corrente de partida é reduzida a 1/3 da corrente de partida direta; • O torque de partida é reduzido a 1/3 do torque de partida direta; • A tensão da rede de alimentação deve ser a mesma da tensão de ligação em triângulo; 3 • No momento da conversão de estrela para triângulo, o motor deve ter atingido aproximadamente 85% da sua rotação nominal. Caso contrário no momento da comutação o pico de corrente pode chegar próximo do pico de corrente da partida direta. • Número de partidas ilimitado; • Menor custo e menor volume físico em relação à chave de partida compensadora; • O motor deve possuir os 6 terminais disponíveis para ligação. Perceba que entre os itens listados foi mencionada a partida compensadora, que tem a mesma função da chave de partida estrela-triângulo, ou seja, reduzir o pico da corrente de partida. Este tipo de partida será estudado em detalhes na Aula 5 desta disciplina. 1.1 Circuito de força para a partida estrela-triângulo O circuito de força de uma chave de partida estrela-triângulo sem reversão no sentido de rotação é mostrado na Figura 1. Figura 1 – Circuito de força de uma chave de partida estrela-triângulo sem reversão no sentido de rotação, com fusíveis e relé de sobrecarga. Fonte: A autora (2023) 4 O diagrama de força da Figura 1 opera acionando o motor primeiramente em estrela e na sequência em triângulo. A primeira etapa da operação dele consiste em energizar as bobinas dos contatores K1 e K3. Ao fazer isso, os contatos de força deles (1-2, 3-4 e 5-6) irão ser fechados. Quando isso acontece o contator K3 irá interligar os terminais U2, V2 e W2 do motor, caracterizando a ligação em estrela. Com o fechamento dos contatos do contator K1, as fases indicadas por L1, L2 e L3 serão aplicadas aos terminais U1, V1 e W1 do motor fazendo a sua energização. Assim, o motor faz a partida ligado em estrela. Após o tempo que foi ajustado no relé temporizador passar, automaticamente a bobina do contator K3 é desenergizada abrindo os seus contatos de força, e a bobina do contator K2 é energizada fechando seus contatos de força. Assim, a ligação em estrela é desfeita e é feita a ligação em triângulo, energizando os terminais U2, V2 e W2, e o motor permanecerá funcionando até que os contatores K1 e K2 sejam desenergizados. Vale ressaltar que para que a ligação em triângulo seja bem sucedida a aplicação das fases L1, L2 e L3 aos terminais U2, V2 e W2 deve obedecer a sequência correta em função da sequência de fases que foi aplicada aos terminais U1, V1 e W1. Uma das opções corretas, é como está mostrado na Figura 1. Ainda sobre a Figura 1 a proteção contra curto-circuito é feita pelos fusíveis F1, F2 e F3, e a proteção contra correntes de sobre carga é feita pelo relé térmico RT1. A implementação da chave de partida estrela-triângulo também pode ser feita empregando um disjuntor-motor para realizar as proteções. Neste caso os fusíveis e o relé de sobrecarga são substituídos por um disjuntor motor que deve ser instalado no lugar dos fusíveis. Neste caso, o circuito resultante fica como mostrado na Figura 2. Neste caso o circuito se torna mais simples e com a mesma funcionalidade quando são empregados fusíveis e o relé de sobrecargapara realizar a proteção. O funcionamento do circuito da Figura 2 é idêntico ao do circuito da Figura 1, ou seja, os contatores K1 e K3 são energizados para ligar o motor em estrela e realizar a partida, e na sequência, o contator K3 é desenergizado e o contator K2 é energizado, mantendo o motor em funcionamento, mas ligado em triângulo. 5 Figura 2 – Circuito de força de uma chave de partida estrela-triângulo sem reversão no sentido de rotação com disjuntor-motor. Fonte: A autora (2023) 1.2 Circuito de comando para partida estrela-triângulo O circuito de comando para a chave de partida estrela-triângulo sem reversão no sentido de rotação é apresentado na Figura 3. Este circuito de comando deve ser utilizado em conjunto com o circuito de força apresentado na Figura 1. A seguir será feita a descrição do seu funcionamento. O funcionamento do circuito se inicia com o acionamento da botoeira S2. Ao ser acionada, seu contato NA (13-14) se fecha, permitindo que a corrente elétrica passe pelo contato NF do relé de sobrecarga (95-96), pelo contato NF da botoeira S1 (11-12) e chegue à bobina do contator K1 energizando os seus terminais (A1-A2). Assim, o contato de selo de K1 (13-14) se fecha, permitindo que a botoeira S2 seja desacionada e a bobina do contator energizada. Além disso, o contator NA de K1 (43-44) é fechado, energizando a bobina do relé temporizador KT. Como o contator KT é específico para a partida estrela-triângulo, então quando a sua bobina é energizada há a comutação do seu contato NAF (15-18), energizando a bobina do contator K3 (A1-A2). Isso fará o motor ser acionado em estrela, além de abrir o contato NF de K3 (21-22) que está em série com a bobina 6 do contator K2 evitando que os contatores K2 e K3 sejam energizados simultaneamente. Figura 3 – Circuito de comando de uma chave de partida estrela-triângulo sem reversão no sentido de rotação. Fonte: A Autora (2023) Analisando o circuito de força da Figura 1 se percebe que caso os contatores K2 e K3 sejam energizados simultaneamente, haverá um curto- circuito entre as três fases da rede de alimentação do motor. Por isso é indispensável o intertravamento entre estes dois contatores. Voltando ao funcionamento do circuito de comando da Figura 3, ele vai permanecer com os contatores K1 e K3, e com o relé temporizador KT energizados, até que o tempo ajustado no relé temporizador termine. Quando isso acontecer, o seu contato NAF (15-18) irá comutar novamente desfazendo a ligação entre eles. Neste instante a bobina do contator K3 é desenergizada, desfazendo a ligação em estrela do motor, e fazendo com que seu contato NF (21-22) volte à posição original. Depois de se passar os 100 ms programados 7 internamente no temporizados KT, o segundo contato NAF (25-28) irá se fechar energizando a bobina do contator K2 (A1-A2). Assim, o motor será ligado em triângulo, e o contato NF de K2 (21-22) irá se abrir fazendo o intertravamento com o contator K3. Assim, o motor irá permanecer ligado em triângulo até que a botoeira S1 seja acionada, abrindo seu contato NF (11-12), desenergizando todo o circuito. Ainda no circuito da Figura 3, há uma proteção contra curto-circuito feita pelo fusível F4. Vale ressaltar que este fusível não possui nenhuma relação com os fusíveis do circuito de força. O fusível F4 faz a proteção apenas do circuito de comando. Também pode ser observada a existência do contato NF de RT1 (95- 96). Caso uma corrente de sobrecarga surja no circuito de força e permaneça tempo suficiente para a atuação do relé, o contato NF de RT1 irá se abrir, desenergizando todo o circuito de comando, e, consequentemente, o circuito de força. No caso da implementação da chave de partida estrela-triângulo empregando um disjuntor-motor para a proteção, o circuito de comando da Figura 3 deve ser alterado. A alteração consiste em substituir o contato NF de RT1, por um contato NA referente ao disjuntor-motor. TEMA 2 – CHAVE DE PARTIDA ESTRELA-TRIÂNGULO COM REVERSÃO NO SENTIDO DE ROTAÇÃO. O circuito da chave de partida estrela-triângulo com reversão no sentido de rotação é uma combinação do circuito de força da chave de partida estrela- triângulo com o circuito de força de uma chave de partida direta com reversão no sentido de rotação. Em outras palavras, é um circuito que inverte o sentido de giro do motor e em ambos os sentidos é executada uma chave de partida estrela-triângulo. Para isso é necessário a inclusão de mais um contator em relação à chave de partida estrela-triângulo, portanto, são utilizados quatro contatores. 2.1 Circuito de força para partida estrela-triângulo com reversão no sentido de rotação O circuito de força de uma chave de partida estrela-triângulo com reversão no sentido de rotação é mostrado na Figura 4. 8 O funcionamento do circuito de força da Figura 4 é bastante semelhante ao do circuito da Figura 1. Partindo do motor em repouso o acionamento do motor é feito a partir do fechamento dos contatos de força do contator K1 e K4. Quando isso acontece os terminais U2, V2 e W2 do motor são interligados, caracterizando a ligação em estrela, e as fases L1, L2 e L3 são aplicadas aos terminais do motor U1, V1 e W1. Assim, o motor é acionado na ligação em estrela. Figura 4 – Circuito de força de uma chave de partida estrela-triângulo com reversão no sentido de rotação, com fusíveis e relé de sobrecarga. Fonte: A Autora (2023) Esta situação vai permanecer até que o tempo programado no relé temporizador se passe. Assim que isso acontecer, o contator K4 irá abrir seus contatos de força desfazendo a ligação em estrela. Neste mesmo instante, os contatos de força do contator K3 irão se fechar aplicando as fases L1, L2 e L3 aos terminais U2, V2 e W2 do motor na sequência correta, conforme mostrado na Figura 4. Dessa forma, o motor será energizado na ligação em triângulo. Como o motor, teoricamente, já está com o rotor em uma velocidade próxima da nominal, não haverá o pico de corrente da partida direta. 9 Para a inversão no sentido de rotação, no início do funcionamento do motor deve ser energizado o contator K2 ao invés do contator K1, iniciando o funcionamento do motor em estrela com os contatores K2 e K4. Perceba, que ao energizar o contator K2 inverte-se a sequência de fases que são aplicadas aos terminais U1, V1 e W1 do motor, em relação ao acionamento com o contator K1. Portanto, ao se energizar os contatores K2 e K4, o motor é acionado em estrela. Após o término do tempo ajustado no relé temporizador, o contator K4 será desligado e o contator K3 será ligado. Assim, mantendo os contatores K2 e K3 energizados, o motor estará ligado em triângulo e permanecerá assim, até que os contatores sejam desenergizados. Para um melhor entendimento de quais contatores são energizados em cada situação do funcionamento do circuito da Figura 4, a Tabela 1 apresenta as combinações possíveis, como o motor estará ligado, e em qual sentido de giro. Tabela 1 – Possíveis combinações para a chave de partida estrela-triângulo com reversão no sentido de rotação. Fonte: A Autora (2023) Contatores acionados Ligação do motor Sentido de giro K1 e K4 Estrela A K1 e K3 Triângulo A K2 e K4 Estrela B K2 e K3 Triângulo B Caso se deseje substituir o sistema de proteção do circuito de força da Figura 4 feito com fusíveis e relé de sobrecarga por um disjuntor-motor, basta realizar a mesma substituição, como foi feito da Figura 1 para a Figura 2. 2.1 Circuito de comando para partida estrela-triângulo com reversão no sentido de rotação O circuito de comando para a chave de partida estrela-triângulo com reversão no sentido de rotação é apresentado na Figura 5. Este circuito de comando deve ser utilizado em conjunto com o circuito de força apresentado na Figura 4. A seguir será feita a descrição doseu funcionamento. O funcionamento do circuito se inicia com o acionamento da botoeira S2. Ao ser acionada, seu contato NA (13-14) se fecha, permitindo que a corrente 10 elétrica passe pelo contato NF do relé de sobrecarga (95-96), pelo contato NF da botoeira S1 (11-12) e chegue à bobina do contator K1 energizando os seus terminais (A1-A2). Figura 5 – Circuito de comando de uma chave de partida estrela-triângulo com reversão no sentido de rotação. Fonte: A Autora (2023) Assim, o contato de selo de K1 (13-14) se fecha, permitindo que a botoeira S2 seja desacionada e a bobina do contator energizada. Como se trata de uma chave de partida com reversão no sentido de rotação é necessário que exista um intertravamento entre os contatores que fazem a inversão de fases. Portanto, o contato de intertravamento de K1 (21-22) com K2 se abre impedindo a energização da bobina deste contator. Além disso, o contato NA de K1 (43-44) é fechado, energizando a bobina do relé temporizador KT. Como o contator KT é específico para a partida estrela- triângulo, então quando a sua bobina é energizada há a comutação do seu contato NAF (15-18), energizando a bobina do contator K4 (A1-A2). Isso fará o 11 motor ser acionado em estrela, além de abrir o contato NF de K4 (21-22) que está em série com a bobina do contator K3 evitando que os contatores K3 e K4 sejam energizados simultaneamente. O circuito vai permanecer com os contatores K1 e K4, e com o relé temporizador KT energizados, até que o tempo ajustado no relé temporizador termine. Quando isso acontecer, o seu contato NAF (15-18) irá comutar novamente desfazendo a ligação entre eles. Neste instante a bobina do contator K4 é desenergizada, desfazendo a ligação em estrela do motor, e fazendo com que seu contato NF (21-22) volte à posição original. Depois de se passar os 100 ms programados internamente no temporizados KT, o segundo contato NAF (25- 28) irá se fechar energizando a bobina do contator K3 (A1-A2). Assim, o motor será ligado em triângulo, e o contato NF de K3 (21-22) irá se abrir fazendo o intertravamento com o contator K4. Assim, o motor irá permanecer ligado em triângulo até que a botoeira S1 seja acionada, abrindo seu contato NF (11-12), desenergizando todo o circuito. A inversão no sentido de rotação é feita quando o acionamento é realizado pela botoeira S3. Neste caso, o funcionamento é exatamente o mesmo que foi descrito, com a diferença que ao invés de ser acionado o contator K1, será acionado o contator K2, e o seu contator NF (21-22) fará o intertravamento com o a bobina do contator K1, impedindo que ela seja energizada, e evitando o risco de elas serem energizadas simultaneamente. Caso o sistema de proteção do circuito de força da chave de partida estrela-triângulo com reversão no sentido de rotação seja feito através de um disjuntor-motor, então o contato NF (95-96) do relé de sobrecarga RT1 que está no circuito de comando, não vai existir. No seu lugar deverá ser colocado um contato NA do disjuntor-motor, para que se feche quando o disjuntor-motor for acionado, e abra quando o disjuntor-motor atuar, desligando o circuito de comando. O circuito de comando da chave de partida estrela-triângulo com reversão no sentido de rotação, utilizando o contato NA do disjuntor-motor é mostrado na Figura 6. 12 Figura 6 – Circuito de comando de uma chave de partida estrela-triângulo com reversão no sentido de rotação, com o contato NA do disjuntor-motor. Fonte: A Autora (2023) TEMA 3 – PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO A chave de partida estrela-triângulo tem como principal característica a redução da tensão de alimentação das bobinas do motor durante o processo de partida. Quando o motor inicia seu funcionamento as bobinas estão conectadas em estrela, porém, recebem a tensão referente à ligação em triângulo, ou seja, há uma redução de 58% da tensão nominal. Devido a esta redução da tensão, há uma redução para aproximadamente 33% no valor da corrente, como apresentado na Figura 7. 13 Figura 7 – Corrente de partida na chave estrela-triângulo. Fonte: Franchi (2014) Em aplicações práticas, a chave de partida estrela-triângulo é utilizada praticamente em sua totalidade em motores que partem sem carga. Como o conjugado de partida é proporcional ao quadrado da tensão de alimentação, o conjugado durante a partida é de aproximadamente 20% a 50% do conjugado nominal, que se tem na partida direta. Sendo assim, somente depois que o motor passa a ser energizado pela tensão nominal, é que a carga pode ser acoplada ao eixo. A Figura 8 apresenta a comparação entre o conjugado de partida direta e da partida estrela triângulo. Figura 8 – Conjugado de partida na chave estrela-triângulo. Fonte: Franchi (2014) 14 A velocidade do motor se estabiliza quanto o conjugado resistente (conjugado da carga) e o conjugado do motor se estabilizam, o que ocorre entre 75% e 85% da velocidade nominal. Neste momento, o circuito de comando faz com que os contatores comutem, alterando automaticamente a ligação entre as bobinas do motor, fazendo elas mudarem de estrela para triângulo, automaticamente. Assim o motor passa a ser alimentado por tensão nominal, e o motor retoma suas características nominais de desempenho. Como mencionado anteriormente, na chave de partida estrela triângulo a corrente de partida é de aproximadamente 33% da corrente de partida direta. Isso ocorre devido ao fato de a impedância dos enrolamentos do motor no momento da partida ser calculada por 𝑍 = 𝑉𝑛 𝐼𝑛 √3 = 𝑉𝑛 ∙ √3 𝐼𝑛 (1) em que Z é a impedância das bobinas do motor, em Ω, In é a corrente nominal do motor, em A, e Vn é a tensão nominal da rede de alimentação, em V. Assim, a corrente em estrela é dada por 𝐼𝑌 = 𝑉𝑛 √3 𝑍 = 𝑉𝑛 √3 𝑉𝑛 ∙ √3 𝐼𝑛 = 𝐼𝑛 3 = 0,33 ∙ 𝐼𝑛 (2) Portanto, a corrente de partida da chave estrela-triângulo será dada por 𝐼𝑃𝑌−Δ = ( 𝐼𝑝 𝐼𝑛 ) ∙ 0,33 ∙ 𝐼𝑛 = 0,33 ∙ 𝐼𝑝 (3) em que Ip é a corrente de partida nominal, em A. TEMA 4 – DIMENSIONAMENTO DE DISPOSITIVOS DE MANOBRA E PROTEÇÃO Agora que já conhecemos os circuitos de força e comando, além das características da chave de partida estrela-triângulo, vamos verificar como é realizado o dimensionamento dos dispositivos de manobra e proteção, para este tipo de partida. Será visto como realizar o dimensionamento de contatores, fusíveis, relé de sobrecarga e disjuntor-motor. Para este dimensionamento, serão considerados os circuitos das Figuras 1 até a 6. 15 4.1 Dimensionamento de contatores O dimensionamento de contatores deve ser feito de acordo com a corrente a que ele fica sujeito. Para obter este valor, é importante conhecer a corrente nominal do motor, conforme mostrado na equação a seguir 𝐼𝑛 = 𝑃𝑛 √3 ∙ 𝑉𝑛 ∙ cos 𝜑 ∙ 𝜂 (4) onde Pn é a potência nominal em W, Vn é tensão nominal da rede, cosφ, é o fator de potência do motor a plena carga, e η é o rendimento do motor a plena carga, entre 0 e 1. Nem sempre é a corrente nominal do motor vai passar pelo contator. Então deve-se ficar atento para qual será esta corrente e escolher o contator de acordo com o valor da corrente que passará por ele. Vamos analisar agora a chave de partida estrela-triângulo da Figura 1. Nela a corrente do contator K3, que faz a ligação do motor em estrela, será 33% da corrente nominal do motor, portanto 𝐼𝐾3 ≥ 0,33 ∙ 𝐼𝑛 (5) Já a dos contatores K1 e K2, que ficarão acionados com o motor na operação de regime, será de 58% da corrente nominal, portanto 𝐼𝐾1 = 𝐼𝐾2 ≥ 0,58 ∙ 𝐼𝑛 (6) No caso da chave de partida estrela-triângulo com reversão no sentido de rotação, como a mostrada na Figura 4, os contatores K1 e K2 ficam sujeitos à corrente nominal do motor, portanto, 𝐼𝐾1 = 𝐼𝐾2 ≥ 𝐼𝑛 (7) Ainda na Figura 4, o contator K4, responsável pela ligaçãodas bobinas do motor em estrela, fica sujeito a 33% da corrente nominal do motor, ou seja 𝐼𝐾4 ≥ 0,33 ∙ 𝐼𝑛 (8) Já o contator K3, que faz a ligação das bobinas do motor em triângulo deve suportar uma corrente de 58% da corrente nominal, portanto, 𝐼𝐾3 ≥ 0,58 ∙ 𝐼𝑛 (9) 16 4.2 Dimensionamento de relés de sobrecarga Os relés de sobrecarga têm a função de monitorar se a corrente que está sendo absorvida pelo motor não é uma corrente que pode ser considerada como sendo de sobrecarga. Sendo assim, a corrente que deve passar por eles e, portanto, que eles devem suportar, é a corrente que alimenta o motor em regime permanente. No dimensionamento dos relés de sobrecarga, será especificada qual a corrente que ele passará a enxergar como sendo corrente de sobrecarga. Este valor é o que deverá ser ajustado na regulagem de corrente. Na chave de partida estrela-triângulo sem e com reversão no sentido de rotação, a corrente ajustada no relé de sobrecarga será de 𝐼𝑅𝑇 = 0,58 ∙ 𝐼𝑛 (10) 4.3 Dimensionamento de fusíveis O dimensionamento de fusíveis deve levar em consideração duas situações. A primeira situação é durante a partida do motor. Sabe-se que a partida do motor atinge valores muito maiores que a corrente nominal. Sendo assim, o fusível não pode se romper durante a partida. Além disso, durante o funcionamento do motor com corrente nominal, o fusível também não pode se romper. No caso da partida estrela-triângulo deve-se saber quanto tempo a corrente de partida irá permanecer, e então verificar na curva do fusível imediatamente superior ao valor encontrado, cruzando a informação de corrente de partida e tempo de partida, qual é a corrente nominal do fusível. A segunda situação diz respeito às correntes, já que o fusível deve proteger, além do motor, o contator e o relé de sobrecarga. Estes critérios são: • If ≥ 1,2 x IN: Significa que a corrente nominal do fusível deve ser no mínimo 20% acima da corrente nominal do motor. • If ≤ IK : Significa que a corrente nominal do fusível não pode ser maior que a corrente máxima do fusível dimensionado para os contatores. • If ≤ IRT: Significa que a corrente nominal do fusível não pode ser superior a corrente máxima do fusível para relé de sobrecarga. Esta metodologia de dimensionamento pode ser utilizada para os diodos diazed ou diametral (tipo D) e também para os fusíveis do tipo NH. 17 4.4 Dimensionamento de fusíveis Os disjuntores-motores combinam as funcionalidades do fusível e do relé de sobrecarga para realizar a proteção de sistemas de partida de motores elétricos. Sendo assim, o seu dimensionamento consiste em combinar o dimensionamento do relé de sobrecarga com o dos fusíveis. Obviamente deve ser verificado na curva de resposta deles, se os critérios de dimensionamento irão satisfazer as condições da partida escolhida, e pode ser que pequenos ajustes tenham que ser realizados. 4.5 Exemplo de dimensionamento Como exemplo de especificação de componentes de uma chave de partida estrela-triângulo, considere motor trifásico de 30 HP, 4 polos, 380/660 V, 60 Hz, com rendimento de 94% e fator de potência de 0,81 quando opera a plena carga. Sabendo que a tensão de comando é de 24 Vcc, e que a corrente de partida permanece durante 5 segundos, com uma relação Ip/In igual a 8. Utilize fusíveis do tipo NH. Para a especificação dos componentes desta chave de partida estrela- triângulo são utilizados os circuitos das Figura 1 e 3. Para a especificação do fusível, deve-se ter em mente que a corrente de partida da chave estrela triângulo é igual a um terço da corrente de partida direta. Portanto, tem-se que 𝐼𝑛 = 𝑃𝑛 √3 ∙ 𝑉𝑛 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜑 ∙ 𝜂 = 30 ∙ 746 √3 ∙ 380 ∙ 0,81 ∙ 0,94 = 44,65 𝐴 (11) E, a corrente de partida será 𝐼𝑝 = ( 𝐼𝑝 𝐼𝑛 ) ∙ 0,33 ∙ 𝐼𝑛 = 8 ∙ 0,33 ∙ 𝐼𝑛 = 8 ∙ 0,33 ∙ 44,65 = 117,87 𝐴 (12) Sabendo que a corrente de partida permanece durante 5 segundos, do gráfico com as curvas do fusível tipo NH, mostrado na Figura 9, tem-se que 18 Figura 9 – Curva do fusível NH. Fonte: Franchi (2014) Como o ponto encontrado ficou logo abaixo da curva do fusível de 35 A, é este fusível que atenderá o requisito da corrente de partida. Sabe-se ainda que o fusível deve possuir uma corrente nominal tal que 𝐼𝑓 ≥ 1,2 ∙ 𝐼𝑛 = 1,2 ∙ 44,65 = 53,58 𝐴 (13) Como por este critério, a corrente nominal do fusível deve ser igual ou maior que 53,58 A, então o fusível de 35 A não é adequado. Sendo assim, opta- se pelo fusível com corrente nominal imediatamente superior a 53,58 A, que é de 63 A. Portanto, o fusível especificado é do tipo NH, de 63 A de corrente nominal. De acordo com os modelos disponíveis no catálogo do fabricante adotado como exemplo, como apresentado na Figura 10. 19 Figura 10 – Modelos de fusíveis NH. Fonte: Disponível em https://static.weg.net/medias/downloadcenter/h0a/h63/WEG-fusiveis-ar-e-gl-gg- 50009817-catalogo-portugues-br-dc.pdf . Acessado em 26/08/2023. Qualquer um destes três modelos de fusíveis, FNH000-63U, FNH00-63U ou FNH1-63U, poderia ser utilizado. Em relação aos contatores, no circuito de força da Figura 1, os contatores ficarão sujeitos as seguintes correntes 𝐼𝐾1 ≥ 0,58 ∙ 𝐼𝑛 = 0,58 ∙ 44,65 = 25,9 𝐴 𝐼𝐾2 ≥ 0,58 ∙ 𝐼𝑛 = 0,58 ∙ 44,65 = 25,9 𝐴 𝐼𝐾3 ≥ 0,33 ∙ 𝐼𝑛 = 0,33 ∙ 44,65 = 14,7 𝐴 (14) 20 Pelo enunciado do exercício, todos os contatores devem ter a tensão de comando em 24 Vcc. Além disso, pela análise do circuito de comando da Figura 3, se percebe que o contator K1 deve possuir 2 contatos normalmente abertos, e que os contatores K2 e K3 devem possuir pelo menos um contato normalmente fechado cada um. Assim, pela análise do catálogo do fabricante, mostrado na Figura 11, os modelos adotados seriam os seguintes. Figura 11 – Modelos de contatores. Fonte: Disponível em https://static.weg.net/medias/downloadcenter/hac/hb5/WEG-CWM-50051271- catalogo-pt.pdf. Acessado em 26/08/2023. Sempre observando que deve ser adotada a corrente para os contatores na categoria AC-3, tem-se que • Contator K1: contator modelo CWM32-22-30C34 • Contator K2: contator modelo CWM32-01-30C34 21 • Contator K3: contator modelo CWM18-01-30C34 O relé de sobrecarga deve ser ajustado em uma corrente tal que 𝐼𝑅𝑇 ≥ 0,58 ∙ 𝐼𝑁 = 0,58 ∙ 44,65 = 25,9 𝐴 (15) Este relé pode ser acoplado diretamente ao contator K1, portanto é importante que ele permita a montagem direta em contatores modelo CWM32. Além disso deve ser verificado o máximo fusível que pode ser adotado de modo que o relé seja protegido. Assim, analisando o catálogo do fabricante adotado, mostrado na Figura 12, é possível determinar o modelo do relé. Figura 12 – Modelos de relés de sobrecarga. Fonte: Disponível em https://static.weg.net/medias/downloadcenter/h3f/h86/WEG-reles-de- sobrecarga-termico-linha-rw-50042397-catalogo-portugues-br-dc.pdf. Acessado em 26/08/2023. O relé de sobrecarga utilizado será o RW27-1D3-U032, que possibilita um ajuste entre 22 e 32 A, e aceita fusíveis de até 63 A para proteção. Além disso, possui 22 um contato normalmente fechado, conforme está especificado no circuito de comando, e permite a montagem direta em contatores do CWM9 ao CWM40, portanto atende o CWM32. Por fim, o relé temporizador específico para chave de partida estrela triângulo será o modelo apresentado na Figura 13. Figura 13 – Modelos de relés temporizadores. Fonte: Disponível em https://static.weg.net/medias/downloadcenter/hb4/h1d/WEG-reles- temporizadores-protetores-e-de-nivel-50009830-catalogo-portugues-br-dc.pdf. Acessado em 26/08/2023. O relé temporizador RTW-ET02-U030S-E26, possui um ajuste de tempo entre 3 e 30 segundos para fazer a conversão da ligação de estrela para triângulo. Assim, os componentes especificados para este acionamento são: • 3 fusíveis FNH000-63U, FNH00-63Uou FNH1-63U • 1 contator CWM32-22-30C34 • 1 contator CWM32-01-30C34 • 1 contator CWM18-01-30C34 • 1 relé de sobrecarga RW27-1D3-U032 • 1 relé temporizador RTW-ET02-U030S-E26 Caso fosse uma chave de partida estrela triângulo com reversão no sentido de rotação, os contatores K1 e K2 deveriam ser dimensionados para suportar a corrente nominal do motor, ou seja, deveriam possuir uma corrente nominal superior a 44,65 A, o quer resultaria no seguinte contator, conforme mostrado na Figura 14. 23 Figura 14 – Modelos de contatores. Fonte: Disponível em https://static.weg.net/medias/downloadcenter/hac/hb5/WEG-CWM-50051271- catalogo-pt.pdf. Acessado em 26/08/2023. Assim, os componentes especificados para este acionamento, se se tratasse de uma chave de partida estrela-triângulo com reversão no sentido de rotação, seriam: • 3 fusíveis FNH000-63U, FNH00-63U ou FNH1-63U • 2 contatores CWM50-22-30C34 • 1 contator CWM32-01-30C34 • 1 contator CWM18-01-30C34 • 1 relé de sobrecarga RW27-1D3-U032 • 1 relé temporizador RTW-ET02-U030S-E26 TEMA 5 – CARACTERÍSTICA DO TORQUE DE PARTIDA Na partida estrela-triângulo o motor é preparado inicialmente para receber a maior tensão, portanto ligado em estrela, mas a tensão aplicada é referente a ligação em triângulo, portanto haverá uma redução na corrente de partida do 24 motor, mas também no torque da partida. Vamos verificar como ocorre esta redução. Sabe-se que o torque de partida da ligação em triângulo é dado por 𝑇Δ = 𝐾 ∙ 𝑉𝑛 2 (16) onde T∆ é o torque do motor em triângulo, K é uma constante do motor, e Vn é a tensão aplicada ao motor. Quando o motor está ligado em estrela, e é aplicada a tensão referente a ligação em triângulo, então está se aplicando o valor equivalente a tensão de fase do motor que é dada pela tensão de linha dividida por raiz de três. Assim, o torque na partida fica 𝑇𝑌 = 𝐾 ∙ ( 𝑉𝑛 √3 ) 2 = 𝐾 ∙ 𝑉𝑛 2 3 (17) onde TY, é o torque do motor desenvolvido quando está ligado em estrela. Como a constante K do motor é a mesma, isolando-a na equação (16) e na equação (17), tem-se 𝑇Δ 𝑉𝑛2 = 3𝑇𝑌 𝑉𝑛2 → 𝑇𝑌 = 𝑇Δ 3 (18) Portanto, na partida estrela-triângulo há uma redução de 2/3 no torque de partida nominal do motor. Este mesmo raciocínio aplica-se a corrente do motor durante a partida, portanto a corrente de partida é reduzida a 1/3 da corrente de partida nominal do motor. FINALIZANDO Esta aula teve como principal objetivo apresentar a chave de partida estrela- triângulo sem e com reversão no sentido de rotação. Foram apresentados os circuitos de força e comando, além de explicar como é feita a especificação dos componentes de manobra e proteção. Ainda, foram apresentadas as características de correte e torque para esse tipo de partida. REFERÊNCIAS FRANCHI, C. M. Sistemas de Acionamento Elétrico. 1ª ed. São Paulo: Érica, 2014. PETRUZZELA, F.D. Motores elétricos e acionamentos. Porto Alegre: AMGH, 2013. MÁQUINAS E ACIONAMENTOS ELÉTRICOS AULA 5 Profª Maria Aline Gonçalves 2 CONVERSA INICIAL Sejam bem-vindos à quinta aula da disciplina de Máquinas e Acionamentos Elétricos. Nesta aula será realizado o estudo da chave de partida compensadora aplicada a motores elétricos trifásicos, com e sem reversão no sentido de rotação. Serão apresentados os circuitos de força e de comando de cada uma destas partidas assim como a descrição do funcionamento dos circuitos. TEMA 1 – CHAVE DE PARTIDA COMPENSADORA O objetivo da chave de partida compensadora é reduzir o pico da corrente de partida do motor, ou seja, o objetivo é o mesmo da chave de partida estrela- triângulo. A diferença está no fato de que na chave de partida compensadora há uma redução na tensão aplicada ao motor durante a partida. Essa redução é realizada utilizando um autotransformador trifásico ligado aos terminais do motor. Um exemplo de autotransformador que pode ser utilizado na chave de partida compensadora é apresentado na Figura 1. Figura 1 – Autotransformador trifásico. Fonte: A autora (2023) A Figura 1 apresenta um autotransformador trifásico cujos enrolamentos estão ligados em estrela. É possível notar que há três derivações no enrolamento de cada fase. A indicação de porcentagem nas derivações indica qual a porcentagem da tensão nominal em cada derivação. Por exemplo, supondo que cada enrolamento seja projetado para uma tensão de 220 V, então significa que na derivação de 75% a tensão será de 165 V, na derivação de 50% a tensão será de 110 V e na derivação de 25% a tensão será de 55 V, sempre em relação ao ponto de interligação das bobinas. No momento da partida do motor é escolhida uma das derivações para ser ligada aos terminais do motor, sendo a tensão que está na derivação que será aplicada ao motor no instante da partida. 3 Devido à redução da tensão aplicada ao motor no instante da partida, haverá a redução da corrente de partida. Em consequência disso, há uma redução no torque de partida. Considerando as derivações mostradas na Figura 1 os torques de partida seriam de 56% na derivação de 75%, 25% na derivação de 50% e de 6,25% na derivação de 25%, sempre em comparação ao torque da partida direta. Vale ressaltar que o autotransformador da Figura 1 é apenas um exemplo. Podem ser utilizados transformadores com diferentes percentuais da tensão nominal em suas derivações. Na chave de partida compensadora podem ser observadas as seguintes características: • Na mudança das derivações o motor continua energizado, o que reduz os picos de corrente; • Para que o motor realize a partida de maneira adequada, é possível variar a derivação quantas vezes forem necessárias; • O valor da tensão da rede pode ser igual a tensão de ligação do motor em estrela ou em triângulo; • Há limitação do número de partidas devido ao uso do autotransformador; • Custo mais elevado e maior volume físico em relação a chave de partida estrela-triângulo devido a utilização do autotransformador. 1.1 Circuito de força para a partida compensadora O circuito de força de uma chave de partida compensadora é mostrado na Figura 2. Como mencionado anteriormente, o funcionamento da chave de partida consiste em aplicar uma tensão reduzida na partida do motor e na sequência aplicar a tensão nominal. Como isso é feito pode ser entendido pela análise de funcionamento do circuito da Figura 2. A operação do circuito se inicia pelo acionamento dos contatores K3 e K2. O primeiro contator a ser acionado é o K3, que como pode ser observado na Figura 2, fará a conexão dos terminais dos enrolamentos do autotransformador ligando seus enrolamentos em estrela. Assim que o contator K3 é acionado, o contator K2 é acionado em seguida, aplicando as fases L1, L2 e L3 aos terminais dos enrolamentos do autotransformador. 4 Figura 2 – Circuito de força de uma chave de partida compensadora com fusíveis e relé de sobrecarga. Fonte: A autora (2023) Dessa maneira, o autotransformador fica energizado e os terminais da derivação escolhida são conectados aos terminais 1, 3 e 5 do relé de sobrecarga cujos terminais de saída, 2, 4 e 6, estão conectados aos terminais de alimentação do motor, U1, V1 e W1. Assim, o motor será acionado com a tensão disponível na derivação. Depois de um certo tempo, ajustado em um relé temporizador, haverá a desenergização do contator K3 e o acionamento do contator K1, o que ocasionará a desenergização do contator K2, abrindo seus contatos de força, permanecendo assim, apenas o contator K1 acionado. Dessa forma, as fases L1, L2 e L3 ficam aplicadas diretamente aos terminais do motor alimentando-o com tensão nominal. Está situação vai permanecer até que o contator K1 seja desacionado. No circuito da Figura 2 a proteção contra curto-circuitoé feita através dos fusíveis F1, F2 e F3 e a proteção contra correntes de sobrecarga é feita pelo relé de sobrecarga RT1. Este sistema de proteção pode ser substituído por um disjuntor-motor que fará as duas proteções. O circuito de força da chave de partida compensadora com disjuntor-motor é apresentado na Figura 3. 5 Figura 3 – Circuito de força de uma chave de partida compensadora com disjuntor-motor. Fonte: A autora (2023) 1.2 Circuito de comando para partida compensadora O circuito de comando para a chave de partida compensadora é apresentado na Figura 4. Este circuito de comando deve ser utilizado em conjunto com o circuito de força apresentado na Figura 2. A seguir será feita a descrição do seu funcionamento. O início da operação do circuito de comando da Figura 4 se dá pelo acionamento da botoeira S2. Ao ser pressionada o seu contato aberto 13-14 irá se fechar. A corrente elétrica proveniente da fonte de 24 VCC irá passar pelo contato fechado 95-96 do relé de sobrecarga RT1, pelo contato fechado de S1, 11-12, pelo contato de 13-14 de S2 que está fechado, pelos contatos 15-16 do relé temporizador KT, pelo contato fechado de K1, 21-22, e finalmente chegará à bobina do contator K3, energizando seus terminais A1-A2. Com a energização da bobina do contator K3 o contato NA deste contator, 13-14, irá fechar energizando o contator K2, o que irá fazer com que seus contatos auxiliares comutem. Além disso, o contato NF de K3, 21-22, irá se abrir, realizando o intertravamento com o contator K1. Assim, os contatos NA de K2, 13-14 e 43-44 serão fechados. O contato 13-14 de K2 irá ser responsável por 6 manter a bobina do contator K3 energizada, e o contato 43-44 de K2 irá energizar a bobina do relé temporizador KT fazendo com que ele inicie a contagem do tempo pré-programado. Assim, durante esta etapa, os contatores energizados são o K3 e o K2, que são responsáveis por aplicar a tensão reduzida ao motor na partida. Esta situação permanecerá até que o tempo programado no relé temporizador termine. Figura 4 – Circuito de comando de uma chave de partida compensadora. Fonte: A autora (2023) Quando o tempo do relé temporizador terminar, então o seu contato NAF, irá comutar e desenergizar o contator K3, reabrir seu contato 13-14, e fazer com que o contato NF de K3, 21-22, volte a fechar, permitindo a energização da bobina do contator K1. Como neste instante o contato NA de K2, 13-14, estará fechado, então a bobina do contator K1 será energizada. Quando isso ocorrer, seu contato de selo 13-14 irá se fechar, mantendo-o acionado. Isso é necessário porque o contato NF de K1, 31-32, irá se abrir, desenergizando a bobina do 7 contator K2 e assim os contatos 13-14 e 43-44 de K2 voltarão ao seu estado normalmente aberto. Dessa forma, somente o contator K1 permanecerá acionado aplicando a tensão da rede de alimentação diretamente aos terminais do motor. O desligamento do circuito de comando, e consequentemente do circuito de força, ocorre mediante o acionamento da botoeira S1, da atuação do relé térmico RT1, ou pela atuação do fusível F4 caso ocorra um curto-circuito no circuito de comando, o que é muito pouco provável que aconteça, mas pode acontecer. O circuito de comando para utilização com o circuito de força da Figura 3 é o mesmo da Figura 4, apenas fazendo a substituição do contato fechado de RT1, 95-96, por um contato auxiliar NA do disjuntor-motor. TEMA 2 – CHAVE DE PARTIDA COMPENSADORA COM REVERSÃO NO SENTIDO DE ROTAÇÃO. O circuito da chave de partida compensadora com reversão no sentido de rotação é uma combinação do circuito de força da chave de partida compensadora com o circuito de força de uma chave de partida direta com reversão no sentido de rotação. Em outras palavras, é um circuito que inverte o sentido de giro do motor e em ambos os sentidos é executado o procedimento de partida da chave compensadora. Para isso é necessário a inclusão de mais dois contatores em relação à chave de partida compensadora, portanto, são utilizados cinco contatores. 2.1 Circuito de força para partida compensadora com reversão no sentido de rotação O circuito de força de uma chave de partida compensadora com reversão no sentido de rotação é mostrado na Figura 5. O funcionamento do circuito de força da Figura 5 é bastante semelhante ao do circuito da Figura 2. Partindo do motor em repouso o acionamento do motor é feito a partir do fechamento dos contatos de força do contator K1, K3 e K5. Quando isso acontece os terminais 8, 5 e 2 do autotransformador são interligados, caracterizando a ligação em estrela. As fases da rede, L1, L2 e L3, são aplicadas aos terminais 7, 4 e 1 do autotransformador, energizando-o. Com o autotransformador energizado, haverá uma tensão menor que a tensão 8 nominal disponível nos terminais das derivações, 9, 6 e 3, que passam pelo relé de sobrecarga e são aplicadas aos terminais U1, V1 e W1 do motor. Assim, o motor é acionado com tensão reduzidia. Figura 5 – Circuito de força de uma chave de partida compensadora com reversão no sentido de rotação, com fusíveis e relé de sobrecarga. Fonte: A Autora (2023) Esta situação vai permanecer até que o tempo programado no relé temporizador se passe. Assim que isso acontecer, o contator K5 irá abrir seus contatos de força desfazendo a ligação em estrela do autotransformador. Neste mesmo instante, os contatos de força do contator K4 irão se fechar aplicando as fases L1, L2 e L3 aos terminais U1, V1 e W1 do motor na sequência correta, mantendo o mesmo sentido de giro. Na sequência, o contator K3 é 9 desenergizado abrindo seus contatos de força. Dessa forma, o motor ficará energizado com tensão nominal e com os contatores K1 e K4 energizados. Para a inversão no sentido de rotação, no início do funcionamento do motor deve ser energizado o contator K2 ao invés do contator K1. A partir deste ponto, o funcionamento é o mesmo que foi descrito anteriormente. iniciando o funcionamento do motor em estrela com os contatores K2 e K4. Perceba, que ao energizar o contator K2 inverte-se a sequência de fases que são aplicadas aos terminais U1, V1 e W1 do motor, em relação ao acionamento com o contator K1. Caso se deseje substituir o sistema de proteção do circuito de força da Figura 5 feito com fusíveis e relé de sobrecarga por um disjuntor-motor, basta realizar a mesma substituição, como foi feito da Figura 2 para a Figura 3. 2.1 Circuito de comando para partida compensadora com reversão no sentido de rotação O circuito de comando para a chave de partida compensadora com reversão no sentido de rotação é apresentado na Figura 6. Figura 6 – Circuito de comando de uma chave de partida compensadora com reversão no sentido de rotação. Fonte: A Autora (2023) 10 Este circuito de comando deve ser utilizado em conjunto com o circuito de força apresentado na Figura 5. A seguir será feita a descrição do seu funcionamento. O funcionamento do circuito se inicia com o acionamento da botoeira S2. Ao ser acionada, seu contato NA (13-14) se fecha, permitindo que a corrente elétrica passe pelo contato NF do relé de sobrecarga (95-96), pelo contato NF da botoeira S1 (11-12), pelo contato NF de K2 (21-22) e chegue à bobina do contator K1 energizando os seus terminais (A1-A2). Assim, o contato de selo de K1 (13-14) se fecha, permitindo que a botoeira S2 seja desacionada e a bobina do contator se mantenha energizada. Como se trata de uma chave de partida com reversão no sentido de rotação é necessário que exista um intertravamento entre os contatores que fazem a inversão de fases. Portanto, o contato de intertravamento de K1 (21-22) se abre impedindo a energização da bobina do contator K2. Além disso, o contato NA de K1 (43-44) é fechado, energizando a bobina do contator K5. Ao ter sua bobinaenergizada o contator K5 vai fechar seu contato NA (13-14), energizando a bobina do contator K3, e abrir seu contato NF (21-22) impedindo a energização simultânea com o contator K4. O contator K3, após energizado, irá fechar seus contatos NA (13-14) e (43-44). O contato NA de K3 (13-14) opera como contato de selo, e o contato NA (43-44) irá energizar o relé temporizador KT, que é um relé de retardo na energização, ou seja, ele irá comutar seus contatos após a passagem do tempo previamente ajustado. Até o momento, tem-se os contatores K1, K3 e K5 energizados, além do relé temporizador KT. Esta situação irá permanecer até que o tempo ajustado no relé temporizador passe totalmente. Após o término do tempo ajustado em KT, o seu contato NAF (15-16) irá comutar para os contatos (15-18). Dessa forma, a bobina do contator K5 será desenergizada, fazendo o seu contato NA (13-14) voltar a abrir e o seu contato NF (21-22) fechar. Como o contato NA de K3 (13-14) está fechado, a bobina do contator K4 será energizada, fazendo com que seu contato NA (13-14) se feche, e o contato NF (21-22) de intertravamento com K5, abra. Ainda, haverá a abertura do contato NF (31-32) de K4, desenergizando a bobina do contator K3, fazendo com que seus contatos NA (13-14) e (43-44) voltem a abrir, desenergizando o relé KT. Ao ser desenergizado o seu contato NAF volta para 11 a posição (15-16). Entretanto, o fato do contato NF de K4 (21-22) estar aberto, o contator K5 não será energizado. Assim, ao final do procedimento de partida permanecerão energizados os contatores K1 e K4, até que a botoeira S1 seja pressionada e desenergize todo o circuito. Para inverter o sentido de rotação, basta ao invés de pressionar a botoeira S2, pressionar a botoeira S3 para dar início ao funcionamento. O procedimento é o mesmo que foi descrito, apenas invertendo o sentido de rotação do motor. TEMA 3 – PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO A chave de partida compensadora tem como principal característica a redução da tensão de alimentação das bobinas do motor durante o processo de partida, devido a ligação dos terminais do motor às derivações, conhecidas como tap, do autotransformador. Como no momento da partida a tensão aplicada ao motor é a tensão dos taps, há a redução da corrente de partida. Quanto menor for o percentual do tap, menor a tensão aplicada, e consequentemente maior será a redução da corrente de partida e menor será o conjugado de partida. A escolha do tap na partida é em função da carga do motor durante a partida. Para motores que partem a vazio ou com pouca carga, o tap de 50% costuma ser uma boa escolha. Para as demais situações, cada caso deve ser estudado individualmente pelo projetista para escolher o melhor tap durante a partida. Há casos em que é necessária a utilização de mais de um tap, onde a tensão aplicada ao motor vai aumentando gradualmente em função do tap, até chegar à tensão nominal. Porém, a cada tap adicional, é preciso adicionar um contator a mais, o que torna a partida mais cara, e os circuitos de força e comando mais complexos. O princípio de funcionamento da chave de partida compensadora, pode ser resumido em três etapas: 1) Na primeira etapa as bobinas do autotransformador são ligadas em estrela e em seguida os terminais restantes são energizados. Então a tensão reduzida dos taps é aplicada aos terminais do motor que parte com tensão reduzida. 12 2) Na segunda etapa, é desfeita a ligação das bobinas do transformador. Isso deve ser feito quando o motor atinge a velocidade de equilíbrio. 3) Na terceira etapa a tensão nominal é plicada ao motor diretamente e o autotransformador é desligado. Tanto a corrente quando o conjugado de partida variam de aproximadamente 1,7 a 4 vezes o valor nominal. Na partida direta este valor pode chegar a 8 vezes ou mais. Para uma melhor compreensão, a Figura 7 apresenta um comparativo entre a corrente de partida da chave compensadora e a corrente de partida direta. Figura 7 – Corrente de partida na chave compensadora. Fonte: Franchi (2014) Seguindo a mesma lógica da corrente de partida, a Figura 8 apresenta o comportamento do conjugado de partida e a comparação com a partida direta. 13 Figura 8 – Conjugado de partida na compensadora. Fonte: Franchi (2014) TEMA 4 – DIMENSIONAMENTO DE DISPOSITIVOS DE MANOBRA E PROTEÇÃO Agora que já conhecemos os circuitos de força e comando, além das características da chave de partida estrela-triângulo, vamos verificar como é realizado o dimensionamento dos dispositivos de manobra e proteção, para a partida compensadora. 4.1 Dimensionamento de contatores O dimensionamento de contatores deve ser feito de acordo com a corrente a que ele fica sujeito. Para obter este valor, é importante conhecer a corrente nominal do motor, conforme mostrado na equação a seguir 𝐼𝑛 = 𝑃𝑛 √3 ∙ 𝑉𝑛 ∙ cos 𝜑 ∙ 𝜂 (1) onde Pn é a potência nominal em W, Vn é tensão nominal da rede, cosφ, é o fator de potência do motor a plena carga, e η é o rendimento do motor a plena carga, entre 0 e 1. Nem sempre é a corrente nominal do motor vai passar pelo contator. Então deve-se ficar atento para qual será esta corrente e escolher o contator de acordo com o valor da corrente que passará por ele. Vamos analisar agora a chave de partida compensadora da Figura 2. Nela, os contatores K2 e K3 operam durante a partida do motor, e na sequência apenas o contator K1 fica sujeito a passagem de corrente. Como a tensão de 14 partida depende do tap do transformador em que o motor está ligado, a corrente dependerá desta ligação, com exceção do contator K1. No caso do contator K1, ele ficará sujeito a corrente nominal do motor, já que ele não participa diretamente da partida do motor. Sendo assim, a ele deve ser dimensionador para corrente nominal do motor, ou seja, 𝐼𝐾1 = 𝐼𝑛 (2) Já para os contatores K2 e K3, deve ser levado em consideração o tap de partida. A corrente no contator K2 será 𝐼𝐾2 = 𝑡𝑎𝑝 2 ∙ 𝐼𝑛 (3) e para o contator K3 será 𝐼𝐾2 = (𝑡𝑎𝑝 − 𝑡𝑎𝑝 2) ∙ 𝐼𝑛 (4) Onde tap, significa em qual tap o motor está ligado para a partida. Por exemplo, se o motor estiver ligado no tap 65%, o valor de tap nas equações (3) e (4) será de 0,65. 4.2 Dimensionamento de relés de sobrecarga Os relés de sobrecarga têm a função de monitorar se a corrente que está sendo absorvida pelo motor não é uma corrente que pode ser considerada como sendo de sobrecarga. Sendo assim, a corrente que deve passar por eles e, portanto, que eles devem suportar, é a corrente que alimenta o motor em regime permanente. No dimensionamento dos relés de sobrecarga, será especificada qual a corrente que ele passará a enxergar como sendo corrente de sobrecarga. Este valor é o que deverá ser ajustado na regulagem de corrente. Na chave de partida compensadora sem e com reversão no sentido de rotação, a corrente ajustada no relé de sobrecarga será a corrente nominal do motor, portanto 𝐼𝑅𝑇 = 𝐼𝑛 (5) 4.3 Dimensionamento de fusíveis O dimensionamento de fusíveis deve levar em consideração duas situações. A primeira situação é durante a partida do motor. Sabe-se que a partida do motor atinge valores muito maiores que a corrente nominal. Sendo 15 assim, o fusível não pode se romper durante a partida. Além disso, durante o funcionamento do motor com corrente nominal, o fusível também não pode se romper. No caso da partida compensadora deve-se saber quanto tempo a corrente de partida irá permanecer, e então verificar na curva do fusível imediatamente superior ao valor encontrado, cruzando a informação de corrente de partida e tempo de partida, qual é a corrente nominal do fusível. A segunda situação diz respeito às correntes, já que o fusível deve proteger, além do motor, o contator e o relé de sobrecarga. Estes critérios são: • If≥ 1,2 x IN: Significa que a corrente nominal do fusível deve ser no mínimo 20% acima da corrente nominal do motor. • If ≤ IK : Significa que a corrente nominal do fusível não pode ser maior que a corrente máxima do fusível dimensionado para os contatores. • If ≤ IRT: Significa que a corrente nominal do fusível não pode ser superior a corrente máxima do fusível para relé de sobrecarga. Esta metodologia de dimensionamento pode ser utilizada para os diodos diazed ou diametral (tipo D) e, também para os fusíveis do tipo NH. 4.4 Dimensionamento do disjuntor-motor Os disjuntores-motores combinam as funcionalidades do fusível e do relé de sobrecarga para realizar a proteção de sistemas de partida de motores elétricos. Sendo assim, o seu dimensionamento consiste em combinar o dimensionamento do relé de sobrecarga com o dos fusíveis. Obviamente deve ser verificado na curva de resposta deles, se os critérios de dimensionamento irão satisfazer as condições da partida escolhida, e pode ser que pequenos ajustes tenham que ser realizados. 4.5 Exemplo de dimensionamento Como exemplo, serão dimensionados os componentes de uma chave de partida compensadora para um motor trifásico de 15 CV, 4 polos, 220 V, 60 Hz, com rendimento de 95% e fator de potência de 0,91 quando opera a plana carga, sabendo que a tensão de comando é de 24 Vcc, e que a corrente de partida permanece durante 3 segundos, com uma relação Ip/In igual a 7,5. Utilize fusíveis do tipo NH. Considere que na partida o motor está ligado no tap de 65% da tensão nominal do autotransformador, e que ele fica energizados durante 10 segundos. 16 Para a especificação dos componentes desta chave de partida compensadora são utilizados os circuitos das Figura 2 e 4. Para o dimensionamento dos componentes deve ser levado em consideração qual tap do transformador em que o motor está conectado. Como nesse caso o enunciado menciona que o motor está ligado no tap de 65% da tensão nominal, então usaremos o fator de 0,65. Para o dimensionamento do fusível, deve ser determinada a corrente de partida do motor, que é calculada fazendo 𝐼𝑛 = 𝑃 √3 ∙ 𝑉𝑛 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜑 ∙ 𝜂 = 15 ∙ 746 √3 ∙ 220 ∙ 0,91 ∙ 0,95 = 33,97 𝐴 𝐼𝑝 𝑡𝑎𝑝2 ∙ 𝐼𝑛 = 7,5 → 𝐼𝑝 = 7,5 ∙ 𝑡𝑎𝑝 2 ∙ 𝐼𝑛 = 7,5 ∙ 0,65 2 ∙ 33,97 = 107,64 𝐴 (6) Como a corrente de partida permanece durante 3 segundos, no gráfico das curvas dos fusíveis NH o ponto encontrado será o mostrado na Figura 9. Figura 9 – Curva do fusível NH. Fonte: Franchi (2014) O ponto encontrado ficou logo abaixo da curva do fusível de 35 A de corrente nominal, portanto ele atende ao requisito da corrente de partida. Porém deve ser levado em consideração o critério que o a corrente nominal do fusível não pode ser menor que 120% da corrente nominal do motor. Portanto, 17 𝐼𝑓 ≥ 1,2 ∙ 𝐼𝑛 = 1,2 ∙ 33,97 = 40,76 𝐴 (7) Assim, a corrente nominal do fusível deve ser superior a 40,76 A, portanto será adotado o fusível de 50 A de corrente nominal. De acordo com o catálogo dos fusíveis mostrado na Figura 10, o modelo adotado será: Figura 10 – Modelos de fusíveis NH. Fonte: Disponível em https://static.weg.net/medias/downloadcenter/h0a/h63/WEG-fusiveis-ar-e-gl-gg- 50009817-catalogo-portugues-br-dc.pdf . Acessado em 26/08/2023. Poderão ser utilizados os modelos FNH000-50U, FNH00-50U, ou o FNH1- 50U. 18 Os contatores são dimensionados pela corrente que devem suportar. No caso da chave de partida compensadora, as correntes devem ser 𝐼𝐾1 ≥ 𝐼𝑛 = 33,97 𝐴 𝐼𝐾2 ≥ 𝑡𝑎𝑝 2 ∙ 𝐼𝑛 = 0,65 2 ∙ 33,97 = 14,35 𝐴 𝐼𝐾3 ≥ (𝑡𝑎𝑝 − 𝑡𝑎𝑝 2) ∙ 𝐼𝑛 = (0,65 − 0,65 2) ∙ 33,97 = 7,72 𝐴 (8) Levando em consideração o circuito de comando da Figura 4, o contator K1 deve possuir 2 contatos auxiliares NF e 1 contato NA, o contator K2 deve ter 2 contatos auxiliares NA e o contator K3, deve possuir pelo menos 1 contato auxiliar NA e 1 contato NF, e considerando que a tensão de alimentação é de 24 Vcc, os contatores escolhidos serão os mostrados na Figura 11. Figura 11 – Modelos de contatores. Fonte: Disponível em https://static.weg.net/medias/downloadcenter/hac/hb5/WEG-CWM-50051271- catalogo-pt.pdf. Acessado em 26/08/2023. 19 Portanto, os contatores serão o CWM40-22-30C34 para K1, o CWM18- 22-30C34 para o K2, e o CWM9-11-30C34 para o K3. O relé de sobrecarga, deverá atuar quando o procedimento da partida já for realizado, e portanto, somente o contator K1 ficará energizado. Sendo assim, ao analisar o circuito de força da Figura 7, percebe-se que a corrente que passará pelo motor. Portanto a corrente de ajuste será 𝐼𝑅𝑇 ≥ 𝐼𝑁 = 33,97 𝐴 (9) Pela análise dos modelos de relé de sobrecarga, será escolhido o mostrado na Figura 12. Figura 12 – Modelos de relés de sobrecarga. Fonte: Disponível em https://static.weg.net/medias/downloadcenter/h3f/h86/WEG-reles-de- sobrecarga-termico-linha-rw-50042397-catalogo-portugues-br-dc.pdf. Acessado em 26/08/2023. 20 O relé de sobrecarga escolhido é o RW67-1D3-U040. Ele possui uma faixa de ajuste adequada, bem como aceita um fusível máximo de 80 A, acima do fusível especificado com corrente nominal de 50 A Por fim, o relé temporizador de retardo na energização escolhido deverá possuir um contato normalmente aberto-fechado, e possuir uma tensão de comando de 24 Vcc. Com base no catálogo o relé temporizador com retardo na energização escolhido, sabendo que de acordo com o enunciado o transformador ficará energizado por 10 segundos, será: Figura 14 – Modelos de contatores. Fonte: Disponível em https://static.weg.net/medias/downloadcenter/hac/hb5/WEG-CWM-50051271- catalogo-pt.pdf. Acessado em 26/08/2023. O modelo utilizado será o RTW-RE01-U030S-E26. Este foi escolhido porque os 10 segundos que devem ser ajustados nele ficarão o mais próximo do centro da faixa de ajuste deste modelo. Além disso, ele foi escolhido por possuir um contato auxiliar normalmente aberto-fechado, e a tensão de alimentação entre os terminais A1-A2, e A2-A3 é de 24 Vcc. Assim, os componentes especificados para este acionamento são: • 3 fusíveis FNH000-50U, FNH00-50U ou FNH1-50U • 1 contator CWM40-22-30C34 • 1 contator CWM18-22-30C34 • 1 contator CWM9-11-30C34 • 1 relé de sobrecarga RW67-1D3-U040 • 1 relé temporizador RTW-RE01-U030S-E26 Caso se tratasse de uma chave compensadora com reversão no sentido de rotação, como mostrado na Figura 5 e na Figura 6, os contatores K1, K2 e 21 K4 devem ser projetados para suportar a corrente nominal do motor, e os contatores K3 e K5, conforme seus respectivos contatores da partida compensadora sem reversão no sentido de rotação. Em relação o número de contatos auxiliares, de acordo com a Figura 6, o contator K1 necessitaria 2 contatos NA e 1 contato NF, assim como o contator K2. O contator K3 precisaria de 2 contatos NA, o contator K4 precisaria de 1 contato NA e 2 contatos NF, e por fim o contator K5 precisaria de 1 contato NA e 1 contato NF. TEMA 5 – CARACTERÍSTICA DO TORQUE DE PARTIDA O autotransformador utilizado na partida compensadora possui taps que diminuem a tensão de partida. Normalmente os taps possuem tensões de 50%, 65% e 80%. Entretanto, nada impede que sejam utilizados transformadores com tensões diferentes destas. Cada tap utilizado, reduz a corrente de partida, e o torque de partida em uma determinada porcentagem • Tap em 50%, o torque de partida é 25% do torque de partida direta; • Tap em 65% o torque de partida é 42% do torque de partida direta; • Tap em 80% o torque de partida é 64% do torque de partida direta. Este cálculo é feito da seguinte forma. Vamos tomar como exemplo o cálculo de levando em consideração que o tap está em 65% da tensão nominal. Portanto, da equação (10) tem-se 𝑇 = 𝐾 ∙ (𝑡𝑎𝑝2) ∙ 𝑇𝑛 = 𝐾 ∙ (0,65 2) ∙ 𝑇𝑛 = 𝐾 ∙ 0,42 ∙ 𝑇𝑛 (10) Nota-se que háuma redução de 58% no torque, portanto o resultado é um torque de 42% do torque nominal. Este cálculo pode ser estendido para qualquer tensão do motor. Mesmo par uma tensão diferente das que foram mencionadas, é possível determinar a redução percentual do torque e consequentemente da corrente de partida do motor. Além disso, o fato de o transformador operar somente durante a partida do motor, implica em ele não necessitar ter a potência nominal do motor, mas sim apenas alimentar o motor durante a partida. FINALIZANDO Esta aula teve como principal objetivo apresentar a chave de partida compensadora sem e com reversão no sentido de rotação. Foram apresentados 22 os circuitos de força e comando, além de explicar como é feita a especificação dos componentes de manobra e proteção. Ainda, foram apresentadas as características de correte e torque para esse tipo de partida. REFERÊNCIAS FRANCHI, C. M. Sistemas de Acionamento Elétrico. 1ª ed. São Paulo: Érica, 2014. PETRUZZELA, F.D. Motores elétricos e acionamentos. Porto Alegre: AMGH, 2013. MÁQUINAS E ACIONAMENTOS ELÉTRICOS AULA 6 Profa. Maria Aline Gonçalves CONVERSA INICIAL Seja bem-vindo(a) à nossa última aula teórica nesta disciplina. Nas aulas anteriores, adquirimos conhecimento sobre o funcionamento dos motores de indução, seus principais componentes de acionamento e os métodos de partida utilizados. Hoje, concluiremos o conteúdo planejado, encerrando assim este ciclo de aprendizagem teórica. No primeiro tópico, estudamos a técnica de partida sequencial de motores elétricos com o uso de soft-starters, visando a economia de energia. Exploramos como essa abordagem possibilita a partida eficiente de vários motores, ressaltando a importância da escolha de motores com características semelhantes para simplificar os ajustes. No segundo tópico, abordamos a frenagem por injeção de corrente contínua, esclarecendo como essa técnica interrompe o movimento de um motor após a desativação da corrente alternada. Discutimos a importância do projeto de retificadores adequados e sua aplicação, tanto em dispositivos eletrônicos quanto em sistemas personalizados de frenagem dinâmica. No terceiro tópico, exploramos o conceito de potência elétrica e sua relação com trabalho e energia, bem como seu impacto nos motores trifásicos de indução. Investigamos a potência instantânea em circuitos de corrente alternada, compreendendo as potências ativa, reativa e complexa, além de como esses conceitos se conectam ao fator de potência. Por fim, encerraremos a aula com a exploração dos métodos de correção de fator de potência e automação de bancos de capacitores. Prepare-se para concluir este curso com um conhecimento sólido e prático sobre motores elétricos e suas aplicações. 3 TEMA 1 – CHAVE DE PARTIDA SEQUENCIAL A ligação em partida sequencial, ou em cascata, é uma estratégia eficaz para reduzir o custo das partidas, pois permite que vários motores sejam acionados usando uma única soft-starter. Para realizar essa operação, um motor é iniciado individualmente, e uma vez concluída sua partida, a soft-starter alimenta-o com a tensão da rede elétrica. Após isso, a soft-starter fica pronta para iniciar a partida de outro motor. A utilização de motores de mesma potência e características de carga é altamente recomendável pois possibilita a utilização dos mesmos ajustes para todos os motores, tornando a partida mais eficiente. No entanto, caso sejam utilizados motores com potências e/ou cargas diferentes, é necessário ajustar os parâmetros de cada motor separadamente. Isso pode ser feito por meio de entradas digitais ou através de redes de comunicação, como Devicenet, Profibus, RS 232, entre outras. A Figura 1, abaixo ilustra o diagrama trifilar desse tipo de ligação. Figura 1 – Ligação sequencial de motores com soft-starter. Fonte: Franchi, 2014. 4 Para garantir o desempenho adequado desse sistema, a potência da soft- starter deve ser, no mínimo, igual à potência nominal do maior dos motores a serem acionados em sequência. Se não houver pausa entre as partidas dos motores, a capacidade da soft-starter deve ser especificada com base na corrente eficaz resultante. A adaptação dos parâmetros para diferentes capacidades de motores e/ou cargas pode ser facilmente realizada por meio do software de comunicação da soft-starter, que permite o armazenamento de até três conjuntos diferentes de parâmetros. Além disso, a partida sequenciada pode ser aplicada a motores de pólos comutáveis em suas diversas rotações. Para concluir, a partida sequencial de motores trifásicos é uma série de operações controladas por um sistema de comandos elétricos, que introduz dois ou mais motores em sequência no circuito. Esse tipo de partida pode ser realizado com o auxílio de relés temporizadores e comandos elétricos, proporcionando uma solução eficiente para acionar múltiplos motores de forma coordenada e econômica. TEMA 2 – FRENAGEM POR INJEÇÃO DE CORRENTE CONTÍNUA A frenagem por injeção de corrente contínua, também conhecida como frenagem eletromagnética, é um método em que aplicamos corrente contínua aos enrolamentos fixos de um motor CA após desligar a corrente alternada. Isso transforma o motor em um eletroímã, interrompendo o movimento do rotor. Esse método requer um conversor CA-CC (retificador) projetado com os limites de tensão e corrente do motor em mente para garantir que a corrente contínua aplicada seja forte o suficiente para parar o rotor, mas não tão forte a ponto de danificar os enrolamentos. Um diagrama trifilar de aplicação deste método de frenagem está ilustrado na Figura 2. O transformador tem a função de ajustar a quantidade torque de frenagem aplicado ao motor. A tensão alternada é convertida em tensão contínua pelo retificador a diodos em ponte completa (identificado no diagrama da Figura 2). 5 As bobinas M e B no bloco de acionamento do diagrama trifilar são intertravadas, para que os contatos de corrente alternada (M) e corrente contínua (B) no bloco de acionamento não sejam fechadas ao mesmo tempo. Ao se pressionar o botão start, a bobina M e o timer TR são energizados, o contato M1 fecha para manter a corrente na bobina e o contato M2 abre cortando a alimentação de energia para a bobina B. O timer TR mantém-se fechado enquanto o motor está operando. Quando o botão de stop é pressionado, a bobina M e o timer TR são desenergizados. A bobina do circuito de frenagem, B, é energizada pelo contato fechado do timer TR. Os contatos B do bloco de comando do diagrama fecham- se para injetar corrente contínua no enrolamento do motor. A bobina B é desenergizada ao final do tempo do timer. Figura 2 – Diagrama trifilar de motor com frenagem por injeção de CC Fonte: Adaptado de Petruzella,2013. Alguns dispositivos eletrônicos, como inversores de frequência, possuem essa função integrada e podem ser programados para parar o motor. Se desejar Retificador Transformador Bloco de comando Bloco de acionamento 6 criar um sistema de frenagem desse tipo com componentes eletrônicos adicionais, é aconselhável entrar em contato com o fabricante do motor para verificar a possibilidade de uso da frenagem dinâmica, considerando suas características elétricas. TEMA 3 – FATOR DE POTÊNCIA O termo potência é diretamente relacionado a trabalho e energia, e veremos como ele está diretamente ligado ao rendimento de um motor trifásico de indução. Em nossa primeira aula, no tema 4, estudamos o rendimento de motores trifásicos de indução e entendemos que nem toda energia que é fornecida ao motor é transferida em forma de trabalho pelo eixo do outro lado devido as perdas que ocorrem no interior do equipamento.Sabemos também que o motor trifásico de indução transforma energia elétrica em energia mecânica. Vamos entender o processo do fluxo de potência e o que influencia para que parte da potência elétrica seja usada no processo de transformação, mas não seja convertida em potência mecânica de trabalho. A fim de entendermos esse fenômeno, vamos antes estudar um pouco mais a fundo o sistema de corrente alternada, CA, e seus sinais senoidais que alimentam o motor. 3.1 Potência instantânea A potência instantânea em um circuito de corrente alternada é uma medida da taxa na qual a energia está sendo transferida ou consumida em um dado momento, sua unidade de medida é o Watt (W). Em um circuito CA, a corrente e a tensão variam com o tempo, geralmente seguindo uma forma de onda senoidal. A potência instantânea, 𝑝(𝑡), em um instante de tempo t, pode ser calculada multiplicando a corrente instantânea, 𝑖(𝑡), pela tensão instantânea, 𝑣(𝑡), naquele momento específico: 𝑝(𝑡) = 𝑣(𝑡) ∙ 𝑖(𝑡) [1] Onde: 𝑣(𝑡) = 𝑉𝑚á𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡 + 𝜃); 7 𝑖(𝑡) = 𝐼𝑚á𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡 + 𝛿) = 𝐼𝑚á𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡 + 𝜃 − ∅) ; sendo ∅ = 𝜃 − 𝛿, a defasagem entre o sinal de tensão e o sinal de corrente. Figura 3 - Potência instantânea com tensão e corrente. Fonte: Mohan, 2015. A Figura 3 ilustra os gráficos de potência instantânea resultante para duas cargas diferentes, (a) e (b), a linha cheia representa os valores de tensão, 𝑣(𝑡), a linha pontilhada representa os valores de corrente, 𝑖(𝑡), e a linha pontilhada representa os valores de potência, 𝑝(𝑡), ao longo do tempo. A Figura 3(a) plota o gráfico de potência, 𝑝(𝑡), de uma carga em que a tensão 𝑣(𝑡), e a corrente, 𝑖(𝑡), estão em fase, ou seja, ambas são positivas ou negativas no mesmo intervalo de tempo durante todo o período. Nesta condição, o produto entre 𝑣(𝑡) e 𝑖(𝑡) é sempre positivo. Note que toda a área sob a curva de potência (linha tracejada) fica na região superior e positiva do gráfico. A Figura 3(b) plota o gráfico de potência, 𝑝(𝑡), de uma carga onde verifica- se que em determinado instante de tempo a tensão, 𝑣(𝑡) é positiva enquanto a corrente, 𝑖(𝑡), é negativa, ou seja, 𝑣(𝑡) e 𝑖(𝑡) estão defasadas. Nesta condição haverá um atraso caracterizado pelo ângulo de fase ∅, e haverá uma parte do produto entre 𝑣(𝑡) e 𝑖(𝑡) que resultará negativo. Note que uma parte da área da curva de potência fica na região inferior do gráfico. 3.2 Potência ativa e potência reativa Analisando os dois gráficos verificamos que a corrente e a tensão alternadas são grandezas senoidais e que a potência instantânea varia ao longo 8 do ciclo da onda, atingindo valores máximos e mínimos em diferentes pontos. Portanto, para calcular a potência média ao longo de um ciclo completo da onda senoidal, você pode usar o conceito de integração da área sob a curva da senoide. A onda senoidal é simétrica e periódica, com um período T. A potência média (ou potência ativa), 𝑝𝑚é𝑑𝑖𝑎(𝑡), ao longo de um ciclo completo da onda senoidal é medida em Watts (W) e é dada por: 𝑝𝑚é𝑑𝑖𝑎(𝑡) = 1 𝑇 ∫ 𝑝(𝑡) 𝑇 0 𝑑𝑡 ou P=𝑉. 𝐼𝑐𝑜𝑠(∅) [2] Onde 𝑝(𝑡)é a potência instantânea em um ponto qualquer do ciclo e a integral está sendo calculada ao longo de um período completo da onda senoidal. A parte negativa da potência que aparece no gráfico da Figura 2(a) é chamada de potência reativa, 𝑄, é definida pelo valor de pico da potência reativa instantânea, sua unidade de medida é o Volt-Ampére (VAr) reativo, e pode ser expressa através da equação: Q = 𝑉. 𝐼𝑠𝑒𝑛(∅) [3] 3.3 Potência complexa A potência complexa, ou potência aparente, S, é a potência total fornecida ao sistema, seu valor é calculado através da soma da potência ativa e da potência reativa. Sua unidade de medida é o Volt-Ampére (VA). A potência complexa é definida na forma fasorial, através do produto entre o fasor da tensão pelo complexo conjugado do fasor da corrente. Ou seja, é um número complexo representado da seguinte forma: 𝑆 = 𝑃 + 𝑗𝑄 [4] 9 Onde a potência ativa, P, é a parte real e a potência reativa, Q, é a parte imaginária, conforme pode ser observado na Figura 4. Figura 4- Triângulo de Potências. Fonte: Mohan, 2015. Substituindo as Equações 2 e 3 na Equação 4, obtemos: 𝑆 = 𝑉. 𝐼 𝑐𝑜𝑠(∅) + 𝑗 [𝑉. 𝐼 𝑠𝑒𝑛(∅)] rearranjando a Equação 5: [5] 𝑆 = 𝑉. 𝐼 [𝑐𝑜𝑠(∅) + 𝑗 𝑠𝑒𝑛(∅)] ou S= 𝑉. 𝐼∠∅ [6] Analisando o triângulo de potência da Figura 3, por trigonometria obtemos o valor da magnitude de S, em módulo: |𝑆| = √𝑃2 + 𝑄2 [7] e ∅ = tan−1 ( 𝑄 𝑃 ) [8] Interpretando o triângulo de potência na Figura 3 e considerando a equação apresentada, podemos discernir os seguintes conceitos: • Potência Aparente (S): Essa é a quantidade total de potência fornecida ao motor. • Potência Ativa (P): Ela representa a potência real transformada em trabalho útil. 10 • Potência Reativa (Q): Essa é a potência utilizada na conversão de energia, mas não diretamente utilizada para executar trabalho mecânico. Observação importante: Se o ângulo de defasagem (φ) se aproxima de zero, a potência ativa (P) se torna mais próxima da potência aparente (S), resultando em um motor mais eficiente. O Fator de Potência (FP) é uma medida adimensional que indica quanto da potência aparente (S) está sendo usada como potência ativa (P) pelo motor. Em outras palavras, é a relação direta entre a potência de saída (potência ativa, P) e a potência de entrada (potência aparente, S). Matematicamente, o fator de potência (FP) está relacionado ao ângulo de defasagem (∅) e pode ser expresso da seguinte maneira: 𝐹𝑃 = 𝑃 |𝑆| = 𝑃 𝑉𝐼 = 𝑐𝑜𝑠(∅) [8] Em um cenário ideal, a potência reativa, Q, deve ser zero e o fator de potência, FP, igualar-se a um, garantindo que o motor absorva toda a potência fornecida sem perdas no processo de conversão de energia elétrica em mecânica. 3.4 Fator de potência em circuitos trifásicos Vimos anteriormente a análise de potência em circuitos monofásicos, agora iremos abordar esta mesma análise para circuitos trifásicos. Para circuitos trifásicos balanceados em regime permanente senoidal, a potência ativa absorvida e reativa para cada uma das fases são as mesmas de uma carga monofásica. Ou seja: 𝑃3ϕ = 3. 𝑃1𝜙 = 3𝑉𝐼. 𝑐𝑜𝑠(∅) [9] 𝑄3ϕ = 3. 𝑄1𝜙 = 3𝑉𝐼. 𝑠𝑒𝑛(∅) [10] onde: 3ϕ: valor trifásico e 1ϕ: valor por fase Portanto a potência aparente total em Volta-Ampéres será: [11] 11 |𝑆3ϕ| = 3. |𝑆1ϕ| = 3𝑉𝐼 e o fator de potência de um sistema trifásico é: 𝐹𝑃 = 𝑃3ϕ |𝑆3ϕ| = 3𝑉𝐼. 𝑐𝑜𝑠(∅) 3𝑉𝐼 = 𝑐𝑜𝑠(∅) [12] TEMA 4 – CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA Até este ponto, já compreendemos que o fator de potência, FP, de um motor é determinado pelo ângulo de diferença de fase entre a tensão e a corrente, (∅), e é o resultado de cos(∅). Esse valor desempenha um papel fundamental na avaliação do consumo de energia de um motor, sendo particularmente relevante no contexto das bombas. No cenário de bombas equipadas com motores de corrente alternada convencionais, é possível calcular a potência absorvida por meio da medição da tensão de entrada e da corrente de entrada, juntamente com a leitura do valor de cos(∅), ou FP, na placa de especificações do motor, sob carga máxima, conforme destacado na Figura 5. Na prática, um FP igual a 0,8 indica que 80% da potência fornecida ao motor (potência aparente) está sendo convertida em potência útil de trabalho (potência ativa). Um baixo fator de potência pode ser causado por cargas indutivas, transformadores e motores operando com pouca ou nenhumacarga, ou por um excesso de cargas capacitivas no sistema. Como resultado, um baixo fator de potência pode resultar em perdas devido ao efeito Joule causado pela circulação de potência reativa no sistema, redução da eficiência dos transformadores, aquecimento dos condutores e, finalmente, em contas de energia mais elevadas. 12 Figura 5 – Placa de identificação de um motor de indução trifásico. Fonte: http://resumosparaengenheiros.blogspot.com/2017/12/dados-da-placa-do-motor-motores.html. Acessado em 29/07/2020. 4.1 Métodos de correção do fator de potência As concessionárias de energia também preferem que as cargas consumam potência com um fator de potência valor unitário, de forma a minimizar a corrente necessária para uma determinada potência, reduzindo assim as perdas por resistência nas linhas de transmissão, distribuição e outros componentes. O fator de potência pode ser ajustado através da implementação de medidas. A primeira, utilizada para cargas lineares, é modificar a rotina operacional, desligando os motores que estão operando em vazio e otimizando a utilização de energia elétrica de maneira racional para outras cargas como iluminação, por exemplo. Quando o sistema estiver operando com carga leve, analisar a possibilidade de desligar transformadores e manter apenas um energizado. Outra forma de melhorar o fator de potência pode ser alcançada por meio da compensação ou anulação da potência reativa consumida pela carga, através da conexão de uma reatância em paralelo que absorve a mesma quantidade de potência reativa, mas com polaridade oposta. É comum a utilização de banco de capacitores para absorver a energia reativa, o que está diretamente relacionado às características dos capacitores. http://resumosparaengenheiros.blogspot.com/2017/12/dados-da-placa-do-motor-motores.html 13 4.2 Características dos Capacitores Capacitores são componentes eletrônicos passivos usados em circuitos elétricos e eletrônicos para armazenar e liberar energia elétrica de maneira controlada. Eles consistem em dois condutores (ou placas) separados por um material isolante chamado dielétrico. As placas condutoras estão em contato com fios ou terminais que permitem sua conexão a um circuito elétrico, conforme ilustrado no diagrama esquemático da Figura 6. Essa capacidade de armazenamento e liberação controlada de energia elétrica oferecida pelos capacitores desempenha um papel fundamental na correção do fator de potência. Figura 6 – Diagrama esquemático de um capacitor conectado a uma fonte de tensão. Fonte: shutterstck 1952904196. A principal função de um capacitor é armazenar carga elétrica em suas placas, criando um campo elétrico entre elas devido à diferença de potencial (tensão) aplicada. O dielétrico entre as placas impede a passagem de corrente elétrica direta entre elas, mas permite o acúmulo de carga em suas superfícies. A Figura 7 ilustra a imagens de capacitores comumente utilizados em média e baixa tensão. Quando um capacitor é carregado, ele armazena energia na forma de cargas opostas nas placas, criando uma diferença de potencial entre elas. Essa energia pode ser liberada posteriormente quando o capacitor é descarregado. A capacidade de armazenamento de carga de um capacitor é medida em Farads (F), e a tensão máxima que um capacitor pode suportar é especificada como sua tensão nominal. 14 Figura 7 – (a)Capacitores utilizado em subestações de média tensão. (b)Capacitores utilizados em instalações de baixa tensão. Fonte: FILHO, 2023. 4.3 Especificação de Capacitores Ao contrário de outros componentes, os capacitores são caracterizados pela sua potência nominal reativa, medida em Quilo Volt-Ampére Reativo (kVar). Esse valor de potência nominal reativa está intrinsecamente ligado à quantidade de potência reativa em KVAr que o capacitor absorve do sistema quando submetido a uma tensão e frequência nominais, a uma temperatura ambiente não superior a 20ºC. A potência nominal do capacitor pode ser determinada utilizando a Equação 13: 𝑃𝑐 = 2𝜋𝑓 ∙ 𝑉𝑛 2 ∙ 𝐶 1000 [13] Onde: 𝑃𝑐: potência do capacitor [kVAr]; f: frequência nominal [Hz]; 𝑉𝑛:tensão nominal [kV]; C: capacitância [µF]. Observe que a potência nominal guarda uma relação direta com a frequência de operação. Em geral, os capacitores operam a uma frequência de 60Hz, sendo necessário especificar o valor apropriado quando utilizados em outras frequências. (a) (b) 15 Os capacitores são tipicamente produzidos com valores de tensão nominal que correspondem à tensão do sistema entre fases ou entre fase e neutro, dependendo se são destinados a unidades trifásicas ou monofásicas, respectivamente. Isso significa que, se estivermos lidando com um sistema trifásico, os capacitores serão projetados para operar de forma segura e eficaz na tensão entre as fases desse sistema. Em sistemas monofásicos, os capacitores serão projetados para funcionar com a tensão entre a fase e o neutro. Essa correspondência entre a tensão nominal dos capacitores e a tensão do sistema é crucial para garantir que eles desempenhem seu papel corretamente, absorvendo energia reativa e melhorando o fator de potência sem sofrer danos devido a sobretensões. 4.3 Bancos de capacitores Conforme vimos acima, capacitores podem absorver a potência reativa de um sistema, portanto, bancos de capacitores permitem uma correção significativa do fator de potência e normalmente é utilizado em instalações com grande número de cargas e potências diferentes em regime de funcionamento pouco uniformes. Além disso, as concessionárias de eletricidade também usam capacitores em suas redes para evitar perdas de energia e manter a tensão estável. Quando uma empresa instala capacitores, basicamente está adicionando uma fonte de energia extra que ajuda a manter as máquinas funcionando bem. Isso significa que não precisam depender tanto da energia que recebem da empresa de eletricidade, o que é bom porque, caso contrário, a empresa de eletricidade poderia cobrar mais caro por fornecer essa energia extra. Desta forma os capacitores ajudam a economizar energia e evitar custos extras e multas com eletricidade. Bancos de capacitores, Figura 8, podem ser classificados como fixos ou controlados. Os bancos de capacitores fixos são destinados a cargas que permanecem constantes ou variam apenas ligeiramente durante o dia. A 16 potência capacitiva pode ser determinada usando um dos dois métodos: o método analítico ou o método gráfico. Figura 8 – (a)Banco de capacitores instalado em baixa tensão subestações de média tensão. (b)Banco de capacitores instalado em subestação de média tensão. Fonte: Shutterstock: 1841348680 e 1101821852. O método analítico se baseia no uso do triângulo de potências, ilustrado na Figura 9. A potência ativa, representada pela linha verde sólida, é a única que não se altera. As linhas tracejadas indicam os valores iniciais do sistema, sem a correção do fator de potência. 𝑃 é potência ativa em kW, ∅1é o ângulo do fator de potência inicial, ∅2 é o ângulo do fator de potência desejado, 𝑄1 é apotência reativa inicial em kVAr, 𝑄2 é a potência reativa desejada em kVAr, 𝑆1 é a potência aparente inicial em kVA, 𝑆2 é a potência aparente desejada em kVA e 𝑃𝑐 é a potência capacitiva a ser instalada para corrigir o fator de potência ao valor desejado. Analisando a figura 6, verificamos que a potência capacitiva, 𝑃𝑐, pode ser calculada aplicando-se relações trigonométricas que resultam na Equação 14: 𝑃𝑐 = 𝑃 ∙ (𝑡𝑔(∅1) − 𝑡𝑔(∅2)) [14] Onde: 𝑃: potência ativa [kW]; ∅1: ângulo do fator de potência inicial; ∅2: ângulo do fator de potência desejado (a) (b) 17 Figura 9 – Banco de capacitoresinstalado por grupo de acionamento. Fonte: A Autora, 2023. Vamos analisar o triângulo de potências antes e depois do cálculo da potência capacitiva, 𝑃𝑐. A potência ativa (representada pela linha sólida verde) permanece constante. As linhas tracejadas indicam os valores iniciais do sistema. Para manter a potência ativa, P, constante, determinamos o fator de potência desejado e, usando relações trigonométricas, calculamos a potência reativa desejada, 𝑄2. Em seguida, subtraindo a potência reativa inicial, 𝑄1, do valor desejado, 𝑄2, encontramos a quantidade de capacitores necessários para atingir o fator de potência desejado. Outro método para se determinar o valor de potência capacitiva para se corrigir o fator de potência é o metodo gráfico, apresentado na Figura 10. As escalas de potência ou consumo de energia ativa e reativa podem ser ajustadas por qualquer valor arbitrário, preferencialmente um múltiplo de 10. Se você conhece o fator de potência original, 𝐹𝑃1, e deseja corrigi-lo para um valor 𝐹𝑃2, basta determinar a demanda de energia ativa em kW, cruzar o gráfico passando pelo valor correspondente a 𝐹𝑃1 na linha central e o valor da demanda de energia reativa correspondente, 𝑄1 no eixo oposto em kVAr. Usando o mesmo valor da demanda de energia ativa, localize no gráfico a demanda de energia reativa correspondente a 𝐹𝑃2, que é 𝑄2. A diferença entre 𝑄1 e 𝑄2 na escala de potência reativa representa a potência necessária dos capacitores. ∅1 𝑄2 𝑆2 ∅2 𝑆1 𝑃 𝑃𝑐 𝑄1 18 Figura 10 – Gráfico para determinar potência capacitiva para correção do fator de potência. Fonte: FILHO,2023. Exemplo de cálculo de potência capacitiva para correção do fator de potência: Vamos determinar a potência capacitiva necessária de uma unidade industrial que possui fator de potência 0,78 e deseja-se corrigi-lo para 0,92. a demanda é linear ao longo do dia permanece em torno de 340KW. Resolução: utilizando a Equação 14, temos: 𝑃𝑐 = 340 ∙ (𝑡𝑔(38,74) − 𝑡𝑔(23,07)) 𝑃𝑐 = 128kVAr 19 Os capacitores podem ser instalados em série ou paralelo. Na ligação em série, os capacitores podem ser ligados em triângulo ou estrela, conforme ilustrado na Figura 11, abaixo. Figura 11 – (a)Capacitores ligados em triângulo série. (b)Capacitores ligados em estrela série. Fonte: FILHO,2023. Na topologia em paralelo, os capacitores também podem ser ligados nas configurações triângulo ou estrela. Conforme ilustrado na Figura 12, abaixo. Figura 12 – (a)Capacitores ligados em triângulo paralelo. (b)Capacitores ligados em estrela paralelo. Fonte: FILHO,2023. Os bancos de capacitores podem ser instalados diretamente nos terminais da carga que se deseja corrigir o fator de potência. Especificamente para motores de indução, a potência do banco de capacitores deve ser dimensionado obedecendo o limite de 90% da potência absorvida pelo motor em operação sem carga, que pode ser determinada pela corrente em vazio. A Figura 12 ilustra o diagrama esquemático de uma ligação de um banco de capacitores a um motor que possui chave de partida direta. O banco de capacitores está instalado entre o contator de manobra e o relé térmico de proteção. (a) (b) (a) (b) 20 Outro exemplo de aplicação de bancos de capacitores diretamente ligados à carga, é a instalação em motores com chave de partida estrela- triângulo. Os capacitores estão instalados logo após o contator de manobra e antes do relé térmico de proteção. Figura 13 – Capacitores instalados em motor de indução trifásico com chave de partida direta. Fonte: FILHO,2023. Figura 13 – Capacitores instalados em motor de indução trifásico com chave de partida estrela triângulo. Fonte: FILHO,2023. TEMA 5 – AUTOMAÇÃO DE BANCO DE CAPACITORES Bancos automáticos de capacitores são normalmente utilizados em instalações que possuem uma variação significativa da carga reativa durante o dia e precisam manter o fator de potência dentro uma faixa estreita de valor. A 21 determinação do valor da potência capacitiva necessária para corrigir o fator de potência baseia-se nos mesmos métodos já estudados até aqui, porém avalia- se a capacidade do banco de acordo com a variação da demanda durante o ciclo de carga da instalação. Deve-se levar em consideração que existem limitações e recomendações para a automatização de bancos de capacitores. A potência capacitiva a ser chaveada por estágio do controlador não deve ultrapassar os 15kVAr para sistemas trifásicos 220V e 25kVAr para sistemas de 380/440V a fim de prevenir correntes de surto que podem ocorrer durante o processo de energização das células capacitivas. O capacitor deve ser dimensionado com a metade da potência máxima a ser manobrada para que seja possível realizar o ajuste fino do fator de potência. A utilização de controladores que realizam a varredura das unidades chaveadas permite uma inserção mais concatenada. FINALIZANDO Nesta aula, exploramos diversos tópicos relacionados à partida sequencial de motores, frenagem por injeção de corrente contínua, fator de potência e correção do fator de potência, bem como a automação de bancos de capacitores. No primeiro tema, discutimos a estratégia de partida sequencial, que permite acionar vários motores usando uma única soft-starter. Destacamos a importância de usar motores de mesma potência e características de carga para tornar a partida mais eficiente. No segundo tema, abordamos a frenagem por injeção de corrente contínua, que envolve a aplicação de corrente contínua para interromper o movimento do rotor do motor CA. Destacamos a necessidade de projetar o retificador com limites adequados de tensão e corrente para garantir uma frenagem segura. No terceiro tema, exploramos o conceito de fator de potência e sua importância na eficiência de motores trifásicos de indução. Introduzimos a 22 potência instantânea em circuitos de corrente alternada e explicamos os conceitos de potência ativa, potência reativa e potência complexa. No quarto tema, aprofundamos a correção do fator de potência, destacando os métodos para melhorar o fator de potência, como a adição de bancos de capacitores. Exploramos as características dos capacitores e como especificá-los corretamente. Também discutimos os métodos analíticos e gráficos para determinar a potência capacitiva necessária para correção do fator de potência. Por fim, no quinto tema, falamos sobre a automação de bancos de capacitores, especialmente em instalações com variações significativas na carga reativa. Destacamos as limitações e recomendações para a automação desses bancos, incluindo o dimensionamento adequado dos capacitores e a prevenção de correntes de surto. Esses conceitos são fundamentais para o entendimento e a operação eficiente de sistemas elétricos industriais, contribuindo para a otimização do consumo de energia e o desempenho adequado de motores e equipamentos elétricos. REFERÊNCIAS FILHO, João M. Instalações Elétricas Industriais. Grupo GEN, 2023. E-book. ISBN 9788521638643. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521638643/. FRANCHI, Claiton M. Sistemas de Acionamento Elétrico. Editora Saraiva, 2014. E-book. ISBN 9788536520292. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788536520292/. MOHAN, Ned. Máquinas Elétricas e Acionamentos - Curso Introdutório. Grupo GEN, 2015. E-book. ISBN 978-85-216-2835-4. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2835-4/. Acesso em: 10 set. 2023. PETRUZZELA, F. D. Motores elétricos e acionamentos. Porto Alegre: AMGH, 2013. AULA 2 Conversa inicial TEMA 1 – LÓGICA DE CONTATOS 1.1 Contatos normalmente aberto (NA) e normalmente fechado (NF) 1.2 Operação lógica AND1.3 Operação lógica OR 1.4 Operação lógica NOT 1.5 Operação lógica NAND e NOR 1.6 Contatos de selo 1.7 Contato de intertravamento TEMA 2 – DISPOSITIVOS DE ACIONAMENTO 2.1 Botoeiras 2.2 Contatores TEMA 3 – DISPOSITIVOS DE MANOBRA 3.1 Chave rotativa 3.2 Disjuntor-motor TEMA 4 – DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO 4.1 Fusíveis Na partida de um motor elétrico, se não for usado um dispositivo de partida suave, a corrente drenada pode chegar de 8 a 10 vezes a corrente nominal. Em função disso, a atuação dos fusíveis não pode ser muito rápida. 4.2 Relé de sobrecarga TEMA 5 – DISPOSITIVOS AUXILIARES 5.1 Temporizadores 5.2 Sinalizadores FINALIZANDO REFERÊNCIAS AULA 3 Conversa inicial TEMA 1 – PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 1.1 Alternativas TEMA 2 – CHAVE DE PARTIDA DIRETA 1.1 Circuito de força 1.2 Circuito de comando TEMA 2 – CHAVE DE PARTIDA DIRETA COM REVERSÃO NO SENTIDO DE ROTAÇÃO 2.2 Circuito de força 2.2 Circuito de comando TEMA 4 – DIMENSIONAMENTO DE DISPOSITIVOS DE MANOBRA E PROTEÇÃO 4.1 Dimensionamento de contatores 4.2 Dimensionamento de relés de sobrecarga 4.3 Dimensionamento de fusíveis 4.4 Dimensionamento de disjuntor-motor TEMA 5 – CARACTERÍSTICA DO TORQUE DE PARTIDA 5.1 Torque na partida direta FINALIZANDO REFERÊNCIAS