motores elétricos

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE DO OESTE DE SANTA CATARINA
A´REA DE CIEˆNCIAS EXATAS E TECNOLO´GICAS
Curso de Especializac¸a˜o em Engenharia de Automac¸a˜o Industrial
Disciplina: Motores Ele´tricos
Professor: Maur´ıcio Ruviaro
Acadeˆmico: Eliton Tiago Guzi Guarnieri
Resumo: PRACTICAL GUIDELINES FOR PLANNING
NETWORK CONNECTION OF ELECTRIC DRIVE SYSTEMS
ANDREWS, J.; GHEETH, A. H.; GANESAN, V. PRACTICAL GUIDELINES FOR
PLANNING NETWORK CONNECTION OF ELECTRIC DRIVE SYSTEMS. In: 2017
Petroleum and Chemical Industry ConferenceEurope (PCIC Europe). [S.l.: s.n.], 2017. p.
1–11.
Motores ele´tricos sa˜o amplamente utilizados na indu´stria de petro´leo e ga´s para alimentar
cargas mecaˆnicas, como bombas, ventiladores e compressores. A maioria das aplicac¸o˜es exige
um controle de velocidade e torque, podendo ser por meios mecaˆnicos ou ele´tricos, mas por se
possuir maior eficieˆncia no controle sa˜o utilizados os meios ele´tricos, atrave´s do uso de unidades
de frequeˆncia varia´vel (VFD, Variable Frequency Drive).
Os motores de corrente alternado, teˆm sua velocidade definida pelos nu´meros de polos do
motor ou a frequeˆncia da sua rede de alimentac¸a˜o. O nu´mero de polos e´ fixado na fabricac¸a˜o
do motor, para atender a maior velocidade requerida e a frequeˆncia de alimentac¸a˜o pode ser
controlada com a utilizac¸a˜o de unidades de frequeˆncia varia´vel. As VFD’s possuem como
elementos principais o retificador, o barramento de corrente continua e o inversor. E podem
ser principalmente classificadas como inversores de fonte de corrente (CSI, current source
inverters), onde a energia e´ armazenada no indutor, ou por inversores de fonte de tensa˜o
(VSI, voltage source inverters), onde a energia e´ armazenada no capacitor.
A utilizac¸a˜o de VFD’s proporciona diversas vantagens, como a ampla gama de controle de
velocidade, alto controle da carga, alto torque de partida, alta confiabilidade, corrente menor na
partida e economia de energia. Varias empresas possuem calculadoras on-line para determinar
a economia de energia que uma VFD pode propiciar.
Um motor conectado direto na rede (DOL, Direct on Line) tem de ser corretamente
projetado, de forma que a rede, a carga e o motor suportem a sua corrente de ine´rcia durante o
arranque, ao mesmo tempo que entrega o torque para colocar a carga em velocidade nominal.
Pois se a rede na˜o suportar tal esforc¸o pode ocorrer uma queda de tensa˜o que afetara´ os outros
componentes conectados na mesma rede. Isso e´ melhor tratado com a utilizac¸a˜o de uma VFD,
onde o motor e´ iniciado com 100% do torque desde o comec¸o da partida.
Flutuac¸o˜es de tenso˜es em motores conectados na rede, particularmente motores s´ıncronos,
onde uma queda de tensa˜o pode fazer que o motor perca o sincronismo ou ate´ mesmo desligue.
Ja´ uma VFD pode ser projetada para quando houver uma perturbac¸a˜o de tensa˜o, ela fornec¸a
torque total ou reduzido a carga. Normalmente uma VFD e´ projetada para fornecer carga
total com variac¸o˜es de +/- 5% de tensa˜o ou +/- 2,5% de frequeˆncia. Para valores de quedas
momentaˆneas de 5 a 30% de tensa˜o, a VFD fornecera´ tensa˜o e corrente reduzida, evitando
assim a perda de sincronismo do motor.
Todas as unidades de velocidade varia´vel criam harmoˆnicos na rede, estes sa˜o elementos na˜o
senoidais dentro da forma de onda. Para reduzir estas pertubac¸o˜es, existem normas nacionais e
1
internacionais que determinam os limites harmoˆnicos aceita´veis, como a IEEE 519. Uma VFD
conectada a um motor s´ıncrono, mesmo este com fator de poteˆncia unita´rio, na˜o evitara´ os
harmoˆnicos na rede, pois ela somente vera´ o fator de poteˆncia da ponte retificadora da VFD,
que em pontes de diodos sa˜o de aproximadamente 0,96% ou em pontes de tiristores que sa˜o de
0,89%. A soluc¸a˜o normalmente empregada e´ a utilizac¸a˜o de uma ponte de 12 pulsos na VFD
e tambe´m o projeto de um filtro de capacitaˆncia e indutaˆncia na rede para correc¸a˜o do fator
de poteˆncia e absorc¸a˜o dos harmoˆnicos. As VFD’s na˜o criam harmoˆnicos somente na rede, ha´
tambe´m harmoˆnicos presentes na forma de onda que vai ao motor. Eles podem criar picos de
tensa˜o e com isso gerar aquecimento no motor danificando a sua isolac¸a˜o, sendo necessa´rio um
motor com um isolamento maior ou a adic¸a˜o de filtro, entre a VFD e o motor, para melhorar
a forma de onda entregue ao motor.
Para aquisic¸a˜o de uma VFD deve ser informado ao fornecedor a tensa˜o da rede, n´ıveis de
ma´ximo e mı´nimo curto circuito, n´ıvel de tensa˜o auxiliar, poteˆncia do eixo do motor, faixa
de velocidade operacional, curva de velocidade e torque da carga, temperatura e umidade do
ambiente e outras caracter´ısticas como espac¸os de instalac¸a˜o e normas aplica´veis (fator de
poteˆncia, harmoˆnicos).
Os grandes avanc¸os e mudanc¸as no desenvolvimento das grandes VFD’s, tornam um
desafio para os usua´rios finais se manterem atualizados nestas tecnologias. Contudo, cada
adic¸a˜o de uma VFD deve conter uma designac¸a˜o e engenharia cuidadosa, evitando qualquer
incompatibilidade com o sistema. E tambe´m, e´ altamente recomenda´vel que o fabricante da
VFD seja o responsa´vel pela concepc¸a˜o de todo o sistema, garantido assim o funcionamento de
toda a planta e evitando falhas futuras.
2
Resoluc¸a˜o de exerc´ıcios
1 As caracter´ısticas funcionais t´ıpicas dos rele´s sa˜o
comumente descritas em termos de: velocidade,
sensibilidade, confiabilidade e seletividade. Descreva
duas dessas funcionalidades
A confiabilidade de um rele´ esta´ diretamente ligado com a seguranc¸a que e´ necessa´rio
para protec¸a˜o de um determinado equipamento, o grau de certeza de uma func¸a˜o ser executada
de forma desejada, na˜o podendo atuar fora da zona de protec¸a˜o ou ate´ mesmo na auseˆncia de
falta. Sendo a confiabilidade a certeza de uma operac¸a˜o correta a ocorreˆncia de uma falha e a
de na˜o omissa˜o de um disparo.
A seletividade tem como foco principal assegurar um servic¸o cont´ınuo e seguro, pois
garante que somente o circuito com defeito seja desligado. Com a seletividade, o sistema
atuara´ primeira mais pro´ximo do ponto de falha, caso esta somente na˜o seja suficiente enta˜o o
sistema atuara´ a seguinte, e assim por diante.
2 Em relac¸a˜o a` protec¸a˜o por meio de rele´s, explique
o significado dos seguintes termos te´cnicos: Pick-up,
Trip e Dropout
Pick-up e´ o valor de atuac¸a˜o do rele´ de protec¸a˜o, podendo este ser de grandezas de tensa˜o,
corrente, entre outros.
Trip e´ o sinal de abertura do rele´ de protec¸a˜o, ou seja quando o rele´ detectou uma falha.
Dropout e´ o valor de grandeza de ajuste do rele´, podendo esta´ ser de tensa˜o, corrente, entre
outros, onde o rele´ ira´ voltar ao estado de repouso, ou seja, retornar de uma falha (Trip).
3 Estabelec¸a a correlac¸a˜o mais adequada entre os
equipamentos de protec¸a˜o (I a VI) e suas func¸o˜es ou
caracter´ısticas (A a F)
I. Rele´ de tensa˜o
II. Disjuntor
III. Fus´ıvel
IV. Rele´ de sobrecorrente
3
V. Rele´ de sincronismo
VI. Rele´ diferencial
A. Permite abrir circuitos (manobra), protec¸a˜o de condutores contra sobrecarga (dispositivo
te´rmico) e protec¸a˜o contra curto-circuito (dispositivo magne´tico);
B. Protec¸a˜o de geradores contra faltas internas;
C. Na˜o permite o rearme do circuito apo´s a sua atuac¸a˜o, devendo ser substitu´ıdo;
D. Incorporam as func¸o˜es 27 (subtensa˜o) e 59 (sobretensa˜o);
E. Verifica se as condic¸o˜es de paralelismo entre o gerador e a rede foram atendidos antes do
fechamento do disjuntor de interligac¸a˜o;
F. Atua na protec¸a˜o de motores de induc¸a˜o quando submetidos a` sobrecarga.
A partir das correlac¸o˜es acima estabelecidas, marque a alternativa correta:
a) I-D; II-E; III-C; IV-F; V-A; VI-B
b) I-B; II-E; III-C; IV-F; V-A; VI-D
c) I-D; II-A; III-C; IV-B; V-E; VI-F
d) I-D; II-A; III-C; IV-F; V-E; VI-B
e) I-D; II-C; III-A; IV-B; V-E; VI-F
A Respostacorreta e´ a letra D.
4 Considere o seguinte transformador de corrente
definido pela IEC: 10P20, 25VA, 50:1A, 0,6kV, 60Hz.
A partir destas informac¸o˜es, especifique um TC
equivalente pela NBR/ ABNT
Com base nos dados e´ necessa´rio encontrar o V2maximo, para isso e´ necessa´rio encontrar o
RTC e o Zcarga, como pode ser visto abaixo.
4
Com isso podemos determinar que o mesmo TC nas especificac¸o˜es da ABNT seria o 10B500
(FS20).
5 Considere o diagrama unifilar apresentado na Figura
1, no qual tem-se um TC classe 10B400; 600/5A
Determinar:
5
a) A corrente no secunda´rio do TC quando passam 540A pelo prima´rio;
b) A corrente no secunda´rio do TC diante de um curto-circuito de 12000A no terminal
prima´rio do TC;
c) A ma´xima carga no secunda´rio para que o TC respeite sua classe de exatida˜o diante do
curto-circuito indicado a Figura.
6 Ao se medir a resisteˆncia dos Pt-100’s de um motor de
induc¸a˜o trifa´sico, notou-se o valor de 147,95Ω. Nestas
condic¸o˜es, qual e´ a temperatura absoluta do motor?
Utilizando da fo´rmula para valores de resisteˆncia maiores que 100Ω e o Pt-100 sendo de
platina:
t =
√
A2 − 4.B(1− Rt
R0
)− A
2.B
(1)
e sabendo do valor das constantes:
A = 3, 90802.10−3
B = −5, 802.10−7
R0 = 100Ω
6
7 Explique a diferenc¸a entre Termostatos e Termistores.
Tanto um como o outro, sa˜o formas de leitura de temperatura com base na reac¸a˜o de
metais. O Termostato comum se baseia no movimento de ele´trons no contato de dois metais
distintos, estes podendo ser de cobre e de alumı´nio, tungsteˆnio ou n´ıquel. O Termistor e´ um
semicondutor sens´ıvel as variac¸o˜es de temperatura, normalmente cobalto ou manganeˆs, possui
uma boa toleraˆncia e precisa˜o, sa˜o usualmente aplicados onde uma precisa˜o na leitura da
temperatura se faz necessa´ria.
7
8 Explique a protec¸a˜o te´rmica (func¸a˜o 49) aplicada a`s
ma´quinas ele´tricas girantes.
A protec¸a˜o te´rmica se faz necessa´ria pois uma alta temperatura pode danificar os
enrolamentos desta ma´quina, mesmo a corrente de partida sendo alta esta´ na˜o danifica o motor,
mas muitas partidas seguidas podem acarretar um aquecimento anormal e a protec¸a˜o te´rmica
deve atuar, como tambe´m deve atuar em casos de sobrecarga, onde o motor/gerador passa
muito tempo com uma corrente acima da sua nominal.
A protec¸a˜o te´rmica deve ser regulada de forma que fique abaixo da curva te´rmica do
motor/gerador, dando assim condic¸o˜es de trabalho tanto em regime, como em partidas,
acelerac¸a˜o e rotor bloqueado.
9 Explique as func¸o˜es de protec¸a˜o te´rmica e magne´tica
incorporadas aos disjuntores.
Os disjuntores que possuem a protec¸a˜o te´rmica e magne´tica sa˜o comumente chamados
de disjuntor termomagne´tico, possuem ainda a func¸a˜o de manobra, como tambe´m um
atuador magne´tico para protec¸a˜o de curto circuito e um atuador bimeta´lico como protec¸a˜o de
sobrecarga. O disparador magne´tico e´ composto por uma bobina magne´tica e uma armadura
de imersa˜o, correntes que ultrapassam a corrente nominal do equipamento de protec¸a˜o geram
um campo magne´tico que atrai a armadura, acionando assim o mecanismo de desarme do
disjuntor. A protec¸a˜o te´rmica por sua vez atua com base na dilatac¸a˜o diferenciada entre dois
metais, quando uma corrente ultrapassa a nominal gera um aquecimento e o bimetal dobra, ate´
que ele acionada o mecanismo de desarme do disjuntor. A protec¸a˜o magne´tica ocorre de treˆs a
cinco milissegundos, enquanto a te´rmica pode levar muito tempo e pode ser influenciada pela
temperatura ambiente.
10 Represente os esquemas de protec¸a˜o diferencial
cla´ssico e diferencial auto-balanceado aplicados em
ma´quinas ele´tricas trifa´sicas.
A protec¸a˜o diferencial atua de forma a medir as corrente de entrada e de sa´ıda, caso estas
na˜o sejam iguais, existe uma falha. Como observado na figura abaixo, existe um TC na entrada
do equipamento a ser protegido e outro no final. Este circuito possui uma alta sensibilidade e
seletividade a diferentes n´ıveis de corrente.
8
Figura 1 - Protec¸a˜o diferencial cla´ssica, retirada de http://www.osetoreletrico.com.br
A protec¸a˜o diferencial auto-balanceada, pode ser vista na figura abaixo, este esquema se
utiliza de um TC para cada um dos dois lados dos enrolamentos da ma´quina, pois se as correntes
forem iguais elas se cancelaram. Para utilizac¸a˜o deste modelo de protec¸a˜o e´ obrigato´rio ter
acesso aos cabos de entrada e sa´ıda dos enrolamentos.
Figura 2 - Protec¸a˜o diferencial auto balanceada, retirada de http://www.osetoreletrico.com.br
11 Cite cinco protec¸o˜es t´ıpicas aplicadas aos geradores
s´ıncronos.
Func¸a˜o 24 - Sobreexitac¸a˜o de tensa˜o ou de frequeˆncia: O fluxo magne´tico esta´
diretamente ligado a frequeˆncia e tensa˜o de trabalho, a sua densidade e´ um bom indicador
de aquecimento, mesmo com o gerador trabalhando a vazio. Este rele´ evita o de aumento da
corrente de campo e o sobreaquecimento do gerador, evitando assim uma poss´ıvel falha de
isolac¸a˜o. Alterac¸o˜es na excitac¸a˜o ocorrem normalmente na inicializac¸a˜o ou desligamento do
gerador e durante rejeic¸o˜es de carga.
Func¸a˜o 32 - Rele´ direcional de poteˆncia ou Anti-motorizac¸a˜o: Este rele´ tem como
objetivo impedir que o gerador comec¸a a funcionar como um motor, monitorando a direc¸a˜o
do fluxo da poteˆncia ativa. O rele´ de anti-motorizac¸a˜o visa mais proteger a turbina do que o
pro´prio gerador, devendo seguir as orientac¸o˜es do fabricante da turbina para regulagem deste
rele´.
9
Func¸a˜o 40 - Perda de campo: A perda do campo no gerador pode ocorrer se o disjuntor
de campo atuar, abertura ou curto no campo, falha ou perda do sistema de controle do
campo. Esta falha ira´ fazer o gerador trabalhar em velocidade diferente da s´ıncrona, passando
a funcionar como um gerador de induc¸a˜o. O rele´ funciona normalmente verificando a variac¸a˜o
de impedaˆncia vista nos terminais do gerador.
Func¸a˜o 46 - Protec¸a˜o contra correntes desequilibradas ou sequeˆncia negativa:
Este rele´ serve para atuar quando ocorre assimetrias causadas por cargas desequilibradas, faltas
desequilibradas e ate´ falta de fase. Ele atua tambe´m em caso de correntes com sequeˆncia
negativa, que estas induzem correntes no rotor, levando o gerador a um sobreaquecimento.
Func¸a˜o 51V - Sobrecorrente temporizada com restric¸a˜o de tensa˜o: Quando ocorre
um curto-circuito em um gerador, ocorre dois fenoˆmenos simultaˆneos, a sobrecorrente e a
subtensa˜o. Este rele´ deve atuar sobre o disjuntor principal do gerador, desligando tambe´m o
campo e a turbina. O rele´ normalmente e´ ajustado para 1,5 a 2 da corrente nominal do gerador,
com uma temporizac¸a˜o de meio segundo.
12 Determine a poteˆncia reativa e a capacitaˆncia de um
banco de capacitores necessa´rio para a correc¸a˜o do
fator de poteˆncia do motor abaixo para 0,95.
Dados do motor:
• Poteˆncia nominal: 1810 cv
• Tensa˜o: 4160V
• Rotac¸a˜o: 1800 rpm
• Fator de poteˆncia (cos φ1): 0,86 (100% de carga)
• Rendimento: 95% (100% de carga)
• Corrente nominal: 226,5A
• Corrente de magnetizac¸a˜o: 55,4A
OBS: 1cv = 0,736 kW
10
Observou-se que a poteˆncia ma´xima permiss´ıvel para capacitores ligados junto ao motor e´
inferior da necessa´ria para atingir o fator de poteˆncia de 0,95. Para respeitar isso e´ necessa´rio
a instalac¸a˜o de uma parte do capacitor ser acionada separadamente depois do motor partir.
11
12