Estudo de Partida de Motores

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  • 1 Simpsio de Integrao Cientfica e Tecnolgica do Sul Catarinense SICT-Sul ISSN 2175-5302

    504 Rev. Tcnico Cientfica (IFSC), v. 3, n. 1 (2012).

    ESTUDO DE ACIONAMENTOS DAS CHAVES DE PARTIDAS ELTRICAS E ELETRNICAS PARA MOTORES ELTRICOS

    Breno Pereira Dela Bruna, Gustavo Contessi, Matheus Rossetti, Pedro Henrique

    Di Francia Rosso, Reginaldo Tassi,2 1Instituto Maximiliano Gaidzinski/Colgio Maximiliano Gaidzinski

    2Instituto Maximiliano Gaidzinski/Departamento Tcnico/[email protected]

    Resumo: O presente trabalho abrangeu o estudo do funcionamento das chaves de partida eltricas e eletrnicas dos motores eltricos trifsicos, observando a reduo de corrente e sua utilizao industrial. Eles so componentes indispensveis nos processos industriais, devido a sua eficincia e aplicabilidade, entretanto, o acionamento dos mesmos merece ateno, pois sua instalao varia com seu emprego num determinado processo. A ligao dos motores tem incio na proteo da entrada de tenso do mesmo, garantindo melhor manuteno e manipulao do equipamento. Por isso, existem as chaves de partida, conjuntos de dispositivos/circuitos capazes de acionar motores de forma segura, alm de, em alguns casos, garantir a reduo de energia no incio do trabalho. Tendo em vista esses, o estudo consistiu na construo de chaves de partida ensaiadas em laboratrio (partida direta, reversora, estrela-tringulo, compensadora, soft-starter e inversor), analisando variveis como: corrente eltrica nominal e na partida, torque inicial, projeo de custos, etc. Juntamente com os dispositivos de proteo, manobra e atuao (disjuntores, contatores, transformador, autotransformador, fusveis, botes de acionamento e parada e motores) alm das chaves eletrnicas (soft-starter e inversor de freqncia), a equipe alcanou resultados que apontaram que as chaves de partida eletrnica apresentaram menores picos de corrente em relao as chaves com componentes eletromagnticos, alm da vantagem da simplicidade de instalao, pouco espao ocupado e torque ajustvel na partida.

    Palavras-Chave: Acionamento, chaves de partida, custo-benefcio, consumo de energia.

    1 INTRODUO

    Os motores eltricos de induo trifsicos so utilizados em processos

    industriais por sua simplicidade, baixo custo e eficcia mxima com manuteno mnima.

    A desvantagem principal desses equipamentos est no momento de partida, onde a

    corrente necessria para iniciar o movimento alta, comparada com a corrente de

    trabalho nominal. Entretanto, existem ferramentas que podem ser utilizadas para reduzir a

    mesma e, consequentemente, o custo e consumo do motor. Desta forma, necessrio o

    estudo do acionamento das chaves de partida eltricas e eletrnicas dos motores

    eltricos.

    A forma mais simples de ligar um motor eltrico a partida direta, onde o motor

    conectado diretamente rede, fornecendo torque total na partida, porm apresenta

    vrias desvantagens quando aplicadas em altas potncias. Alm desta, existem chaves

    de partida aconselhveis para diferentes aplicaes, como a chave reversora, estrela-

    tringulo, compensadora, soft-starter e inversor de frequncia.

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    Conhecendo os erros cotidianos no dimensionamento e nos tipos de

    acionamentos de motores eltricos nas empresas, de que maneira o dimensionamento e

    a escolha correta dos tipos de acionamentos de motores eltricos, numa indstria,

    beneficia a esta e tambm a distribuidora de energia?

    O presente trabalho ser baseado no estudo das chaves de acionamento de

    motores eltricos trifsicos, alm da elaborao de ensaios em laboratrio, comprovando

    assim as informaes aqui mencionadas e aprofundando os conhecimentos na rea.

    1.1 Comportamento da corrente de partida

    Durante a partida dos motores eltricos, exigida uma corrente de partida

    muito alta em relao corrente nominal de servio (Figura 1). Isso se d devido a fora

    necessria para que o motor vena o estado de inrcia no qual se encontra no momento

    da partida.

    Figura 1: Grfico do comportamento da corrente de partida

    1.2 Tipos de chaves de partida

    Para reduzir a amplitude da corrente exposta anteriormente, existem algumas

    opes, as quais so chamadas de chaves de partida de motores eltricos. A seguir sero

    listadas algumas das chaves de partidas para motores eltricos, o funcionamento,

    componentes, e dados das mesmas.

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    1.2.1 Partida Direta

    A chave de partida direta um dispositivo pelo qual o motor parte com valores

    plenos de conjugado e de corrente de partida, pois suas bobinas recebem a tenso

    nominal de servio. Por esse motivo, sua aplicao limitada4.

    Na Figura 2, observam-se os circuitos de comando e de potncia de uma

    Partida Direta:

    Figura 2: Circuito de comando e de fora de uma partida direta

    1.2.2 Chave Reversora

    A partida Reversora de composio e funcionamento simples. Assim como a

    Partida Direta, apresenta uma corrente de partida alta, sendo muitas vezes invivel.

    Apresenta como vantagem a possibilidade de inverso no sentido de rotao do motor

    atravs da inverso de duas fases4. Na Figura 3, os circuitos de comando e de fora da

    chave Reversora.

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    Figura 3: Circuito de comando (esquerda) e de fora (direita) de uma Partida Reversora.

    1.2.3 Chave Estrela-tringulo

    uma chave de partida que exige um motor de dupla tenso, sendo a menor

    delas igual tenso da rede. Este motor eltrico ir partir em ligao estrela, e depois de

    um tempo, passar a ser ligado em tringulo. Com isso, o motor perde cerca de 1/3 do

    torque, porm a corrente de partida diminui na mesma proporo, tornando essa chave

    vivel em relao a algumas outras. Na Figura 4, observa-se os circuitos de comando e

    de fora de uma chave estrela-tringulo 2, 4.

    Figura 4: Circuito de comando e de fora de uma chave estrela-tringulo

    1.2.4 Chave Compensadora

    uma chave eltrica de partida de motores, usada para partidas com carga

    que utiliza de um transformador para a reduo da corrente inicial at o valor de 64%,

    porm como desvantagem utiliza um transformador que acaba delimitando a potncia

    mxima do motor, e para sua instalao necessita de um espao grande 2, 4. Na Figura 5,

    observa-se os circuitos de comando e fora de uma chave compensadora.

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    Figura 5: Diagrama de chave partida compensadora

    1.2.5 Inversor de Frequncia

    um equipamento capaz gerar tenso trifsica e frequncia ajustveis. Opera

    transformado a tenso alternada, em contnua para aps transform-la em tenso de

    frequncia e amplitude ajustveis, porem esse equipamento possui um alto custo1,4. A

    Figura 6 representa um circuito de potncia tpico dos inversores de frequncia.

    Figura 6: Diagramas da chave de partida com Inversor de Frequncia

    Fonte: Adaptado de MASCHERONI1

    1.2.6 Soft-Starter

    Soft-Starters so chaves capazes de controlar a rampa de tenso na partida do

    motor, utilizando de SCRs (do ingls Silicon Controlled Rectifier - Retificador Controlado

    de Silcio) para esse controle. O torque do motor ajustado automaticamente carga, o

    que garante que a corrente usada seja a menor possvel, porm esse equipamento possui

    tambm um alto custo 2, 4. A Figura 7 representa um esquema de ligao de uma chave

    soft-starter.

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    Figura 7: Diagrama da chave de partida com Soft-Starter

    Fonte: Adaptado de MASCHERONI1

    2 METODOLOGIA

    Primeiramente a equipe realizou uma pesquisa bibliogrfica, com base em

    livros atualizados sobre normas regulamentadoras voltadas ao tema, juntamente com

    definies e caractersticas de chaves de partidas eltricas e eletrnicas para motores

    eltricos, com o intuito de obter embasamento terico.

    Com base em um contrato de demanda de energia, realizou-se uma simulao

    do dimensionamento das chaves de partida dos motores eltricos conforme equaes da

    Tabela 1, com o objetivo de reduzir o consumo de energia eltrica no momento da partida

    dos mesmos, alm de aumentar sua vida til.

    Tabela 1: Frmulas para clculo das correntes de partida nos motores

    Como etapa seguinte, o grupo realizou em laboratrio cada uma das chaves de

    partida nos motores eltricos trifsicos. Atravs das montagens dessas chaves, montou-

    se um projeto (Figura 8), o qual consistiu no dimensionamento de componentes para a

    realizao prtica de cada chave, onde se verificou a veracidade dos itens que foram

    estudados, sendo estes a corrente de partida, o torque inicial e tambm a projeo de

    custos de cada chave. Por fim, realizou-se uma relao sobre o custo-benefcio de cada

    chave de partida aplicada indstria, suas vantagens e desvantagens, quais so as mais

    utilizadas atualmente no meio fabril e o porqu do seu emprego.

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    Figura 8: Layout do projeto

    3 RESULTADOS E DISCUSSO

    Analisando as diversas chaves de partida, no podemos afirmar qual delas a

    melhor, porque cada uma apresenta vantagens em determinadas aplicaes, o que varia

    com o processo a ser executado. No entanto, aquelas que apresentaram maior queda no

    consumo de energia sem causar variaes nas caractersticas de trabalho do motor

    foram, primeiramente, a chave de partida utilizando inversor de frequncia, pois pode ser

    aplicada em cargas com altas inrcias, alm de oferecer o controle da velocidade do

    motor e operao da rotao acima da nominal. A desvantagem apresentada por esse

    circuito , principalmente, a criao de harmnicas 3. Outra chave de partida a Soft-

    Starter, onde h uma partida suave da carga (atravs da rampa de tenso controlada por

    meio de tiristores) e durabilidade. Seu ponto negativo est relacionado com o

    acionamento de cargas de altas inrcias e conjugado constante, alm do custo financeiro.

    As outras chaves apresentam um desempenho menor, como a chave compensadora, por

    exemplo: exige um equipamento extra, o auto transformador, alm de ser aquela que faz

    a menor reduo da corrente entre as chaves estudadas. J a chave estrela-tringulo,

    apesar de reduzir a corrente a 33 % da corrente de partida, requer um motor de dupla

    tenso, alm do fato de que deve partir sem carga, ou seja, a vazio.

    Com base nos itens e nas frmulas estudadas pela equipe chegou-se ao

    resultado mostrado no quadro comparativo (Tabela 2) das correntes em cada chave. O

    motor escolhido, didaticamente, foi um motor de 10 cv cujos dados foram retirados de um

    catlogo da WEG.

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    Tabela 2 - Quadro comparativo das correntes

    Variveis Partida direta Estrela-

    Tringulo Compensadora Soft-Starter

    Inversor de

    Frequncia

    In 14,1A 14,1A 14,1 14,1

    Ip 119,85A 39,95A 43,15A ou 69,5A 17A a 28,2

    Analisando a tabela percebe-se que as chaves mais eficientes na reduo da

    corrente de partida so o inversor e a soft-starter. A seguir apresentado um grfico

    expressando uma comparao entre o comportamento da corrente de partida das

    diferentes chaves citadas no trabalho (Figura 9).

    Figura 9: Grfico da comparao das correntes nos tipos de acionamentos

    Fonte: Adaptado de MASCHERONI1

    4 CONSIDERAES FINAIS

    Pode-se concluir com o trmino deste trabalho que o estudo das chaves de

    acionamento dos motores de induo trifsicos de extrema importncia, no s para a

    reduo nos custos de dimensionamento de cabos e equipamentos, mas tambm no

    consumo de energia, favorecendo a indstria em si e a concessionria.

    Considerando as informaes apresentadas, visvel o alto investimento

    financeiro na construo dessas chaves, por serem compostas por circuitos eltricos.

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    Com isso, observa-se que a manuteno e acompanhamento desses equipamentos deve

    merecer ateno especial.

    Em uma indstria, a aplicao de projetos de dimensionamento de chaves para

    motores eltricos de induo trifsicos pode contribuir para a economia de energia e

    aumentar a quantidade de motores disponveis para uso simultneo numa rea fabril.

    AGRADECIMENTOS

    A equipe abre espao para agradecer primeiramente a Deus e a todos que

    colaboraram de forma direta ou indireta com a realizao deste trabalho. Em especial ao

    orientador Reginaldo Tassi pelo auxlio prestado para com a equipe at o presente

    momento, ao aluno William Rampinelli de Souza e ao professor Ramon Casagrande

    Oening, pela ajuda oferecida na realizao do projeto.

    REFERNCIAS

    MASCHERONI, Jos M.; LICHTBLAU, Marcos; GERALDI, Denise. Guia de aplicao de inversores de frequncia. Santa Catarina: WEG Automao, 238p. MORENO, Hilton; et al. Guia: O setor eltrico de Normas Brasileiras. So Paulo: Atitude Editorial, 2011, 402p.

    Kassick, E.V. Harmnicas em sistemas industriais de baixa tenso. Instituto de Eletrnica de Potncia - UFSC, Brasil. 2000.

    SIEMENS. Comando, coordenao, partida e acionamentos de motores eltricos. Brasil. 2003.