SEW-EURODRIVE Solução em Movimento

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2 SEW-EURODRIVE Solução em Movimento

3 Índice 1 Introdução Acionamentos trifásicos com rotações fixas Acionamentos trifásicos com conversores de freqüência Servoacionamentos Acionamentos trifásicos com variadores mecânicos Redutores Fórmulas da tecnologia de acionamentos Exemplo de cálculo - acionamento de sistema de translação Exemplo de cálculo para acionamento de sistema de elevação Ex. de cálculo - transportador corrente com conversor de freq Ex. de cálculo - transportador de rolos com conversor de freq Ex. de cálculo - acionamento mesa giratória com conversor de freq Exemplo de cálculo - correia transportadora Exemplo de cálculo - acionamento de sistema biela-manivela Exemplo de cálculo - acionamento de fuso Exemplo de cálculo - pórtico com servoacionamentos Apêndice e legenda Glossário Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1 3

4 Índice 1 Introdução Acionamentos trifásicos com rotações fixas Funcionamento dos motores assíncronos trifásicos com rotor de gaiola Dados nominais do motor assíncrono trifásico com rotor de gaiola Regimes de serviço conforme NBR Rendimento η fator de potência cos ϕ e classe de isolação Grau de proteção Proteção do motor Dimensionamento do motor Partida e comutação suaves Motores com freio Acionamentos trifásicos com conversores de freqüência Conversores de freqüência Motores e motofreios MOVIMOT com conversor de freq. integrado Operação de motor com conversor de freqüência Elaboração de projetos com conversores de freqüência SEW Servoacionamentos Servomotores Conversores para acionamentos MOVIDRIVE B Fluxograma para a elaboração de projetos Acionamentos trifásicos com variadores mecânicos Características Dimensionamento do motovariador Redutores Redutores padrão para motoredutores Dimensionamento de redutores padrão com fator de serviço Redutores para servoacionamentos Forças radiais forças axiais Fórmulas da tecnologia de acionamentos Movimentos básicos Momento de inércia Potência estática ou dinâmica Forças de resistência Torques Potências Rendimentos Cálculo de fusos Fórmulas especiais Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1

5 Índice 8 Exemplo de cálculo - acionamento de sistema de translação Cálculo de motor Dimensionamento do redutor Acionamento para sistema de translação com 2 velocidades Acionamento para sistema de translação com conversor de freqüência 82 9 Exemplo de cálculo para acionamento de sistema de elevação Motor com pólos comutáveis Motor com conversor de freqüência Ex. de cálculo - transportador corrente com conversor de freqüência Cálculo do motor Dimensionamento do redutor Ex. de cálculo - transportador de rolos com conversor de freqüência Cálculo do motor Ex. de cálculo - acionamento de mesa giratória com conversor freq Cálculo do motor Dimensionamento do redutor Exemplo de cálculo - correia transportadora Cálculo do motor Dimensionamento do redutor e do variador Exemplo de cálculo - acionamento de sistema biela-manivela Cálculo do motor Exemplo de cálculo - acionamento de fuso Cálculo Verificação do cálculo Exemplo de cálculo - pórtico com servoacionamentos Otimização dos diagramas velocidade/tempo Cálculo de potência Dimensionamento do redutor Escolha do motor Escolha da unidade eletrônica para acionamentos Apêndice e legenda Apêndice Legenda Glossário Ref.: Seleção de acionamentos - Manual Edição 09/2005 ( /BP) Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1 5

6 1 Introdução 1 Introdução Introdução A SEW-EURODRIVE é a empresa líder mundial em acionamentos elétricos. A presença mundial da SEW-EURODRIVE a extensa faixa de produtos e o amplo espectro de serviços significa que a SEW é parceira ideal para os fabricantes de máquinas e plantas novas com sistemas para acionamento das aplicações mais exigentes. A SEW-EURODRIVE possui muitos anos de experiência na área de engenharia de acionamentos fornecendo soluções para todas as aplicações graças a um versátil sistema modular composto de redutores variadores motores assim como conversores de freqüência e servomotores. A matriz do grupo está localizada em Bruchsal Alemanha. Os componentes para o sistema modular de acionamento da SEW-EURODRIVE são fabricados com os mais altos padrões de qualidade nas fábricas da Alemanha França Finlândia EUA Brasil e China. Estes componentes são utilizados nas montadoras em mais de 30 países industrializados em todo o mundo. As montadoras oferecem proximidade aos clientes e particularmente curtos prazos de entrega em acionamentos individuais com um alto padrão de qualidade. Os serviços de vendas consultoria técnica assistência técnica e peças de reposição da SEW-EURODRIVE são encontrados em mais de 50 países em todo o mundo. A linha de produtos Motoredutores redutores e motores Redutores/motoredutores de engrenagens helicoidais Redutores/motoredutores de eixos paralelos Redutores/motoredutores de engrenagens cônicas Redutores/motoredutores de rosca sem fim Motoredutores angulares Spiroplan Motoredutores Planetários Redutores Industriais Redutores/motoredutores com baixa folga angular Motores de alto rendimento Motores com freio Acionamentos para monovias eletrificadas (trolley) Motoredutores com motores giromagneto Motoredutores com motores de dupla polaridade Motoredutores assépticos Acionamentos controlados eletronicamente Conversores de freqüência MOVITRAC Conversores de freqüência MOVIDRIVE Opcionais tecnológicos e de comunicação para os conversores Motores assíncronos CA e motoredutores CA Servomotores assíncronos e síncronos e servomotoredutores Motores com freio e motoredutores Motores lineares assíncronos e síncronos Componentes para instalação descentralizada Motoredutores MOVIMOT com conversor de freqüência integrado Motoredutores MOVI-SWITCH com dispositivo de comutação e proteção integrados Distribuidores de campo interfaces fieldbus 6 Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1

7 Introdução 1 Variadores mecânicos de velocidade VARIBLOC motoredutor com variador de velocidade por correia "V" VARIFRIC motoredutor com variador de velocidade por disco de fricção Acionamentos à prova de explosão Serviços Consultoria Técnica Desenvolvimento de programas de aplicação Seminários e treinamentos Ampla documentação técnica Serviço ao cliente Rotação fixa ou variável Se forem exigidas uma ou duas rotações poderá ser aplicado um motoredutor trifásico de velocidade constante ou de pólos comutáveis ligado à rede. Para mais de dois estágios de rotação ou para variação contínua da rotação são aplicados acionamentos controlados eletronicamente com MOVITRAC LT MOVITRAC B MOVIDRIVE ou MO- VIMOT. Para pequenas faixas de variação até 1:8 também são utilizados variadores mecânicos VARIBLOC ou VARIFRIC. Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1 7

8 1 Introdução Controle Os acionamentos podem ser conectados em circuito de controle eletrônico. As vantagens desses acionamentos são por exemplo alto torque de partida um desempenho especial de aceleração e desaceleração proteção contra sobrecarga por limitação de torque e de corrente operação em um ou quatro quadrantes etc. Além disso os acionamentos controlados eletronicamente com MOVITRAC ou MOVIDRIVE podem funcionar em operação sincronizada posicionamento ou também ser incluídos através da comunicação fieldbus e controle de fluxo integrado em sistemas de automação. Condições de trabalho Motores assíncronos trifásicos e servomotores com ou sem redutor devido ao seu design simples e robusto e ao seu alto grau de proteção são acionamentos seguros com confiabilidade de serviço mesmo sob as mais severas condições de operação. Em todos os casos o perfeito conhecimento e a observação das condições de serviço são decisivos para o sucesso. Manutenção Os motores assíncronos trifásicos e os servomotores podem trabalhar por anos em perfeitas condições de funcionamento sem necessidade de manutenção. A manutenção dos redutores se limita a uma verificação regular do nível e da condição do óleo assim como às trocas do óleo conforme especificação. Deve ser observado o tipo de óleo aprovado pela SEW e o volume de abastecimento correto. Peças de desgaste e de reposição para acionamentos SEW estão disponíveis para pronta entrega na maioria dos países. Elaboração de projetos Com a grande variedade de seqüências de movimentos aparentemente todos os casos de acionamento são distintos. Entretanto os casos de acionamento podem ser reduzidos a três soluções padrão: movimento linear na horizontal movimento linear na vertical movimento rotativo Primeiramente são anotados dados de carga como massas momentos de inércia das massas velocidades forças número de partidas períodos de trabalho geometria das rodas e dos eixos. Com esses dados é calculada a potência exigida sob consideração dos rendimentos e é determinada a rotação de saída. Com esses resultados é determinado o motoredutor do respectivo catálogo SEW sob observação das condições individuais de operação. Para a escolha do tipo do motoredutor valem os critérios abaixo relacionados. Uma vez que as características operacionais dos diversos motoredutores divergem entre si nos próximos capítulos essas características serão apresentadas distintamente. É feita a seguinte sub-divisão: Acionamentos trifásicos com uma ou mais rotações fixas Acionamentos trifásicos com conversor de freqüência Servoacionamentos Acionamentos trifásicos com variadores mecânicos Tipos de redutores 8 Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1

9 Acionamentos trifásicos com rotações fixas 2 2 Acionamentos trifásicos com rotações fixas Informações detalhadas sobre motores assíncronos trifásicos com rotor de gaiola DR/ DZ/DX são encontradas no catálogo de "Motoredutores". Fig. 1: Motor assíncrono trifásico com rotor de gaiola 00624AXX 2.1 Funcionamento dos motores assíncronos trifásicos com rotor de gaiola Devido ao seu design simples alta confiabilidade de serviço manutenção reduzida e preço vantajoso o motor assíncrono trifásico com rotor de gaiola é o motor elétrico mais utilizado atualmente nas indústrias. Desempenho na aceleração Motores com pólos comutáveis O desempenho na aceleração é descrito pela curva característica torque x rotação. Devido à resistência rotórica em função da rotação no motor assíncrono trifásico com rotor de gaiola apresentam valores para o torque durante a aceleração em função da rotação (escorregamento). Na Fig. 2 são mostradas as curvas características de torque x rotação de um motor com pólos comutáveis com as características típicas. Motoredutores com pólos comutáveis são acionamentos com rotação variável mais econômicos aplicados frequentemente em sistemas de translação ou elevação. Com isso a alta rotação serve como comutação rápida enquanto a baixa rotação é utilizada para posicionamento. Tabela 1: Motores com pólos comutáveis frequentemente aplicados Número de pólos Rotação síncrona (rpm a 60 Hz) Ligação 4/2 1800/3600 / (Dahlander) 8/2 900/3600 / (bobinagem independente) 6/4 1200/1800 / (bobinagem independente) 8/4 900/1800 / (Dahlander) Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1 9

10 2 Acionamentos trifásicos com rotações fixas Ponto operacional O motor segue a cada aceleração essa curva característica de torque até o seu ponto operacional estável onde se cruzam as curvas características da carga e do motor respectivamente. O ponto operacional estável é atingido quando o momento de carga é inferior ao torque de partida ou ao torque mínimo. Torque de comutação nos motores com pólos comutáveis Na comutação do motor da bobinagem de 2 pólos para 8 pólos o motor funciona temporariamente como gerador devido à rotação supersíncrona. Pela transformação da energia cinética em energia elétrica a desaceleração da alta para a baixa rotação é realizada com poucas perdas e sem desgaste. O torque médio de comutação disponível para a desaceleração é: M U M A1 = Torque médio de comutação = Torque médio de partida para o enrolamento na baixa rotação O torque médio de comutação M U é a diferença média entre as curvas características para operação com 2 pólos e com 8 pólos respectivamente na faixa entre a rotação nominal com 8 pólos e com 2 pólos respectivamente (faixa sombreada). 2 1 rpm 00625BXX Fig. 2: Curvas características para motor trifásico com pólos comutáveis M A1 M A2 M S M K M N M L = Torque de partida com 8 pólos = Torque de partida com 2 pólos = Torque mínimo = Torque máximo = Torque nominal = Momento de carga [1] = Operação do motor [2] = Operação com frenagens regenerativas [3] = Ponto operacional estável 2P = com 2 pólos 8P = com 8 pólos Unidades para comutação suave Para a redução do torque médio de comutação estão disponíveis unidades eletrônicas para comutação suave série WPU. 10 Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1

11 Acionamentos trifásicos com rotações fixas Dados nominais do motor assíncrono trifásico com rotor de gaiola Fig. 3: Plaqueta do motor 03214AXX Os dados específicos de um motor assíncrono trifásico com rotor de gaiola são: Tamanho construtivo Potência nominal Regime de serviço Rotação nominal Corrente nominal Tensão nominal cos ϕ Rendimento η % Grau de proteção Classe de isolação Esses dados eventualmente mais alguns constam na plaqueta do motor. Essas indicações de plaqueta conforme NBR 7094 / ABNT se referem a uma temperatura ambiente de 40 C e a uma altitude do local de instalação de no máximo 1000 m acima do nível do mar. Número de pólos Os motoredutores assíncronos trifásicos com rotor de gaiola com uma rotação fixa geralmente são executados com 4 pólos uma vez que motores com 2 pólos favorecem a formação de elevados ruídos e também reduzem a vida útil do redutor. Os motores com maior número de pólos da mesma potência (6 pólos 8 pólos etc.) exigem uma carcaça maior e são menos econômicos devido ao rendimento menor e cos ϕ menos favorável além de serem mais caros. Na tabela abaixo podem ser obtidas as rotações síncronas a diversas polaridades a 50 Hz e a 60 Hz. Tabela 2: Rotações síncronas n S a 50 Hz e a 60 Hz Número de pólos n S (rpm a 50 Hz) n S (rpm a 60 Hz) Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1 11

12 2 Acionamentos trifásicos com rotações fixas Escorregamento A rotação nominal do motor n N à potência nominal na operação motora é sempre inferior à rotação síncrona n S. A diferença entre a rotação síncrona e a rotação efetiva é o escorregamento definido como: S = Escorregamento [%] n S = Rotação síncrona [rpm] n N = Rotação nominal [rpm] Para pequenos acionamentos por exemplo potência nominal de 025 kw o escorregamento é de aproximadamente 10 % e para acionamentos maiores por exemplo potência nominal de 15 kw o escorregamento é de aproximadamente 3 %. Redução da potência A potência nominal P N de um motor depende da temperatura ambiente e da altitude do local de instalação. A potência nominal indicada na plaqueta vale para uma temperatura ambiente de até 40 C e para uma altitude máxima do local de instalação de 1000 m acima do nível do mar. Caso a temperatura ou a altitude sejam superiores a estes valores a potência nominal deverá ser reduzida de acordo com a seguinte fórmula: P N1 = Potência nominal reduzida [kw] P N = Potência nominal [kw] f T = Fator para redução devido a temperatura ambiente f H = Fator para redução devido a altitude do local de instalação f T f H 1.0 [1] [2] C m Fig. 4: Redução da potência em função da temperatura ambiente [1] e da altitude [2] 00627CXX 12 Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1

13 Acionamentos trifásicos com rotações fixas 2 Tolerâncias Conforme norma ABNT NBR 7094 edição 2000 para motores elétricos são admissíveis as seguintes tolerâncias para a tensão nominal. Essas tolerâncias são válidas também se em vez de um valor definido para a tensão nominal estiver indicada uma faixa de tensão nominal. Tensão e freqüência Rendimento η 0851 η > 0851 Fator de potência cosϕ Escorregamento P N < 1 kw P N 1 kw Tolerância A -015 (1-η) -020 (1-η) ±30% ±20% Corrente de partida I P (com rotor bloqueado) +20% Torque de partida C P (com rotor bloqueado) -15% Torque máximo C K -10% Momento de inércia J mot ±10% cos ϕ 6 Tolerância A A tolerância A descreve a faixa admissível na qual a freqüência e a tensão podem desviar do respectivo ponto nominal. O gráfico a seguir descreve esta faixa. O centro das coordenadas designado com "0" marca sempre o ponto para freqüência e tensão nominais respectivamente. V [%] A f [%] AXX Fig. 5: Faixa da Tolerância A Subtensão / Subdimensionamento Os valores de catálogo como potência torque e rotação não podem ser observados quando submetidos à subtensão ou subdimensionamento dos cabos de alimentação dos motores. Isso vale particularmente na operação de partida do motor onde a corrente de partida equivale a um múltiplo da corrente nominal. Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1 13

14 2 Acionamentos trifásicos com rotações fixas 2.3 Regimes de serviço conforme NBR 7094 S1 S2 S3 S4 S5 - S10 A potência nominal está sempre relacionada a um regime de funcionamento e a um fator de duração do ciclo. Funcionamento à carga constante com duração suficiente para que o equilíbrio térmico seja atingido. Funcionamento à carga constante durante um tempo determinado inferior ao necessário para atingir o equilíbrio térmico seguido por um período de repouso de duração suficiente para o motor ter recuperado a temperatura ambiente. Seqüência de ciclos de regime idênticos cada qual incluindo um período de funcionamento à carga constante e um período de repouso. Neste regime o ciclo é tal que a corrente de partida não afeta significativamente a elevação de temperatura. Seqüência de ciclos de regime idênticos cada qual incluindo um período de partida significativo um período de funcionamento à carga constante e um período de repouso. Seqüência de ciclos de regime idênticos cada qual incluindo um período de partida um período de funcionamento à carga constante um período de frenagem elétrica rápida e um período de repouso. Fig. 6: Regimes de serviço S1 / S2 / S AXX 14 Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1

15 Acionamentos trifásicos com rotações fixas 2 Regime de serviço Para um motor projetado para S1 com 100 % ED se for exigido um período de ciclo menor a potência poderá ser aumentada conforme tabela a seguir. Tabela 3: Fator de aumento da potência K Regime de serviço S2 Tempo de operação 60 min 30 min 10 min S3 S4 - S10 Fator de duração do ciclo ED 60 % 40 % 25 % 15 % Para a determinação da potência nominal e do regime de serviço devem ser indicados o número e o tipo de partidas por hora tempo de partida tempo de carga tipo de desaceleração tempo de desaceleração tempo de marcha em vazio duração do ciclo tempo de parada e potência exigida. Fator de aumento da potência K Sob consulta Fator de duração do ciclo ED Relação entre tempo em carga e duração do ciclo (duração do ciclo = soma dos tempos em carga e dos tempos em repouso). A duração máxima do ciclo é de 10 minutos. ED = Fator de duração do ciclo [%] Σ t e = Soma dos tempos em carga [s] t S = Duração do ciclo [s] 2.4 Rendimento η fator de potência cos ϕ e classe de isolação Potência aparente Na plaqueta do motor é indicada a potência de saída como potência nominal P N ou seja a potência mecânica disponível no eixo conforme a NBR Em grandes motores o rendimento η e o fator de potência cos ϕ são mais vantajosos do que em pequenos motores. O rendimento e o fator de potência também se alteram com o grau de utilização do motor ou seja com carga parcial eles se tornam menos vantajosos. Potência ativa Potência nominal U 1 = Tensão de rede [V] I P = Corrente por fase [A] Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1 15

16 2 Acionamentos trifásicos com rotações fixas Classes de isolação conforme NBR 7094 / ABNT Todos os motores SEW são executados de série em classe de isolação F. Na tabela a seguir constam as elevações de temperatura conforme NBR 7094 / ABNT. Tabela 4: Classes de isolação Classe de isolação Limite da elevação de temperatura referente à temperatura do ar de refrigeração de 40 C B 80 C 130 C F 105 C 150 C H 125 C 170 C Temperatura limite para desligamento pelos termistores Medição da temperatura da bobinagem O aumento da temperatura de um motor com bobinagem de cobre pode ser medido com um ohmímetro pelo aumento do valor da resistência. t t t t t t 1 = Temperatura da bobinagem no estado de frio em C t 2 = Temperatura da bobinagem em C no fim do ensaio t a1 = Temperatura do agente refrigerante em C no começo do ensaio t a2 = Temperatura do agente refrigerante em C no fim do ensaio R 1 = Resistência da bobinagem no estado de frio (t 1 ) em Ω R 2 = Resistência no fim do ensaio (t 2 ) em Ω t a = constante A influência da temperatura ambiente t a1 e t a2 pode ser desprezada se a temperatura ambiente não se alterar durante a medição. Disso resulta a fórmula simplificada: t t t Pressupondo-se também que a temperatura da bobinagem no estado de frio é igual a temperatura ambiente o aumento da temperatura é determinado conforme segue: t t t t t 16 Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1

17 Acionamentos trifásicos com rotações fixas Grau de proteção Em função das condições ambientais alto índice de umidade do ar meios agressivos respingos ou jatos de água pó etc. os motores e motoredutores trifásicos com ou sem freio são fornecidos nos graus de proteção IP54 IP55 IP56 e IP65 conforme NBR Caso não seja informado no pedido os motores assíncronos trifásicos serão fornecidos com grau de proteção padrão IP55. IP 1) 1º. Numeral característico 2º. Numeral característico Proteção contra corpos estranhos Proteção contra água 0 Não protegido Não protegido 1 Protegido contra corpos estranhos sólidos com Protegido contra gotejamento de água 50 mm e maior 2 Protegido contra corpos estranhos sólidos com 12 mm e maior 3 Protegido contra corpos estranhos sólidos com 25 mm e maior 4 Protegido contra corpos estranhos sólidos com 1 mm e maior 1) IP = International Protection Protegido contra gotejamento de água com a carcaça inclinada em até 15 em relação à vertical Protegido contra chuvisco Protegido contra respingos de água 5 Protegido contra acúmulo de pó Protegido contra jatos de água fracos 6 À prova de pó Protegido contra jatos de água fortes 7 - Protegido contra submersão temporária em água 8 - Protegido contra submersão permanente em água Proteção aumentada contra corrosão para partes de metal e impregnação adicional da bobinagem (proteção contra umidade e ácidos) também são possíveis como o fornecimento de motores sem ou com freio à prova de explosão conforme ATEX 100a. Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1 17

18 2 Acionamentos trifásicos com rotações fixas 2.6 Proteção do motor Proteção em função da corrente ou da temperatura Equipamentos de proteção em função da temperatura Fusíveis Relés bimetálicos Qualificação do equipamento de proteção A escolha do equipamento de proteção correto determina substancialmente a confiabilidade de serviço do motor. Diferencia-se entre equipamento de proteção em função da corrente e em função da temperatura do motor. Equipamentos de proteção em função da corrente por exemplo são fusíveis e relés bimetálicos. Equipamentos de proteção em função da temperatura por exemplo são termistores PTC ou sensores bimetálicos (termostatos) na bobinagem. Três termistores sensores de temperatura TF são ligados em série no motor e conectados a partir da caixa de ligação a um relé no painel elétrico. Três 1 sensores bimetálicos TH - também ligados em série no motor - são inseridos da caixa de ligação diretamente no circuito de monitoração do motor. Termistores PTC ou sensores bimetálicos respondem à temperatura máxima admissível na bobinagem. Eles têm a vantagem de as temperaturas serem medidas onde elas ocorrem. Os fusíveis não protegem o motor contra sobrecargas. Eles servem exclusivamente para a proteção das redes elétricas contra curto circuito. Os relés bimetálicos são equipamentos de proteção adequados contra sobrecarga para serviço normal com baixo número de partidas curtas partidas e correntes de partida não exageradas. Para serviço intermitente com maior número de partidas (> 60 c/h) e para operação com alta inércia relés bimetálicos não são adequados. Se as constantes de tempo térmicas do motor e do relé não coincidirem um ajuste da corrente nominal do motor poderá levar a um disparo precoce desnecessário ou o não reconhecimento da sobrecarga. Na tabela a seguir é apresentada a qualificação dos diversos equipamentos de proteção para causas de disparo distintas. Tabela 5: Qualificação dos equipamentos de proteção A = proteção ampla B = proteção limitada C = sem proteção Equipamento de proteção em função da corrente fusível relés bimetálicos Equipamento de proteção em função da temperatura termistor (TF) sensor bimetálico (TH) Sobrecorrentes até 200 % I N C A A A Alta inércia reversão C B A B Serviço intermitente até 60 c/h 2) C B A A Bloqueio C B B B Falta de fase C B A A Desvio da tensão C A A A Desvio da freqüência C A A A Refrigeração do motor insuficiente C C A A Defeito de rolamento C C A A 1. Para motores com pólos comutáveis e com bobinagem independente são aplicados seis sensores bimetálicos. 18 Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1

19 Acionamentos trifásicos com rotações fixas Dimensionamento do motor Regime S1 O momento de carga é o fator determinante no regime S1. Cada motor é dimensionado conforme a sua utilização térmica. Freqüentemente ocorre o caso de aplicação do motor a ser ligado uma vez (S1 = regime contínuo = 100 % ED). A potência exigida calculada do momento de carga da máquina é igual à potência nominal do motor. Regime S3/S4 O momento de inércia e um alto número de partidas são os fatores determinantes nos regimes S3 e S4. O caso de acionamento com alto número de partidas e baixo torque resistente como por exemplo o acionamento de sistema de translação é amplamente aplicado. Neste caso de modo algum a potência exigida é determinante para o dimensionamento do motor mas sim o número de partidas do motor. Devido às freqüentes ligações e consequentemente à circulação de altas correntes de partida o motor é submetido a um aquecimento elevado. Se o calor absorvido for superior ao calor dissipado pela ventilação do motor haverá um aquecimento inadmissível da bobinagem. Com a escolha da classe de isolação adequada ou por ventilação forçada pode ser aumentada a capacidade de carga térmica do motor. Número de partidas em vazio Com o número de partidas em vazio Z 0 o fabricante indica o número de partidas admissíveis do motor a 50 % ED sem momento resistente e massa externa. Isto significa quantas vezes por hora o motor pode acelerar o momento de inércia de seu rotor até a rotação máxima sem momento resistente a 50 % ED. Número de partidas admissíveis Caso deva ser acelerado um momento de inércia adicional ou se um momento de carga adicional ocorrer aumentará o tempo de aceleração do motor. Uma vez que durante esse tempo de aceleração circula uma corrente elevada o motor sofrerá um aumento da carga térmica e por conseguinte se reduz o número de partidas admissíveis. Os números de partidas admissíveis dos motores podem ser calculados por aproximação: Z = Número de partidas admissíveis Z 0 = Número de partidas em vazio do motor a 50 % ED K J = f (J X J Z J M ) Fator para cálculo: momento de inércia adicional K M = f (M L M H ) Fator para cálculo: momento resistente na aceleração K P = f (P X P N ED) Fator para cálculo: potência estática e fator de duração do ciclo ED Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1 19

20 2 Acionamentos trifásicos com rotações fixas Os fatores K J K M e K P podem ser calculados para a respectiva aplicação com base nos diagramas abaixo. em função do momento de inércia adicional em função do momento resistente na aceleração em função da potência estática e do fator de duração do ciclo ED J X = Soma de todos os momentos de inércia externos referido ao eixo do motor J Z = Momento de inércia do ventilador pesado J M = Momento de inércia do motor M L = Momento resistente durante a aceleração M H = Torque médio de partida P S = Potência exigida após a aceleração (potência estática) P N = Potência nominal do motor 2.8 Partida e comutação suaves Conexão estrela-triângulo Ventilador pesado Alternativas para a comutação estrela-triângulo O torque de um motor assíncrono trifásico com rotor de gaiola pode ser influenciado pelo circuito externo com auto-transformador e resistência ou reatores em série ou por diminuição da tensão. A forma mais simples é a denominada conexão /. Se a bobinagem do motor for projetada com conexão em triângulo por exemplo para tensão de rede de 380 V e o motor na fase de partida conectado em estrela a rede de 380 V resultará um torque de somente 1/3 do torque na conexão em triângulo. As correntes inclusive a corrente de partida também alcançam somente 1/3 do valor em relação a conexão em triângulo. Para determinadas aplicações a redução da aceleração na partida e da desaceleração na parada e por conseguinte uma aceleração suave e uma desaceleração suave podem ser obtidas pelo momento de inércia adicional de um ventilador de ferro fundido cinzento. Neste caso deve ser verificado o número de partidas. Por meio de um transformador de partida bobinas de reatância ou resistores adequados é alcançado um efeito comparável com a conexão em estrela-triângulo com o torque podendo ser variado de acordo com a grandeza das bobinas e dos resistores aplicados. 20 Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1

21 Acionamentos trifásicos com rotações fixas 2 Redução de torque em motores com pólos comutáveis Na comutação da rotação alta para rotação baixa em motores com pólos comutáveis eventualmente poderá ser necessário efetuar respectivas reduções do torque uma vez que os torques de comutação são maiores do que os torques de partida. Neste caso à parte da bobina e resistor pode ser utilizada como solução econômica uma comutação bifásica. Isso significa que o motor durante a comutação é operado por um determinado tempo (ajustável com um relé temporizador) só com duas fases na bobinagem para a baixa rotação. Com isso o campo magnético rotativo simétrico é distorcido e o motor recebe um torque de comutação menor. ou M U2ph = torque de comutação médio com 2 fases M U = torque de comutação médio com 3 fases M A1 = torque de partida na baixa rotação Para sistemas de elevação por razões de segurança não deve ser utilizada a comutação de 2 fases! L1 L2 L A) B) C) 5 M n 1 n 2 4 Fig. 7: Comutação de pólos 1 Contatores para sentido de rotação 2 Contatores para velocidade 3 Retificador do freio 4 Freio n 1 Baixa rotação n 2 Alta rotação 00629CXX 5 Redução do torque na comutação por A Bobina para comutação B Resistor para partida suave com curtocircuito (Kusa) C Comutação de 2 fases Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1 21

22 2 Acionamentos trifásicos com rotações fixas Ainda mais vantajosa é a aplicação da unidade eletrônica para comutação suave WPU a qual na comutação interrompe eletronicamente a 3ª fase e a religa precisamente no tempo certo. Fig. 8: Unidade eletrônica para comutação suave WPU As unidades eletrônicas para comutação suave WPU são inseridas em duas fases e conectadas em função do tipo de bobinagem e do tipo de conexão. 22 Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1

23 Acionamentos trifásicos com rotações fixas Motores com freio Informações detalhadas sobre características de frenagem em relação com diversos retificadores de freios e unidades de controle encontram-se nos catálogos SEW e no manual de freios. Fig. 9: Motor trifásico com freio e freio a disco 00630BXX Aplicação e funcionamento Para muitos casos de aplicação nos quais é necessário um posicionamento relativamente preciso o motor deve ter um freio mecânico. À parte dessas aplicações onde o freio mecânico é utilizado como freio de serviço motores com freio também são aplicados onde se exige segurança. Por exemplo em sistemas de elevação nos quais o motor é parado eletricamente em uma determinada posição atua o "Freio" para a fixação segura da posição. Exigências de segurança semelhantes valem para a irregularidade operacional "Interrupção da tensão de rede". Neste caso os freios mecânicos nos motores garantem as paradas de emergência. com a ligação da tensão os freios aliviam eletromagneticamente com o desligamento da tensão eles atuam automaticamente por efeito de mola Tempos de resposta dos freios Os freios dos motores SEW devido ao seu sistema com duas bobinas controlado eletronicamente são aliviados com tempo de resposta particularmente curto. O tempo de atuação do freio é geralmente muito longo porque o retificador de freio localizado na caixa de ligação do motor é alimentado diretamente a partir da placa de bornes do motor. Quando o motor é desligado enquanto está em rotação ele gera uma tensão (de remanência) regenerativa que retarda a atuação do freio. Assim o desligamento da tensão do freio exclusivamente no lado CA tem como conseqüência retardamentos consideráveis devido à auto indução da bobina de freio. Neste caso a única possibilidade é o desligamento simultâneo dos lados CA e CC no circuito da bobina de freio. Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1 23

24 2 Acionamentos trifásicos com rotações fixas Torques de frenagem Os freios a disco SEW têm o seu torque ajustável por variação de molas. Para a solicitação do motor o torque de frenagem deve ser selecionado dos dados de catálogo conforme a necessidade. Para sistemas de elevação por exemplo por razões de segurança o torque de frenagem deve ser dimensionado com o dobro do valor do torque nominal do motor necessário. Se na solicitação não tiver indicação o motor será fornecido com o torque de frenagem máximo. Carga limite No dimensionamento do freio particularmente para frenagens de emergência observar que o trabalho máximo admissível do freio por frenagem não deve ser excedido. Os respectivos diagramas que mostram esses valores em função do número de partidas e da rotação do motor se encontram nos catálogos SEW e no manual dos freios. Distância de frenagem e precisão de posicionamento O tempo de desaceleração se compõe de dois tempos individuais: Tempo de atuação do freio t 2 Tempo de frenagem mecânica t B Durante o tempo de frenagem mecânica a rotação do motor é reduzida. Durante o tempo de atuação do freio a rotação normalmente permanece constante. Em casos especiais por exemplo em acionamentos de sistemas de elevação na operação de descida quando o motor já está desligado e o freio ainda não atuou o tempo de frenagem poderá até aumentar. A tolerância para a distância de frenagem sob condições secundárias inalteradas é de ± 12 %. Com tempos de desaceleração bem curtos a influência do controle elétrico (tempos de resposta de relés ou de contatores) poderá prolongar a distância até a parada. Com controles programáveis poderão apresentar-se retardamentos adicionais por tempos de operação dos programas e por priorização de sinais de saída. Alívio mecânico do freio Adicionalmente o freio poderá ser aliviado mecanicamente. Para o alívio mecânico o fornecimento inclui uma alavanca de alívio (com retorno automático) ou um parafuso de alívio (sem retorno automático). Aquecimento do freio Para condições ambientais especiais como por exemplo operação ao ar livre com fortes variações da temperatura ou na faixa de baixas temperaturas (frigorífico) é necessário proteger o freio contra congelamento. Isso requer uma unidade de controle especial (inclusa no programa de fornecimento SEW). 24 Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1

25 Acionamentos trifásicos com rotações fixas 2 Contatores de freio Em conseqüência à alta carga de impulsos de corrente e à tensão contínua a ser ligada em carga indutiva os dispositivos de comando para a tensão do freio e para o desligamento no lado CC devem ser ou contatores de CC especiais ou contatores de CA adaptados com contatos da categoria de utilização AC3 conforme a EN A escolha do contator de freio para ligação a rede é bem simples: Para as tensões padrão de 220 V CA e 380 V CA é escolhido um contator de potência com uma potência nominal de 22 kw ou 4 kw para operação AC3. Para 24 V CC o contator é dimensionado para operação DC3. Frenagem por contracorrente e por CC Frenagens por contracorrente ou operação reversível ou seja inversão das fases de alimentação do motor à rotação máxima sujeitam o motor a uma alta carga mecânica e térmica. Essa alta carga mecânica também é transmitida aos redutores e elementos de transmissão do sistema. Neste caso consultar sempre o fabricante dos acionamentos. Com frenagem CC motores sem freio podem ser freados mais ou menos rapidamente em função da intensidade da CC. Uma vez que esse tipo de frenagem causa um aquecimento adicional do motor trifásico aqui também deverá ser consultado o fabricante. Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1 25

26 3 Acionamentos trifásicos com conversores de freqüência 3 Acionamentos trifásicos com conversores de freqüência Informações detalhadas sobre acionamentos trifásicos com conversores de freqüência são encontradas nos catálogos dos conversores de freqüência MOVITRAC LT MO- VITRAC B e MOVIDRIVE no catálogo MOVIMOT no manual de sistemas "Sistemas de acionamentos para instalação descentralizada" AXX Fig. 10: Conversores de freqüência SEW MOVITRAC LT MOVITRAC B e MOVIDRIVE Motores e motoredutores trifásicos são controlados eletronicamente por conversores de freqüência com variação da rotação sem escalonamento. O conversor de freqüência fornece uma freqüência de saída ajustável com a tensão de saída se alterando proporcionalmente AXX Fig. 11: Motores e motofreios MOVIMOT com conversor de freqüência integrado Para aplicações com instalação descentralizada também são utilizados motores e motofreios MOVIMOT com conversor de freqüência integrado. 26 Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1

27 Acionamentos trifásicos com conversores de freqüência Conversores de freqüência O acionamento perfeito para o controle e comando eletrônico de motores elétricos assíncronos trifásicos e servomotores. A SEW possui exatamente o que é necessário para a aplicação desde acionamentos para variação de velocidade até controles precisos e confiáveis em aplicações que exigem elevada dinâmica e precisão. MOVITRAC LT A linha de conversores de freqüência MOVITRAC LT consiste de uma série de produtos em dois tamanhos físicos projetados para fornecer acionamentos com alto rendimento e fácil utilização para motores de indução trifásicos na faixa de potência 037 kw até 160 kw. O MOVITRAC LT utiliza controle de tensão e freqüência ou vetorial em malha aberta para regular a velocidade do motor. O controle digital é combinado com a tecnologia de ponta do semicondutor de potência IGBT para fornecer solução compacta nas aplicações em geral. O produto é projetado com a facilidade de utilização e de instalação junto com a programação e a colocação em operação simples deste modo minimizando o custo total aplicado na solução de um acionamento. MOVITRAC B O MOVITRAC B é uma família de conversores de freqüência vetorial compactos na potência de 025 até 22 kw com tensão de alimentação de 220 V CA para redes monofásicas e na potência de 025 até 750 kw com tensão de alimentação de V CA para redes trifásicas. Estas unidades podem ser equipadas com um controle manual opcional para simples colocação em funcionamento. MOVIDRIVE B Os conversores de freqüência MOVIDRIVE B com uma faixa de potência de até 132 kw atendem às mais altas exigências de dinâmica e precisão de controle. Esses conversores com controle vetorial são previstos para a instalação em painéis elétricos. Eles podem ser instalados em série são compactos e otimizados para instalação em espaço reduzido. VFC CFC As execuções com VFC (Controle de fluxo por tensão) com ou sem realimentação da rotação permitem uma alta precisão de controle de acionamentos assíncronos. MOVIDRIVE com CFC (Controle de fluxo por corrente) atende às mais altas exigências de precisão e dinâmica. Acionamentos assíncronos com MOVIDRIVE e CFC adquirem características de "Servo". Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1 27

28 3 Acionamentos trifásicos com conversores de freqüência 3.2 Motores e motofreios MOVIMOT com conversor de freqüência integrado O MOVIMOT representa o novo conceito de descentralização de sistemas sendo um conversor de freqüência instalado dentro da caixa de ligação do motor. Pode ser fornecido na faixa de potência de 037 até 3 kw. Tensão de alimentação: 3 x V CA 3 x V CA 50/60 Hz Rotações nominais: e 2900 rpm. Suas principais características são: Pequeno volume da unidade Versatilidade na aplicação Integração de todas as conexões elétricas entre o conversor e o motor imune a ruídos Projetado com dispositivos de proteção integrados Ventilação do conversor independente da velocidade do motor Economia de espaço no painel elétrico e não necessita de cabos blindados no motor Ajustes padrão dos parâmetros otimizados para a maioria das aplicações comuns Alta capacidade de sobrecarga de 15 C N Compatibilidade com os padrões EMC EN (nível A) e EN Fácil instalação colocação em operação manutenção adaptação em aplicações já existentes e troca O MOVIMOT é uma ótima alternativa eletrônica aos motores de dupla polaridade ou motovariadores mecânicos. O MOVIMOT está disponível em todas as execuções e formas construtivas padrão como motoredutor de engrenagens helicoidais cônicas ou de rosca sem-fim de eixos paralelos tipo Spiroplan ou planetário. 28 Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1

29 Acionamentos trifásicos com conversores de freqüência Operação de motor com conversor de freqüência Curvas características de funcionamento Torque constante até a freqüência de rede Pela variação da freqüência e da tensão a curva característica de torque x rotação do motor assíncrono trifásico com rotor de gaiola pode ser deslocada ao longo do eixo da rotação (veja a Fig. 12). Na faixa da proporcionalidade entre U e f (Faixa A) o motor é operado com fluxo constante podendo ser carregado com torque constante. Quando a tensão atinge o valor máximo e a freqüência continua sendo aumentada ocorre a diminuição do fluxo e consequentemente do torque disponível (atenuação do campo faixa F). Até o ponto de arriamento o motor pode ser operado na faixa proporcional (A) com torque constante e na faixa de atenuação do campo (F) com potência constante. O torque máximo M K diminui quadraticamente. A partir de uma determinada freqüência torna-se M K < torque disponível por exemplo com freqüência de inflexão f 1 = 60 Hz e M K = 2 x M N a partir de 100 Hz e M K = 25 x M N a partir de 125 Hz BXX Fig. 12: Curvas características de funcionamento com torque constante e potência constante (Faixa de atenuação do campo) f 1 A F = Freqüência de inflexão = Faixa proporcional = Faixa de atenuação do campo Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1 29

30 3 Acionamentos trifásicos com conversores de freqüência Torque nominal constante até 3 x freqüência de rede Uma outra alternativa é a operação com tensão e freqüência acima dos valores nominais por exemplo: Motor: 220 V / 60 Hz (Conexão ) Conversor: U A = 380 V a f máx = 380/220 x 60 Hz = 104 Hz BXX Fig. 13: Curvas características de funcionamento com torque nominal constante Pelo aumento da freqüência o motor poderia fornecer 173 vezes o valor da potência. Entretanto devido à alta carga térmica do motor em serviço contínuo a SEW recomenda a escolha do motor com potência nominal próxima maior do catálogo (com classe de isolação F!) por exemplo: Potência do motor de catálogo P N = 4 kw potência útil com conexão em e f máx = 104 Hz: P N = 55 kw Com isso este motor ainda tem uma potência 137 vezes acima da potência de catálogo. Devido a operação com campo não atenuado neste modo de operação o torque máximo é mantido no mesmo nível como na ligação a rede. Deverá observar-se o desenvolvimento de ruídos mais acentuados do motor devido a rotação mais alta do ventilador bem como a transmissão de maior potência pelo redutor (escolher o fator f B com valor adequado). O conversor deverá ser dimensionado para a potência mais alta (neste exemplo 55 kw) porque a corrente de serviço do motor devido a conexão em é mais alta do que na conexão em. 30 Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1

31 Acionamentos trifásicos com conversores de freqüência 3 Dimensionamento do Motor Ventilação Consideração do sistema global Suavidade da rotação / Precisão do controle Para um torque constante é pressuposta uma refrigeração constante dos motores também na faixa de baixas rotações. Isso não é possível com motores autoventilados uma vez que com a rotação decrescente também se reduz a ventilação. Se não for aplicada uma ventilação forçada deverá ser reduzido o torque. Com torque constante uma ventilação forçada poderá ser dispensada somente se o motor for sobredimensionado. A superfície do motor maior em relação à potência de saída pode dissipar melhor o calor também à baixas rotações. O momento de inércia da massa maior poderá eventualmente tornar-se problemático. Na escolha da freqüência máxima também devem ser considerados os dados do motoredutor. A alta velocidade periférica do estágio de entrada com as suas conseqüências (perdas por agitação rolamentos e retentores sofrendo influências formação de ruídos) limita a rotação máxima admissível do motor. O limite inferior da faixa de freqüência é determinado pelo sistema global. A suavidade da rotação em baixas velocidades é influenciada pela qualidade da tensão de saída senoidal gerada. A estabilidade da rotação sob carga é determinada pela qualidade da compensação do escorregamento e de IxR ou alternativamente por um controle da rotação através de um encoder instalado no motor. 3.4 Elaboração de projetos com conversores de freqüência SEW As curvas características de funcionamento do motoredutor trifásico utilizadas pela SEW estão descritas no capítulo Operação de motor com conversor de freqüência / curvas características de funcionamento. Indicações detalhadas para a elaboração de projetos se encontram nos catálogos MOVIDRIVE MOVITRAC B e MOVITRAC LT. Diretivas SEW para dimensionamentos Para a operação com conversor os motores devem ser executados na classe de isolação F. Além disso devem ser previstos termistores TF ou termostatos TH. Os motores devem ser operados somente com a potência próxima de catálogo ou com ventilação forçada. Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1 31

32 3 Acionamentos trifásicos com conversores de freqüência Devido a faixa de rotações rendimento e cos ϕ dá-se preferência para a utilização de motores com 4 pólos. As possibilidades a seguir estão disponíveis para escolha: Tabela 6: Execução dos motores Faixa de rotação a f máx = 60 Hz Execução recomendada do motor Potência Ventilação 1) Classe de Termistor TF / isolação Termostato TH 1 : 5 P C Própria F sim 1 : 20 e maior P N Forçada F sim 1) No caso de motores com freio assegurar uma ventilação adequada da bobina de freio (veja o manual dos freios anteriormente à publicação: Prática da Tecnologia de Acionamentos Freios a disco SEW) P N = potência do motor de catálogo (sem redução) P C = potência reduzida = utilização com a potência de catálogo do motor anterior Faixa de velocidade Torque máximo Faixa de rotação é a faixa na qual o motor é operado constantemente. Baixas rotações por curtos períodos (por exemplo na partida ou em posicionamentos) não precisam ser consideradas na determinação da faixa. Na escolha da rotação máxima na faixa de atenuação do campo com base na freqüência máxima deverá ser observado que o torque nominal M N60Hz (referente a freqüência nominal) se reduz proporcionalmente de forma inversa o torque máximo M K entretanto de forma quadrática inversa. Para se garantir uma operação segura contra arriamento a relação M K /M N deverá permanecer > 1 (nós recomendamos no mínimo 1.25 veja a Fig. 14) Fig. 14: Torque máximo diminuindo quadraticamente 00643BXX 32 Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1

33 Acionamentos trifásicos com conversores de freqüência 3 Operação em paralelo Proteção do cabo de alimentação do motor Barramento de alimentação A operação em paralelo de vários motores com um único conversor não garante operações sincronizadas. Em função da carga de cada um dos motores a rotação poderá diminuir por escorregamento em até cerca de 100 rpm entre funcionamento em vazio e carga nominal. O desvio da rotação é quase constante por toda a faixa de rotações e também não pode ser corrigido pelo conversor por compensação do escorregamento e de IxR. As medidas de ajuste no conversor abrangem forçosamente todos os motores portanto também os sem carga no momento. Na operação de vários motores em paralelo com um só conversor cada cabo de alimentação de motor deve ser equipado individualmente com um relé térmico (ou interruptor automático como proteção combinada do cabo) porque a ação de limitação da corrente do conversor abrange todos os motores operados em paralelo. É possível ligar e desligar motores individualmente em barramentos de alimentação supridos por um conversor SEW. Em um barramento a soma das correntes nominais dos motores poderá resultar no máximo na corrente nominal do conversor ou 125 % da corrente nominal do conversor à carga quadrática bem como à operação com torque constante sem sobrecarga. Opcionais Os conversores de freqüência podem ser complementados com funções adicionais conforme a necessidade. Devido a grande variedade de opcionais possíveis com os conversores de freqüência SEW pode ser solucionado um grande número de aplicações. Estão disponíveis por exemplo: Opcionais para aplicações Controle da rotação Funções de entrada/saída Controle de operação sincronizada Controle de posicionamento Cames eletrônicos Serra móvel Bobinador/desbobinador com a tensão de tração mantida constante Opcionais para comunicação Unidades de controle manual Interfaces seriais Interfaces Fieldbus Seleção de Acionamentos - Métodos de Cálculo e Exemplos Volume 1 33