COMPARATIVE STUDY OF CONVENTIONAL DEVICES FOR STARTING THREE-PHASE INDUCTION MOTORS

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1 ESTUDO COMPRTIVO DOS DISPOSITIVOS CONVENCIONIS DE PRTID NO CIONMENTO DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS Ygor C..¹, Luciano C. G.¹, Marcos.. F.², Wander G. S.³ ¹Laboratório de cionamentos Elétricos, Uniersidade Federal de Uberlândia ²Instituto Federal de Educação Técnica e Tecnologia de Goiás, Campus de Itumbiara ³Fundação Educacional de Ituiutaba ygoreng@gmail.com, lcgomes2@gmail.com Resumo Este trabalho tem por objetio simular e aaliar os dispositios conencionais de partida de motores de indução trifásicos. Para isto, foi utilizado um modelo computacional desenolido na plataforma MTLB/SIMULINK, que simula o comportamento dinâmico do motor de indução utilizando a sua modelagem no domínio da fase. O desempenho geral de cada dispositio de partida foi aaliado atraés da comparação do comportamento da corrente de partida. Para alidação da modelagem e realização do estudo foram utilizados motores com potência nominal de 3 c de 2, 4 e 6 pólos. PalarasChae motor de indução trifásico, acionamento de motores elétricos, partida direta, chae estrela/triângulo, chae compensadora, partida suae. COMPRTIVE STUDY OF CONVENTIONL DEVICES FOR STRTING THREEPHSE INDUCTION MOTORS bstract This work aims to simulate and ealuate the conentional methods of starting three phase induction motors. It was used a computer model, deeloped on the MTLB/SIMULINK platform that simulate the behaior of the induction motor, using its modeling in phase dominion. The oerall performance of each starter deice was ealuated by comparing the dynamic behaior of starting current. For modeling alidation and execution of this study, it was used induction motors with 3c of nominal power and 2, 4 and 6 poles. 1 Keywords threephase induction motor, starting, dries Durante as últimas décadas, o acionamento de motores foi tema recorrente em pesquisas e artigos acadêmicos. Por se tratarem de cargas especiais, representam umas das áreas de estudos técnicos de maior complexidade realizados no campo da engenharia elétrica. Os MIT ligados nos sistemas de potência representam a mais extensa aplicação da potência elétrica, consumindo perto de 6% da energia elétrica gerada nos países industrializados [3]. principal característica de interesse relacionada aos motores de indução é o seu comportamento durante os instantes iniciais de sua partida, uma ez que na maioria dos casos obserase o surgimento de correntes elétricas da ordem de a 7 ezes maiores que o alor nominal. Nestas condições, o circuito que, incialmente, fora projetado para transportar a potência requerida pelo motor, é solicitado agora pela corrente de acionamento durante certo período de tempo. Em consequência disso, o sistema é submetido a uma queda de tensão normalmente muito superior aos limites estabelecidos para o funcionamento em regime [4]. Sendo assim, com o objetio de se reduzir a corrente de partida, se faz necessário uma aaliação dos diersos métodos conencionais de partida de motores de indução utilizados na indústria. figura 1 apresenta uma isão geral dos métodos estudados: partida direta, partida com chae estrelatriângulo, partida com chae compensadora e partida suae (softstarter). I. INTRODUÇÃO O motor de indução trifásico (MIT) é o mais utilizado de todas as máquinas rotatias que transformam energia elétrica em energia mecânica. O seu eleado emprego deese ao fato de possuir antagens consideráeis em relação aos demais motores: maior robustez, baixo custo, facilidade na manutenção e simplicidade de controle [2]. Fig.1. Diagrama de ligação dos principais métodos de acionamento do MIT. partir do estudo destes métodos, realizouse um estudo de simulação, utilizando o modelo no domínio da fase desenolido em [] e estudado e melhorado em [6] e [7].

2 II. PRESENTÇÃO DOS MOTORES UTILIZDOS Os motores utilizados nestas simulações possuíam a mesma potência nominal de 3c, e para efeito de comparação, foram utilizados motores conencionais de 2, 4 e 6 pólos. tabela 1 apresenta os parâmetros dos motores, adquiridos a partir do ensaio à azio e do ensaio a rotor bloqueado, e a figura 2 apresenta a cura teórica de conjugado para cada motor estudado. TBEL I Parâmetros dos motores de indução trifásicos de 3c Pólos Xs Xr Xm Rs Rr J Kg.m² I ef figura 3 apresenta o diagrama de blocos, no SIMULINK, da chae de partida direta do MIT. Fig.3. Diagrama de blocos da chae de partida direta, no SIMULINK. plicando os parâmetros aos motores, a eolução da elocidade do rotor e do conjugado e a corrente eficaz da fase a do estator são mostradas na figura T e [Nm] Fig.2. Cura de conjugado teórica para cada motor estudado. III. DISPOSITIVOS DE PRTID. Partida Direta partida direta de motores de indução, ou seja, à plena tensão, é o método mais simples e econômico de colocálos em operação. Por não precisar de dispositios especiais para o acionamento do motor, na partida direta são utilizados apenas contatores, relés térmicos e de sobrecarga, além de disjuntores ou chaes interruptoras. Esta prática é uma das mais comuns disponíeis no mercado, e pode ser aplicada a qualquer MIT. Como todo motor é projetado para suportar correntes eleadas na partida caracterizase como um método confiáel e de fácil execução. Contudo sua confiabilidade está ligada a potência nominal do motor. Geralmente, o método de partida direta somente é recomendáel se a corrente de partida do MIT for irreleante, pois, deste modo, a corrente de partida não prooca uma redução significatia da tensão da rede [1]. Em geral as concessionárias de energia determinam em norma que na ligação de motores de indução trifásicos com potência nominal superior a c para instalação de baixa tensão (inferior a 1kV), deem ser utilizados dispositios auxiliares de partida, ou seja, somente motores de até c podem partir diretamente conectados à rede de energia elétrica [8]. I rms Fig.4. Velocidade do rotor e conjugado e corrente eficaz na fase a do estator do MIT Notase independente do número de pólos do motor, a corrente de partida tem uma rápida eolução em termos de alores de pico no instante da partida até o regime permanente. Os alores registrados no instante t=,13s, foram: MIT 2 pólos Ia = 43.8 MIT 4 pólos Ia = MIT 6 pólos Ia = Na figura é mostrada a corrente eficaz de regime permanente na fase a, eidenciando esta eolução. Fig.. Corrente eficaz na fase a do MIT traés da simulação foram obtidos os seguintes alores para a corrente: MIT Ia rms =.8 MIT Ia rms = 4.7 MIT Ia rms =.88

3 traés dos dados obtidos foi possíel perceber que os dados condizem com as condições reais e dados de placa dos motores. Percebese também, que na partida direta não há redução do alor do pico de corrente na partida. B. Partida com chae Y O motor de indução trifásico apresenta uma resistência rotórica de alor muito baixo. Isto, que se constitui em uma antagem no funcionamento do motor em rotação nominal, é prejudicial no momento de partida, pois gera correntes muito altas [1]. Para reduzir estas correntes podese utilizar o método de partida com chae Y (estrelatriângulo). Este método pode ser manual ou automático e é realizado diretamente nos enrolamentos do motor, que deerá ter seus terminais acessíeis. O MIT somente poderá utilizar o método de partida estrelatriângulo se possuir uma ligação em dupla tensão nominal (por exemplo, 22/38V ou 44/76V) e pelo menos seis terminais acessíeis. Para ser conectado à maior tensão, o MIT deerá estar ligado em estrela (Y); para a menor tensão, a sua ligação deerá ser o triângulo ou delta (Δ). O método de partida estrelatriângulo só pode ser realizado se a tensão da rede for igual à tensão de ligação em triângulo. figura 6 apresenta o esquema de ligação dos enrolamentos na partida Y. Fig.6. Esquema de ligação dos enrolamentos na partida Y. figura 7 apresenta o diagrama de blocos, no SIMULINK, utilizado para a simulação da chae de partida estrelatriângulo. Fig.7. Diagrama de bloco da chae de partida estrelatriângulo, no SIMULINK. fonte foi manipulada para oferecer uma tensão de fase reduzida para 1 3 da tensão nominal do alor de pico nominal. Dessa forma, o MIT terá na partida uma corrente de fase reduzida pelo mesmo fator de 1 3 do alor de pico nominal. No instante t=,63s, ocorre a transição Y/, assim a tensão olta ao seu alor nominal.na figura 8 é mostrada a eolução da elocidade do motor e acorrente eficaz da fase a do estator. I rms Fig.8. Eolução da elocidade e corrente da fase a na com chae Y. O pico de corrente na partida é menor em relação a partida direta. No instante da transição, a corrente sofre um noo aumento, reflexo da comutação da tensão. Porém, este noo aumento é menor que o alor máximo de corrente obtida no método de partida direta. Esta particularidade ocorre porque o motor está próximo de sua elocidade nominal no instante de comutação da tensão, garantido, dessa forma, uma maior impedância no circuito equialente do motor. s simulações eidenciaram a eficiência, ainda que sutil, do método de partida com chae estrelatriângulo. s correntes de partida diminuíram substancialmente, porém ainda tem alores da ordem de 3 ezes a corrente nominal do motor. C. Partida com chae compensadora chae compensadora é composta, basicamente, de um autotransformador com árias deriações, destinadas as regular o processo de partida. Este autotransformador é ligado ao circuito do estator. O ponto estrela do autotransformador fica acessíel e, durante a partida, é curtocircuitado, e esta ligação se desfaz logo que o motor é conectado diretamente à rede [4]. Este método utiliza as árias deriações do autotransformador para reduzir a tensão. Comumente, as deriações encontradas ariam de 6% a 8%. Esse método atende melhor a potências de carga superiores àquelas atendidas pela partida estrelatriângulo, ou seja, máquinas de grande porte e que partem parcialmente carregadas. O princípio de funcionamento é semelhante à partida estrelatriângulo, pois, tem a finalidade de reduzir a tensão por fase do motor, na partida, para que ocorra uma redução proporcional da corrente. grande antagem da chae compensadora é que, por utilizar um autotransformador, a corrente absorida pelo motor (no circuito secundário do autotransformador) é maior

4 Ki do que a corrente de linha (no circuito primário do autotransformador), em função da relação de transformação. Logo, a corrente de partida do motor é limitada, na proporção da redução de tensão realizada pelo autotransformador, mas a corrente de linha é reduzida proporcionalmente à relação de transformação do transformador. figura 9 apresenta o diagrama de blocos, no SIMULINK, utilizado para a simulação da chae compensadora. Fig.9. Diagrama de blocos da chae compensadora, no SIMULINK. O bloco Chae Compensadorarepresenta a estratégia de comutação dos contatores para, num primeiro momento, inserir apenas % da tensão nos enrolamentos do MIT. Posteriormente, no tempo t=,3s, o contator inferior é acionado, inserindo toda a tensão da rede aos enrolamentos do estator. figura 1 mostra a parte interna deste bloco. Timer Timer1 com B C com B C a b c a b c il B C a b c 28V /28V 1kV Transformer K K K K K Subsystem s s 1 s 2 3 traés da figura podese notar que há um pico de corrente quando ocorre à entrada do MIT à rede, contudo este pico é menor do que em outros métodos de partida. Uma das principais desantagens deste método é o alto custo do autotransformador, pois quanto maior a quantidade de deriações que se quer, maior o custo. lém do custo maior em relação a chae estrelatriângulo, a chae compensadora possui dimensões normalmente superiores às chaes estrelatriângulo. D. Partida com chaes estáticas (softstarter) Os softstartes são constituídos de um circuito eletrônico acoplado a um microprocessador que controla um conjunto de tiristores responsáeis pelo ajuste da tensão aplicada aos terminais do motor. traés de ajustes acessíeis, podese controlar o torque do motor e acorrente de partida a alores desejados em função da exigência da carga. s chaes de partida estáticas são dotadas de uma função denominada pulso de tensão de partida (kick start) de alor ajustáel. Sua finalidade é ajudar as cargas de inércia eleada a iniciar o processo de partida. O alor desta tensão deerá ser suficientemente eleado para que se possa obter um conjugado do motor suficientemente eleado para encer o conjugado da carga [4]. O ângulo de disparo dos tiristores é controlado eletronicamente por meio de microprocessadores ou com a utilização de circuitos integrados dedicados para essa tarefa, como é o caso dos circuitos da linha TC (TC 78, TC 78). Esse ângulo de disparo é alterado adequadamente, imprimindo aos terminais do motor uma tensão ariáel. Foi feito um estudo preliminar desses circuitos integrados e a mesma lógica foi implementada computacionalmente. Na figura abaixo, é apresentado um esquema geral da aplicação do softstarter na partida do MIT. Fig.1. Parte interna do bloco Chae Compensadora figura 11 mostra a eolução da elocidade e corrente da fase a durante a partida do motor Fig.12. Esquema geral de aplicação com softstarter. O diagrama de blocos implementado no SIMULINK, é apresentado na figura abaixo: I rms Fig.11. Eolução da elcoidade e corrente da fase a do MIT na partida com chae compensadora. Fig.13. Diagrama de blocos da partida com softstarter, no SIMULINK. O bloco Fonte Trifásicaé composto de fontes senoidais, deidamente ajustadas para emular a rede de distribuição de energia. No bloco Controlador, foi inserida a lógica de

5 controle dos tiristores e a sincronização dos sinais gerados com a frequência do sinal de alimentação. saída desse bloco fornece os pulsos necessários para o disparo dos tiristores. No bloco Chaes Estáticas SoftStarter foram alocados os dispositios semicondutores SCR s, também chamados de Triacs (dois tiristores em antiparalelo). Como são usados seis tiristores para emular os Triacs e cada tiristor tem seu respectio gatilho (gate), são necessários seis pulsos de disparo. Para romper a inércia da máquina foi inserido um degrau inicial rápido de tensão, de modo que o motor acelere rapidamente até cerca de rad/s (47 rpm). pós esse degrau de tensão, o ângulo de disparo é decrescido linearmente, fazendo com que a tensão seja aplicada gradualmente no estator do MIT. Com a imposição dessa tensão inicial, a corrente, da mesma forma, saltará para um alor inicial mais alto na partida. O comportamento da corrente da fase a do estator, a eolução da elocidade do rotor e a tensão aplicada são mostrados na figura 14. i rms V rms [V] Fig.14. Velocidade do rotor, corrente eficaz da fase a e a tensão aplicada ao MIT na partida suae. Para eidenciar o alor da corrente na partida, na figura 1 é mostrado um Zoom da corrente nos instantes iniciais. i a Fig.1. Detalhe da corrente da fase a do MIT nos instantes iniciais. IV. CONCLUSÃO Este artigo apresentou experimentos com o intuito de aprofundar o conhecimento teórico associado ao funcionamento de motores de indução trifásicos e seus métodos de partida. s altas correntes de partida em um motor de indução trifásico implicam a necessidade de utilização de métodos de acionamento que possibilitem a sua redução, para que a rede elétrica não sofra reduções consideráeis em seus níeis de tensão, deido a atuação dessas altas correntes na impedância existente entre a fonte e o barramento ao qual o motor está conectado [4]. Os quatro métodos conencionais de partida de um motor de indução trifásico (partida direta, chae estrelatriângulo, chae compensadora e chae estática softstarter) foram apresentados. partida direta é desejáel quando se quer obter simplicidade e economia na partida. Todos os motores de indução trifásicos modernos são projetados para suportar a tensão plena na partida sem danos ao enrolamento do motor. Contudo, os resultados obtidos mostraram que a corrente de partida é muito eleada. Para potências eleadas, a corrente de partida com tensão plena é tal, que pode comprometer os sistemas de potências fracos e a própria rede de distribuição de energia. partida utilizando a chae estrelatriângulo se mostrou eficiente na redução da corrente de partida, contudo a redução é fixa, não sendo possíel diminuir ainda mais a corrente. Este método se mostrou inconeniente deido a alguns aspectos como: o conjugado de partida reduzido a 1/3 do nominal deido a tensão reduzida, a tensão da rede dee coincidir com a tensão em triângulo do motor e picos de corrente no instante da transição. lém disso, outra desantagem do método é que sua aplicação só é possíel para motores com dupla tensão nominal e que disponham de pelo menos seis terminais acessíeis. partida utilizando chae compensadora eidenciou uma maior eficiência na redução da corrente de partida. Este método mostrou que a comutação da deriação (tape) de tensão reduzida para a tensão de suprimento não acarreta eleação de corrente, já que o autotransformador se comporta, neste instante, semelhantemente a uma reatância que impede o crescimento da mesma. Contudo, a chae compensadora tem um custo eleado, principalmente deido ao número de deriações que se quer no autotransformador. chae de partida suae (softstarter) apresentou o melhor resultado no quesito corrente de partida. Diferente do inersor de frequência, cuja aplicação se dá no controle ponto a ponto da elocidade, as partidas suaes tem por aplicação as partidas e paradas suaes da carga a ser moimentada.isso se dee justamente ao fato de que, alterando o ângulo de disparo, alterase o recorte da tensão aplicada ao MIT. ssim, com a partida suae é possíel reduzir a corrente de partida e o torque para o mínimo necessário para acelerar a carga. Esta redução no torque está relacionada à tensão aplicada ao motor. potência mecânica do eixo do motor e, consequentemente, a potência elétrica de entrada, está ligada ao torque desenolido. Portanto, o consumo de energia elétrica proeniente da rede também sofrerá redução, ou seja,

6 notase que o consumo de energia pode ser alterado conforme o ângulo de disparo dos triacs. Porém, nem todos softstarters possuem essa função de economia de energia. REFERÊNCIS BIBLIOGRÁFICS [1]SILV, W. G., Efeitos da instalação de equipamentos softstarters e inersores na qualidade da tensão de sistemas elétricos Projeto de Pesquisa e Desenolimento FEIT/ENDES Cachoeira Dourada, 29. [2] FLCONE,.G. Motores de Indução: Manutenção e Instalação.São Paulo: LVB Comunicação, 199. [3]GÓMEZ, J. C.: MORCOS M. M. Estimation of Voltage Sag Effects on Sensitie Equipment Due to Induction Motor Starting Cycles, Electric Power Components and Systems, Taylor & Francis Group, 23. [4]MMEDE FILHO, J. Instalações elétricas industriais.7. ed. Rio de Janeiro, LTC, 27, pp [] BISPO, D. Contribuição ao Estudo de Máquinas Elétricas Incluindo o Efeito da Saturação Magnética, Tese de Doutorado, UNICMP, Campinas, Brasil, 2. [6] GOMES, L. C., cionamento etorial de motores de indução trifásicos com enfraquecimento de campo e maximização do conjugado por ampère, Tese de Doutorado, UFU, Uberlândia, Brasil, 28. [7] FREITS, M... Efeito da Saturação Magnética em Motores de Indução cionados por Conersores e Proposta de um Estimador de Fluxo Rotórico, Tese de Doutorado, UFU, Uberlândia, Brasil, 22. [8] Companhia Energética de Minas Gerais CEMIG Manual de Distribuição Fornecimento de Energia Elétrica em Baixa Tensão, Norma ND.2, Belo Horizonte, Brasil, 1999.