Partida Suave de Motores

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1 Partida Suave de Motores 27 4 Partida Suave de Motores Objetivos Princípios de funcionamento de uma Chave de Partida Suave; Recursos de uma chave de partida suave - Soft-Starter. Ligação da chave Soft-Starter Uso de software. Material Necessário Unidade básica para o sistema SME: Painel Elétrico Universal mod. PEU/ ID com suporte para módulos mod RAU/ID e Unidade de Controle SIF Módulos para a prática mod. MAE-61/ID Multímetro. Material de apoio:série SAM

2 NOÇÕES TEÓRICAS A chave de partida Soft-Starter é um equipamento composto de pontes tiristorizadas SCRs na configuração antiparalelo acionadas por uma placa eletrônica, a fim de controlar a corrente de motores de corrente alternada trifásicos do tipo gaiola, em substituição aos métodos estrela-triângulo, chave compensadora ou partida direta. Tem a vantagem de não provocar trancos no sistema, limitar a corrente de partida, evitar picos de corrente e ainda incorporar parada suave e proteções. Fig. 4.1 (a)softstarte (b)comparativo entre Metodos de Partida Seu uso é comum em bombas, centrífugas, ventiladorese motores de elevada potência cuja aplicação não exija a variação de velocidade. Princípios de Funcionamento A soft-starter controla a tensão sobre o motor através do circuito de potência, constituído por seis SCRs, variando o ângulo de disparo dos mesmos e consequentemente variando a tensão eficaz aplicada ao motor. Assim, pode-se controlar a corrente de partida do motor, proporcionando uma partida suave (Soft-Starter em inglês), de forma a não provocar quedas de tensão elétrica bruscas na rede de alimentação, como ocorre em partida direta. (a) (b) Fig. 4.2 (a)softstarter com seis thiristores (b) Chaveamento dos thiristores

3 Partida Suave de Motores 29 Costumam funcionar com a tecnologia chamada by pass, a qual, após o motor partir e receber toda a tensão da rede, aciona-se um contator em substituição aos módulos de tiristores, evitando sobreaquecimento dos mesmos, figura 4.2 (a). Os motores assíncronos trifásicos de rotor em gaiola apresentam picos de corrente e de conjugados indesejáveis quando em partida direta. Para facilitar a partida são usados vários métodos, como chave estrela-triângulo, chave compensadora, etc. Estes métodos conseguem uma redução na corrente de partida, porém a comutação é por degraus de tensão. Entretanto, nenhum se compara com o método de Partida Suave. A figura 7.2(b) mostra o comparativo de corrente entre os métodos mais usuais de partida. Um dos requisitos do soft-starter é controlar a potência do motor, sem entretanto alterar sua freqüência. Para que isso ocorra, o controle de disparo dos SCRs (tiristores) atua em dois pontos: controle por tensão zero e controle de corrente zero. O circuito de controle temporiza os pulsos de disparo a partir do instante da passagem por zero da forma de onda, tanto da tensão como da corrente. O sensor é um transformador de corrente instalado em uma única fase (nesse caso, o sistema mede somente o ponto de cruzamento de uma fase), ou um para cada fase. A placa de controle contém os circuitos responsáveis pelo comando, monitoração e proteção dos componentes de potência. Esse módulo possui também circuitos de comando e sinalização a serem utilizados pelo usuário de acordo com sua aplicação, como saídas à relé, figura 4.3. Fig. 4.3 Sinótico de Softstarter SSW 05Plus Alguns fabricantes projetam seus Soft-Starter para controlar apenas duas fases (R e S, por exemplo), utilizando a terceira como referência, figura 4.3.

4 r 30 Para que a partida do motor ocorra de modo suave, o usuário deve parametrizar a tensão inicial (Vp ) de modo que ela assuma o menos valor possível suficiente para iniciar o movimento da carga, ou seja, se o conjugado de partida C p é superior ao conjugado resistente C res da máquina. A partir daí, a tensão subirá linearmente, pela programação da Soft Starte, segundo um tempo também parametrizado (tr ) até atingir o valor nominal. Isso é mostrado na figura 4.4a. t r z Fig. 4.4 Rampa de aceleração (a) e desaceleração (b) Na frenagem, a tensão deve ser reduzida instantaneamente a um valor ajustável (Vt ), que deve ser parametrizado no nível em que o motor inicia a redução da rotação. A partir desse ponto, a tensão diminui linearmente (rampa ajustável (tr )) até a tensão final Vz, quando o motor para de girar, quando o conjugado do motor C m é igual ao conjugado resistente C res da máquina. Nesse instante, a tensão é desligada, figura 4.4b. Além da tensão, o Soft-Starter também tem circuitos de controle de corrente. Ela é conservada num valor ajustável por um determinado intervalo de tempo. Esse recurso permite que cargas de alta inércia sejam aceleradas com a menor corrente possível, além de limitar a corrente máxima para partidas de motores em fontes limitadas (barramento não-infinito). Recursos de uma Soft Starter Os Soft-Starter existentes no mercado são fabricados pela WEG, SCHNEIDER, SIEMENS e outras, são normalmente equipados com interfaces homem-máquina - IHM, painel de LEDs para informar o status do sistema e software de programação figura 7.5. Como exemplo, a SSW 05 Plus possui: - Entradas e saídas de potência; - 2 Entradas digitais (90-250Vca) - 2 Saídas a relê - 250V / 1 e 2A para indicação de Tensão plena (NA) í1 - IHM e indicação por LED - Software de rede, parametrização e análise do sistema Quanto aos recursos que um soft-starter deve ter, os mais importantes são: 1. proteção do motor; 2. sensibilidade à seqüência de fase; 3. plug-in 4. circuitos de economia de energia.

5 Partida Suave de Motores 31 Fig. 4.5 Soft-Starter Proteção do Motor O dispositivo pode ser configurado para dar proteção tanto para sobre-correntes (I OC ) quanto para sub-correntes (I UC ). Quando possível, utilizar para partidas de motores chaves Soft-Starter que possibilitem o ajuste do torque do motor às necessidades do torque da carga, de modo que a corrente absorvida será a mínima necessária para acelerar a carga. Sensibilidade à seqüência de fase Os Soft-Starter podem ser configurados para operarem somente se a seqüência de fase estiver correta. Esse recurso assegura a proteção, principalmente mecânica, para cargas que não podem girar em sentido contrário (bombas, por exemplo). Quando há a necessidade de reversão, podemos fazê-los com contatores externos ao soft-starter. Plug-in O plug-in é um conjunto de aplicativos que podem ser disponibilizadas no Soft-Starter através de módulos extras, ou através de parâmetros, como relé eletrônico, frenagem CC ou AC, dupla rampa de aceleração para motores de duas velocidades e realimentação de velocidade para aceleração independente das flutuações de carga. Economia de energia A maioria dos soft-starters modernos tem um circuito de economia de energia. Essa facilidade reduz a tensão aplicada para motores a vazio, diminuindo as perdas no entreferro, que são a maior parcela de perda nos motores com baixas cargas. Uma economia significante pode ser experimentada para motores que operam com cargas de até 50% da potência do motor.

6 32 Aplicações Os Soft-Starter podem ser utilizados nas mais diversas aplicações. Suas principais são em: Bombas centrífugas (saneamento, irrigação, petróleo); Ventiladores, exaustores e sopradores; Compressores de ar e refrigeração; Misturadores e aeradores; Britadores e moedores; Picadores de madeira; Refinadores de papel; Fornos rotativos; Serras e plainas (madeira); Moinhos (bolas e martelo); Transportadores de carga: - Correias; - Monovias; - Escadas rolantes; - Esteiras de bagagens em aeroportos; - Linhas de engarrafamento. Três delas são clássicas: bombas e ventiladores. Os ventiladores, assim como as bombas, exigem um torque proporcional à velocidade, porém, também têm grande inércia. Geralmente, o limite de corrente é utilizado para ampliar o tempo de rampa, até que a inércia é vencida. Cuidados Os Soft-Starter podem ser fixados em paineis através de trilho DIN ou por quatro parafusos, são relativamente imunes ao ambiente agressivo, já que a única parte móvel é representada pelos ventiladores, nos modelos maiores. Fig. 4.6 Soft-Starter de maior potência

7 Partida Suave de Motores 33 Os Soft-Starter a partir de 75 A possuem ventilador incorporado. Os ventiladores ligam somente quando a temperatura do dissipador atingir 50 graus centígrados. Caso a temperatura do dissipador ultrapassar 80 graus, a saída de potência será bloqueada, só voltando a funcionar quando a temperatura cair, figura 7.6. Os Soft-Starter de maior potência utilizam tiristores de discos e devem ser relativamente protegidos de pó condutor ou que se torne condutor por acúmulo de umidade. Os Soft-Starter com ou sem ventilador incorporado, geram uma quantia de calor, o qual deve ser extraído do painel, pois caso contrário haveria um acúmulo de calor, elevando muito a temperatura interna do painel, fazendo com que atue a proteção de temperatura. Quando necessário deve-se utilizar ventiladores com filtro de poeira e venezianas no painel e adequado para trocar o ar do painel e manter o mesmo a temperaturas adequadas de operação. Nem sempre é possível utilizar uma Soft-Starter. A seguir, pontos mais críticos: Refrigeração: deve-se instalar o dispositivo sempre verticalmente, com a ventilação para cima. A perda de calor aproximada é de 3,6 W/A de corrente circulante. Tipo de motor: não deve ser utilizado para partida de motores em anel. Fator de potência: não se deve colocar capacitores na saída do Soft-Starter a fim de se corrigir o fator de potência, estes são normalmente instalados nos paineis de entrada e distribuição de energia. Torque alto em velocidade zero: elevadores e guindastes necessitam de torque máximo a velocidade zero no instante da partida. Nesse caso, a utilização do soft-starter não é aconselhável. Qualquer chave Soft-Starter deverá ser protegida por fusíveis ultra-rápidos, levando em conta os valores i².t dos tiristores e dos fusíveis, sendo que os valores i².t dos fusíveis deverá ser 20% menor que dos tiristores. Estudo de uma Chave Soft-Starter As principais características que uma chave soft-starter deve ter são as funções de: acionamento, proteção, sinalização e paremitrazação. Essas funções e características são bastante desejáveis e estão presentes em todas chaves produzidas industrialmente. Fig. 47 Soft-Starter SSW 05 Plus

8 34 As diversas funções podem ser selecionadas através de módulos de interfaces IHM chaves dip, frontalmente ao módulo de comando e através de software, figura 4.8. Fig. 4.8 Soft-Starter e serial port RS 232 Ajuste da rampa de aceleração (Corrente e Tensão) Este ajuste se refere ao da corrente limitada na partida do motor a qual permite suavizar a subida de corrente no motor, de zero até a corrente de partida. Esta suavização visa evitar trancos no motor e na carga. Ela não é responsável direta pelo tempo de partida efetiva do motor. O tempo de partida é, por outro lado, dependente do nível de corrente de partida e da carga, torque versus corrente,figura 4.9. VM=Velocidade do Motor; VD=Corrente do Motor; AZ=Torque do Motor Fig. 4.9 Soft-Starter e serial port RS 232 Este ajuste de Rampa de Aceleração deve ser sempre o menor possível, para suavizar a partida e não prolongar demais o início de giro do motor, otimizando a operação. Este ajuste é especialmente importante em motores com pouca carga ou sem carga, os quais, devido a tendência de rápida aceleração, tendem a oscilarem. Se o motor estiver com carga baixa, em alguns segundos, o mesmo irá para a rotação nominal, e a rampa de tensão ainda estará subindo. No caso inverso, com carga pesada, o motor ronca durante uma parte da rampa e só inicia a girar assim que a tensão ultrapassa o

9 Partida Suave de Motores 35 ponto em que se tenha o torque necessário à carga. Este ajuste da inclinação da rampa no equipamento irá definir a relação de corrente da soft-starter e do motor acionado: I I Ajus = I motor SS.100% O ajuste da rampa de corrente é o principal, sendo diretamente responsável pelo tempo de partida do motor. Quanto mais alta a corrente admissível, mais rápida será a partida. Esta corrente poderá atingir até 4 vezes a corrente nominal do motor, conforme o caso. Após a subida inicial suave da corrente e movimentação da carga, a mesma permanecerá no nível ajustado até o final de partida. O ajuste desta função tem importânccia direta nas seguintes proteções do Motor: Sobrecarga, Sobrecorrente, Rotor Bloqueado, Falta de Fase. Considerando que a tensão aplicada no motor é continuamente ajustada pela ponte tiristorizada para manter o nível de corrente, a rampa de tensão é quem vai garantir o nível de corrente nos patamares de uma partida suave. Os valores pré ajustados pelo fabricante são de 30%, figura As configurações pre ajustadas pelo fabricante são mostradas no equipamento por uma pequena pinta vermelha sobre cada ajuste, figura 7.7. Os valores préfixados podem também ser parametrizados no software em coluna específica (Ajustes de Fabrica), figura O ajuste da rampa de tensão começa com um valor incial de 30%. O ajuste do valor da tensão inicial se da normalmente para o valor que comece a girar o motor, tão logo a softstarter receba o comando de aciona.. Fig Ajuste de parâmetros via software

10 36 Uma partida ótima é percebida até pelo som auditivo, já que existe uma aceleração progressiva, bem perceptível e ao mesmo tempo suave. Para motores sem carga, também para evitar instabilidade, este nível deve ser alto, já que, de qualquer modo, o motor sem carga acelera rápido. Deste modo, pode-se perceber que para motores sem carga perde-se um pouco a vantagem da limitação de corrente. Tempo da Rampa de Aceleração e Frenagem Os tempos envolvidos como vimos são função do torque solicitado pela carga, e quanto mais alta a corrente admissível, mais rápida será a partida ou mais curto o tempo de partida. A dinâmica inerente dos motores de indução resulta em relações quadráticas do torque e da aceleração disponíveis, quando acelerações ou reduções (frenagem) lineares na tensão aplicada são impostas no enrolamento do motor, conforme relação abaixo: T d = V V máx 2 T máx Td = Torque disponíel Tmáx = Torque máximo a tensão nominal V = Tensão aplicada Vmáx = Tensão nominal na chave soft-start Considerando que o soft-starter é fundamentalmente um dispositivo regulador de corrente aplicada, podemos modificar a equação anterior para uma relação de torque-corrente. Considerando que as reduções da tensão aplicada no motor refletem reduções no pico de corrente, uma substituição direta pode ser feita ou seja: T d I = I máx 2 T máx Os tempos de aceleração e frenagem, ajustados pelo fabricante, figura 7.8, são em 10 s e 0 s respectivamente. A rampa de parada é útil em casos onde a parada brusca é prejudicial mecanicamente. Isso pode acontecer em bombas de recalque, para evitar golpe de aríete, e em motores com redutores de alta relação, que, ao parar instantaneamente,ocasiona problemas devido a massas de alta inércia acoplados no lado de baixa rotação do redutor. Proteções e Sinalizações por LEDs Qualquer chave Soft-Starter produzida industrialmente tem um grande número de sinalizações, feitas através de leds. Essas sinalizações têm, no geral, a função de informar ao usuário a respeito do funcionamento da chave. Elas são citadas logo a seguir, e damos uma breve explicação sobre cada uma: Sobrecorrente - LED (Overcurrent) Esta proteção é ajustável, de 70 a 120% da corrente nominal, acendendo o LED correspondente, comutando o relé de falha e inibindo-se o disparo dos tiristores. Essa função esta presente em toda chave soft-starter, sinaliza a ocorrência de sobrecarga

11 Partida Suave de Motores 37 acima dos níveis ajustados. O monitoramento ocorre somente quando a Soft-Starter está em regime (100%de tensão). Atua quando a corrente do motor ultrapassa o valor de 3 vezes o valor ajustado no trimpot ou na parametrização, durante um tempo superior a 1s Falta de Fase - LED (Phase Loss) Detecta falha e falta de fase na entrada da Soft-Starter, R/1L1, S/3L2 e T/5L3. Quando atuada, acende o led correspondente, comuta o relé de falha e inibe-se o disparo dos tiristores. Sinaliza se ocorrer tanto falta de fase na entrada como na saída (motor) ou quando o motor estiver desconectado, como também falha interna que ocasione falta de corrente ou subcorrente em uma das fases, figura Em regime (100% de tensão): Atua após transcorrido 1s da falta de fase, tanto na entrada quanto saída (motor). Atua quando a corrente que circula pela Soft-Starter for inferior a 20% da corrente ajustada no trimpot Motor Current, ou seja, o ajuste do trimpot de corrente do motor (Motor Current) pode ocasionar essa falha se ajustado muito acima da relação: I I Ajus = I motor SS.100% Fig.7.11Configurção de umasoft-starter

12 38 Sequência de Fase - LED (Fase Seq) O erro é ativado quando a seqüência de fase está incorreta. Rotor Bloqueado - LED (Stall) Esta proteção atua na transição entre final da rampa de aceleração e fechamento dos contatos dos relés de by-pass internos da Soft-Starter, caso a corrente que circula pela mesma for superior ou igual a 2 vezes a corrente ajustada no trimpot (Motor Current). Sobrecarga Eletrônica do Motor - LED (Overload) Esta proteção monitora constantemente a corrente do motor e a compara com o valor ajustado no trimpot (Motor Current). A proteção de sobrecarga eletrônica do motor faz a simulação do aquecimento do motor (Imagem Térmica). Esta simulação de aquecimento usa como dado de entrada o valor de corrente eficaz verdadeiro (True RMS). A curva com o tempo de atuação na condição de sobrecarga do motor está definida na figura 7.12, sendo que a classe térmica desta função conforme a IEC é a classe 10. Fig Curva de sobrecarga eletrônica no Motor

13 Partida Suave de Motores 39 Instalação de uma Soft-Starter e I/O Um cabo/módulo externo para conversão de RS-232 para RS-485: permite a ligação da SSW-05 em uma rede RS-485 padrão ou interligar com um computador pessoal para a parametrização e programação, através do software Super Drive 5.9 Desta forma, a Soft-Starter sob estudo pode participar de uma rede multiponto de até 1000m sem a necessidade de transdutores e será reconhecida como um dos nós da rêde. Para maiores detalhes ver MANUAL DO USUÁRIO DO MIW-02 ( ). O manual está disponível no endereço Fig Curva de sobreca A partir do produto que estamos utilizando introduzimos no software, figura 4.13, os dados básicos do equipamento, figura 4.14, como tensão da rede, corrente e dados do equipamento. Com isso além dos dados pre definidos de fábrica (Ajustes de Fábrica) é possível fazer a leitura de dados de operação do sistema, levantamento de curvas e outras possíbilidades mais como participação em rede, figura Fig Dados do produto

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15 Partida Suave de Motores EXERCÍCIOS MAE 45 SIF1 Desconectar todas ligações Não energizar os elementos sem supervisão Instalação de uma Soft-Starter e I/O Descreva o funcionamento do circuito da figura 4.15; Montar o circuito; Fig Partida de Motores com chave Soft-Starter Colocar os trimpots de ajuste da Soft-Starter aos valores de fábrica.e cionar o circuito da figura 4.15, Q1. Qual comportamento da Soft-Starter que pode ser obwervado? a) Acende o LED de Sobrecarga (Over Load). b) O acionamento não ocorre porque o motor não está conectado; c) O LED READY pisca durante a rampa de aceleração e em seguida desliga o motor d) A partida se processa suave e Acende o LED de Acionado (Run)

16 42 Ajustar os parâmetros da chave de partida Soft-Starter através dos trinpots, segundo condições expostas na teoria. Acionar o sistema nessa novas condição Q2. Qual o comportamento da Soft-Starter que pode ser obwervado? a) Acende o LED de Sobrecarga (Over Load) b) Acende o LED de Falta de Fase (Fase Loss) c) Acende o LED de Falha (Fault) e de Falta de Fase (Fase Loss) d) O Motor funciona, pisca o LED de REDY e 10s, após o LED RUN Desconectar uma das fases, seja de entrada que de saída para o motor e verificar o que acontece. Q3. Qual o comportamento da soft-starter que pode ser obwervado? a) Acende o LED de Sobrecarga (Over Load) b) Acende o LED de Falta de Fase (Fase Loss) c) Acende o LED de Falha (Fault) e de Falta de Fase (Fase Loss) d) O motor continua virando Descreva o funcionamento do circuito da figura 7.16; Montar o circuito utilizando o relé Q1 da SSW-05 Fig Partida de Motores com chave Soft-Starter

17 Partida Suave de Motores 43 Rodar o software e clicar no icone de novo programa. O software já assume como Project 1, Clicar no primeiro elemento da Rede de Drive e na janela de dados do drive clicar em Atualizar. Os dados são assim lidos da Soft-Starter e inseridos no software. Fig Janela de dados do drive Fechar a Janela de Rede de Drive clicando em OK. Clicar em um icone azul de Monitorar Parâmetros, figura 4.18, quando então são licos todos os dados do sistema; Fig Janela de Monitorar Parâmetros

18 44 Dar a partida e observar o comportamento do motor através do software; Ajustar no software um tempo de Auto Reset para 9 segundos. Provocar uma falha no sistema e verificar o que acontece Q4. O comportamento da Soft-Starter que pode ser obwervado? a) Acende o LED de FALT pisca b) Acende o LED de Falha (Fault) e de Rotor Blolqueado (Stall) c) O motor continua funcionando normalmente d) O LED da falha incerida pisca por 9 egundos e reseta a falha 4.3 QUESTIONÁRIO Q5. Quantas I/O digitais a SSW 05 possui? a) 1 contato NA e 1 NF.. b) 2 entradas digitais. c) 2 entradas digitais e 2 saídas, contatos NA. d) 1 contato NA e 2 NF. Q6. A rampa de Aceleração da Soft-Starter: a) Ligar e desligar o motor. b) A velocidade do motor atingiu 60% da nominal. c) Permite suavizar a corrente de partida do motor. d) Temporizar o acionamento na mudança de ON/OFF. Q7. Ajuste do trimpote da rampa de tensão: a) O ajuste é feito com 30% na partida e varia-se o trimpote até a movimentação da carga b) O ajuste é feito a velocidade de 90% da nominal.. c) A rampa de velocidade do motor é função do tempo. d) O tacometro indicar velocidade 100%. Q8. A chave soft-starter se faz necessária em: a) Partida direta de motores. b) Em motores com corrente de partida 6 a nominal. c) Em motores de baixa potência. d) Na partida suave e proteção do motor. Q1. C Q5.C Q2. D Q6.C Q3. B Q7.A Q4. D Q8.D