FACULDADE ANHANGUERA DE INDAIATUBA ENGENHARIA MECÂNICA ALEXANDRE ZECCHI GABRIEL FELIPE SANTANA DELFINO RA:

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1 FACULDADE ANHANGUERA DE INDAIATUBA ENGENHARIA MECÂNICA ALEXANDRE ZECCHI GABRIEL FELIPE SANTANA DELFINO RA: GABRIEL RODRIGUES RA: CHAVES DE LIGAÇÕES DE MOTORES ELÉTRICOS Soft-starters INDAIATUBA 2017

2 ALEXANDRE ZECCHI GABRIEL FELIPE SANTANA DELFINO RA: GABRIEL RODRIGUES RA: CHAVES DE LIGAÇÕES DE MOTORES ELÉTRICOS Soft-starters Trabalho da disciplina de Eletrotécnica do curso de graduação em engenharia mecânica da faculdade Anhanguera de Indaiatuba, sobre Soft-strarters. Um tipo de chave de ligação de motores elétricos. Orientador: Gulherme INDAIATUBA 2017

3 3 RESUMO O trabalho a seguir busca apresentar as questões referentes às funcionalidades de um soft-starter. As chaves soft-starters são equipamentos eletrônicos que consistem em elementos de comutação bidirecionais, compostas por ligações entre tiristores que atuam como chaves de partida estática, projetadas para regular a rampa de aceleração nas partidas de motores de indução trifásicos, a fim de controlar a corrente de partida da máquina, em substituição às técnicas mais antigas, como por exemplo, ligação estrela-triângulo e chaves compensadoras. Os soft-starters atuam também na rampa de desaceleração, nas paradas da máquina e ainda na proteção elétrica do motor. Seu uso é comum em bombas centrífugas, ventiladores e sistemas de elevada potência cuja aplicação não exija a variação de velocidade. Para aplicações com variação de velocidade, torna-se mais interessante a aplicação de equipamentos como inversores de frequência. As chaves soft-starters são equipamentos especialmente recomendados para aplicações em: Bomba de Vácuo a Palheta; Bombas Centrífugas; Calandras; Compressores do tipo Parafuso; Misturadores; Refinadores; Ventiladores Axiais de Cargas Leves; Qualquer modelo de soft-starter apresenta as seguintes vantagens em relação aos equipamentos de partida tradicionais: Partida Suave do sistema mecânico; Redução e limitação da corrente de partida; Evita picos de corrente; Possibilidade de incorporação de paradas suaves e proteções do sistema; Os soft-starters contribuem para a redução dos esforços mecânicos sobre os outros dispositivos de transmissão do sistema, tais como correias, polias, entre

4 4 outros, aumentando assim a vida útil do motor e equipamentos mecânicos da máquina acionada, devido à eliminação de choques mecânicos. Também contribui para a economia de energia, devido à necessidade de uma infraestrutura de ligação muito menor no sistema aplicado. Além disso, vale ressaltar sua facilidade de operação, ajuste e manutenção.

5 5 ABSTRACT The following project is to present the questions regarding the functionalities of a soft-starter. Soft-starters are electronic equipment consisting of bi-directional switching elements composed of links between thyristors, acting as static starters, designed to regulate the acceleration ramp of three-phase induction motors in order to control the start current machine, replacing older techniques such as star-delta connection and compensating switches. The soft-starters also act on the deceleration ramp, in the machine stops and also in the electrical protection of the motor. Its use is common in centrifugal pumps, fans and systems of high power whose application does not require the variability of speed. For applications with speed variation, it becomes more interesting to apply equipment as frequency inverters. Soft-starters are specially recommended equipment for applications in: Vacuum Pump with Vane; Centrifugal pumps; Calenders; Screw type compressors; Mixers; Refiners; Axial Fans of Light Loads; Any soft-starter model has the following advantages over traditional starters: Soft start of the mechanical system; Reduction and limitation of the starting current; Prevents current peaks; Possibility of incorporating soft stops and system protections; Soft-starters contribute to reduce mechanical stresses on other system transmission devices, such as belts, pulleys, and others, this increases the life of the motor and mechanical equipment of the driven machine, due to the elimination of mechanical shocks. It also contributes to energy savings, due to the need for a much

6 6 smaller link infrastructure in the applied system. In addition, it is worth mentioning its ease of operation, adjustment and maintenance.

7 7 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO SISTEMA DE CONTROLE Controladores de torque Controladores de tensão em malha aberta Controladores de tensão em malha fechada Controladores de corrente em malha fechada APLICAÇÕES DE SOFT-STARTERS Bombas Compressores Ventiladores PROTEÇÃO DE UM SOFT-STARTER Falta de fase Curto-circuito Sobre-corrente Sobre-temperatura CONCLUSÃO REFERÊNCIAS... 17

8 8 1 INTRODUÇÃO Neste trabalho será tratado de um tema muito atual e que tem crescido mais e mais com o avanço da tecnologia dos equipamentos elétricos e com a necessidade de dispositivos mais confiáveis para atuar nesses equipamentos. Soft-starters é um desses dispositivos e tema deste trabalho. Aqui será explicado um pouco da teoria por trás desse dispositivo, como e onde ele surgiu, quem criou e quais ideias estavam envolvidas em sua criação e desenvolvimento. Além disso, teremos os tipos de ligações possíveis e suas aplicações. O trabalho tem o objetivo de mostrar o porquê esse equipamento é tão importante e como ele auxilia tanto na melhoria do desempenho do equipamento quanto na questão de gastos com o prolongamento da vida útil do mesmo.

9 9 2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO O soft-starter, diferente de outras chaves de partida direta de motores elétricos, ele controla a potência tanto na partida, quanto na frenagem do motor. Assim diminui os esforços que o motor sofreria caso o sistema não tivesse uma chave do tipo soft-starter. Abaixo vemos uma imagem do dispositivo soft-starter: Figura 1 Modelo real de um soft-starter Fonte: Catálogo WEG O principio de partida de um soft-starter se baseia em um equipamento estático chamado de tiristor, que é basicamente um interruptor de ação rápida, semicondutor que pode possuir até 4 terminais. Abaixo podemos ver um esquema de dois tiristores:

10 10 Figura 2 Esquema de tiristores Fonte: < A tensão de partida de um motor elétrico é reduzida dependendo do ângulo de condução dos tristores, diminuindo assim os picos na corrente. Um dos deveres de um soft-starter é controlar a potência de um motor sem altera a sua frequência. Para realizar isso os tristores atuam em dois pontos: controle por tensão zero e controle por corrente zero. O circuito de controle tem que temporizar os pulsos de disparo a partir do último valor de zero da forma de onda, tanto da tensão como da corrente. O sensor pode transformar a corrente tanto em uma única fase quanto para cada fase que o sistema tiver. Veja agora um esquema de um soft-starter com seis trsitores:

11 11 Figura 2 Diagrama de blocos simples de um circuito com soft-starter Fonte: < 3 SISTEMA DE CONTROLE Por se tratar de um componente eletrônico que possui um circuito de potência incorporado, o soft-start consegue realizar o controle da tensão fornecida. A seguir, na tabela 1, serão apresentadas algumas das principais vantagens e desvantagens da utilização deste componente, comparando com outros sistemas de partida direta, como por exemplo, Ligação Estrela-Triângulo e Chaves Compensadoras. Tabela 1 Vantagens e desvantagens do uso de soft-starter Vantagens e Desvantagens do Uso de Soft-Starter Vantagens Controle da corrente de partida do sistema; Desvantagens Redução do torque na partida (é possível programar um pulso de torque para o arranque);

12 12 Proteção ao motor incorporada; Diminuição dos choques mecânicos com rampa de aceleração e desaceleração; Gera harmônicas devido ao chaveamento dos SCR's; Os SCR's provocam perda de potência se continuarem ligados ao circuito após a partida; Possibilidade de partida de vários motores simultaneamente; A gama de aplicações utilizando Soft-Starter é ampla, mas normalmente está interligada a sistemas que necessitem trabalhar com partida suave de motores. Por conta disso, os mesmos são divididos conforme o tipo de controle ao qual é aplicado. São eles: Controladores de Torque; Controladores de Tensão em Malhas Abertas; Controladores de Tensão em Malha Fechada; Controladores de Corrente em Malha Fechada; 3.1 Controladores de torque Os controladores de torque, que podem controlar uma ou duas fases dependendo do modelo e modo de aplicação, promovem apenas a redução do torque de partida. Sendo assim, ele é considerado o modelo mais simples de softstarters. Por serem a versão de entrada de soft-starters é recomendado o uso juntamente com contatores e rele de sobrecarga. Como o controlador monofásico causa aquecimento dos componentes durante a partida do sistema, o controle trifásico deve ser usado em sistemas que utilizam partidas frequentes ou com cargas. Esse aquecimento ocorre principalmente porque as tensões da bobina ficam sob tensão nominal, uma vez que elas não são controladas, fazendo com que a corrente circule por um período maior do que durante uma partida direta, resultando em um aquecimento do sistema.

13 Controladores de tensão em malha aberta Para os controladores de tensão em malha aberta é necessário que haja uma análise quanto à aplicação de relés de sobrecarga e contatores no sistema. Dessa forma, são componentes que devem estar agregados para formar um sistema de partida. 3.3 Controladores de tensão em malha fechada Os controladores de tensão em malha fechada são uma variação do sistema de malha aberta. Eles se diferenciam por receber realimentação da corrente de partida do motor e usam essa informação para cessar a rampa de partida do motor quando a corrente limite que foi estabelecida pelo usuário é alcançada. 3.4 Controladores de corrente em malha fechada Os controladores de corrente em malha fechada são os mais avançados de todos. Diferentemente do sistema de tensão em malha fechada, eles usam a corrente como referência principal. As vantagens dessa aproximação são controle preciso da corrente de partida e fácil ajuste. Muitos ajustes do usuário podem ser feitos automaticamente por sistemas baseados em corrente. 4 APLICAÇÕES DE SOFT-STARTERS As aplicações de soft-starters estão entre as mais diversas. Misturadores e aeradores; britadores e moedores; picadores de madeira; refinadores de papel; fornos rotativos; serras e plainas (madeira) e etc. Porém entre suas principais aplicações estão bombas, compressores e ventiladores. 4.1 Bombas

14 14 Em bombas, a rampa de tensão se iguala as curvas do motor e da carga. A rampa de partida se adequa a curva de torque que o motor sobre a da bomba. Assim, a corrente de partida se reduz em aproximadamente 2,5 vezes a corrente nominal. Uma das facilidades que mais interessam na hora de aplicar soft-strater em uma bomba, é o recurso kick-start, que é um pulso de tensão rápido e de grande amplitude aplicado no instante da partida. Ajudando a vencer a inércia de partida quando há a presença de alguma sujeira na bomba. 4.2 Compressores O soft-starter aplicado em compressores faz com que a manutenção seja reduzida e permite que compressores que precisam ficar ligados integralmente não desliguem quando não for necessário. Por outro lado, devido a alimentação muito fraca, evita que esses mesmos motores sejam desligados quando estiverem sendo utilizados normalmente. 4.3 Ventiladores Assim como as bombas, os ventiladores necessitam de um torque proporcional à velocidade, mas também têm grande inércia. O limite de corrente é utilizado normalmente para estender o tempo de rampa, enquanto a inércia é vencida. 5 PROTEÇÃO DE UM SOFT-STARTER Para a proteção de um soft-starter de qualquer distúrbio ou falha pode ser utilizado as seguintes proteções. 5.1 Falta de fase Ocorre quando se é detectado falha e falta de fase na entrada ou na saída do soft-starter. Quando isso ocorre acende um LED, que comuta o rele de falha e inibese o disparo dos tiristores.

15 15 Quando o motor está sem carga, tanto no método de supervisão de tensão como no de corrente esse tipo de proteção pode não agir, já que o motor gera tensão nominal na fase faltante e no outro caso a corrente é muito baixa e a detecção é feita por comparação entre as fases. Não há problemas nesse caso pois o motor não trabalha com tensão Curto-circuito Essa proteção atua caso ocorra uma corrente instantânea com o valor de oito vezes a corrente nominal do soft-starter. Acende um LED também, inibe os disparos e o rele de indicação de falha se comuta. Esse tipo de produção não dispensa o uso de fusíveis para a proteção dos tiristores, já que os curtos-circuitos podem atingir altos valores de corrente. 5.3 Sobre-corrente Esse tipo de proteção é ajustável, e pode variar de 70 a 120% da corrente nominal. Começa a agir depois de 10 segundos com sobrecarga acendendo o LED, comutando o rele de falha e inibindo o disparo dos tiristores. Esse tipo de proteção deve estar presente em toda chave soft-starter, protegendo assim de sobrecargas acima dos níveis aceitáveis. 5.4 Sobre-temperatura Em algumas chaves tem esse sistema de sobre-temperatura, que ao verificar uma temperatura muito elevada acende um LED vermelho, comutando o rele e inibindo os disparos dos tiristores.

16 16 CONCLUSÃO Após a realização do seguinte trabalho, foi possível constatar as diversas aplicações com utilização de soft-starter. Além de se tratar de um equipamento oriundo dos avanços das técnicas mais tradicionais, como estrela-triângulo e chaves compensadoras, é possível notar também o avanço no emprego de tecnologia sobre os mesmos. Dentro da gama de produtos utilizados para o controle de partida e desaceleração de sistemas, podemos considerar o soft-starter em um nível intermediário de aplicação, sendo uma aplicação com melhores recursos em relação às partidas tradicionais e um pouco abaixo em relação a recursos se comparados com inversores de frequência, por exemplo. Por conta disso, para uma instalação e utilização correta de um sistema, é interessante antes de qualquer coisa que se realize um estudo da aplicação, considerando os componentes do sistema e principalmente as tarefas a serem realizadas pelo mesmo, afim de que se possa optar pelo melhor componente com relação a sua aplicação. Outro aspecto muito importante a ser considerado é com relação ao investimento monetário, pois como consequência, quanto maior o nível de tecnologia empregado no sistema, maior será o custo inicial do mesmo. Outro aspecto importante a ser mencionado é o de que, este trabalho visa uma apresentação técnica do soft-starter e principalmente, os aspectos que o diferencia dos outros sistemas de partida. Para maiores informações, é mais do que essencial a consulta a catálogos de fornecedores destes tipos de componentes. Dentro das referências apresentamos os catálogos de 2 fornecedores, Siemens e WEG.

17 17 REFERÊNCIAS MUNDO DA ELÉTRICA. O que é um soft-starter. Disponível em: < Acesso em: 10 abr CATÁLOGOS (WEG, SIEMENS E SCHNEIDER). ECATALOG. WEG soft-starter ssw05. Disponível em: < Acesso em: 10 abr

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