Protecção de Motores Eléctricos

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1 Faculdade de Engenharia Universidade do Porto Protecção de Motores Eléctricos (Abordagem geral) José Eduardo Martins de Carvalho Miguel Freitas ~ LEEC (Energia) - 5º Ano Sistemas de Protecção Novembro/Dezembro 2005

2 Este texto pretende focar os aspectos essenciais a considerar quando se pretende proteger adequadamente um motor eléctrico. Após uma breve introdução ao tema, são descritos os vários defeitos susceptíveis de serem sofridos pelo motor, e as formas de tentar minimizar os respectivos danos para a máquina. TIPOS DE MOTORES A protecção das duas grandes famílias de motores, motores de corrente contínua (CC) e motores de corrente alternada (CA) é baseada em conceitos essenciais idênticos. As especificidades de cada tipo de motor devem contudo ser levadas em linha de consideração, quando se projecta um determinado sistema de protecção. ASPECTOS GERAIS DA PROTECÇÃO DE MOTORES Os sistemas de protecção devem ser dimensionados de acordo com os potenciais riscos para os elementos que protegem, isto é, o custo e a dimensão de um determinado sistema de protecção variam de acordo com as condições de funcionamento do elemento a proteger. A complexidade da protecção de um motor, depende não só dos defeitos que possam ocorrer, mas também da qualidade e continuidade de serviço que se pretende obter, assim como da potência do motor. DEFEITOS A DETECTAR PELA PROTECÇÃO DE MOTORES Sobrecargas excessivas. Sobrecarga contínua ou intermitente, encravamento do rotor ou falha no arranque que possam originar um sobreaquecimento que leva à deterioração dos isolantes. Defeitos nos enrolamentos ou nos circuitos de alimentação. Incluindo curto-circuitos fase-fase ou fase-terra. Redução ou quebra da tensão de alimentação. Afecta o binário aplicado à carga. Troca das fases de alimentação. Arrancar o motor no sentido inverso pode suscitar problemas para a carga. Desequilíbrio das fases. Origina uma subida da temperatura do motor. Protecção Directa Contra Aquecimento. Protecções Suplementares. Protecção contra encravamento, protecção contra perda de carga e nos motores síncronos protecção contra perda de sincronismo e falha de excitação. TIPOS DE PROTECÇÃO E SUA IMPLEMENTAÇÃO Os dispositivos de protecção são normalmente montados juntamente com o sistema de controlo do motor, constituindo parte desse sistema. Vários tipos de sensores térmicos podem ser montadas no interior do próprio motor, e ser usados em conjunto com os relés. Relés baseados em princípios electromecânicos, ou em microprocessadores podem ser utilizados, separados ou em conjunto, para se implementar o nível de segurança e protecção desejado.

3 Motores de maior dimensão Embora os relés de protecção possam ser aplicados a motores de qualquer dimensão ou gama de tensão, na prática estes são mais utilizados nos motores de potências superiores a 100kW. À detecção do defeito por parte dos relés, segue-se a actuação dos disjuntores capazes de interromper correntes elevadas. Motores de menor dimensão. Os motores de menor dimensão são normalmente comutados e controlados por contactores, e protegidos por fusíveis. PROTECÇÃO CONTRA SOBRECARGAS A protecção contra sobrecargas de um motor, deve garantir que o isolante mantenha as suas características e não se deteriore devido ao aquecimento excessivo dos enrolamentos. É difícil para um único relé acompanhar de forma adequada as curvas de aquecimento de um motor, desde a situação de uma pequena mas longa sobrecarga, até a uma sobrecarga severa. Desta forma a protecção contra sobrecargas é assegurada pelo uso simultâneo de dois relés: relé térmico de sobrecarga (RTS) e relé de sobreintensidade (RS). A utilização simultânea destes dois dispositivos garante uma protecção térmica completa. O motor deve estar protegido contra sobrecargas em cada fase, a não ser que seja protegido contra desequilíbrios do sistema de alimentação. Percebe-se que se o motor só estivesse equipado com protecção contra sobrecargas, em duas fases, e ocorresse um desequilíbrio que originasse uma subida da corrente na outra fase, o motor não estaria efectivamente protegido. A protecção deve então ser efectuada com 3 dispositivos contra sobrecargas, ou 2 contra sobrecargas e um contra desequilíbrios de alimentação. RELÉ TÉRMICO DE SOBRECARGA [RTS] Este relé oferece uma boa protecção para pequenas sobrecargas, ou seja, de média ou longa duração, mas não protege o motor contra sobrecargas elevadas. Como se observa no gráfico 1, a característica do relé protege adequadamente o motor para correntes baixas mas com maior expressão no tempo, e não adequadamente para correntes elevadas e de curta duração. Gráfico 1 Protecção assegurada pelo relé térmico de sobrecarga.

4 Este tipo de relé é desenhado para realizar uma réplica da temperatura do interior do motor, a partir da corrente absorvida pela máquina. Quando a corrente atravessa o secundário do transformador de intensidade (figura 1) e passa através do relé, este apresenta uma característica tempo/corrente que é aproximadamente paralela à curva de capacidade térmica do motor, para sobrecargas moderadas, como se observa no gráfico 1. O relé actua em tempo fixo para uma determinada corrente de sobrecarga, protegendo eficazmente o motor contra sobrecargas longas mas não contra sobrecargas severas. Figura 1 Montagem do Relé RTS (esquema unifilar) Normalmente este tipo de relés reage mal a variações bruscas de carga, já que o seu arrefecimento é mais lento do que o do motor que protegem, o que leva a disparos intempestivos. Este problema é ultrapassado quando se utilizam relés baseados em microprocessadores, que possuem em memória um histórico do comportamento da carga, e conseguem adaptar as suas características ao regime de funcionamento do motor. RELÉ DE SOBREINTENSIDADE [RS] Em situações de sobrecargas severas tais como a de rotor bloqueado é importante desligar rapidamente o motor para salvaguardar a vida útil do aparelho. Um motor bloqueado está sujeito a um aquecimento 10 a 50 vezes maior que um motor em rotação, logo este aquecimento extremo só é tolerado durante um curto espaço de tempo. O relé de protecção deve então actuar em alguns milissegundos e para intensidades de corrente muito superiores à nominal. Deve analisar-se a situação do arranque do motor, de forma a evitar disparos acidentais durante a aceleração. Durante o arranque pode ser necessário desligar esta protecção, se o tempo de arranque for próximo do tempo máximo de rotor bloqueado. Gráfico 2 Protecção assegurada pelo relé de sobreintensidade.

5 Como se pode ver pelo gráfico 2, para que este relé proteja adequadamente o motor para sobrecargas severas, ele vai oferecer a protecção excessiva para sobrecargas moderadas e de longa duração. A montagem deste tipo de relé é idêntica à montagem do relé térmico de sobrecarga, ilustrada na figura 1. CONJUGAÇÃO DO RELÉ TÉRMICO DE SOBRECARGA COM O RELÉ DE SOBREINTENSIDADE Conjugando estes dois relés, ou instalando um relé electrónico que tenha capacidade para efectuar os dois tipos de protecção descritos a cima, consegue-se proteger completamente o motor contra sobrecargas. Regulando adequadamente as protecções obtêmse as características tempo-corrente representadas no gráfico 3. Gráfico 3 Protecção completa contra sobrecargas. PROTECÇÃO CONTRA DEFEITOS À TERRA A protecção contra defeitos à terra é habitualmente assegurada com o recurso a um transformador de corrente somador, que alimenta o relé de protecção. Este relé deve actuar o mais rapidamente possível assim que for detectada uma corrente de fuga à terra. Figura 2 Montagem da protecção contra defeitos à terra, relé e transformador de corrente somador.

6 O princípio de funcionamento desta protecção baseia-se no facto dos motores, na sua grande maioria, não apresentarem o neutro ligado à terra. Desta forma, não circula nenhuma corrente homopolar no motor, a não ser que aconteça um defeito à terra. Assim só se desenvolve uma tensão no secundário do transformador quando circula uma corrente homopolar no primário provocada por um defeito. Nestas condições o relé actua retirando o motor de serviço, ver anexo. Se aos terminais do motor estiver ligado um equipamento de protecção contra descargas atmosféricas, como por exemplo, um descarregador de sobretensão podem surgir alguns problemas na regulação do relé. Estes problemas, todavia raros, devem-se ao facto deste aparelho constituir um caminho para se escoarem correntes pela terra. PROTECÇÃO CONTRA DEFEITOS ENTRE FASES A corrente de defeito proveniente de um curto-circuito entre fases é consideravelmente maior do que a corrente de arranque do motor, logo na maior parte dos casos pode ser utilizado, sem qualquer problema, um relé de máximo de intensidade, que actue instantaneamente. Para que o motor continue protegido para várias resistências de defeito e para situações de curto-circuito mínimo, a corrente de disparo (I D ) deve ser menor que um terço da corrente de curto-circuito simétrico trifásico (I 3F ) na alimentação. Por outro lado, a corrente de disparo deve ser pelo menos 1,6 maior do que a corrente inicial de arranque (I start ). Para satisfazer as duas condições anteriores: I 3F /I start deve ser superior a 4,8. Figura 3 Regulação da protecção contra defeitos entre fases. Normalmente esta condição verifica-se se a potência nominal do motor for menor que metade da potência do transformador que o alimenta. Ao contrário deve ser usada uma protecção diferencial, cuja sensibilidade não depende da corrente de arranque (figura 5). Figura 4 Protecção diferencial contra defeitos entre fases. PROTECÇÃO CONTRA QUEBRA OU REDUÇÃO DA TENSÃO DE ALIMENTAÇÃO Uma tensão reduzida impede o motor de atingir a velocidade nominal de arranque, ou tem como consequência a perda de velocidade originando assim fortes sobrecargas. De facto, a tensão disponível para aplicar ao motor afecta significativamente o binário acelerador, logo os motores devem ser desligados quando existirem reduções de tensão que se prolonguem por mais de alguns segundos. A protecção pode ser assegurada por contactores que disparam para tensões de cerca de 50 a 70% da nominal, no entanto é preferível realizar a protecção através da utilização de

7 relés temporizados. Com a utilização deste tipo de relés previnem-se disparos intempestivos quando há cavas de tensão momentâneas, pode-se inclusive ligar o relé a um alarme que indica ao operador que a tensão está a baixar. Este alarme é activado antes do disparo da protecção e em situações em que o abaixamento de tensão não é muito significativo. Figura 5 Montagem da protecção contra quebra e redução de tensão. PROTECÇÃO CONTRA TROCAS DE FASES DA ALIMENTAÇÃO Por vezes há graves problemas para as cargas se os motores arrancarem em sentido contrário devido a uma troca da sucessão de fases. DETECÇÃO DA SEQUÊNCIA DE CORRENTES Existem relés que examinam a sequência de correntes e ao detectarem uma sequência RTS em vez de uma RST disparam. O inconveniente da utilização destes relés é de que necessitam que o motor seja alimentado, para depois poderem detectar a sequência das fases, e eventualmente actuar. DETECÇÃO DA SEQUÊNCIA DE TENSÕES Por outro lado, existem relés que verificam se a sequência de tensões é a correcta. Este tipo de relés não necessita que o motor seja alimentado para que seja detectada uma sequência errada das tensões, sendo assim capazes de proteger o motor no arranque e durante o seu funcionamento. PROTECÇÃO CONTRA DESEQUILÍBRIOS DAS FASES A protecção contra desequilíbrios de fase deve ser utilizada, quando no sistema de alimentação do motor, há a possibilidade de umas das fases ser interrompida devido, por exemplo, à actuação de um fusível. O relé que efectua esta protecção compara as correntes de fase duas a duas, isto é, Ia com Ib e Ib com Ic (admitindo o motor alimentado por um sistema trifásico a,b,c). Se se tratar de um relé electromecânico, o desequilíbrio mínimo para que este opera depende da construção do próprio relé, e varia normalmente entre 10% a 15%. Se a protecção for assegurada por um relé electrónico, pode-se regular o nível de desequilibro a partir do qual o relé é chamando a actuar. Esta protecção pode também ser realizada por relés que detectem assimetria nas tensões.

8 PROTECÇÃO DIRECTA CONTRA AQUECIMENTO As protecções contra sobrecargas, que medem indirectamente a temperatura do motor, revelam-se insuficientes em situações em que o equipamento pode aquecer sem que se verifique um aumento da corrente absorvida. Este sobreaquecimento pode ser desencadeado por deficiência de ventilação ou por uma temperatura ambiente elevada. Utilizam-se então dispositivos, montados nos enrolamentos do motor, e sensíveis às variações de temperatura. Estes sensores de temperatura funcionam, normalmente, como dispositivos auxiliares aos relés de sobrecarga, informando-os de que a temperatura está a atingir um determinado limite. Estes dispositivos podem então ser classificados em duas grandes classes, os que permitem medir e monitorizar a temperatura do motor: RTD e TERMOPAR; e os que apenas alertam que a temperatura do motor é excessiva: TÉRMOSTATO e TERMÌSTOR. RTD [RESISTANCE TEMPERATURE DETECTORS] Estes dispositivos são constituídos por um fio de metal enrolado numa bobina, que varia a resistência de uma forma linear com a temperatura. O fio pode ser, tipicamente, de platina, cobre ou níquel e apresenta uma resistência padrão ao 0ºC, por exemplo: 120 Ω de 0 C. Os RTDs podem ser utilizados apenas como medidores de temperatura, através da conversão adequada da resistência por tabelas próprias para cada material. A monitorização da temperatura pode ser feita através de um ohmímetro ou de uma ponte de resistências. No entanto, a grande vantagem do RTD é a sua utilização como meio de operação de um relé, de forma a accionar um alarme de temperatura excessiva ou desligar o motor. TERMOPAR Um termopar usa a junção de dois metais não semelhantes para gerar uma tensão que varia linearmente com a alteração da temperatura da junção. As funções desempenhadas por um termopar são idênticas às de uma RTD, no entanto, a temperatura é determinada pela conversão de uma voltagem medida com a ajuda de um potenciómetro. TERMÓSTATO O termóstato usa um disco de acção de mola bimetálico que opera um conjunto de contactos se a temperatura atingir um determinado limite. Esta temperatura de funcionamento é seleccionada na fábrica e não é posteriormente ajustável. Este aparelho não oferece meios para medir ou supervisionar a temperatura, no entanto os seus contactos podem ser ligados directamente a circuito de alarme sem utilização de nenhum relé. A reposição pode ser automática quando a temperatura baixa, ou não automática se o termóstato estiver ligado a relé de reposição manual. TERMÍSTOR Este dispositivo é um semicondutor que altera a sua resistência abruptamente a uma dada temperatura. Esta mudança de resistência é utilizada para accionar um alarme ou para desactivar o motor. A temperatura de mudança ronda normalmente os 150ºC. Apesar de não conseguirem seguir continuamente o processo de aquecimento do motor, tem uma actuação mais rápida em relação aos outros detectores e não sofrem desgaste mecânico.

9 PROTECÇÕES SUPLEMENTARES PROTECÇÃO CONTRA ENCRAVAMENTO Devido a uma falha mecânica o motor pode encravar, neste caso o sistema de protecção deve diferenciar esta situação dos restantes defeitos que podem ocorrer, com especial relevo para situação de sobrecarga devido ao rotor travado. Normalmente estas protecções são asseguradas por relés electrónicos, que podem ser regulados, de forma a dispararem apenas em situações de tempo/corrente específicas de uma situação de encravamento. Uma situação típica se bloqueio do veio do motor levaria a correntes de 0,7 a 12 vezes a corrente nominal, que se manteriam pelo menos durante 1 segundo. PROTECÇÃO CONTRA PERDA DE CARGA Uma situação de perda de carga pode resultar, por hipótese, da quebra do veio do motor. Para minimizar os impactos de uma situação desta natureza o motor deve ser retirado imediatamente de serviço. A detecção de perda de carga é também assegurada por relés electrónicos, que presumem que o motor está carregado, se a sua corrente exceder 20% da corrente nominal durante pelo menos o dobro do tempo de arranque. Se a corrente baixar para um valor entre a 20% da corrente nominal e o valor mínimo regulado, durante o tempo especificado o relé opera. Se a corrente for zero significa que o motor já foi desligado e o relé não actua. PROTECÇÃO CONTRA PERDA DE SINCRONISMO A perda de sincronismo pode resultar de situações de carga excessiva, de tensão de alimentação baixa ou de problemas no circuito de excitação. As protecções contra este tipo de falha derivam das protecções utilizadas para o mesmo efeito nos geradores síncronos. PROTECÇÃO CONTRA FALHA NO CIRCUITO DE EXCITAÇÃO Os motores síncronos podem ser protegidos contra perdas de excitação, através da colocação de um relé de mínimo de corrente ligado ao respectivo circuito.

10 ESQUEMA COMPLETO DE PROTECÇÃO - EXEMPLO Apresenta-se em baixo a representação esquemática de um possível sistema de protecção de um motor. Como se percebe alguns relés tem a capacidade de proteger o motor contra vários tipos de defeito. Se se utilizassem relés electrónicos um único aparelho poderia assegurar sem problema as funções dos seguintes relés apresentados a baixo: Relé T, Relé A e Relé DT, reduzindo assim o número de dispositivos a utilizar. Figura 6 Montagem do sistema de protecção completo. REFERÊNCIAS PROTECTIVE RELAYING: THEORY AND APPLICATIONS Edited by Walter A. Elmore POWER SYSTEM PROTECTION Ed. The Electricity Training Association RELIANCE ELECTRIC - MOTORES DE CA Manual de Instruções B

11 ANEXO - TRANSFORMADOR SOMADOR DE CORRENTE O esquema de protecção baseado na detecção da corrente homopolar, utiliza em conjunto, um tranformador de somador de corrente, e um relé de máximo de intensidade instantâneo ou com atraso. Este transformador soma as correntes das trés fases, de forma a determinar a corrente homopolar do circuito. Os trés condutores de fase passam no interior do primário, figura 1, produzindo cada um um fluxo magnético. Estes fluxos cancelam-se mutuamente, se as correntes que atravessam o transformador também regressarem através dele, o que aconteçe no caso de ausência de defeito à terra. Figura 1 Protecção contra defeito à terra. No caso de um defeito à terra, a corrente homopolar flui através desta e não regressa ao transformador, resultando num fluxo magnético diferente de zero. Neste caso, é induzida uma f.e.m secundário faz circular uma corrente no relé. Esta corrente é então avaliada, seguindo-se ou não a actuação da protecção. VANTAGENS DO ESQUEMA DE PROTECÇÃO Não é afectado por assimetria de fases mas sim por ausência de corrente. Económico: não necessita de utilizar vários transformadores de corrente como na protecção residual. PRECAUÇÃO A TOMAR Fortes desequilíbrios podem levar a correntes elevadas, e à actuação do relé devido à saturação do circuito magnético do transformador.