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Todo projeto elétrico que se preze, abarca certas classes de componentes específicos fundamentais para o bom funcionamento da instalação em que o projeto será aplicado, em específico aquelas que lidam com motores elétricos. Neste caso, estamos falando dos métodos de partida de motores, dado que devido a própria física do funcionamento destas máquinas algumas considerações são levadas em conta, e a principal delas é um tipo de corrente transitória, bem como corrente de pico, chamada corrente de irrupção, ou mais comumente, corrente de partida (inrush): o pico máximo instantâneo de corrente elétrica 'puxada' por um dispositivo elétrico -majoritariamente cargas indutivas como transformadores, motores e circuitos capacitivos -, assim que ele é acionado. Tal corrente de irrupção pode surgir na forma de 2 a 30 vezes a corrente normal de operação do equipamento em regime permanente de operação.
Imagine um motor trifásico de 10 CV (7,5 kW), 4 polos, operando em uma rede de 380V.
• Corrente Nominal (In): Em regime permanente (trabalhando normalmente), esse motor solicita aproximadamente 15A.
• Relação Ip/In: A maioria dos motores de gaiola de esquilo possui uma relação de corrente de partida em torno de 6,6 a 8 vezes a corrente nominal.
• O Pico (Irrupção): No exato momento em que o contator fecha os contatos e alimenta o motor parado, a corrente pode saltar instantaneamente de 0A para algo entre 99A e 120A.
POR QUE ISSO ACONTECE?
Em termos simples, é consequência direta da Lei de Faraday-Lenz que já foi descrito na seção de circuitos elétricos (basta clicar aqui) . Quando o motor está parado, não há a Força Contra Eletromotriz (FCEM) que é gerada pela rotação do rotor cortando as linhas do campo magnético do estator e, sem essa "oposição" interna, a única coisa que limita a passagem da corrente é a impedância reduzida dos enrolamentos. É quase como se o motor fosse um curto-circuito temporário até que ele comece a girar e crie sua própria barreira elétrica. Abaixo uma sequência deste processo.
Quando o estator é energizado, ele cria um campo magnético girante.
No Instante Zero (t = 0): O rotor está parado. O campo magnético do estator "corta" os condutores do rotor na velocidade máxima relativa (escorregamento de 100%). Como o rotor ainda não gira, ele não gera sua própria tensão de oposição. A corrente elétrica é limitada apenas pela resistência ôhmica e pela reatância indutiva dos fios de cobre — que são valores baixíssimos. É por isso que o motor se comporta como um curto-circuito.
A Evolução: Assim que o rotor começa a girar, ele passa a acompanhar o campo girante do estator. Pela lei da indução, o movimento do rotor dentro desse campo gera uma tensão nos seus próprios terminais.
A Oposição: Essa tensão gerada internamente tem polaridade oposta à tensão da rede que você aplicou. Matematicamente, a corrente que o motor consome segue esta lógica simplificada:
Note o que acontece com a fórmula acima:
Na partida: Efcem é 0. Logo, a corrente I é máxima (V/Z).
Em aceleração: Conforme a velocidade aumenta, a Efcem aumenta. A diferença (V - E) diminui, e a corrente cai
Em vazio (sem carga): O motor atinge quase a velocidade de sincronismo, a Efcem fica muito próxima de Vrede, e a corrente consumida é mínima (apenas para vencer o atrito e manter o campo).
Se o motor for impedido de girar (eixo travado), a Efcem nunca surge. A corrente de irrupção, que deveria durar milissegundos, torna-se constante. O calor gerado pelo efeito Joule (P = R • I²) aumenta exponencialmente, derretendo o isolamento dos enrolamentos em poucos segundos se a proteção térmica não atuar.
Vimos que no caso do motor do exemplo sua corrente de regime normal, no valor de 15A, se torna no mínimo 99A assim que ele é acionado. Não é nem preciso raciocinar profundamente para ver que essa corrente pode ser prejudicial ao próprio motor, tal corrente ao longo do tempo pode danificar a bobinas do estator pois irá esquentar a fiação. Para resolver este problema utilizamos os chamados métodos de partida de motores, que nada mais são que o conjunto de dispositivo + técnica, utilizado para controlar essa corrente de partida, sendo elas: soft starter, inversor de frequência, partida estrela-triângulo, partida direta e chave compensadora.
PARTIDA DIRETA
Começando pela partida direta que é, na verdade, a mais simples de todas. Não é utilizado para controlar a corrente de partida em si, na verdade não utiliza-se nada além dos dispositivos de proteção convencionais (disjuntor e relé térmico) e os dispositivos de seccionamento (contator). Apenas colocaremos aqui para sabermos esta distinção importante entre os tipos de componentes voltados propriamente para o controle da corrente de partida. Enfim, para definirmos a PARTIDA DIRETA, como o nome já diz, a partida do motor nesse método se dá basicamente por ligar o motor diretamente na rede, obviamente que na rede pós dispositivo de proteção (disjuntor).
Abaixo um diagrama que mostra a ligação de um motor através da partida direta.
DIAGRAMA PARTIDA DIRETA
SOFT STARTER
Partida eletrônica ou, simplesmente, soft starter (partida suave), é um dispositivo eletrônico baseado na utilização de TIRISTORES, sendo que estes são comandados por uma PLACA ELETRÔNICA DE CONTROLE que, através do USUÁRIO, ajusta a tensão nos bornes do motor suavemente até atingir o valor nominal. É utilizado, basicamente, para controlar a partida, parada e proteção de motores elétricos de indução trifásicos, suavizando a aceleração e evitando altos picos de corrente na rede.
Como dito, baseia-se na utilização de tiristores, mais especificamente através de uma ponte de tiristores na qual a soft starter realiza o chaveamento da tensão, garantindo que o motor receba a tensão de forma crescente e gradual e, consequentemente, uma aceleração regular e sem picos de corrente na sua partida;
Tem-se então a partir do diagrama acima, uma visualização clara do soft starter, onde o TC (transformador de corrente) monitora a corrente de entrada, recebendo o feedback como um sensor. Abaixo, uma imagem de dois inversores de frequência, sendo um analógico e o outro digital.
LEITURA DO SOFT STARTER
TENSÃO DE ALIMENTAÇÃO DA PARTE ELETRÔNICA: É a tensão que alimenta o A1 e A2 (bobina), então todo o circuito de comando do dispositivo;
ENTRADA (INPUT): É o borne onde vai conectado o pulsador que vai iniciar o motor, uma botoeira por exemplo;
CONTATO (NO): É o contato que irá fazer o papel de selo no circuito, mantendo energizado o motor após o pulso na entrada;
SINALIZAÇÃO (DEVICE): Relacionado ao dispositivo (do inglês "device") em si (o próprio soft starter);
SINALIZAÇÃO (STATE/BYPASSED e FAILURE): Indica o status pós funcionamento do dispositivo, no caso do verde e verde piscante indica que o motor foi acionado e o soft starter está em processo de rampa, ou seja, ele está naquele valor ajustado da tensão de partida e, quando no verde e verde, então o tempo limite ajustado terminou e a tensão agora se torna a nominal. Além disso, indica problemas com alimentação da carga;
DIAL PARA AJUSTE DA TENSÃO DE PARTIDA: É um trimpot/dial ajustável analogicamente onde é escolhido o valor de tensão que será utilizado nos terminais do motor assim que ele é partido, fazendo então o controle da corrente de partida. É dado como a porcentagem (de 40 a 100%) do valor da tensão nominal, ou seja, se a tensão do motor é 220V e o ajuste do valor da tensão de partida foi colocado em 50%, então o motor irá partir com 110V;
DIAL PARA AJUSTE DO TEMPO LIMITE: É um trimpot/dial ajustável analogicamente onde é escolhido o tempo (no caso, de 0 a 20 segundos), que o motor irá operar no valor da tensão de partida ajustado pelo dial de ajuste da tensão de partida, e, após o tempo escolhido, o motor passa a trabalhar na tensão nominal, ou seja, se eu ajustei a tensão de partida para 50% da tensão nominal que é 220V, e coloquei 10 segundos, assim que eu ligar meu motor ele iniciará com 110V e, após 10 segundos ligado, então ele volta para o valor de 220V (tensão nominal);
BOTÃO DE RESET: serve principalmente para restabelecer o funcionamento normal do equipamento após a ocorrência de uma falha ou desarme de proteção. Liberação pós-falha, apagando os erros indicados pelos LEDs intermitentes ou mensagens no display - caso seja um soft starter digital.
INVERSOR DE FREQUÊNCIA