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sexta-feira, 29 de janeiro de 2010

Ligação Estrela Triângulo de Motores de Indução

PARTIDA DE MOTORES ELÉTRICOS DE INDUÇÃO USANDO O GRUPO GERADOR COMO FONTE DE ENERGIA.

Ao adquirir um grupo gerador, muitos clientes relatam ao vendedor as suas necessidades, em termos de capacidade instalada e potência necessária, em função de máquinas, equipamentos e iluminação, recebendo então, a indicação de um determinado modelo, que no entendimento do vendedor, tem capacidade suficiente para suprir as necessidades da instalação. Na maioria dos casos, a questão relacionada com a partida dos motores elétricos é aventada mas não tratada com as considerações técnicas requeridas.
Como se sabe, os motores elétricos, ao serem ligados, instantaneamente, permitem que um grande fluxo de corrente elétrica circule através dos seus enrolamentos. Isso ocorre porque, estando parado, não há força contra-eletromotriz que se oponha ao fluxo de corrente. Ao iniciar as primeiras revoluções, com o surgimento da força contra-eletromotriz, o fluxo de corrente diminui e se estabiliza no seu valor nominal. O valor máximo instantâneo da corrente solicitada durante a partida varia em função do tipo de construção do motor e proporcionalmente a sua potência.
Para o dimensionamento do Grupo Gerador adequado a cada situação, a consideração dos motores elétricos existentes a serem acionados é de fundamental importância, pois diversos problemas podem resultar do uso de um Grupo Gerador sub-dimensionado, com implicações no funcionamento de outros componentes elétricos e eletrônicos também alimentados pelo mesmo Grupo Gerador.

CORRENTE DE PARTIDA

Os motores elétricos são construídos obedecendo normas, segundo o uso a que se destinam, que os padronizam conforme definições da NEMA ou da ABNT. (Deverá constar na plaqueta de identificação a letra correspondente ao seu padrão construtivo).

A NEMA define os códigos de letras conforme a tabela abaixo:

Letra Código KVA que o motor necessita para partida direta (por KVA)
A 0,00 a 3,14
B 3,15 a 3,54
C 3,55 a 3,99
D 4,00 a 4,49
E 4,50 a 4,99
F 5,00 a 5,59
G 5,60 a 6,29
H 6,30 a 7,09
J 7,10 a 7,99
K 8,00 a 8,99
L 9,00 a 9,99
M 10,00 a 11,19
N 11,20 a 12,49
P 12,50 a 13,99
R 14,00 a 15,99
S 16,00 a 17,99
T 18,00 a 19,99
U 20,00 a 22,39
V 22,40

Para a ABNT, 5 códigos são definidos, conforme a tabela seguinte:

Letra Código

Corrente de partida direta (Motores com enrolamento tipo gaiola)

A ALTA Até 6 x IN
B NORMAL 3,80 a 6,00 x IN
C NORMAL 3,80 a 6,00 x IN
D NORMAL 3,80 a 6,00 x IN
F BAIXA Até 4 x IN

IN = Corrente Nominal do motor.
IP = Corrente de Partida do motor.

É comum encontrarmos motores com corrente de partida igual a 7 ou 8 vezes a corrente nominal.
Porém, para os motores de produção seriada, normalmente encontrados no mercado, a corrente de partida situa-se entre 5,5 e 7,00 vezes a corrente nominal. (5,5 x IN < IP < class="c16">N).
São três os métodos de partida mais utilizados no acionamento de motores elétricos de indução:

1) - Partida direta;
2) - Com chave estrela-triângulo e
3) - Com chave compensadora.

Além dos sistemas tradicionais de chaves estrela-triângulo e compensadora por autotransformador, começa a surgir no mercado os sistemas de demarradores de estado sólido, conhecidos como softstart. Os Soft Starter fazem as mesmas funções de fornecer corrente reduzida durante o período de partida do motor elétrico, porém a corrente é controlada por meio de SCR's (Retificadores Controlados de Silício). Quando for o caso, observar que a partida de motores com estes dispositivos submete o alternador a uma carga deformante (também chamada carga não linear), que poderá introduzir distorções não suportadas por outros consumidores. (Os efeitos da distorção harmônica, resultante da utilização de SCR's, são abordados em outro estudo sobre Sistemas elétricos de suprimento de energia para cargas de missão crítica

Para o primeiro caso, a corrente de partida deverá ser calculada por uma das tabelas acima ou medida durante um ciclo de partida do motor.


No segundo caso, a corrente de partida é reduzida para 1/3. Assim, a corrente de partida for, por exemplo, de 6 x IN, com o uso da chave estrela-triângulo, ficará reduzida para 2 x IN.

Diagrama chave estrela-triângulo


Diagrama típico - chave de partida estrela-triângulo

No terceiro caso, a corrente de partida depende do tipo de chave compensadora. Dois exemplos podem melhor esclarecer:
a) Com tape de 80%: a corrente será reduzida para 0,8 x 0,8 = 0,64 ou 64%.
b) Com tape de 65%: a corrente será reduzida para 0,65 x 0,65 = 0,4225 ou 42,25%.

Na figura abaixo, a partida é acionada com a corrente fluindo pelos contatos "S" (de "Start"). No momento seguinte, depois que o motor alcançou velocidade próxima à nominal, os contatos são revertidos para "R" (de Run).

Diagrama chave de partida com auto-transformador

Chave compensadora de partida com auto-transformador de 3 taps (diagrama típico)

Com softstart, em geral, a redução de corrente é de 50%.

Os motores para acionamento de máquinas centrífugas tais como, por exemplo, bombas e ventiladores, deverão ser projetados de tal forma que seu torque de partida ainda permaneça acima da curva de torque da máquina acionada, no caso de ligação direta ou estrela-triângulo, mesmo durante uma queda momentânea de tensão para 80% da tensão nominal.

Para o acionamento de máquinas alternativas, tais como bomba a pistão e compressores, como também agitadores, etc., será sempre necessário um dispositivo de alívio para o período de partida, porque essas máquinas requerem um torque elevado já no início da operação.

CAPACIDADE DO ALTERNADOR

Do ponto de vista do alternador, é necessário fazer algumas considerações, já que a sua capacidade de partir motores de indução depende da impedância interna e do tipo de excitação empregado.

TIPO DE EXCITAÇÃO

Dois tipos são normalmente empregados: EXCITAÇÃO DINÂMICA e EXCITAÇÃO ESTÁTICA. Os alternadores com excitação estática tem respostas mais rápidas às quedas de tensão causadas pela partida de motores elétricos. Em contrapartida, não apresentam forma de onda senoidal perfeita dos valores de tensão, o que os tornam conta indicados para alimentação de equipamentos eletrônicos sensíveis, especialmente os de telecomunicações. A diferença no tempo de resposta de correção de uma variação de tensão deve-se ao fato de que, no alternador com excitação estática, apenas a constante de tempo do campo do alternador precisa ser vencida pelo excitador, ao passo que, no alternador com excitação dinâmica (rotativa) ambas as constantes de tempo, do campo do alternador e do campo do excitador, precisam ser consideradas.

Atualmente são oferecidos alternadores com excitação dinâmica dotados de recursos que auxiliam na capacidade de partida de motores. O destaque é o sistema de excitação por magneto de ímã permanente (PMG), que oferece as melhores características de excitação. Também são encontrados alternadores com sistema de excitação dotado de compound auxiliar, constituído por um transformador de corrente cuja saída é conectada ao campo da excitatriz por meio de retificadores. Os alternadores com excitação PMG podem suportar até 3 vezes a corrente nominal durante um curto intervalo e os compound até duas vezes a corrente nominal sem que ocorra queda acentuada da tensão de saída do alternador.

EXCITAÇÃO DINÂMICA

A excitação dinâmica se faz por meio de um gerador de corrente contínua acoplado à extremidade do eixo do alternador. Atualmente, todos os alternadores que utilizam este tipo de excitação, estão dotados, normalmente, de um pequeno alternador, cuja saída de corrente alternada, que é gerada no rotor, é retificada e fornecida ao campo do alternador principal. Este sistema é denominado comercialmente de tipo "Brushless" (ou sem escovas). O controle de tensão é feito através da corrente fornecida ao campo do excitador, localizado na armadura, monitorada por um regulador eletrônico de tensão.

EXCITAÇÃO ESTÁTICA

A excitatriz estática consiste de uma ponte retificadora eletronicamente controlada, que utiliza a própria corrente gerada na armadura para alimentar o campo do alternador. São utilizadas duas escovas, instaladas sobre anéis lisos, para conduzir a corrente retificada desde a ponte retificadora até o campo do alternador.

IMPEDÂNCIA INTERNA

Quanto menor a impedância, maior a capacidade do alternador partir motores elétricos. Isto se deve ao fato de se verificar menor queda de tensão nos terminais do alternador, quando da aplicação brusca da carga.
(Os alternadores nacionais de fabricação em série tem impedância transitória no eixo direto, X"d, na faixa de 26 a 30%).

CONCLUSÃO

Conhecidas as potências, sistemas de partida e características dos motores elétricos, bem como do alternador que se pretenda utilizar, é possível calcular a potência necessária em função de uma queda de tensão instantânea admissível, determinada pelos outros equipamentos também alimentados pelo Grupo Gerador, evitando-se assim os inconvenientes de desarmamento de chaves e disjuntores, piscar de luzes e falhas de equipamentos eletrônicos sensíveis às variações de tensão.

No caso de alternadores trifásicos, a corrente nominal pode ser ligada quando da partida de motores elétricos trifásicos, sem que haja uma queda de tensão superior a aproximadamente 18,0%. Aumentando-se a corrente de partida em mais 25% da corrente nominal do alternador, deve-se contar com mais uma queda de tensão da ordem de 4,0%.

Isto significa que a um alternador em vazio podem ser ligados diretamente motores elétricos até uma ordem de grandeza de aproximadamente 20,0% da sua capacidade nominal sem que o motor Diesel sofra uma queda de velocidade anormal nem que haja queda de tensão transitória do alternador além de 20,0%, entre 0,1 e 0,5 segundos.

Quando se necessita partir motores cuja corrente de partida ultrapassa os limites das relações acima, é necessário estabelecer o limite de queda de tensão admissível pelos demais consumidores.

Em resumo, para um projeto normal de grupo gerador, a sua potência ativa não deverá exceder a potência máxima admissível do motor Diesel (levando-se em conta o rendimento do alternador). A corrente de partida de motores elétricos trifásicos não deverá (inclusive a carga inicial do alternador) ser superior a 1,2 vezes a corrente nominal do alternador.

A queda de tensão em alternadores durante a partida de motores pode ser calculada pela fórmula:

Cálculo da queda de tensão

IP = Corrente de Partida

IG = Corrente nominal do alternador

X"d = Reatância do alternador.

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