FASCCULO PROTEO E PARTIDA DE MOTORESpor PEDRO ARMANDO FISCHER,engenheiro mecnico e eletricista, consultor e projetista de instalaes eletromecnicas, ex-professor da Faculdade de Engenharia da UFRGS, autor do livro Tratado Terico e Prtico sobre Curtos-circuitos. www.fischerengenharia.com.br / pedroafischer@redemeta.com.br

CAPTULO I PrOTeO, PArTIdA e COmAndO de mOTOres de IndUO TrIfsICOs1 - IntroduoOs motores eltricos esto presentes no acionamento das mquinas e dos equipamentos mecnicos utilizados no setor industrial, e at mesmo no setor de servios e residencial. No setor industrial os motores representam 75 % da energia eltrica consumida, ocupando os motores eltricos trifsicos de induo (motores assncronos) cerca de 90 % deste consumo. J os motores eltricos monofsicos com potncias de at 5 CV so empregados nas instalaes resi-denciais, principalmente no acionamento de aparelhos eletrodomsticos e nas motobombas de gua de edifcios coletivos, e no acionamento de pequenas cargas em instalaes comerciais e industriais. A operao de um motor eltrico exige o emprego de equipamentos destinados no s proteo do mesmo contra correntes de sobrecarga e de curtos-circuitos, como tambm queles destinados a controlar a posta em marcha e parada dos mesmo, a inverso de rotao e, mais modernamente, a partida de forma suave do motor e da mquina acionada, com o uso dos modernos equipamentos de eletrnica de potncia. O conjunto de equipamentos que e-xecutam estas funes, para um dado motor eltrico, constitui-se nos chamados conjuntos de partida.Fig. 2 Fig. 1

Captulo II Princpio de funcionamento de um motor eltrico trifsico de induo tipo gaiolaPara uma melhor compreenso dos tipos de conjuntos de partida extensivamente adotados para os motores eltricos, vamos examinar o princpio de funcionamento de um motor de induo trifsico. Um motor trifsico de induo tipo gaiola se caracteriza por ter um enrolamento primrio fixo ou estator semelhante ao de um motor sncrono, e por um enrolamento secundrio girante ou rotor, constitudo por barras de material condutor (cobre ou alumnio), curto-circuitadas nos dois extremos mediante aros espessos. Imaginando-se trs espiras de igual impedncia e com igual nmero de condutores dispostos sobre uma super-fcie cilndrica (estator), com seus eixos de simetria perpendiculares superfcie cilndrica estatrica, formando um ngulo de 120 entre cada uma delas, conforme representadas na Fig. 1.

Se correntes eltricas supridas por uma fonte de alimentao trifsica com freqncia f percorrerem estas es-piras, resulta um campo de induo B com direo e sentido representados na Fig. 2 pelos fasores B1, B2 e B3, cujas intensidades so proporcionais s correntes que percorrem as bobinas. A composio fasorial dos campos das trs bobi-nas ser o campo resultante BR . Como as correntes sero iguais em mdulo (espiras de mesma impedncia e tenso trifsica de alimentao constante, o campo resultante tambm ter mdulo constante e sua direo desloca-se com velocidade angular w = 2..f , e em cada segundo descreve f ciclos, sendo f a freqncia da alimentao. A transferncia de energia entre estator e rotor se verifica de forma anloga ao que acontece em um transformador, com a diferena de que o rotor (secundrio) pode girar livremente. o que se representa abaixo na Fig. 3.

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A velocidade do rotor parte do zero e vai aumentando, medida que vai reduzindo-se a sua diferena em relao velocidade do campo girante, mas nunca atingindo a velocidade sncrona. Ao mesmo tempo o conjugado motor, inicialmente maior que o conjugado da carga e responsvel pela acelerao, vai diminuindo at ser atingida a condio de regime de funcionamento, no qual se verifica: CMOTOR = CRESISTENTE DA CARGA A diferena relativa entre a velocidade sncrona NS e a velocidade do rotor N, em termos de velocidade sncrona, definida como S = escorregamento, o que se traduz por:Fig. 3 Quando o rotor fica submetido ao de um campo girante, o fluxo magntico estatrico corta as barras condutoras da gaiola e, assim, neles aparecem f.e.m. cujo valor, dividido pela impedncia de fase do rotor, resulta na corrente rotrica das espiras de cada fase. Estas correntes reacionam sobre o campo magntico estatrico, dando ori-gem a um conjugado que arrasta o rotor na mesma direo do campo girante. A aplicao de carga ir aumentar o es-corregamento (diferena entre a velocidade sncrona e a efetiva, conforme veremos a seguir), aumentando a corren-te. o que se representa ao lado. O escorregamento S pode ainda ser expresso em termos percentuais, dado pela expresso a seguir:

Depreende-se disso que a inverso de duas quaisquer fases da alimentao das espiras tem como conseqncia a inverso do sentido de rotao de um motor trifsico de induo. Denomina-se velocidade de sincronismo ou velocidade sncrona a velocidade de rotao do campo girante, que depende da maneira como esto distribudas e conectadas as espiras no rotor (quantidade de plos) e da freqncia da corrente da alimentao do enrolamento estatrico, valendo a relao:NS a velocidade do campo girante (rpm) f a freqncia da alimentao (Hz) p a quantidade de pares de plos do enrolamento rotrico

2.1 - Correntes solicitadas da rede de alimentao por um motor trifsico de induoNo momento t = 0 da partida de um motor de induo trifsico S = 1 (j que N = 0), a corrente absorvida muito elevada (corrente com rotor bloqueado), chegando a ser de 6 a 8 vezes maior do que a corrente nominal do mo-tor. medida que a rotao vai aumentando, o escorregamento vai decrescendo e tendendo a zero (sem nunca atingi-lo), e o fluxo crescente gerado pelas correntes rotricas, interagindo com o fluxo primrio estatrico, vai reduzindo o valor da corrente absorvida da alimentao. No havendo carga acionada, a corrente tende ao valor de operao em va-zio do motor, a qual garante o fluxo de magnetizao.

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P R OTE O E PAR TI DA DE M OTOR E S

FASCCULO PROTEO E PARTIDA DE MOTORESA corrente solicitada da rede pelo motor quando acionando uma carga depender do conjugado resistente, a ve-locidade do motor tende a ser menor do que a velocidade em vazio, e o motor ir solicitar da rede uma corrente maior, de forma a poder manter um conjugado suficiente para manter a carga acionada com um determinado escorregamento.Assim, podemos encontrar tipos de cargas em que o conjugado resistente proporcional ao quadrado da velocidade (ventiladores). Para outros tipos de cargas o conjugado man-tm-se essencialmente constante (guindastes, talhas e pontes rolantes), para as quais se verifica um pequeno aumento do conjugado com velocidades prximas do re-pouso, em que as velocidades so muito pequenas. Em quaisquer dos casos preciso que o conju-gado motor seja superior ao resistente da carga, para que possa haver a acelerao da rotao (ver Fig. 5).

Captulo III Conjugado de um motor trifsico de induo e a tenso de alimentaoPara cada valor de rotao de um motor de induo trifsico, cujo limite seria a velocidade sncrona do campo girante, est associado um valor de conjugado (tambm conhecido por torque), verificando-se que a curva do conjugado desenvolvido atinge um valor mximo na partida e vai decrescendo at que se tornaria nulo se fosse atingida a veloci-dade de sincronismo. Verifica-se, ainda, que o conjugado varia na proporo direta do quadrado da tenso de alimenta-o do estator, o que significa ser possvel aumentar o conjugado de um motor, em especial o conjugado mximo, atravs do aumento da tenso de alimentao. Assim, ao ser utilizado o esquema de conexo ao invs de Y nos enro-lamentos estatricos, o conjugado fica aumentado com o quadrado da relao (3)2 = 3 (trs vezes maior).

3.2 - Curvas caractersticas Conjugado x Velocidade das Cargas MecnicasEm um primeiro grupo de cargas resistentes que podemos destacar, encontram-se aquelas geral: cujos torques (conjugados) em funo da velocidade de operao obedecem seguinte expresso

C0 o conjugado resistente para w=0 Tr n o conjugado resistente nominal Wn a rotao nominal a um expoente que caracteriza o comportamento da carga resistente

3.2.1 - Cargas com conjugado resistente constante (a = 0)Para estas cargas o conjugado permanece inalterado, qualquer que seja a velocidade de rotao do acionamento motor, sendo o conjugado em funo da rotao representado conforme Fig. 6 abaixo:

Fig. 4 Curva da Corrente em funo da Rotao do Motor (desde zero at Nnominal)

3.1 - Relao entre o conjugado Motor e o conjugado Resistente da CargaAs curvas do conjugado resistente das cargas a serem acionadas pelos motores eltricos so muito diversas, pois para cada carga haver uma curva de conjugado resistente a ela associado.Fig. 6 Carga resistente com Cr = constante Sua equao, derivada da expresso geral acima, na qual fazen-do-se (a = 0), a seguinte: Cr = Cr n = constante Entre as cargas que apresentam este comportamento do conjugado resistente, em funo da rotao, podemos rela-cionar as seguintes: esteiras transportadoras; pontes rolantes, guinchos e prticos; cadeia de laminador de chapas; compres-sores; mquinas de usinagem por atrito seco

3.2.2 - Cargas com conjugado resistente variando linearmente com a velocidade de rotao (a = 1)Para estas cargas o conjugado em funo da velocidade deFig. 5 Conjugado Motor x Conjugado Resistente da Carga

rotao ser representado por uma reta, conforme FIG-7.

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Fig. 7 Conjugado de carga resistente com (a = 1) Na expresso geral anterior, fazendo-se (a = 1), resulta na seguinte expresso representativa destas cargas:

Fig. 8 Conjugado de carga resistente com Cr = K.w2 A expresso representativa destas cargas, em que (a = 2), ser dada por

ou ainda: Integram este grupo de cargas resistentes: bombas centrfugas ventiladores

sistemas de acoplamento hidrulico ou eletromagntico transmisso de torque por atrito viscoso gerador acionado por motor eltrico alimentando cargas resistivas (cos 1)

3.2.3 - Cargas com conjugado resistente crescente com o quadrado da velocidades (a = 2)A equao representativa destas cargas, em que o valor do expoente (a = 2) na expresso geral dada na seo 3.2, ser representado por uma parbola, conforme Fig. 8

3.2.4 - Cargas com conjugado resistente inversamente proporcional velocidade (a = -1)Para as cargas deste grupo, o conjugado em funo da velocidade representado por uma hiprbole, conforme FIG-9:

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PROTEO E PARTIDA DE MOTORES

FASCCULO PROTEO E PARTIDA DE MOTORESos momentos de inrcia de todas as massas girantes devero ser considerados para o clculo do conjugado motor, integrado por duas parcelas das quais: uma parcela destinada a vencer a resistncia da carga uma segunda parcela destinada para a acelerao ou desacelerao Durante o perodo de operao de um acionamento, podemos distinguir os seguintes conjugados fornecidos pelo motor: A) Regime permanente C m = C r ao conjugado resistente); B) Regime Transitrio de Acelerao C mFig. 9 Conjugado de carga resistente inversamente proporcional velocidade A expresso desta curva para as cargas com (a = -1) e derivada da expresso geral, dada por:p

(conjugado motor igual = Cr + Ca c

(conjugado motor de partida deve vencer o conjugado resistente da carga mais o conjugado de acelerao da carga); C) Regime Transitrio de Desacelerao C mf - C r = C d c (conjugado de frenagem do motor ter o auxlio do conjugado resistente da carga, que se contrapor ao conjugado de desacelerao da carga). D) Cargas com forte variao do conjugado com a velocidade Alguns tipos de cargas exigem na partida um conju-gado que pode ser vrias vezes maior do que o conjugado do motor na velocidade nominal, o que impediria a partida do motor ou levaria um tempo muito grande, exigindo do motor uma solicitao de elevada corrente para acelerao, o que poderia provocar seu sobreaquecimento. Nestes casos ser necessrio um estudo criterioso para a determinao do di-mensionamento do sistema de partida e/ou do tipo de motor eltrico. Continua na prxima edio

Integram este grupo de cargas: mquinas de trao mquinas de sondagem e perfurao de solo bobinador/desbobinador brocas de mquinas ferramentas

3.3 - Cargas com efeito inercial predominanteH determinados tipos de carga para as quais na sua posta em marcha (perodo de acelerao at a velocidade nominal de operao do motor) e para a sua parada (perodo de desacelerao at a parada de operao da carga aciona-da),

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