INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E
TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA
CAMPUS CHAPECÓ
CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA
Módulo IV - Comandos Industriais II
Chaves de Partida Suave Soft-Starter e Inversor de
Freqüência
Janeiro
2009
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softstarte e inversor de frequência, Notas de estudo de Engenharia Elétrica
softstarte
Tipologia: Notas de estudo
Antes de 2010
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CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA
Módulo IV - Comandos Industriais II
Chaves de Partida Suave Soft-Starter e Inversor de
Freqüência
Janeiro
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E
TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA
CAMPUS CHAPECÓ
CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA
Módulo IV - Comandos Industriais II
Chaves de Partida Suave Soft-Starter e Inversor de
Freqüência
Material instrucional especialmente elaborado pelo Prof. Jacson Rodrigo Dreher, para uso exclusivo do CEFET/SC, Unidade de Chapecó.
Janeiro
CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA
- INTRODUÇÃO Sumário
- 1.1. O Motor de Corrente Alternada............................................................
- 1.1.1. O motor CA assíncrono
- 1.2. Sistemas de Partida Eletromecânica
- 1.2.1. Partida direta.................................................................................
- 1.2.2. Partida estrela-triângulo................................................................
- 1.2.3. Partida com autotransformador.....................................................
- SOFT-STARTER.......................................................................................
- 2.1. Princípio de Funcionamento
- 2.1.1. Uma fase controlada...................................................................
- 2.1.2. Duas fases controladas
- 2.1.3. Três fases controladas................................................................
- 2.2. Principais Funções da Soft-Starter.....................................................
- 2.2.1. Rampa de tensão........................................................................
- 2.2.2. Pulsos de tensão de partida (kick start)
- 2.2.3. Limitação de corrente
- 2.2.4. Rampa de tensão na desaceleração
- 2.3. Proteções...........................................................................................
- 2.3.1. Sobrecorrente imediata na saída
- 2.3.2. Subcorrente imediata..................................................................
- 2.3.3. Outros parâmetros
- 2.4. Descrição dos Parâmetros.................................................................
- INVERSOR DE FREQÜÊNCIA
- 3.1. Introdução
- 3.2. Princípio de Funcionamento do Inversor de Freqüência....................
- 3.2.1. Modulação PWM.........................................................................
- 3.3. Curva Tensão/Freqüência..................................................................
- 3.4. Inversor Escalar
- 3.5. Inversor "Vetorial" de Tensão
- 3.6. Inversores Vetoriais de Fluxo.............................................................
- 3.7. Diferenças entre Inversores Escalares e Vetoriais de Fluxo..............
- 3.8. Blocos do Inversor de Freqüência......................................................
- 3.8.1. 1º Bloco - CPU............................................................................
- 3.8.2. 2º Bloco - IHM.............................................................................
- 3.8.3. 3° Bloco – Interfaces.......................
- 3.8.4. 4º Bloco - Etapa de potência.......................................................
- 3.9. Sistemas de Entrada e Saída de Dados
- 3.9.1. Interface homem máquina (IHM)
- 3.9.2. Entradas e saídas analógicas
- 3.9.3. Entradas e saídas digitais...........................................................
- 3.9.4. Interface de comunicação serial
- 3.10.1. Acionamento pela IHM................................................................
- 3.10.2. Acionamento pelas entradas digitais
- 3.10.3. Acionamento pela função multispeed PROF. JACSON R. DREHER
- 3.10.4. Acionamento pelas entradas analógicas
- 3.11. Como Instalar Um Inversor de Freqüência.....................................
- 3.11.1. Regras para a Instalação do Inversor de Freqüência
- 3.12. Parametrizando um Inversor de Freqüência
- 3.13. Dimensionamento...........................................................................
- 3.13.1. Capacidade do inversor
- 3.13.2. Tipo de inversor
- 3.13.3. Modelo e fabricante
- SOFT-STARTER X INVERSOR DE FREQÜÊNCIA
CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA PROF. JACSON R. DREHER
1. INTRODUÇÃO
1.1. O Motor de Corrente Alternada
Para melhor entendermos o inversor de freqüência temos que fazer uma previa sobre o funcionamento do motor de corrente alternada. Por que motor de corrente alternada? Nos processos de automação industrial a tecnologia em corrente continua praticamente deixou de existir. É fato que ela ainda pode ser encontrada em equipamentos antigos, mas seus dias estão contados: a tecnologia em CA e mais barata versátil e de maior confiabilidade. Existem vários tipos de motor CA no mercado (síncrono, assíncrono, universal, servo-motores, etc).
Vantagens na utilização do MIT:
- Construção simples;
- pouca manutenção;
- custo reduzido;
- vida útil prolongada;
- facilidade de manobra;
- fabricado para frações de potência até centenas de H.P.
Desvantagens na utilização do MIT: -para altas potências exige dispositivos de partida; -alto custo na recuperação do motor.
1.1.1. O motor CA assíncrono
A Figura 1 mostra a estrutura do motor CA simplificada. O motor de indução trifásico se divide em duas partes principais; o estator e o rotor. A carcaça, o terceiro elemento do motor, serve apenas para sustentar o estator e o rotor, não tem função elétrica. O estator é a parte fixa do motor. É construído de material ferromagnético de alta permeabilidade. O estator é construído por um pacote de lâminas, possuindo na parte interna as ranhuras. Além de alojar as ranhuras tem a função de conduzir o campo magnético criado pelos enrolamentos que estão alojados nas ranhuras.
CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA PROF. JACSON R. DREHER
”Mas por que o nome assíncrono?” No ambiente industrial a maior parte da rede elétrica e trifásica. Em uma rede deste tipo temos três senóides defasadas de 120º elétricos uma da outra conforme Figura 3. A própria natureza da tensão, portanto, causa o campo girante entre os pólos.
Figura 3 - Corrente alternada trifásica
Obviamente a velocidade com que esse campo gira e proporcional à freqüência da rede elétrica. O fato é que sob carga temos uma forca contrária atuando no rotor, afinal ele está movimentando uma carga mecânica. Isso cria um fenômeno chamado escorregamento, ou seja, a velocidade do campo girante é sempre maior que a velocidade de rotação do rotor uma vez que ele esta sendo atrasado devido à forca necessária para provocar tal movimento. Sendo assim quanto maior o torque exigido no motor maior será o atraso em relação ao campo girante. Dai o nome motor assíncrono. Mesmo girando em vazio sem carga a própria massa do rotor e os atritos com os rolamentos já provocam um torque resistente e uma conseqüente ”assincronia” entre a velocidade do campo girante e o rotor. Bem, o fato é que há ”n” parâmetros a serem considerados em um motor elétrico. Por hora vamos nos concentrar apenas em dois deles: a velocidade de rotação e a potência. A velocidade do motor CA pode ser calculada pela formula.
n^ 120.^ f
= p
onde: n = velocidade de rotação em rpm;
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f = freqüência da rede de alimentação; p= numero de pólos;
Podemos concluir então que a velocidade é diretamente proporcional a freqüência de alimentação e inversamente ao número de pólos. A fórmula, entretanto, e válida apenas para o motor em vazio, ou seja, sem carga. A medida que colocamos um torque resistente ao seu eixo sua velocidade tende a cair. A potência elétrica do motor é o produto da tensão de alimentação pela corrente e pelo fator de potência. Para um motor monofásico teremos: P = U I. .cos ϕ Para um motor trifásico: P = 3. U I. .cos ϕ
O fator de potência é uma característica construtiva do motor. Este é um dado que deve vir expresso no catálogo e até no próprio motor e seu valor médio encontra- se entre 0,85 a 0,95 (sempre menor do que um). A potência mecânica é o produto do seu torque (Newton x metro) pela velocidade de rotação. Normalmente ela e expressa em HP. Para converter Watts em HP basta fazer uma regra de três sendo: 1 HP = 746W. Algumas vezes utiliza-se também o CV e neste caso temos: 1 CV = 736W.
1.2. Sistemas de Partida Eletromecânica
É fato de que ainda hoje encontramos em campo vários sistemas de partida que utilizam contatores como elementos chaveadores. Antes de iniciarmos nossos estudos sobre soft-starters, vamos a uma prévia sobre eles.
1.2.1. Partida direta
O primeiro e mais simples sistema é o de partida direta ilustrado na Figura 4. Nele o motor é ligado de uma sé vez na rede elétrica. A corrente de partida pode atingir mais de seis vezes a corrente nominal. Caso a carga mecânica tenha alta inércia, este valor pode perdurar por vários segundos, até o motor atingir sua rotação nominal. A rede elétrica bem como os equipamentos a ela ligados deve suportar esse
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Figura 5 - Partida estrela-triângulo.
1.2.3. Partida com autotransformador
A Figura 6 ilustra o esquema da partida com autotransformador. Nesse caso o motor é ligado a um tap, que pode ser de 50%, 65% e 80% da tensão nominal da rede. Apos vencida a inércia, o motor é ligado diretamente. No instante da partida os contatores K2 e K3 fecham-se, enquanto K permanece aberto. Desta maneira o motor parte com tensão reduzida oriunda do tap. Apos a inércia da partida K2 e K3 abrem e K1 liga o motor à rede. Essa transição pode ser feita manualmente, através de botoeiras ou automaticamente com reles temporizadores.
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Figura 6 - Partida com autotransformador
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- A proteção térmica do motor e do controlador;
- A proteção mecânica da máquina movimentada por supressão dos golpes e redução das correntes de partida. Geralmente as soft-starter’s têm ajuste de rampa de aceleração. Esse ajuste, conforme podemos ver na Figuras 8 e 9, pode ser feito via potenciômetro ou IHM (Interface Homem Máquina).
Figura 8 - Ajustes do soft-starter
Figura 9 - Ajustes do soft-starter pela IHM
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2.1. Princípio de Funcionamento
O princípio de funcionamento está baseado na utilização de SCR’s (tiristores) na configuração antiparalelo, que é comandada por uma placa eletrônica de controle, a fim de ajustar a tensão de saída conforme a programação feita pelo usuário. Variando o ângulo de disparo do circuito de potência constituído por SCR’s, variamos o valor eficaz de tensão aplicada ao motor.
Figura 10 - Forma de onda aplicada ao motor na partida.
Ao contrário do que muitos pensam nem todo soft-starter controla as três fases. Vamos estudar três possibilidades.
2.1.1. Uma fase controlada
Há modelos no mercado que controlam apenas uma das três fases na partida. Com certeza esses modelos são mais baratos, porém, por razoes óbvias mais limitados. A fase controlada, aliás, é de fato controlada apenas na janela de tempo de partida. Quando o motor atinge a rotação nominal, o soft-starter funciona como um contator, ligando-o diretamente a rede elétrica. A única função que permanece nessa situação, é a de proteção térmica. A Figura 11 ilustra nosso primeiro tipo onde apenas a fase R é controlada através de um circuito que adianta ou atrasa o ângulo de disparo, e cujos pulsos de disparo são enviados a um TRIAC. Notem que a medida que o tempo passa (inércia sendo vencida) o ângulo de disparo vai diminuindo. Conforme o ângulo de disparo reduz, o de condução aumenta, permitindo que uma maior parcela da senóide chegue a carga. Então, com maior tensão temos maior corrente e consequentemente mais torque.
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2.1.3. Três fases controladas
A última e melhor arquitetura, onde as três fases R S e T são controladas, pode ser vista na figura 13. Esse é o melhor soft-starter em termos de performance, uma vez que temos o controle mais preciso e maior simetria entre as potências nas três fases.
Figura 13 – Motor trifásico com três fases controladas.
2.2. Principais Funções da Soft-Starter
As chaves soft-starter também apresentam funções programáveis que permitem configurar o sistema de acionamento de acordo com as necessidades do usuário. O comando dos tiristores é feito por um microprocessador que fornece as seguintes funções:
- Controle das rampas de aceleração e desaceleração;
- Limitação de corrente ajustável;
- Conjugado na partida;
- Frenagem por injeção de corrente contínua;
- Proteção do acionamento por sobrecarga;
- Proteção do motor contra aquecimentos devido a sobrecargas ou partidas demasiadamente freqüentes;
- Detecção de desequilíbrio ou falta de fases e de defeitos nos tiristores;
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2.2.1. Rampa de tensão
As chaves de partida estáticas podem ser ajustadas de forma a ter uma tensão inicial de partida adequada, responsável pelo torque inicial que aciona a carga. Ao fazer o ajuste da tensão de partida num valor Vp e um temo de partida Tp, a tensão cresce do valor Vp até atingir a tensão de linha do sistema, em um intervalo de tempo Tp, também parametrizável.
Figura 14 - Rampa de aceleração da soft-starter
Quando ajustamos um valor de tempo de rampa e de tensão de partida, não significa que o motor acelera de zero até a sua rotação nominal no tempo definido no ajuste. Isso depende também das características dinâmicas do sistema motor/carga. O valor de tensão e o tempo de rampa são valores ajustáveis dentro de uma faixa que pode variar conforme o fabricante. Não existe regra que possa ser aplicada para definir o valor de tempo a ser ajustado e o melhor valor de tensão inicial para que o motor possa garantir a aceleração de carga. O valor de tensão de partida deve ser ajustado de acordo com o tipo de carga que é acionada.
Bombas
Para esta aplicação, a tensão de partida não deve receber um ajuste elevado, a fim de evitar o fenômeno de golpe de aríete, que se traduz pela pressão da coluna de liquido durante os processos de partida e parada.
Ventiladores
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2.2.4. Rampa de tensão na desaceleração
A parada do motor pode ser por inércia, onde o soft-starter leva a tensão de saída a zero, como também por parada suave. Na parada controlada, a soft-starter reduz gradualmente a tensão na saída até um valor mínimo em um tempo predefinido.
Figura 16 - Rampa de tensão de desaceleração.
2.3. Proteções
Além da partida de motores os soft-starter’s também podem garantir ao motor a proteção necessária. Assim, quando uma proteção atua, é emitida uma mensagem de erro correspondente para permitir ao usuário visualizar o ocorrido.
2.3.1. Sobrecorrente imediata na saída
Ajusta o máximo valor de corrente que a soft-starter permite conduzir para o motor por período de tempo pré-ajustado.
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Figura 17 - Sobrecorrente imediata na saída.
2.3.2. Subcorrente imediata
Ajusta o mínimo valor de corrente que o soft-starter permite conduzir para o motor por período de tempo pré-ajustado. Essa função é utilizada para proteção de cargas que não possam operar em vazio, como por exemplo, sistemas de bombeamento.
Figura 18 - Subcorrente imediata