COMANDO DE MOTORES
Incidiremos o nosso estudo sobre o comando de motores assíncronos trifásicos, pelo facto de ser o tipo mais utilizado na indústria.
A ligação do motor à rede ou o corte do circuito do motor, podem ser feitos recorrendo a dois tipos de comando;
- CONTACTO DIRECTO - Por intermédio de um interruptor accionado manualmente. É utilizado só em pequenos motores com arranques e paragens pouco frequentes.
- CONTACTO INDIRECTO - Por intermédio de um contactor.
CONTACTOR – É um aparelho de corte e comando, accionado em geral por meio de um electroíman, concebido para executar elevado numero de manobras.
O accionamento de contactores pode ainda ser feito por meio de dispositivos mecânicos ou pneumáticos.
Um contactor combinado com relês térmicos, possui também características de disjuntor e toma neste caso, o nome de CONTACTOR - DISJUNTOR ou DISCONTACTOR.
CONSTITUIÇÃO DE UM CONTACTOR
1 – ELECTROIMAN
O electroíman é o agente motor do contactor. Compreende essencialmente uma bobine e um circuito magnético.
A sua forma varia em função do tipo de contactor e pode eventualmente diferir segundo a natureza da corrente: alternada ou continua,
1.1 - Bobina
A bobina produz o fluxo magnético necessário a atracção da armadura móvel do electroíman.
As bobinas mais usadas nos contactores são de 24V, 48V, 127V, 190V,230V, e 400V para corrente alternada e 50 Hz e de 24V, 48V, 110V, 125V, 250V e 400V para corrente contínua.
1.2 - Circuito magnético
Se a corrente de alimentação é alternada, a armadura e o núcleo são constituídos pelo empilhamento de chapas de aço macio, com percentagem de silício não muito elevada para que as chapas não se tornem quebradiças.
A armadura possui molas tensoras, as quais permitem fazê-la voltar à posição inicial logo que o circuito de alimentação da bobina seja interrompido.
O poder de corte é garantido pelas molas tensores, sendo no entanto utilizados para grandes intensidades, contactores onde o corte se faz por molas tensores mas possuindo câmaras de extinção do arco eléctrico.
Fixos à armadura, mas isolados electricamente desta, encontram-se os contactos principais e os contactos auxiliares.
2 - CONTACTOS PRINCIPAIS
Os contactos principais estabelecem ou cortam a corrente de alimentação do motor (circuito de Potência). Por conseguinte são dimensionados para permitir a passagem da corrente nominal do contactor em serviço permanente sem aquecimento anormal.
3 - CONTACTOS AUXILIARES
Os contactos auxiliares, intercalados no circuito de alimentação da bobina (circuito de comando), asseguram a auto-alimentação e o encravamento dos contactores assim como a sinalização nos equipamentos de automatismo.
Existem várias versões:
3.1 - CONTACTO DE FECHO - Normalmente aberto (NA)
Aberto com o contactor em repouso; fechado logo que o electroíman está sob tensão.
3.2 - CONTACTO DE ABERTURA - Normalmente fechado (NF)
Fechado com o contactor em repouso; aberto logo que o electroíman está sob tensão.
3.3 - CONTACTO DE ABERTURA E FECHO
Com o contactor em repouso um dos contactos está aberto e o outro fechado. Com o fecho do circuito da bobina, os contactos invertem-se.
3.4 - CONTACTO TEMPORIZADO
Os contactos estabelecem-se ou separam-se num certo tempo depois da abertura ou fecho do contactor que os acciona.
FUNCIONAMENTO DOS CONTACTORES
Se aplicarmos uma d.d,p. aos terminais da bobina, esta é excitada, criando-se um campo magnético que faz com que a armadura seja atraída provocando o fecho dos contactos principais e a abertura ou fecho dos contactos auxiliares conforme a seu tipo. Logo que a d.d.p. deixe de estar aplicada á bobina a armadura volta à sua posição inicial, pela acção de molas tensores, e consequentemente os contactos voltam à posição de repouso.
COMANDO DE CONTACTORES
O comando dos contactores é realizado pela actuação de diversos dispositivos intercalados no circuito de alimentação da bobina, do contactor (circuito de comando).
Os dispositivos de comando, dos contactores, mais utilizados são:
- Botoneiras (botões de pressão)
- Interruptores
- Interruptores horários
- Relés de comando, Relés térmicos e de temporização
- Interruptores fim de curso .
- Pressostatos, etc.
Podemos distinguir dois tipos de comando indirecto:
1 - COMANDO POR IMPULSO OU INSTANTÂNEO - Comando realizado por botoneira
2 - COMANDO POR CONTACTO PERMANENTE - Comando realizado por interruptor
VANTAGENS DO CONTACTOR
O contactor apresenta um grande número de vantagens e permite em particular:
1 - Interromper correntes monofásicas ou polifásicas importantes, actuando sobre um comando auxiliar percorrido por uma corrente de pequena intensidade.
2 - Assegurar perfeitamente tanto um serviço contínuo como um funcionamento intermitente.
3 - Efectuar um comando manual ou automático à distância com condutores de pequena secção, resultando portanto uma redução importante no comprimento dos cabos de potência utilizados.
4 - Multiplicar os postos de comando e colocá-los na proximidade do operador.
5 - Assegurar após uma interrupção momentânea da corrente, a segurança do pessoal contra arranques intempestivos, por meio de um comando por botoneira.
6 - Conceber equipamentos de automatismos simples ou complexos.
PROTECÇÃO DE MOTORES
Os motores deverão ser individualmente protegidos contra sobrecargas e curtos-circuitos, excepto para motores de potência nominal igual ou inferior a 0,75 kW.
PROTECÇÃO CONTRA SOBRECARGAS
A protecção contra sobrecargas dos motores pode ser assegurada por:
- Disjuntores ou contactores disjuntores dotados de relês térmicos ou actuados por dispositivos térmicos incorporados no próprio motor.
- Corta-circuitos fusíveis.
Como os corta-circuitos fusíveis, pelas suas características, apenas protegem contra sobrecargas importantes, não devem ser empregues quando se pretende proteger o motor contra um aquecimento exagerado resultante de uma sobrecarga de pequena intensidade, mas de longa duração, como, por exemplo, quando de uma baixa prolongada na tensão de alimentação ou, para os motores trifásicos, quando da falta de uma fase.
Os aparelhos de protecção contra sobrecargas devem, por outro lado, suportar, sem actuar, as sobreintensidades resultantes de arranques, mesmo sucessivos.
Os aparelhos de protecção contra sobrecargas dos motores deverão, ao actuar, cortar simultaneamente, todos os condutores de fase, podendo ou não cortar o condutor neutro.
Na generalidade, a protecção contra sobrecargas dos motores é assegurada por relês térmicos que podem ser montados separados ou, adaptados aos próprios contactores. Ao conjunto do relê térmico e contactor dá-se o nome de contactor-disjuntor ou discontactor.
O calibre do relê térmico deve ser efectuado para o valor nominal da corrente.
PROTECÇÃO CONTRA CURTOS-CIRCUITOS
A intensidade de funcionamento do aparelho de protecção contra curtos-circuitos não deverá ser superior a quatro vezes a intensidade nominal do motor.
A protecção contra curtos-circuitos dos motores pode ser assegurada por:
- Disjuntores dotados de relés electromagnéticos.
- Corta-circuitos fusíveis.
Os dispositivos de protecção (relés ou fusíveis) dos aparelhos de protecção contra curto-circuitos deverão ser estabelecidos nos condutores de fase.
Os aparelhos de protecção dos motores contra curtos-circuitos quando não forem do tipo fusível, deverão, ao actuar, cortar, simultaneamente, todos os condutores de fase, podendo ou não cortar o condutor neutro.
No caso de motores de potência elevada, recomenda-se, quando a sua protecção for feita por corta-circuitos fusíveis, que a fusão de um deles provoque o disparo do respectivo aparelho de corte.
Para potências cujas correntes de curto-circuito possam ser elevadas a protecção por corta-circuitos fusíveis de alto poder de corte (APC) é a mais indicada, tanto no aspecto técnico como no aspecto económico.
Os dispositivos de protecção contra curtos-circuitos são de actuação rápida, no entanto não devem actuar no momento do arranque.
Além de proteger o motor, o sistema deve proteger os condutores do circuito e os restantes órgãos colocados a jusante, contra possíveis curtos-circuitos. Devido a esse facto, o sistema de protecção deve ser colocado antes do respectivo órgão de manobra.
Normalmente a placa de relés térmicos tem inscrito na sua estrutura as características do corta-circuitos fusível ou do disjuntor electromagnético a montar a montante.
No caso de não existir essa indicação, deve escolher-se o calibre de protecção em função:
- Do relé térmico escolhido, através das curvas características dadas no catálogo do fabricante.
- Da intensidade de funcionamento do aparelho de protecção que não deve ser superior a quatro vezes a intensidade nominal do motor.
- Da secção dos condutores de alimentação.
FONTES DE ALIMENTAÇÃO PARA OS CIRCUITOS DE COMANDO
Nos circuitos eléctricos em que intervenham contactores, existem sempre dois circuitos:
CIRCUITO DE POTÊNCIA OU PRINCIPAL - Destina-se à alimentação dos receptores, sendo a intensidade da corrente que o percorre a pedida pelo receptor.
CIRCUITO DE COMANDO OU AUXILIAR - Constituído pelos diversos dispositivos de comando do contactor, destina-se apenas à alimentação das bobinas dos contactores que fazem parte do circuito.
Seguidamente vamos ver algumas possíveis fontes de alimentação dos circuitos de comando.
LIGAÇÃO DAS FONTES DE COMANDO
A bobina do contactor é ligada entre fases (400V) e protegida pelos fusíveis gerais.
A bobina do contactor é ligada entre fases mas há dois corta-circuitos fusíveis para protecção do circuito de comando.
A bobina é montada entre fase e neutro (230 V) e protegida pelo fusível geral.
A bobina é montada entre fase e neutro mas tem fusível próprio de protecção.
O circuito de comando é alimentado a tensão reduzida (24 V ou 48 V).
O circuito de comando é alimentado a corrente contínua, através de um rectificador de onda completa.
MODOS DE LIGAÇÃO DOS ENROLAMENTOS DO ESTATOR DOS MOTORES ASSINCRONOS TRIFÁSICOS:
Os enrolamentos podem ser ligados em estrela ou triângulo
Caso há, porém, em que existem 12 terminais na placa de ligação. Trata-se de motores que podem ser ligados em rede com tensões diferentes. Para isso os enrolamentos são divididos ao meio.
Um motor destes pode ser ligado às redes cujas tensões compostas sejam 230V e 400V, ligando em paralelo ou em série as metades dos enrolamentos.
Na chapa de características dum motor com estas possibilidades de ligação deverá aparecer a indicação ∆ / ∆ 230V/400V.
PROCESSOS DE ARRANQUE DOS MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS
Se ligarmos directamente à rede um motor trifásico, a corrente por ele absorvida no momento do arranque tem uma inten¬sidade várias vezes maior que a intensidade nominal (5 a 10).
Quando o motor tem uma potência elevada e, portanto, uma corrente nominal elevada os valores atingidos pela corrente durante o arranque podem provocar perturbações na rede de alimentação. De facto, este aumento de intensidade de corrente provocará quedas de tensão anormais na rede que irão produzir abaixamentos de tensão nos outros receptores. É pois conveniente atenuar essas perturbações o que se consegue reduzindo tanto quanto possível as intensidades das correntes de arranque dos motores.
Desta forma os regulamentos só autorizam a ligação directa à rede de motores cuja potência não ultrapasse 3 CV.
Tipo arrancador Tipo induzido Potência nominal
Directo Gaiola simples Até 3 CV
Directo Gaiola dupla Até 5 CV
Estrela -Triângulo Gaiola simples Até 7,5 CV
Estrela -Triângulo Gaiola dupla Até 15 CV
Reóstato de arranque,
transformador no estator ou equivalente Acima de 15 CV
Processos que permitem limitar a intensidade da corrente durante o arranque:
1- ARRANQUE POR REDUÇÃO DA TENSÃO APLICADA AO ESTATOR.
Esta redução pode ser conseguida por:
1.1 - Reóstato – (processo anti-económico devido às elevadas perdas Joule no reóstato).
1.2 – Transformador ou auto-transformador com uma ou mais tomadas
1.3 - Arranque estrela - triângulo - (processo normalmente usado)
Este processo de arranque, que só é aplicável nos motores cujo funcionamento normal é em triângulo para reduzir a 1/3 a corrente de arranque, consiste em ligar em estrela os enrolamentos do estator durante o arranque e logo que o motor atinge uma velocidade próxima da velocidade nominal ligam-se os enrolamentos em triângulo.
A utilização deste sistema de arranque só será vantajosa nas seguintes condições:
- Quando o binário de arranque do motor, com os enrolamentos ligados em estrela, for capaz de levar o motor a uma velocidade muito próxima da velocidade a plena carga.
- Se a comutação estrela - triângulo puder ser realizada num tempo muito curto, principalmente se o arranque não for feito com o motor em vazio.
Há vários tipos de arrancadores estrela - triângulo, sendo os mais habituais os de alavanca e os de tambor.
2 - ARRANQUE POR AUMENTO DA RESISTÊNCIA ROTÓRICA
O aumento da resistência rotórica na altura do arranque, origina uma redução do valor da corrente e um aumento do respectivo binário.
Para se introduzir uma resistência no rótor, apenas num determinado período, é evidente que este não pode ser do tipo em curto-circuito. Utilizam-se então motores de rótor bobinado em que as resistências são ligadas através de anéis ou de dispositivos centrífugos.
ARRANQUE ʎ/∆ DE MOTORES TRIFÁSICOS
Se ligarmos directamente à rede um motor trifásico verifica-se que a corrente por ele absorvida no momento do arranque tem uma intensidade várias vezes (5 a 10) maior do que a intensidade nominal.
Estas correntes elevadas dão origem a grandes quedas de tensão na rede o que traz perturbações principalmente aos sistemas de iluminação que a essa mesma rede estejam ligados. É pois conveniente atenuar essas perturbações o que se consegue reduzindo tanto quanto possível as intensidades das correntes de arranque dos motores.
Por essas razões é proibido pelas normas em vigor ligar directamente às redes públicas os motores trifásicos com induzido em gaiola simples e gaiola dupla cujas potências sejam superiores a 3 e 5 CV respectivamente.
Até 7,5 e 15 CV, respectivamente, poderão estes motores ser ligados às redes públicas, utilizando um arrancador estrela triângulo.
Este sistema de arranque, que só é aplicável nos motores cujo funcionamento normal é em ∆, consiste em ligar em estrela os enrolamentos do estator durante o arranque e logo que o motor atinja uma velocidade próxima da velocidade do sincronismo ligam-se os enrolamentos em ʎ ficando o motor a funcionar normalmente.
A finalidade deste sistema de arranque é reduzir a corrente de arranque, o que se consegue durante a ligação em estrela pois a tensão aplicada a cada um dos enrolamentos é reduzida a 1/√3 da tensão aplicada em funcionamento normal.
Por outro lado verifica-se uma diminuição do binário de arranque o que não é vantajoso.
Para melhor compreendermos até que ponto essas modificações se dão, vamos determinar o valor das correntes e dosbinários de arranque nos dois casos: ligação em estrela (ʎ) e ligação em ∆.
Suponhamos, para melhor concretização, que o motor vai ser ligado a uma rede cuja tensão simples é 230 V e consequentemente 400 V entre fases.
1 - Calculo das intensidades no momento do arranque
It = If = Us/Z = 230/Z If = Uc/Z = (Us√3)/Z = (√3x230)/Z
Como I1 = If√3
Teremos, I1= √3 ((√3x220))/Z I1 = (3x230)/Z
Se quisermos relacionar ʎ com ∆ teremos:
I1ʎ / I1∆ = (230/Z) / ((3x230)/Z) = 1/3
2 - Calculo dos binários de arranque
O binário de arranque é aproximadamente proporcional ao quadrado da tensão aplicada a cada enrolamento. Assim sendo K uma constante de proporcionalidade teremos:
Maʎ (binário de arranque) = 230
2 x K
Ma∆ (binário de arranque) = Kx400
2 = K(√3x230)
2 = Kx3x230
2 Relacionando-os teremos:
Maʎ/Ma∆ = (230
2xK) / (230
2x3xK) = 1/3
As expressões 1 e 2 são verdadeiras para quaisquer outras tensões, formando um sistema trifásico equilibrado.
Da análise dessas expressões concluímos:
- Quando se utiliza o arranque em ʎ a intensidade da corrente na linha e o binário de arranque reduzem-se a 1/3 dos valores que essas duas grandezas teriam se o arranque fosse feito em ∆.
Vamos agora estudar em que condições se podem utilizar este sistema de arranque e como e quando se deve passar da ligação em estrela para a ligação em triângulo.
Levemos em consideração os seguintes valores:
Velocidade Valores à plena carga
de Sincronismo Potência Arranque directo Arranque
Velocidade Factor de potência Rendimento
Corrente absorvida 400V Rot/m CV Rot/m cos f % A Ma / Mn I1 / In Ma / Mn I1 / In
1000 10 960 0.84 87 15,3 2,2 5,7 0,7 1,8
Analisando os valores indicados para os arranques directo e em estrela verifica-se que tanto o binário como a intensidade da corrente de arranque são reduzidas, aproximadamente, a um terço. Notar que com a utilização do arranque em estrela a corrente atinge apenas um valor 1,8 vezes o valor nominal (In).
Por outro lado o binário é reduzido a 0,7 vezes o valor nominal (Mn).
A utilização do sistema de arranque ʎ/∆ só será vantajosa se no momento em que se faz a comutação ʎ/∆ a intensidade da corrente absorvida pelo motor pouco exceder o valor nominal.
A intensidade nominal corresponde ao funcionamento do motor a plena carga, em que a sua velocidade é de 96O rot/m.
Cada um dos condutores que alimentam o motor será percorrido por uma corrente com a intensidade de 15,3A, quando o motor funciona a plena carga.
No momento de arranque essa intensidade será no caso do motor ser ligado directamente (ligado em ∆).
I1 = 5,7In = 5,7 x 15,3 = 87,21 A
Se a ligação dos enrolamentos for feita em estrela teremos:
I1 = 1,8 In = 1,8 x 15,3 = 27,54 A
Comparando os valores das intensidades nos dois casos verifica-se a vantagem de fazer o arranque em ʎ.
Quando se liga o motor por meio de comutador estrela triângulo a corrente tem no momento de arranque uma intensidade que é igual a 1,8 vezes a intensidade nominal 27,54A. Á medida que o número de rotações aumenta a intensidade diminui até se atingir o ponto A que corresponde a 9OO rot/m.
Nesta altura realiza-se a mudança da ligação em ʎ para a ligação em ∆ que vamos supor que se faz instantaneamente.
A intensidade sofrerá um aumento brusco, sendo aproximadamente 2,8 vezes a intensidade nominal, valor bastante elevado e capaz de provocar ainda perturbações na rede.
Entretanto a velocidade do motor continua a aumentar e a intensidade a diminuir até se atingir o ponto em que a velocidade será a velocidade a plena carga 960 rot/m e a intensidade terá o valor nominal In, igual a 15,3A para o motor cujo arranque estamos a estudar.
É importante notar que no momento em que se faz a comutação ʎ/∆ o aumento brusco da intensidade é tanto menor quanto mais próxima da velocidade e plena carga estiver a velocidade do motor.
Se tivermos atingido a velocidade a plena carga, 960 rot/m a intensidade da corrente não ultrapassará o valor nominal.
Para que um motor possa arrancar é necessário que o binário de arranque Maʎ seja maior que o binário resistente.
Assim o motor vai aumentando a sua velocidade até ao momento em que os binários motor e resistente sejam iguais. Esta igualdade verifica-se para 900 rot/m. Se mantivermos a ligação em estrela o motor continuará a rodar a essa velocidade mas passando do instantaneamente para a ligação em ∆ o binário motor sofre um impulso tomando um novo valor.
Como agora o binário motor é maior que o binário resistente o motor aumentará a sua velocidade até se dar novamente o equilíbriono.
Certamente já repararam que se tem admitido que a passagem de ʎ para ∆ se faz instantaneamente. Se essa manobra fosse demorada e existisse um binário resistente que sucederia?
Suponhamos, então, que a mudança de ligações se faz a 9OO rot/m. Se demorarmos a manobra, isto é, se demorarmos o período de tempo em que o motor está desligado, devido ao binário resistente a sua velocidade diminuirá por exemplo até 7OO rot/m.
Se somente nessa altura fizermos a ligação em ∆ o valor de intensidade atingirá cerca de 4,2 vezes o valor nominal (64,26A) e, deste modo, não haverá, praticamente, qualquer vantagem em utilizar o sistema de arranque ʎ/ ∆.
Se o arranque for realizado com o motor em vazio, a diminuição de velocidade não será tão grande mas, de qualquer modo, é sempre prejudicial uma manobra demorada.
Para reduzir esse inconveniente constroem-se modernamente arrancadores cujo tempo de manobra é da ordem de 0,01 seg.
Podemos dizer em resumo, que a utilização do sistema que ʎ/∆ só é vantajosa nas seguintes condições:
- Quando o binário de arranque do motor, com os enrolamentos ligados em estrela, for capaz de levar o motor a uma velocidade muita próxima da velocidade a plena carga.
- Se a comutação de estrela para triângulo puder ser realizada num tempo muito curto, principalmente se o arranque, não for feito com o motor em vazio.
Nota: Torna-se a lembrar que este tipo de arranque só pode ser utilizado nos motores cujos enrolamentos estatóricos são ligados em triângulo, em funcionamento normal. Nunca o empregar quando os enrolamentos estiverem calculados para funcionamento em estrela.
LIGAÇÃO DAHLANDER
A BOBINAGEM Dahlander fechada torna possível dispor de um motor de duas velocidades, conforme o modo de ligação dos enrolamentos.
À ligação em triângulo corresponde a velocidade mais baixa, e à ligação em dupla estrela corresponde uma velocidade dupla da primeira.
Esta comutação do número de pólos pode ser feita com um comutador rotativo multicelular ou por intermédio de contactores.
COMUTAÇÃO DE PÓLOS POR CONTACTOR
Para a comutação das duas velocidades são necessários 3 contactores. Um contactor para a velocidade menor e os outros dois para a velocidade mais elevada, endo um para pôr em curto-circuito os terminais U1, V1, W1 e o outro para a ligação a rede da dupla estrela.
