Conversao de Energia II – T6CVII Prof. Dr. Cesar da Costa 6.a Aula: Soft Starter.

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1 Conversao de Energia II – T6CVII Prof. Dr. Cesar da Costa 6.a Aula: Soft Starter

2 INTRODUÇÃO TEÓRICA  A popularização da tecnologia, bem como a crescente necessidade de sistemas confiáveis, incrementam a utilização de soft-starters.  Ar-condicionados, refrigeração industrial e compressores são exemplos que utilizam esse equipamento, principalmente quando ligados a fontes de alimentação não-confiáveis ou fracas.

3 INTRODUÇÃO TEÓRICA  Soft-starters são utilizados basicamente para partidas de motores de indução CA (corrente alternada) tipo gaiola, em substituição aos métodos estrela-triângulo, chave compensadora ou partida direta.  Tem a vantagem de não provocar trancos no sistema, limitar a corrente de partida, evitar picos de corrente e ainda incorporar parada suave e proteções.  Estas chaves contribuem para a redução dos esforços sobre acoplamentos e dispositivos de transmissão durante as partidas e para o aumento da vida útil do motor e equipamentos mecânicos da máquina acionada, devido à eliminação de choques mecânicos.

4 INTRODUÇÃO TEÓRICA  A aplicação de microprocessadores se expande vertiginosamente com o passar do tempo. Uma das causas da grande expansão do uso de microprocessadores é o seu custo reduzido.  Com o passar dos dias descobrem-se novas aplicações. O seu manuseio já se encontra bastante facilitado, fazendo com que novos equipamentos sejam desenvolvidos sem grande esforço.  Os microprocessadores atuais são versáteis e consomem pouca energia. Dessa forma pode-se desenvolver equipamentos de pequeno porte com baixo custo operacional.

5 CARACTERÍSTICAS  Nos processos modernos de partida do motor de indução, são usados soft-starters que, através de comando microprocessado, controlam tiristores que ajustam a tensão enviada ao estator do motor.  Desta forma, consegue-se, de um lado, aliviar o acionamento dos altos conjugados de aceleração do motor de indução e, de outro, proteger a rede elétrica das correntes de partida elevadas.  As chaves de partida estática são chaves microprocessadas, projetadas para acelerar (ou desacelerar) e proteger motores elétricos de indução trifásicos. Através do ajuste do ângulo de disparo de tiristores, controla-se a tensão aplicada ao motor.

6 INTRODUÇÃO TEÓRICA  Com o ajuste correto das variáveis, o torque e a corrente são ajustados às necessidades da carga, ou seja, a corrente exigida será a mínima necessária para acelerar a carga, sem mudanças de freqüência.  Algumas características e vantagens das chaves soft-starters são: Ajuste da tensão de partida por um tempo pré-definido; Pulso de tensão na partida para cargas com alto conjugado de partida; Redução rápida de tensão a um nível ajustável, (redução de choques hidráulicos em sistemas de bombeamento); Proteção contra falta de fase, sobre-corrente e subcorrente, etc.

7 INTRODUÇÃO TEÓRICA  Os motores assíncronos trifásicos de rotor em gaiola apresentam picos de corrente e de conjugados indesejáveis quando em partida direta. Para facilitar a partida são usados vários métodos, como chave estrela-triângulo, chave compensadora, etc.  Estes métodos conseguem uma redução na corrente de partida, porém a comutação é por degraus de tensão. Entretanto, nenhum se compara com o método de partida suave (que utiliza o soft-starter). A figura 1 a seguir mostra o comparativo de corrente entre os métodos mais usuais de partida:

8 INTRODUÇÃO TEÓRICA Figura 1 – Comparativo entre métodos de partida

9 Perfis Comparativos

10 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO  Soft-Starter é um dispositivo eletrônico composto de pontes de tiristores (SCRs na configuração universo paralelo) acionadas por uma placa eletrônica, a fim de controlar a tensão de partida de Motor elétrico trifásico‎. Seu uso é comum em bombas centrífugas(maquina de lavar), cooler e motores de elevada potência cuja aplicação não exija a variação de velocidade.eletrônico tiristoresSCRsMotor elétrico trifásico‎bombas centrífugas

11 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO  O soft-starter é um equipamento eletrônico capaz de controlar a potência do motor no instante da partida, bem como sua frenagem. Ao contrário dos sistemas elétricos convencionais utilizados para essa função (partida com autotransformador, chave estrela-triângulo, etc.).

12  O funcionamento das Soft-Starters está baseado na utilização de uma ponte tiristorizada (SCR’s) na configuração anti-paralelo, que é comandada através de uma placa eletrônica de controle, a fim de ajustar a tensão de saída, conforme programação feita anteriormente pelo usuário. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

13  A soft-starter controla a tensão sobre o motor através do circuito de potência, constituído por seis SCRs, variando o ângulo de disparo dos mesmos e consequentemente variando a tensão eficaz aplicada ao motor.  Assim, pode-se controlar a corrente de partida do motor, proporcionando uma "partida suave" (soft start em inglês), a não provocar quedas de tensão elétrica bruscas na rede de alimentação, como ocorre em partidas diretas.tensão elétricapartidas diretas

14  Através do ângulo de condução dos tiristores, a tensão na partida é reduzida, diminuindo os picos de corrente gerados pela inércia da carga mecânica.  Um dos requisitos do soft-starter é controlar a potência do motor, sem entretanto alterar sua freqüência (velocidade de rotação). Para que isso ocorra, o controle de disparo dos SCRs (tiristores) atua em dois pontos: controle por tensão zero e controle de corrente zero.  O circuito de controle deve temporizar os pulsos de disparo a partir do último valor de zero da forma de onda, tanto da tensão como da corrente. O sensor pode ser um transformador de corrente que pode ser instalado em uma única fase (nesse caso, o sistema mede somente o ponto de cruzamento de uma fase), ou um para cada fase. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

15 Ligando o Tiristor Terminais :  Anodo  Catodo  Gate Tiristor Ligado: Condução entre Anodo e Catodo; Comportamento: Similar a um Diodo em condução direta.

16 Ligando o Tiristor Método de Acionamento: aplicação de pulso no gate positivo em relação ao catodo; Manutenção: O tiristor permanece ligado enquanto a corrente entre Anodo e Catodo for maior que a Corrente de Manutenção do dispositivo.

17 Desligamento do Tiristor Ocorre quando:  Não há pulso de disparo presente no Gate  Corrente entre Anodo e Catodo menor que a Corrente de Manutenção do Dispositivo (na faixa de alguns mA) Em Corrente Alternada: A cada semiciclo o tiristor desliga quando Iak=0; Cargas Reativas (Indutivas e Capacitivas):  Quando a Tensão passa por 0, a corrente não está em 0  Desligamento: Sempre na passagem por 0 da Corrente

18 Variação de Tensão com Tiristores Somente aplicável com alimentação em CA; Método: Variação do Ângulo de Disparo do Tiristor  Disparo em 0°: Tiristor liga no início do semiciclo  Disparo em 180°: Tiristor não liga no semiciclo Disparo entre 0° e 180°: Tensão aplicada à carga é função do ângulo de disparo.

19 Variação do Ângulo de Disparo

20 CIRCUITO DE POTÊNCIA  Controlando o ângulo de disparo do SCR, podemos controlar a tensão média aplicada à carga, controlando assim sua corrente e potência.  Numa soft-starter, o controle da tensão tem que ser feito nos dois sentidos da corrente, devendo ser utilizada a configuração anti- paralela de dois SCR por fase, conforme indicado na figura abaixo.

21  Neste caso, tem-se o controle da tensão nas duas metades do ciclo, mediante os disparos nos Gates provenientes do circuito de controle.  Na figura temos um diagrama simplificado do circuito de potência de uma soft-starter, onde notamos o uso dos pares de tiristores (SCR) em anti-paralelo em cada fase do circuito. CIRCUITO DE POTÊNCIA

22  Mediante um circuito de controle para os disparos dos tiristores, a tensão a ser aplicada no motor pode ir crescendo linearmente, tendo com isso um controle da corrente de partida do motor. Ao final da partida do motor, o motor terá sobre seus terminais praticamente toda a tensão da rede.  A seguir temos a ilustração da forma de onda da tensão em uma das fases do motor em quatro instantes. Nota –se que ao reduzir o ângulo de disparo dos SCR, a tensão a ser aplicada no motor aumenta, aumentando com isso a corrente no mesmo. CIRCUITO DE POTÊNCIA

23 Formas de Onda de Disparo

24  Para evitar disparos acidentais dos SCR, instala-se em paralelo com os mesmos um capacitor e um resistor conforme indicado na figura. Este circuito auxiliar é denominado de Snubber e tem como finalidade evitar o disparo por dV/dT (variação abrupta da tensão num pequeno intervalo de tempo). Proteção para Disparos Acidentais

25  Costumam usar a tecnologia chamada by-pass a qual, após o motor partir e receber toda a tensão da rede, liga-se um contator que substitui os módulos de tiristores, evitando sobreaquecimento dos mesmos.by-passcontator  As chaves soft-starters operam com a técnica chamada by-pass, na qual, no final do intervalo de tempo da partida, quando por fim o motor recebe da soft-starter a plena tensão da rede, um contator cujos contatos NA trabalham em paralelo com o arranjo de tiristores de cada fase é acionado, assumindo este a condução da corrente nominal do motor. Tecnologia By-Pass

26  Partidas em Rampa ou Curva Parâmetros da Partida:  Tensão Inicial  Tempo de Aceleração  Perfil de Variação da Tensão Ao término do tempo de aceleração: Alimentação do motor com tensão plena. Chaves de Partida tipo Soft-Starter

27 Partidas em limitação de corrente Durante a partida:  Corrente do motor mantida constante ( K x Inominal)  Proteção durante a partida: Limitação de tempo Parâmetros:  I(nominal) do motor  I(partida) desejada ou múltiplo de I(nominal)  Tempo máximo de partida: conforme o tempo máximo de rotor bloqueado suportado pelo motor

28 Pulso de Tensão na Partida

29 Desvantagens da aplicação de chaves de partida tipo Soft-Starter Dissipação de Potência:  Gera aquecimento por efeito Joule nos Tiristores;  Exigem métodos eficientes de ventilação forçada;  Solução: Contator By-Pass. Sensibilidade a surtos de tensão: Semicondutores e Eletrônica.

30 Desvantagens da aplicação de chaves de partida tipo Soft-Starter Possibilidade de geração de Interferência Eletromagnética; Produção de Distúrbios Harmônicos, principalmente durante a partida; Necessita proteção especial no alimentador: Fusíveis de atuação Ultra-Rápida; Pouca resistência a curto-circuito na carga acionada

31 A figura ilustra o funcionamento interno de um soft-starter, dando detalhes de todos seus blocos componentes Diagrama de blocos de um soft-starter

32  No circuito de potência, a tensão da rede é controlada através de 6 tiristores, que possibilitam a variação do ângulo de condução das tensões que alimentam o motor.  Para alimentação eletrônica interna, utiliza-se uma fonte linear com várias tensões, alimentada independente da potência.  O cartão de controle contém os circuitos responsáveis pelo comando, monitoração e proteção dos componentes de potência. Esse cartão possui também circuitos de comando e sinalização a serem utilizados pelo usuário de acordo com sua aplicação, como saídas à relé.

33  Para que a partida do motor ocorra de modo suave, o usuário deve parametrizar a tensão inicial (V p ) de modo que ela assuma o menos valor possível suficiente para iniciar o movimento da carga.  A partir daí, a tensão subirá linearmente segundo um tempo também parametrizado (t r ) até atingir o valor nominal. Isso é mostrado na figura: Figura 4 – Curva de aceleração de um MIT usando soft-starter

34  Na frenagem, a tensão deve ser reduzida instantaneamente a um valor ajustável (V t ), que deve ser parametrizado no nível em que o motor inicia a redução da rotação.  A partir desse ponto, a tensão diminui linearmente (rampa ajustável (t r )) até a tensão final V z, quando o motor parar de girar. Nesse instante, a tensão é desligada. Veja a figura seguinte: Figura 5 – Curva de desaceleração de um MIT usando soft-starter

35  Além da tensão, o soft-starter também tem circuitos de controle de corrente. Ela é conservada num valor ajustável por um determinado intervalo de tempo.  Esse recurso permite que cargas de alta inércia sejam aceleradas com a menor corrente possível, além de limitar a corrente máxima para partidas de motores em fontes limitadas (barramento não- infinito).  Alguns fabricantes projetam seus soft-starters para controlar apenas duas fases (R e S, por exemplo), utilizando a terceira como referência. Essa técnica, que é mostrada na figura 6, simplifica o circuito de controle e, conseqüentemente, “barateia” o produto.

36 Figura 6 – Soft-starter com apenas duas fases controladas

37 RECURSOS DE UM SOFT-STARTER  Os soft-starters existentes no mercado (fabricados pela WEG, SIEMENS e outras) são equipados com interfaces homem-máquina, ou painel de LEDs para informar o status do sistema.  Quanto aos recursos que um soft-starter deve ter, os mais importantes são: 1. proteção do motor; 2. sensibilidade à seqüência de fase; 3. plug-in; 4. circuitos de economia de energia.

38  Proteção do motor:  Pode –se notar que ela determina interrupções e bloqueios em caso de falta de fase ou falha do tiristor. Normalmente, esses equipamentos também possuem relés eletrônicos de sobrecarga. Durante o tempo de operação (t r ), um relé eletrônico de carga entra em operação quando necessário.  O dispositivo pode ser configurado para dar proteção tanto para sobre- correntes (I oc ) quanto para sub-correntes (I uc ). Figura 7 – Curva típica de sobre-corrente de um soft-starter

39  Quando possível, utilizar para partidas de motores chaves soft-starter que possibilitem o ajuste do torque do motor às necessidades do torque da carga, de modo que a corrente absorvida será a mínima necessária para acelerar a carga. Figura 8 – Limitação de corrente em um soft-starter

40  Sensibilidade à seqüência de fase  Os soft-starters podem ser configurados para operarem somente se a seqüência de fase estiver correta.  Esse recurso assegura a proteção, principalmente mecânica, para cargas que não podem girar em sentido contrário (bombas, por exemplo).  Quando há a necessidade de reversão, podemos fazê-los com contatores externos ao soft-starter.

41  Plug-in  O plug-in é um conjunto de facilidades que podem ser disponibilizadas no soft-starter através de um módulo extra, ou através de parâmetros, como relé eletrônico, frenagem CC ou AC, dupla rampa de aceleração para motores de duas velocidades e realimentação de velocidade para aceleração independente das flutuações de carga.

42  Economia de energia  A maioria dos soft-starters modernos tem um circuito de economia de energia. Essa facilidade reduz a tensão aplicada para motores a vazio, diminuindo as perdas no entreferro, que são a maior parcela de perda nos motores com baixas cargas.  Uma economia significante pode ser experimentada para motores que operam com cargas de até 50% da potência do motor. Entretanto, essa função gera correntes harmônicas indesejáveis na rede, devido a abertura do ângulo de condução para diminuição da tensão. A figura a seguir ilustra isso:

43  Cabe lembrar, entretanto, que o soft-starter não melhora o fator de potência, e também gera harmônicos, como qualquer outro dispositivo de acionamento estático. Figura 9 – Economia de energia usando um soft-starter

44 Principais Aplicações Industriais  Bombas Centrífugas;  Alternativas (Saneamento / Irrigação / Petróleo);  Ventiladores;  Exaustores;  Sopradores;  Compressores de Ar;  Refrigeração (Parafuso / Pistão);  Misturadores;  Aeradores;

45 Principais Aplicações Industriais  Centrífugas;  Britadores;  Moedores;  Picadores de Madeira;  Refinadores de Papel;  Fornos Rotativos;  Serras e Plainas (Madeira);  Moinhos (Bolas / Martelo);

46 Principais Aplicações Industriais  Transportadores de carga: Correias; Monovias; Escadas rolantes; Esteiras de bagagens em aeroportos; Linhas de engarrafamento.  Porém, três delas são clássicas: bombas, compressores e ventiladores. Daremos, em seguida, uma pequena descrição de cada uma dessas aplicações.

47 Bombas  Nessa aplicação, a rampa de tensão iguala as curvas do motor e de carga. A rampa de saída do soft-starter adequa a curva de torque do motor sobre a da bomba. Nesse caso, a corrente de partida é reduzida para aproximadamente 2,5 vezes a corrente nominal.  A rampa de desaceleração diminui sensivelmente o choque hidráulico. Essa é a razão, aliás, das empresas de saneamento especificarem soft-starters com potências superiores a 10kW.  Uma das facilidades que torna ainda mais interessante a utilização desse equipamento no acionamento de bombas é o recurso kick- start.

48 Bombas  O kick-start é um pulso de tensão rápido e de grande amplitude aplicado no instante da partida. Isso ajuda a vencer a inércia de partida quando há a presença de sólidos na bomba (sujeira). Figura 10 – Pulso “kick-start” usado na partida de cargas com alto atrito inicial

49 Compressores  O soft-starter reduz a manutenção e permite que compressores “críticos” sejam desligados quando não forem necessários. Por outro lado, evita que eles sejam desligados no funcionamento normal devido a fontes de alimentação muito fracas. Ventiladores  Os ventiladores, assim como as bombas, exigem um torque proporcional à velocidade, porém, também têm grande inércia. Geralmente, o limite de corrente é utilizado para estender o tempo de rampa, enquanto a inércia é vencida.

50 Uso da I.H.M – Interface com o usuário A IHM-3P é uma interface simples que permite a operação e a programação da soft starter  Display de LED´s;  Indicação de estado de operação;  Indicação dos erros;  Visualização e alteração de parâmetros;  Operação da soft starter (liga/desliga);  Possibilidade de instalação remota.

51 Função das teclas

52 Descrição dos Parâmetros  Para facilitar a descrição dos parâmetros, estes foram agrupados por características e funções, como a seguir :  Parâmetros de leitura - P71...P77,P82, P96...P99  Parâmetros de regulação - P00...P15,P22...P42,P45,P47  Parâmetros de configuração - P43,P44,P46,P51...P57,P61,P62  Parâmetro do motor - P21, P25, P26 e P27

53 Tipos de parâmetros  Parâmetros de Leitura: São variáveis que podem ser visualizadas no display. Mas não podem ser alterados pelo usuário;  Parâmetros de Regulação: São os valores ajustáveis à serem utilizados pelas funções da soft starter;  Parâmetros de Configuração: Definem as características da soft stater, as funções à serem executadas, bem como as funções das entradas/saídas;

54  Parâmetro do Motor: Define a corrente nominal do motor, para ajuste das proteções:  P71 - Versão de Software(Parâmetro de leitura): Indica a versão de software contida na CPU (circuito integrado D1 CCS 1.1X);  P73 - Corrente do motor (Parâmetro de leitura): Indica a corrente de saída da soft-starter diretamente em Ampéres (A). Valores possíveis - 0... 9999 A;  P76 – Cos (fi) (Parâmetro de leitura): Indica o cos (fi) da carga. Valores possíveis - 0.00... 0.99;  P77 - Tensão de Saída (Parâmetro de leitura): Indica a tensão imposta pela soft-starter sobre a carga (desconsidera a FCEM). Valores possíveis - 0... 100 % UN

55 P01 - Tensão Inicial (Parâmetro de regulação) Ajusta o valor inicial de tensão (% UN) que será aplicado ao motor para a execução da rampa de partida.

56 P02 - Tempo da Rampa de Aceleração(Parâmetro de regulação) Define o tempo da rampa de tensão a ser aplicada na partida do motor, desde que a soft starter não entre na limitação de corrente.

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58 P03 - Degrau de Tensão(Parâmetro de regulação) Ajusta o valor da tensão (%UN) que será aplicada imediatamente após a soft starter receber o comando de parada por rampa.

59 P04 - Rampa de Desaceleração (Parâmetro de regulação): Define o tempo da rampa decrescente de tensão que será aplicada ao motor.

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61 P11 - Limitação de corrente(Parâmetro de regulação) Ajusta o valor máximo de corrente fornecida pelo conjunto rede + soft starter para o motor (carga) durante a aceleração.

62 P33 - Nível de Tensão do Jog (Parâmetro de regulação) Define o valor de tensão aplicada ao motor enquanto a DI4 estiver em 24 VCC (Após realizada a rampa).

63 P34 - Tempo da Frenagem C.C.( Parâmetro de regulação) Ajusta o tempo da frenagem C.C., desde que P53 = 3.

64 P35 - Nível de Tensão de Frenagem C.C.( Parâmetro de regulação) Ajusta o valor da tensão de linha VAC convertido em VCC aplicado aos terminais do motor, durante a frenagem.

65 P41 - Tempo do pulso no “Kick Start”( Parâmetro de regulação) Define o tempo de aplicação do pulso de tensão que será aplicado ao motor para que este possa vencer a inércia da carga.

66 P42 - Nível de Tensão no “Kick Start”( Parâmetro de regulação) Determina o nível de tensão (%UN) aplicado ao motor para que este consiga vencer o processo inercial da carga.

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68 P45 - Pump control(Parâmetro de regulação) Faz o controle na aceleração e desaceleração do motor para evitar “Golpes de Aríete” nas tubulações. Valores possíveis - OFF,ON Padrão de fábrica - OFF Pump control: Esta função ajusta automaticamente os parâmetros abaixo : P02 = 15 s P03 = 80 % UN P04 = 15 s P11 = OFF P14 = 70 % IN P15 = 5 s

69 P43 - Relé By-Pass(Parâmetro de configuração) Atua relé após a tensão de saída ter atingido seu valor nominal. Valores possíveis - OFF,ON Fazer o by-pass da soft starter Acionamento multimotor Padrão de fábrica - OFF

70 P46 – Valores Default(Parâmetro de configuração) Restaura valores pré definidos na programação padrão de fábrica. Valores possíveis - OFF,ON Não afeta “P22” e “P23” Padrão de fábrica  OFF