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Índice
- Introdução
- Objetivos
- 2.1 Objetivos gerais:
- 2.2 Objetivos específicos:
- Metodologias.........................................................................................................................................
- Arranque dos motores trifásicos
- Métodos de arranque do motor síncrono...............................................................................................
- 5.1 Arranque com auxílio de outro motor
- 5.2. Arranque síncrono
- 5.3. Arranque assíncrono
- 5.4. Arranque com meios auxiliares............................................................................................................
- 5.5. Arranque assíncrono – síncrono...........................................................................................................
- Critérios de seleção do método de arranque
- Conclusão................................................................................................................................................
- Bibliografia
- Introdução A realização do presente trabalho, visa abordar, compreender um fenómeno muito importante principalmente para o dia-a-dia das grandes indústrias, pois esta garante o seu funcionamento com bastante eficiência, que é o arranque de motores trifásicos, pois o arranque desta gera um grande problema.
A maquina elétrica quando esta parada e e ligada a uma rede elétrica potente não a possibilidade natural de desenvolver um binário de arranque, alem de que não tem a capacidade de estabelecer uma sincronização natural entre as grandezas de fase da rede e as grandezas elétricas geradas pela maquina.
Portanto, durante a realização poderá se destacar vários aspetos para o arranque dos motores trifásicos, com destaque nos métodos usados ou criados para o arranque dos motores trifásicos.
- Arranque dos motores trifásicos A máquina elétrica síncrona e uma máquina que promove uma transformação de energia envolvendo energia mecânica e energia elétrica. A conversão de energia que se efetua com um rendimento energético muito elevado, há uma razão constante entre a frequência da forca eletromotriz induzida pelo campo magnético indutor e a velocidade de rotação angular da maquina: 𝑓 = 𝑝. 𝑛.
Quando se pretende trabalhar com maquinas elétricas síncronas há sempre um grande problema que surge, o arranque.
Para resolver o problema de arranque de uma máquina síncrona desenvolveram-se, ao longo do tempo, métodos de arranque que foram evoluindo com o aumento gradual da potência unitária das máquinas síncronas.
Figura1: Motor-Alternador Síncrono trifásico
Apesar de muitas aplicações do motor síncrono trifásico, existe um tipo de aplicação de máquina síncrona – motor – alternador para aproveitamentos hidroelétricos – que na atualidade tem uma importância grande e se antevê que essa importância aumentará no futuro. A necessidade de armazenar ou movimentar grandes quantidades de água, para o aproveitamento agrícola, na produção de energia elétrica ou apenas na regulação dos caudais de um curso de água, e as preocupações sociais contemporâneas com a utilização de água contribuem para dar importância
ao estudo do problema de arranque dos motores síncronos trifásicos utilizados no sistema de bombagem.
Para a compreensão dos problemas eletromecânicos ligados aos diferentes métodos de arranque do motor trifásico torna-se necessário estudar alguns aspetos do funcionamento das máquinas elétricas, quer quanto aos fenómenos ligados aos seus comportamentos, quer quanto a alguns aspetos construtivos, quer ainda quanto ao projeto e aos elementos das instalações elétricas especificas.
O problema de arranque do motor síncrono trifásico
O motor síncrono trifásico, devidas as suas caraterísticas especifica que resultam das suas particularidades construtivas, apresenta quando tem de passar do estado de repouso para o estado de funcionamento em velocidade de regime ( durante o arranque ).
Durante este processo de arranque a ação do motor síncrono será de vencer o binário resistente que a carga mecânica ofereça 𝑇𝑐𝑟, o binário de atrito 𝑇𝑎, criado nos apoios do veio da maquina e da carga mecânica e o binário de inercia 𝑇𝐽, provocada pelas partes do motor e da carga mecânica em movimento rotativo.
Para analisar esses problemas pode-se recorrer ao modelo de Park da máquina síncrona com polos salientes funcionando como motor.
Figura2: Modelo de um Motor Síncrono Início do arranque
No momento em que se inicia o arranque o motor deve vencer todo o binário de atrito seco nos seus mancais e nos mancais da carga mecânica com que arranca. Isto terá de ser feito sem que haja alterações das caraterísticas de funcionamento da rede elétrica.
Figura4: Gráfico da aceleração até a velocidade do sincronismo Sincronização com a rede de alimentação
Na maioria das situações possíveis a sincronização é o processo pelo qual uma máquina elétrica é posta numa situação em que há identidade de frequências das grandezas elétricas da máquina e dos respetivos ângulos de fase com as grandezas de uma rede elétrica ou de uma outra maquina elétrica ( é um processo complicado ).
Considerando uma rede elétrica alternada com uma tensão de amplitude U, e com uma frequência f, e um motor síncrono com um número de pares de polos P, a que corresponde a velocidade de sincronismo 𝑛𝑠,Podem-se caraterizar o momento de sincronização.
O motor síncrono, através de um processo adequado, é conduzido a uma velocidade próxima a velocidade de sincronismo.
Na situação mais complicada, e quando a velocidade do motor é inferior à velocidade de sincronismo, o binário sincronizante deve exceder o binário de carga para assegurar a aceleração das massas rotóricas, isto é o binário do motor deve ser suficiente para vencer o binário de inercia combinado do motor e da carga mecânica até à velocidade de sincronismo.
Figura4: O sincronismo de um motor
A sincronização de uma maquina síncrona, em funcionamento assíncrono, e com um deslizamento 𝑠𝑚, depende do binário resistente 𝑇𝑐, do deslizamento 𝑠𝑚, e da corrente de excitação 𝐼𝑓.4.5. Sincronização
As condições de sincronização de uma máquina síncrona com um sistema elétrico são:
Igualdade das frequências – correspondência entra a velocidade da maquia e a frequência das grandezas elétricas do sistema através da condição do sincronismo: 𝑓 = 𝑝. 𝑛. Igualdade das tensões eficazes – igualdade da amplitude da tensão elétrica. Igualdade das fases – igualdade das fases da tensão da máquina e da tensão do sistema elétrico no ponto de ligação.
Estas condições de sincronismo podem ser verificadas a sincronizar mediante a utilização de instrumento de medida que deem informação sobre a velocidade da máquina face a velocidade do sincronismo, um sincroscópio sobre a amplitude de tensão, e sobre a frequência das grandezas da máquina e da rede.
A correspondência entre os diferentes condutores de fase de um sistema polifásico, e feita definitivamente, na fase de montagem da instalação com auxílio de um sistema de lâmpadas elétricas numa montagem clássica.
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Condicionado pela capacidade do motor síncrono e pela importância do sistema elétrico em que está inserido o método de arranque adotado pode assumir diferentes formas.
Se o motor síncrono estiver alimentado por um sistema de controlo de potência, então será esse sistema que criara as condições de arranque do motor através das características das grandezas elétricas de alimentação (amplitude, fase, frequência).
Analogia mecânica
Quando o motor síncrono está a rodar a uma velocidade constante, e o binário de carga mecânica aumenta, passa-se um conjunto de fenómenos que podem ser aplicados recorrendo a uma analogia com um sistema mecânico.
Motor elétrico: o Motor de indução (com o rotor bobinado ou com o rotor em curto-circuito); o Motor com coletores de lâminas. Motor hidráulico ou térmico
Quando se utiliza a turbina de acionamento de uma máquina síncrona para a arrancar como motor, e depois faz-se funcionar como a máquina elétrica como compensador síncrono, tem-se de aceitar a importância das perdas em vazio na turbina (que ficara acoplada a maquina síncrona embora não a acione) e a necessidade de ter funcionamento (alimentados em tensão) os equipamentos auxiliares necessários ao funcionamento da turbina.
Figura6: Arranque com um motor hidraulico Motor de indução
O motor de indução, devido a sua vasta aplicação, apresenta-se como a solução mais barata para a utilização como motor auxiliar de arranque do motor síncrono. No entanto há, no seu funcionamento, uma particularidade a que se deve prestar atenção.
Figura7: Indução de um motor síncrono
O motor de indução como máquina assíncrona, funciona normalmente com uma velocidade próxima da velocidade do sincronismo. Assim se o motor de indução tiver o mesmo numero de polos que o motor síncrono e se for alimentado pela mesma rede resulta que o motor de indução terá a mesma velocidade de sincronismo que o motor síncrono. Era necessário que o motor síncrono tivesse a capacidade de saltar para o sincronismo.
A sincronização do motor síncrono com a rede elétrica a uma velocidade ligeiramente inferior a velocidade do sincronismo é feita:
Ligando-se o enrolamento estatórico do motor síncrono à rede elétrica. Promovendo a excitação do motor síncrono por atuação no circuito indutor.
Uma outra forma de promover a sincronização, frequentemente utilizada, consiste em excitar a máquina síncrona até se obter a tensão nominal da rede, e, depois de se verificarem as condições de sincronismo, ligá-la a rede elétrica. é o processo utilizado no estabelecimento do paralelo entre alternadores.
Quando o motor de indução conduz o motor síncrono a uma velocidade ligeiramente superior a velocidade de sincronismo convém realizar as operações:
- Desliga-se o motor auxiliar a rede;
- Liga se o enrolamento estatórico do motor síncrono à rede elétrica;
- Promove-se a excitação do motor síncrono por atuação no circuito indutor.
O valor da sobreintensidade de ligação do motor síncrono à rede depende do valor binário resistente que o motor tem de vencer no arranque; por isso depende do valor binário que a carga mecânica necessita para alcançar a velocidade de sincronismo.
Motor com coletor de lâminas
Um motor com coletor de lâminas tem a vantagem de poder trabalhar alimentado pela rede de alimentação do motor síncrono, como no caso de um motor com coletor de lâminas para corrente alternada, ou o motor auxiliar pode ser alimentado por uma rede elétrica especial, como no caso de um motor com coletor de lâminas para corrente continua.
Devido ao seu preço essa solução para o problema de arranque de motor síncrono poderá ser encontrada apenas em instalações elétricas antigas; na atualidade uma solução envolvendo um
Figura8: Esquema elétrico geral da instalação para um grupo de máquinas.
Nota-se que sendo o motor auxiliar de arranque um motor de indução, ele pode funcionar como freio do grupo (com elevador momento de inercia) e nessa situação funciona como gerador assíncrono, dissipando a energia elétrica no reóstato liquido (de arranque).
5.2. Arranque síncrono No arranque síncrono de um motor utiliza-se uma fonte de alimentação alternada com a frequência variável para provocar o lançamento do motor (aumento da velocidade até à sincronização com a rede elétrica principal).
Durante o arranque síncrono, ou arranque de frequência variável, o motor síncrono passa por diferentes regimes num curto intervalo de tempo – regime assíncrono excitado com o rotor parado, regime assíncrono com motor em movimento (baixa velocidade) e regime síncrono de frequência variável.
Alimentação com máquina síncrona auxiliar
Quando a fonte de alimentação é uma máquina síncrona auxiliar esta máquina pode ter uma potência inferior à do motor síncrono a arrancar (cerca de 1/20), ou pode ser uma outra máquina igual pertencente ao mesmo aproveitamento.
Figura9: Alimentação com uma máquina síncrona auxiliar
O arranque síncrono do motor assíncrono alimentado por uma máquina síncrona auxiliar, que é um tipo de arranque sem graves perturbações (sobreintensidades) da rede elétrica principal, compreende as seguintes fases:
O motor síncrono está parado; é excitado; é alimentado pela máquina síncrona auxiliar com uma tensão alternada com baixa frequência (≈ 1% 𝑑𝑒 𝑓𝑛). O motor síncrono começa a rodar em regime de funcionamento assíncrono; por ação do binário sincronizante, a baixa frequência, o motor síncrono sincroniza com a máquina síncrona auxiliar; fica a rodar a baixa velocidade em sincronismo com a máquina síncrona auxiliar; Aumentado lenta e suavemente a velocidade de rotação da máquina síncrona auxiliar – aumenta-se lentamente a velocidade de rotação do motor síncrono; mas antem-se o sincronismo das duas maquinas; Durante a fase do aumento da velocidade existe a preocupação de que o fluxo magnético e a tensão nas máquinas não assumam valores inadmissíveis; O motor síncrono atinge a velocidade do sincronismo com a rede de alimentação principal; acerta-se o valor da tensão da máquina pelo valor da tensão da rede principal; Verifica-se que estão corretas as condições de sincronização; Procede-se à ligação do motor síncrono à rede elétrica principal.
Neste método de arranque é absolutamente necessária a excitação das duas máquinas síncronas; por isso a excitação tem de ser alimentada por uma fonte em corrente contínua independente.
Alimentação com conversor estático de frequência
A aplicação de sistemas estáticos de conversão de frequência, realizados com mutadores, e o desenvolvimento de elementos eletrónicos unidirecionais comandos (tirístores) para tensões de frequência de comutação cada vez mais elevadas, levaram à adoção de conversores estáticos de frequência no arranque síncrono de motores.
Figura10: Alimentação com conversor estático de frequência.
O conversor estático de frequência
Como o arranque é síncrono não são importantes os binários oscilatórios ou os binários harmónicos. O arranque é suave, o que reduz os esforços mecânicos sobre os componentes ligados à sua parte rotórica; O binário de arranque, e a corrente de arranque, podem tornar-se independentes de outros parâmetros dentro dos limites permitidos pela aceleração mínima ou pelo tempo de arranque; O sistema é estático, o que aumenta a fiabilidade, e tem manutenção reduzida; Um único sistema de arranque com conversor estático de frequência pode ser utilizado para o arranque de vários grupos de máquinas numa instalação podendo ser ligadas a uma fonte de baixa tensão; O conversor estático de frequência permite a alteração do sentido binário por alteração da polaridade no circuito intermedio de corrente contínua, podendo funcionar também na frenagem do motor síncrono.
Uma instalação
Neste tipo de instalações é possível efetuar o arranque de uma máquina elétrica como motor síncrono, em arranque síncrono alimentado pela outra máquina da central funcionando como alternador, mas também há possibilidade de utilizar um conversor estático de frequência no arranque síncrono de cada um dos motores - alternadores.
Figura11: Esquema geral de uma instalação.
As características das máquinas elétricas são:
Máquina síncrona (motor) – 176MW, 18kV, 50Hz. 273rot/min.
No início do arranque o motor binário está definido pelo momento de inércia das massas de movimento e pela aceleração pretendida, a que tem de se juntar o binário resistente devido às perdas do motor síncrono e da bomba. O binário de atrito está reduzido pela injeção do óleo lubrificante sob pressão dos mancais do grupo.
O sistema de arranque síncrono com conversor de frequência está previsto, quanto ao aquecimento, para três arranques seguidos.
5.3. Arranque assíncrono No arranque assíncrono é aproveitado o comportamento da estrutura do motor síncrono funcionando da mesma forma que um motor de indução. É um tipo de auto – arranque porque na própria maquina síncrona se desenvolve o binário motor necessário ã movimentação do rotor até se dar a movimentação de fases com a rede de alimentação.
Na expressão do binário do eletromotor de um motor síncrono existe uma componente resultante de fenómenos iguais aos do princípio de funcionamento do motor de indução trifásico – binário assíncrono:
𝑇𝑒𝑙𝑎 = (3. 𝑝 2 ). (𝑀𝑎𝐾𝑑. 𝑖𝐾𝑑. 𝑖𝑞 − 𝑀𝑎𝐾𝑞. 𝑖𝐾𝑞. 𝑖𝑑)
Para este binário contribui o efeito de circuito fechado de enrolamentos amortecedores rotóricos e as correntes elétricas que circulam nesses enrolamentos fechados devido as forcas eletromotrizes induzidas pelo campo girante criado pelo enrolamento estatórico polifásico alimentado pela rede
Verifica-se, através desta fórmula aproximada, que o binário de carga não afeta (diretamente) a sincronização. O que afeta é o momento de inércia da carga. Mas na realidade o binário de carga afeta o valor do deslizamento com que a máquina roda no momento em que a excitação é ligada.
Corrente de excitação
O valor da intensidade da corrente de excitação da máquina síncrona aplicada durante a sincronização afeta a intensidade de corrente da carga, a intensidade de corrente absorvida á rede elétrica.
A corrente de carga, absorvida pelo motor, decai suavemente desde o valor necessário ao motor para rodar como motor assíncrono, até ao valor em regime síncrono permanente. Este valor da corrente da carga depende da corrente de excitação aplicada: tem o seu valor mínimo quando não é aplicada a corrente de excitação em vazio e o binário de carga é pequeno.
Energia térmica No arranque assíncrono da máquina síncrona é importante considerar a energia térmica libertada, por efeito de joule nos diversos fenómenos elétrico que ocorrem na roda polar: correntes de Foucault nas partes maciças, correntes elétricas nos enrolamentos amortecedores, corrente elétrica no circuito auxiliar de arranque (se existir), corrente elétrica no circuito indutor. O balanco térmico final pode ser importante na escolha do tipo de polos, maciços ou folheados, na fase de projeto de um motor síncrono.
a) O arranque
O arranque assíncrono do motor síncrono realiza-se com máquinas das mais diversas potências, ao longo do tempo foram muitas as instalações executadas e foram sendo incorporados os conhecimentos entre tantos adquiridos.
O arranque direto
O arranque direto consiste essencialmente num arranque assíncrono à tensão nominal, mas nesta designação também podem estar incluídos outros métodos em que por mera alteração da ligação dos enrolamentos se consegue aplicar uma tensão menor a tensão nominal.
Numa grande rede pode utilizar-se a ligação do motor síncrono à rede à tensão nominal do motor,
Quando o momento de inércia do grupo de máquinas é pequeno, o aumento da velocidade sem binário resistente é tao rápido que não se pode considerar que se chegue a estabelecer um binário assíncrono permanente; Nas grandes instalações em que existe um binário resistente elevado, o aumento de velocidade não é tao rápido, mas a corrente de carga no arranque e o binário eletromotor são fortemente diminuídos devidos devido à reactância suplementar no circuito estatórico, correspondente aos condutores de ligação e ao transformador. Nesta situação a corrente de arranque é muito elevada, o que condiciona os aspetos construtivos dos enrolamentos estatóricos e rotóricos, sobretudo quando a situação de arranque é frequente.
Perante os problemas causados pelo arranque direto (sobreintensidade da corrente inadmissível, esforços mecânicos no veio), procura-se sempre reduzir a tensão aplicada.
Arranque estrela – triangulo
Quando o motor tem ambos os terminais do enrolamento de fase acessíveis e está desenhado para uma operação normal com as fases ligadas em triângulo, então esses enrolamentos de fase podem ser ligados em estrela durante a primeira parte do processo de arranque.
Este método é apenas utilizado para máquinas de pequena potencia associados a uma carga com uma inércia razoável.
Arranque série - paralelo
Quando o motor tem um enrolamento do circuito induzido, formado por dois sub-enrolamentos que no funcionamento normal estão ligados em paralelo, pode se reduzir o pico da corrente inicial utilizado uma ligação serie dos sub – enrolamentos durante o arranque.5.3.5.4. Arranque com enrolamento parcial.
