87725064 ap de laboratorio de comandos eletricos 2012

2012

Laboratório de

Comandos Elétricos II

Curso Técnico em Eletrotécnica

NILTON CÉSAR FIGUEIRA

C O L É G I O I G U A Ç U , F O Z D O I G U A Ç U P A R A N Á

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LABORATÓRIO DE COMANDOS ELÉTRICOS – ELETROTÉCNICA – COLÉGIO IGUAÇU – FOZ

DO IGUAÇU -PR

Curso de Eletrotécnica

Laboratório de Comandos Elétricos

4º Módulo

Esta apostila visa fornecer apóio teórico para os alunos do Curso de Eletrotécnica do Colégio

Iguaçu de Foz do Iguaçu, na matéria de Laboratório de Comandos Elétricos II. Serão abordados

as chaves de partida de motores de indução trifásicos, arquitetura e princípios de

funcionamento sobre CLP, Soft-Starters e Inversores de Freqüência.

Cabe destacar que para o aluno é neste momento, a oportunidade de desenvolver e adquirir a

capacidade de raciocínio lógico para elaborar projetos de acionamento envolvendo motores e,

por conseguinte demais dispositivos para a automação de sistema industrial.

Nilton César Figueira

Foz do Iguaçu, 10/03/2012

Site do professor

http: //sites.google.com/site/niltoncesarfigueira

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SUMÁRIO

1. MOTORES ASSÍNCRONOS ................................................................................................... 5

1.1. A CURVA CONJUGADO X ACELERAÇÃO DE UM MIT ................................................. 6

2. CHAVES DE PARTIDA DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS ........................................... 7

2.1. CHAVE DE PARTIDA DIRETA ......................................................................................... 7

2.1.1. ESQUEMA DE LIGAÇÃO DA CHAVE DE PARTIDA DIRETA .................................... 8

2.1.2. DIMENSIONAMENTO DA CHAVE DE PARTIDA DIRETA ........................................ 8

2.2. PARTIDA ESTRELA-TRIÂNGULO .................................................................................. 10

2.2.1 ESQUEMA DE LIGAÇÃO DE UMA CHAVE ESTRELA-TRIÂNGULO ........................ 10

2.2.2. EQUACIONAMENTO DE UMA CHAVE ESTRELA-TRIÂNGULO ............................ 12

2.2.3. EXEMPLO DE DIMENSIONAMENTO DE UMA CHAVE ESTRELA-TRIÂNGULO .... 14

2.2.4. VANTAGENS DA CHAVE ESTRELA-TRIÂNGULO .................................................. 15

2.2.5. DESVANTAGENS DA CHAVE ESTRELA-TRIÂNGULO............................................ 15

2.3. PARTIDA COMPENSADA ............................................................................................. 16

2.3.1. AUTOTRANSFORMADOR DE PARTIDA ............................................................... 16

2.3.2. ESQUEMA DE LIGAÇÃO DA CHAVE COMPENSADORA ...................................... 18

2.3.3. EQUACIONAMENTO DA CHAVE DE PARTIDA COMPENSADORA ...................... 19

2.3.4. EXEMPLO DE DIMENSIONAMENTO DE UMA CHAVE COMPENSADORA .......... 22

2.3.5. VANTAGENS DA CHAVE COMPENSADORA ........................................................ 22

2.3.6. DESVANTAGENS DA CHAVE COMPENSADORA.................................................. 23

3. PARTIDA ELETRÔNICA (SOFT STARTER) ............................................................................. 23

3.1. FUNCIONAMENTO DA SOFT-STARTERS ..................................................................... 24

3.1.1. CIRCUITO DE POTÊNCIA ...................................................................................... 25

3.1.2. CIRCUITO DE CONTROLE ..................................................................................... 25

3.2. PRINCIPAIS FUNÇÕES DA SOFT-STARTER .................................................................. 25

3.2.1. RAMPA DE TENSÃO NA ACELERAÇÃO................................................................ 25

3.2.2. RAMPA DE TENSÃO NA DESACELERAÇÃO ......................................................... 26

3.2.3. PULSO DE TENSÃO DE PARTIDA (KICK START) ................................................... 27

3.2.4. LIMITAÇÃO DE CORRENTE .................................................................................. 28

3.3. PROTEÇÕES ................................................................................................................. 28

3.4. DESCRIÇÃO DOS PARÂMETROS ................................................................................. 29

3.5. FORMAS DE LIGAÇÃO ................................................................................................. 29

3.5.1. LIGAÇÃO DIRETA ................................................................................................. 29

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3.5.2. LIGAÇÃO COM CONTATOR EM PARALELO (CONTATOR DE BY PASS) ............... 30

3.5.3. LIGAÇÃO EM PARTIDA SEQUENCIAL DE DIVERSOS MOTORES ......................... 31

3.5.4. LIGAÇÃO SIMULTÂNEA DE DIVERSOS MOTORES .............................................. 31

3.5.5. DIAGRAMA DE COMANDO DA SOFT-STARTER .................................................. 32

4. INVERSORES DE FREQUÊNCIA NO ACIONAMENTO DE MOTORES .................................... 32

4.1. INTRODUÇÃO AO INVERSOR DE FREQUÊNCIA .......................................................... 32

4.2. FUNCIONAMENTO DO INVERSOR DE FREQUÊNCIA .................................................. 33

4.3. TIPOS DE INVERSORES DE FREQUÊNCIA .................................................................... 35

4.3.1. INVERSOR ESCALAR ............................................................................................ 35

4.3.2. INVERSOR VETORIAL .......................................................................................... 35

4.4. BLOCOS COMPONENTES DO INVERSOR .................................................................... 36

4.4.1. BLOCO CPU .......................................................................................................... 36

4.4.2. BLOCO IHM ......................................................................................................... 36

4.4.3. BLOCO INTERFACES ............................................................................................ 37

4.4.4. BLOCO ETAPA DE POTÊNCIA .............................................................................. 37

4.5. SISTEMA DE ENTRADA DE DADOS E SAÍDA DE DADOS ............................................. 37

4.6. FORMAS DE VARIAÇÃO DE VELOCIDADE EM UM INVERSOR DE FREQUÊNCIA ........ 37

4.6.1. ACIONAMENTO PELA IHM .................................................................................. 37

4.6.2. ACIONAMENTO PELAS ENTRADAS DIGITAIS ..................................................... 38

4.6.3. ACIONAMENTO PELA FUNÇÃO MULTISPEED .................................................... 38

4.6.4. ACIONAMENTO PELAS ENTRADAS ANALÓGICAS .............................................. 39

4.6.5. PELO POTENCIÔMETRO ...................................................................................... 39

4.6.6. PELA FONTE DE TENSÃO OU CORRENTE EXTERNAS .......................................... 39

4.7. CONSIDERAÇÕES SOBRE O USO DE INVERSORES DE FREQUÊNCIA .......................... 39

5. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL .......................................................................... 40

5.1. INTRODUÇÃO AO CLP ................................................................................................. 41

5.1.1. DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS ITENS .................................................................... 42

5.2. FUNCIONAMENTO DOS CLP ....................................................................................... 46

5.3. VANTAGENS E DESVANTAGENS DO USO DO CLP ...................................................... 49

5.4. PROGRAMAÇÃO DO CLP ............................................................................................ 49

REFERÊNCIA BIBLIOGRAFICA ...................................................................................................... 51

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1. MOTORES ASSÍNCRONOS

Os motores assíncronos ou de indução, por serem robustos e baratos, são os motores mais

largamente empregados na indústria. Nestes motores, o campo girante roda a velocidade

síncrona, como nas máquinas síncronas.

Teoricamente, para o motor girando a vazio e sem perdas, o rotor teria também a velocidade

síncrona. Entretanto, ao ser aplicado um conjugado externo ao motor, o seu rotor diminuirá de

velocidade na justa proporção necessária para que a corrente induzida pela diferença de

rotação entre o campo girante (síncrono) e o rotor, passe a produzir um conjugado

eletromagnético igual e oposto ao externamente aplicado. O conjugado eletromagnético é

proporcional ao fluxo produzido pelo campo girante, e à corrente e fator de potência do rotor.

A perda de rotação do rotor (necessária para que o conjugado eletromagnético seja

produzido), expressa por unidade de velocidade síncrona, chama-se escorregamento:

� � ��

O conjugado eletromecânico pode ser expresso pela relação:

� ��

Onde:

� é a potência do campo girante que gira a uma velocidade angular síncrona ��. Por outro

lado, se � é a potência mecânica fornecida através do eixo, que gira a uma velocidade angular

ω radianos por segundo

� �

Portanto:

� �. �� . �

Ou seja, a potência cedida pelo eixo é igual à potência disponível no entreferro máquina �

(potência do campo girante), menos as parcelas correspondentes às perdas no rotor �. � .

A rotação do eixo do motor é expressa por:

� � ��. � . ��

Onde:

� = rotação em rpm no eixo do rotor;

f = freqüência em Hz; P = número de pólos;

S = escorregamento

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Figura 1.1: Estrutura básica de um motor de indução.

A freqüência da corrente induzida no rotor é igual ao escorregamento vezes a freqüência do

estator, ou seja:

�� . ��

Onde:

�� é a freqüência da corrente estatórica

�� é a freqüência da corrente rotórica

1.1. A CURVA CONJUGADO X ACELERAÇÃO DE UM MIT

Figura 1.2: Características um motor com partida a plena tensão.

Na figura 1.2 temos a característica da curva de partida de um MIT. Podemos notar a curva da

corrente no estator a plena tensão, bem como o torque fornecido pelo rotor da máquina

durante o processo de aceleração.

Repare que a curva do torque da carga também aumenta com a aceleração ou amento de

rotação (há outras curvas características de cargas). No ponto onde a curva do conjugado da

carga cruza a do conjugado do motor, é o ponto ideal de funcionamento do sistema.

No eixo da abscissa temos a rotação do motor. Repare que 100% da RPM nominal é

equivalente à rotação síncrona (rotação do campo girante do estator igual ao do rotor) e nesta

velocidade o motor não desenvolve conjugado.

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2. CHAVES DE PARTIDA DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS

Durante a partida de um MIT, a velocidade de um motor é praticamente nula e a corrente é

máxima se mantendo neste patamar até próximo da velocidade de trabalho do motor. Isto

quer dizer que a corrente de um motor é função da tensão aplicada sobre ele.

A função das chaves de partida é a redução da tensão durante a partida dos motores e após

certo intervalo, fornecer tensão nominal ao motor, quando então já estará próximo de

atingir a sua rotação de trabalho.

2.1. CHAVE DE PARTIDA DIRETA

A partida direta é a forma mais simples de partir um MIT, na qual as três fases são ligadas

diretamente ao motor, ocorrendo um pico de corrente. Sempre, que possível, a partida deverá

ser direta, por meio de contatores.

A partida direta deverá ser utilizada nos seguintes casos:

� Baixa potência do motor

� A máquina acionada não necessita de uma aceleração progressiva ou esta equipada com

redutores mecânicos de velocidade

� Conjugado de partida elevado

Assim, fica fácil enumerar as vantagens de uma chave de partida direta:

� Equipamento simples, de fácil construção e projeto

� Conjugado de partida elevado

� Partida rápida

� Baixo custo

Nos casos em que a corrente do motor é elevada, podem ocorrer as seguintes conseqüências

prejudiciais:

� Elevada queda de tensão no sistema de alimentação da rede. Em função disto, provoca

interferências em equipamentos instalados no sistema;

� O sistema de proteção (cabos, contatores), deverá ser superdimensionado, ocasionando

um custo elevado;

� A imposição das concessionárias de energia que impõem restrições de queda de tensão na

rede (abaixo de 5 CV uso comercial e abaixo de 10 CV uso industrial)

OBSEVAÇÕES:

� Na partida direta, a corrente de partida é diretamente proporcional à tensão de

alimentação e diminuí à medida que a velocidade aumenta

� O conjugado de partida varia proporcionalmente ao quadrado da alimentação

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2.1.1. ESQUEMA DE LIGAÇÃO DA CHAVE DE PARTIDA DIRETA

Figura 2.1: Esquema de comando de uma partida direta.

No diagrama de força, a proteção por curto-circuito é fornecida por três fusíveis: L1, L2 e L3. As

três fases são conectadas aos contatos de força do contator K1; do contator K1, as fases são

conectadas ao relé térmico FT1, o qual efetua a proteção por sobrecarga. Do relé térmico FT1,

os três cabos são conectados aos bornes de ligação do motor.

O circuito de comando é alimentado pela fase L e neutro N. A proteção do circuito de comando

e proporcionado pelo fusível L1. O circuito funciona da seguinte maneira:

Ao pressionarmos a botoeira S1 (NA), o circuito de corrente até a bobina do contator K1 será

fechado alimentado a bobina de K1 e acendendo a lâmpada H1. Assim, K1 irá atracar,

fechando os contatos NA e abrindo os NF. O contato NA (13-14) fechando, fornece um

caminho em paralelo com a botoeira S1 para alimentar a bobina de K1 e a lâmpada H1.

O contato NA (13-14) tem a função de selo (contato de selo), pois quando tirarmos a pressão

sobre a botoeira S1 ela abrirá, porém, como o contato NA (13-14) estará fechado, o bobina de

K1 continuará energizada, mantendo a atração sobre a armadura móvel.

Simultaneamente ao fechamento do contato NA (13-14), os contatos de força de K1 também

fecharam, acionando o motor. Veja que para desligar o motor, podemos acionar a botoeira S0

(NF) ou então, ocorrendo uma atuação do relé térmico FT1. Atuação de FT1 causará a abertura

dos contatos NF (95-96). Lembrando que neste caso teremos que rearmar manualmente o

dispositivo de trava do contato do relé térmico para podermos religar o motor.

2.1.2. DIMENSIONAMENTO DA CHAVE DE PARTIDA DIRETA

Como a chave de partida direta é muito simples, vamos direto a um exemplo. Imagine que

tenhamos um motor de 20 cv, seis pólos, 380 V/60 Hz, com tensão de comando de 220 V,

Tp = 2 s e queiramos determinar as características dos componentes da chave de partida direta

para acionarmos este motor.

Dados de placa do motor:

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In (380) = 32, 35 A � (corrente nominal do motor)

Ip/In = 7, 5 � (é a relação característica de fábrica entre a corrente de partida e a corrente

nominal do motor)

Assim temos a corrente de partida Ip = 244,07 A

Tp é o tempo de partida do motor

a. DIMENSIONAMENTO DO CONTATOR K1:

Para dimensionarmos K1, devemos levar em conta a corrente nominal do motor (In), para

determinarmos a corrente do contator (Ie). Assim temos:

�� 32,35 %

Basta localizar no catálogo do fabricando o contator que tenha esta corrente.

b. DIMENSIONAMENTO DO RELÉ DE SOBRECARGA FT1:

O relé deve ter uma faixa de ajuste em que a corrente nominal do motor esteja incluída. Basta

localizar no catálogo do fabricante o relé que possua a referida faixa de ajuste.

c. DIMENSIONAMENTO DOS FUSÍVEIS:

Tomando como base a corrente e o tempo de partida, tem-se:

Figura 2.2: Esboço da curva característica do fusível.

Entrando com os valores de corrente e tempo de partida, escolhemos o fusível (If) de 50 A. Ao

final, a corrente do fusível deve satisfazer as seguintes condições:

�& � 1,2 ( ��

�& ) �&*á,��: a máxima corrente de curto-circuito que o fusível permite circular no sistema

deve ser menor que a máxima corrente suportada pelos contados do contator.

�& ) �&*á,./�: a máxima corrente de curto-circuito que o fusível permite circular no sistema

deve ser menor que a máxima corrente suportada pelos contados do relé térmico.

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EXERCÍCIO PROPOSTO 2.1: Faça um comando onde dois motores (M1 e M2) acionados por

partida direta, onde M2 apenas possa ser ligado se M1 estiver ligado.

2.2. PARTIDA ESTRELA-TRIÂNGULO

Consiste na alimentação do motor com uma redução de tensão nas bobinas durante a sua

partida. O motor parte em estrela, isto é, com uma tensão de 58% da tensão nominal, e após

certo tempo a ligação é convertida em triângulo, assumindo a tensão nominal.

Esta chave proporciona uma redução na corrente de partida de aproximadamente 33%. Deve

ser usada em aplicações que tenha o conjugado resistente de até um terço do conjugado de

partida do motor em estrela.

Uma vez que o conjugado de partida é proporcional ao quadrado da tensão de alimentação,

teremos um conjugado de 20% a 50% do conjugado nominal. A velocidade do motor estabiliza-

se quando os conjugados motor e resistente se equilibram, geralmente entre 75% a 85% da

velocidade nominal. Os enrolamentos são ligados em triângulo e o motor recupera as suas

características nominais. A passagem da ligação estrela para a ligação em triângulo é feita por

um temporizador.

Figura 2.3: Corrente de partida e conjugado de partida na chave estrela-triângulo.

Para ser possível a ligação estrela-triângulo, os motores devem ter a possibilidade de ligação

em dupla tensão (220V/380V, 380V/660V). Os motores devem ter no mínimo seis bornes de

ligação.

2.2.1 ESQUEMA DE LIGAÇÃO DE UMA CHAVE ESTRELA-TRIÂNGULO

A seguir iremos analisar o esquema de ligação de uma chave estrela-triângulo. Para isto, nos

basearemos nos diagramas de comando e de força a baixo.

Veja que no diagrama de força, precisamos de três contatores. O K3 faz o fechamento em

estrela e será fechado durante a partida do motor. Após transcorrido o tempo de partida

programado no temporizador KT1, K3 será aberto.

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O contator K1 será fechado na partida junto com K3 e o motor parte em estrela (K3 e K1

fechados). Assim que transcorrer o tempo de ajuste em KT1, K3 será aberto e K2 fechado.

Então o motor estará ligado em triângulo (K1 e K2 fechados).

Figura 2.4: Diagrama de comando e força da chave estrela-triângulo.

No diagrama de comando, ao pressionar SH1 será energizado e mantido energizado pelo

contato de K1 NA-13/14 o relé de tempo KT1. KT1 é um relé de tempo projetado para este tipo

de partida e quando energizado, o contato NF-15/16 comuta para NA-15/18 (o ponto 15 é

comum) e o outro contato de KT1 NF-25/26 (NA-25/28 o ponto 25 é comum) não comuta.

Então o relé começará a contar o tempo programado. Depois de transcorrido o tempo

ajustado em KT1, o contato 15-18 volta para 15-16 e após cerca de 30 a 100 ms o contato 25-

26 comuta para 25-28 e continua assim, até que a alimentação seja retirada.

Então, transcorrido o tempo programado em KT1, o contato 15/18 comuta para 15/16,

desligado K3, porém K1 continuará energizado pelo seu selo NA-23/24. Neste momento o

circuito das bobinas do motor estará aberto. Cerca de 30 a 100 ms ocorre a comutação do

contato de KT1 25/26 para 25/28. Como K3 já está desligado, seu contato NF2-21/22 em série

com a bobina de K2 estará novamente fechado e o contator K2 será ligado. O motor então está

ligado em triângulo e recupera suas características nominais. A lâmpada H1 acenderá.

O contato NF-21/22 de K3 em série com a bobina de K2 abre. Isto é para garantir

intertravamente elétrico, pois os dois contatores nunca podem ser energizados ao mesmo

tempo.

O contato de K2 NA-13/14 fecha em paralelo com o NA-25/28 para garantir que K2 fique

energizado, apesar de que neste tipo de comando, o relé de tempo KT1 ficará sempre

energizado, mais é uma garantia. Para desligar o comando é através da botoeira NF SH1 ou

atuação do relé térmico ou a queima do fusível de comando.

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2.2.2. EQUACIONAMENTO DE UMA CHAVE ESTRELA-TRIÂNGULO

2.2.2.1. EQUACIONAMENTO DO TORQUE

Sendo Vn a tensão de alimentação de cada uma das fases do enrolamento do motor, o

conjugado desenvolvido e dado pela seguinte equação:

0∆ � 2 ( 3��

Sendo:

4∆: Torque desenvolvido na ligação delta

5: Constante do motor

6�: Tensão nominal de cada uma das fases

3� � 37�89:9� 0∆ � 2 ( 37�89:9��

Quando é feita a ligação em estrela, temos a tensão de fase 6& aplicada ao motor e esta tensão

é dada por:

3� �3;�89:9�√=

Temos então o torque em estrela dado por:

0> � 2 ( ?37�89:9�√= @

� 0> � 2 (

37�89:9��

=

Podemos escrever esta equação da seguinte forma:

0> � 0∆=

Como o motor parte em y, temos uma redução de um terço do conjugado do motor.

2.2.2.2. DETERMINAÇÃO DAS CORRENTES DA CHAVE ESTRELA-TRIÂNGULO

Para determinarmos as correntes nos circuitos de uma chave estrela-triângulo, primeiro

consideremos o diagrama unifilar da figura 2.5. Assim consideremos IK1, IK2 e IK3 as correntes

que circulam no contatores K1, K2 e K3 respectivamente. O que nos interessa é as correntes

que circulam pelos contatores.

Para tanto, consideremos a ligação do motor em triângulo para obtermos os respectivos

valores de corrente. A figura 2.5 também tem a ligação do motor em triângulo. Considerando

que corrente de linha é igual à corrente nominal:

A; � A�

A relação entre a corrente em delta e a corrente de linha (alimentação) é dada por:

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A∆ � A;√=

Como a corrente de delta �∆ é a mesma que circula nos contatores K1 e K2, tem-se que:

A∆ � A2� � A2� � A;√= � �, BC ( A�

E sua impedância é dada por:

D � E�A�√= D � √=A� ( E�

Figura 2.5: diagrama unifilar da chave estrela-triângulo e a ligação do motor em delta.

Para calcularmos a corrente no contator K3 (IK3), devemos considerar a ligação estrela, pois

ele somente entre em funcionamento na ligação estrela do motor. A figura 2.6 mostra o

diagrama de força da ligação em estrela com suas respectivas correntes.

Figura 2.6: Ligação do motor em estrela.

Desta forma temos a corrente em estrela dada pela tensão dividida pela impedância:

�F � E�√=D A> � E�

√=√= ( E�A�

A> � A�=

A> � �, ==A�

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A corrente do relé de sobrecarga FT1 é a mesma do contator K1, pois o relé está ligado abaixo

desse contator e a corrente que circula nele é a mesma do contator K1. Com isso temos todas

as correntes do circuito:

A2� � A2� � �, BC ( A�

A2= � �, == ( A�

AG0� � �, BC ( A�

A corrente de partida tem uma redução de 33% em relação à partida direta, devido a ligação

estrela-triângulo.

2.2.3. EXEMPLO DE DIMENSIONAMENTO DE UMA CHAVE ESTRELA-TRIÂNGULO

Dimensionar uma chave de partida estrela-triângulo para um motor de 100 cv, dois pólos, 380

V/660 V – 60 Hz, com tensão de comando de 220 V, tempo de partida Tp=10 s.

Dados de placa do motor:

��HIJ K� � 134,44 %; NONP � 8,2

Daí, obtemos a corrente de partida: �R � NONP ( ��HIJ K� � 1102,49 %

Números de contatos auxiliares:

Normalmente em uma chave estrela-triângulo necessita-se, para o contator K1, de dois

contatos NA e para os contatores K2 e K3, um contato NA e um NF.

a. Dimensionamento dos contatores K1 e K2:

�� 0,58 ( �� U �� 78 %

b. Dimensionamento do contator K3:

�� 0,33 ( �� U �� 44,4 %

c. Dimensionamento do relé de sobrecorrente:

O relé de sobrecorrente que será utilizado deverá ter uma faixa de ajuste em que esteja a

corrente que passa pelo contator K1.

�� 0,58 ( �� U �� 78 %

d. Dimensionamento dos fusíveis: No momento da partida, a corrente de partida é

reduzida de um terço,

� � 0,33 ( �R U � � 363,8 %

Sendo o tempo de partida 10 segundos, temos o esboço da curva característica do fusível na

figura 2.7.

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Figura 2.7: Curva característica do fusível.

Para fazer o cálculo de corrente devemos atender as três condições, como no cálculo para a

partida direta. É preciso considerar a ligação do motor em estrela. Com isso teremos a

seguinte corrente:

� � 0,58 ( ��

Então, é preciso verificar as condições necessárias:

�&XYí[�\ � 1,2 ( ��

�&XYí[�\ ) �&XYí[�\]á,��

�&XYí[�\ ) �&XYí[�\]á,./�

2.2.4. VANTAGENS DA CHAVE ESTRELA-TRIÂNGULO

� Baixo custo em relação à chave compensadora

� Pequeno espaço ocupado pelos componentes

� Sem limite máximo de manobras

2.2.5. DESVANTAGENS DA CHAVE ESTRELA-TRIÂNGULO

� Se o motor não atingir pelo menos 90% de sua rotação nominal, na comutação para a

ligação triângulo, o pico de corrente é quase o mesmo da partida direta

� O motor deve ter pelo menos seis terminais acessíveis para a ligação

� O valor da tensão da rede deve coincidir com o valor de tensão da ligação triângulo do

motor

EXERCÍCIO PROPOSOTO 2.2: Projete o comando de uma chave estrela-triângulo utilizando o

mesmo circuito de força apresentado na figura 2.6, porém, o relé de tempo KT1 utilizado será

o RTW-RE da Weg. Este temporizador possui a função de retardo na energização, isto é, após a

energização do relé, inicia-se a contagem de tempo ajustado em um dial. Decorrido este

período ocorrerá a comutação dos contatos de saída, os quais permanecem neste estado até

que a alimentação seja interrompida.

Na figura a baixo temos a representação do temporizador com os contatos disponíveis do relé

de tempo do tipo RTW-RE-1E da Weg.

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Exercício proposto 2.3: Projete um comando para a reversão do sentido de rotação de um

motor de indução trifásico. O comando deve permitir acionar o motor para a direita ou

esquerda, porém, ao desligar o motor deve ser previsto uma temporização de intertravamento

que só permitirá ligar novamente o motor após transcorrido o tempo ajustado no

temporizador. Isto para garantir a parada do motor, antes de outro acionamento. Use o

mesmo temporizador do exercício anterior.

2.3. PARTIDA COMPENSADA

Essa chave de partida alimenta as bobinas do motor com tensão reduzida na partida. A

redução da tensão é feita por meio de um autotransformador em série com as bobinas. Após

realizada a partida, as bobinas do motor recebem tensão nominal. Na maior parte dos casos a

chave de partida compensadora é composta dos seguintes equipamentos:

� Um autotransformador ligado em y

� Três contatores

� Um relé de sobrecarga

� Três fusíveis retardados

� Um relé de tempo

Pode-se optar por colocar um disjuntor motor em vez de relé de sobrecarga e fusíveis

retardados, porém nossos exemplos serão todos com relé de sobrecarga e fusíveis.

2.3.1. AUTOTRANSFORMADOR DE PARTIDA

O autotransformador de partida possui um núcleo magnético plano, formado por três colunas

de chapa de aço silício fechadas no topo. Três enrolamentos estão localizados nas colunas. Os

terminais inferiores desses enrolamentos são conectados em estrela, formando um centro que

é suspenso. Ao longo do enrolamento do autotransformador são feitos TAPS operacionais nas

alturas das tensões de 50%, 65% e 80% da tensão aplicada na fase. São colocados sensores

(sondas térmicas) que acompanham o crescimento da temperatura dos enrolamentos do

autotransformador e impedem o acionamento se a temperatura atingir determinado valor.

Desta forma, o conjugado motor da máquina acionada e a corrente que circula no

enrolamento do motor ficam reduzidos por fatores correspondentes ao TAP escolhido para a

operação. A corrente ao longo de todo o processo de partida do motor fica reduzida em

função da aplicação de uma tensão menor do que a nominal nos terminais do motor em

processo de partida.

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Como conseqüência direta deste fato, o conjugado também se reduz e a curva característica

de conjugado X rotação tem um valor inferior à curva característica de a plena tensão. Este

novo posicionamento da curva característica depende do TAP escolhido no

autotransformador.

Essa partida é usada geralmente para motores acima de 15 cv. A partida é feita em três etapas:

i. O autotransformador é ligado primeiramente em estrela e em seguida o motor é ligado à

rede por intermédio de uma parte dos enrolamentos do autotransformador. A partida é

feita com uma tensão reduzida em função da relação de transformação. O

autotransformador possui derivações que permitem escolher a relação de transformação e

a tensão reduzida mais apropriada.

ii. Na segunda etapa, antes de passar à tensão plena, a ligação em estrela é aberta. Esta

operação é realizada quando se atinge a velocidade de equilíbrio no final do primeiro

período.

iii. A ligação à plena tensão após a segunda etapa, em que o autotransformador é desligado

do circuito. A corrente e o conjugado de partida variam nas mesmas proporções obtendo-

se a seguinte faixa de ajuste: �R^_`ab^ � 1,7 c 4 defe� c ghiie�je �hkl�cm

Figura 2.8: Autotransformador trifásico com os seus TAPS.

Na figura 2.9 temos um gráfico que ilustra o comportamento da corrente de partida da chave

compensadora com relação à partida direta. Com relação ao conjugado, teremos uma partida

de 50% a 85% do conjugado nominal, dependendo do TAP a ser escolhido, também ilustrado

na figura 2.9.

Assim temos a redução da tensão aplicada no motor, de acordo com a derivação do

autotransformador (TAP) no qual está ligado:

TAP 65%: reduz para 42% o valor da partida direta

TAP 80%: reduz para 64% o valor da partida direta

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A chave de partida compensadora pode ser usada para partir motores sob carga, os quais

podem ser de tensão única e possuírem apenas três cabos.

Figura 2.9: Conjugado e corrente de partida na chave compensadora.

2.3.2. ESQUEMA DE LIGAÇÃO DA CHAVE COMPENSADORA

Figura 2.10: Diagrama de força e comando de uma chave compensadora.

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Pressionando o botão SH1, é acionado o contator K3, que fecha o lado secundário do

autotransformador e através de seu contato NA-13/14 energiza a bobina do contator K2,

conectando o autotransformador à rede. K2 fica selado pelo seu contato NA-13/14 (este

mesmo contato também serve para selar K3 – observe que o NA-13/14 de K3 fica fechado).

Com K3 e K2 fechados nesta sequência, o motor parte com tensão reduzida.

O contato NA-43/42 de K2 energiza o relé de tempo KT1. Após transcorrido o tempo

programado em KT1, o contato NF-15/16 de KT1 comuta e K3 é desenergizado. Então é

fechado o contato NF-21/22 de K3 e através do contato NA-13/14 de K2 é energizado a bobina

de K1.

Com a energização de K1, seu contato NF-21/22 abre, desenergizando K2 e o contator K1 se

mantém acionado pelo seu contato NA-13/14. Com isso, o motor passa a receber a tensão

plena da rede.

Para desligar o comando, basta pressionar a botoeira NF SH0. O rompimento do fusível de

comando F21 ou a atuação do relé de sobrecarga (relé FT1 contato NF-95/96) ou a atuação da

proteção contra alta temperatura no enrolamento do autotrafo (o termistor T1 X1/X2)

provocam o desligamento do motor, somente possibilitando a nova partida após restabelecido

estes dispositivos de proteção.

2.3.3. EQUACIONAMENTO DA CHAVE DE PARTIDA COMPENSADORA

2.3.3.1. CONJUGADO DE PARTIDA DA CHAVE COMPENSADORA

Como é utilizado um autotransformador para a partida do motor, devemos levar em conta as

equações que relacionam as suas tensões e correntes.

39�n8o:op9�n8o:o �

3�oí:op�oí:o � o �o é o 89;oçãt :9 n8o��t8uoçãt�

A9�n8o:o ( p9�n8o:o � A�oí:o ( p�oí:o U A9�n8o:o � A�oí:o ( o

Figura 2.11: Autotransformador e suas correntes.

Já vimos que o torque é dado pela equação:

0 � 2 ( 3��

Sendo:

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4: Torque do motor; 5: Constante do motor e 6�: Tensão do motor

O torque de partida nominal pode ser escrito da seguinte forma: 0v�� 2v�� ( 3��

Como: 3�oí:o39�n8o:o � o o conjugado com a adição da chave compensadora será: 0v�w� � 2v�w� ( 3�oí:o�

Assim: 0v�w� � 2v�w� o� ( 39�n8o:o�

Como a tensão de entrada do autotransformador é a própria tensão da fonte de alimentação,

teremos:

0v�w� � 2v�w� o� ( 3�� U 0v�w� � o� ( 2v�w� 3�� U 0v�w� � o�0v�� A equação mostra que o conjugado compensado é o produto do conjugado nominal (obtido

com a aplicação da tensão nominal do motor) pela relação do número de espiras ao quadrado.

Assim, se for aplicado uma relação de transformação de 0,5, o conjugado fica reduzido a 25%

do conjugado nominal. No quadro abaixo temos a representação da relação entre os

conjugados dos TAPS comercialmente mais encontrados:

Tabela 2.1: Conjugados de acordo com os TAPS de autotransformadores comerciais.

É fundamental conhecer o conjugado resistente imposto pela carga no processo de partida

para escolher o TAP que será utilizado, pois como foi visto a redução do conjugado de partida

é muito grande e o motor pode não ter conjugado suficiente para vencer o conjugado

resistente da carga e não partir.

2.3.3.2. DETERMINAÇÃO DAS CORRENTES DA CHAVE COMPENSADORA

Para determinarmos as correntes no circuito da chave compensadora, primeiramente vamos

considerar o diagrama unifilar do circuito de força abaixo.

Figura 2.12: Diagrama unifilar do circuito de força

de uma chave compensadora.

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No contator K1 temos a corrente nominal aplicada:

A2� � A�

Como a impedância do motor é constante, sendo aplicado corrente e tensão nominal tem-

se: D � E�A� Desta forma, quando aplicarmos a tensão reduzida, temos: D � 2(E�

A�

Como a impedância é constante: E�A� �

2(E�A� Como a potência no primário é a mesma que a do

secundário pode escrever a seguinte equação:

� � E� ( A� xc je��ãh yilkáilc é c je��ãh �hkl�cm Av8 � A� z mh{h: v8 � Ev8 ( Av8 As equações do secundário são as seguintes:

� � E� ( A�; E� � 2 ( E�; A� � 2 ( A� Fazendo a igualdade das potências do primário e secundário:

� � v8 � Ev8 ( Av8 | E� ( A� � 2 ( E� ( 2 ( A� � E� ( A}� | A}� � 2� ( A� Então a corrente no contator K2 é dada por: A}� � 2� ( A�

Cálculo da corrente no contator K3:

A� � A}� ~ A}= | A}= � A� � A}�� A}= � A� �2� ( A� | A}= � 2 ( A� �2� ( A��

� A}= � A��2 � 2�� A corrente no relé de sobrecarga FT1 é a mesma que no contator K1, pois o relé está ligado

abaixo deste contator e a corrente que circula nele é a mesma do contator K1. Com isso temos

todas as correntes do circuito.

A}� � A�; A}� � 2� ( A�; A}= � A�x2 � 2�z; 9 AG0� � A2�

A tabela 2.2 mostra os valores das correntes nos contatores K2 e K3 para os seguintes TAPS

dos autotransformadores:

Tabela 2.2: Corrente nos contatores K2 e K3 a partir das relações de TAPs do autotrafo.

A redução da corrente de partida é proporcional ao quadrado do fator de redução K.

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2.3.4. EXEMPLO DE DIMENSIONAMENTO DE UMA CHAVE COMPENSADORA

Dimensionar uma chave de partida compensadora para um motor de 30 cv, oito pólos, 220

V/60 Hz, com tensão de comando de 220 V, TAP de 80% e tempo de partida

4R � 15 �e{��h�. Dados de placa do motor:

��J K� � 77,1 %; �R�� 8; �R � 617 %

a. Dimensionamento do contator K1: �� 77,1 %

b. Dimensionamento do contator K2: �� 5� ( �� 0,8� ( 77,1 �� 49,3 %

c. Dimensionamento do contator K3: ��H � ��5 � 5�� H � 77,1�0,8 � 0,8�� H � 12,3 %

d. Dimensionamento do relé de sobrecarga: �./� � �� ./� � 77,1 %

Deve ser escolhido um relé que tenha a faixa de ajuste dentro da corrente nominal do motor.

e. Dimensionamento dos fusíveis: A corrente de partida se reduz pelo fator 5�, e como

estamos considerando K=0,8, temos 5� � 0,64

Assim: �R^_`ab^ � 617 ( 0,64 �R^_`ab^ � 394,9 % e considerando o tempo de partida 15 s.

No esboço da curva do fusível, temos:

Figura 2.13: Esboço da curva do fusível.

O fusível escolhido será o de 125 A.

�� ; �� 5� ( ��; ��H � ��5 � 5��; e �./� � ��

2.3.5. VANTAGENS DA CHAVE COMPENSADORA

� Na comutação do TAP de partida para a tensão da rede, o motor não é desligado e o

segundo pico é bem menor.

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� Para que o motor possa partir satisfatoriamente, é possível variar o TAP de 65%, 80% ou

até 90% da tensão da rede.

� O valor da tensão da rede pode ser igual ao valor da tensão da ligação triângulo ou estrela

do motor.

� O motor somente necessita de três bornes externos.

2.3.6. DESVANTAGENS DA CHAVE COMPENSADORA

� Limitação de manobras.

� Custo mais elevado em função do autotransformador.

Maior espaço ocupado no painel devido o tamanho do autotransformador.

EXERCÍCIO PROPOSTO 2.4: Projete o comando de uma chave compensadora e utilize o mesmo

circuito de força da figura 2.10, porém, utilize um relé de tempo tipo RTW-RD da Weg. Este

relé é do tipo retardo na desenergização, ou seja, após a energização do relé, os contatos de

saída comutam instantaneamente. Quando se retira a tensão do relé, os contatos retornam à

posição original depois de transcorrido o tempo programado no relé.

EXRCÍCIO PROPOSTO 2.5: Projete uma chave compensadora que utiliza um autotransformador

para partir 2 motores. Veja bem, você terá um autotransformador a poderá partir qualquer

dos motores (M2 e M2) desde que não seja simultaneamente. Não esquece de colocar no

sistema de comando o termistor em série para proteção do autotrafo por sobreaquecimento.

3. PARTIDA ELETRÔNICA (SOFT STARTER)

Com o advento da eletrônica de potência, torna-se cada vez mais econômico e prático o uso de

chaves eletrônicas de partida de motores. As chaves de partida soft-starter são destinadas ao

comando de motores, assegurando a aceleração e desaceleração progressivas e permitindo

uma adaptação da velocidade às condições de operação.

A alimentação do motor, quando é colocado em funcionamento, é feito por aumento

progressivo de tensão, o que permite uma partida sem golpes e reduz o pico de corrente. Isso

é obtido por meio de um conversor com tiristores antiparalelo, montados de dois a dois em

cada fase da rede.

A subida progressiva de tensão pode ser controlada pela rampa de aceleração ou dependente

da corrente de limitação, ou ligada a estes dois parâmetros. Assim a soft-starter assegura:

� O controle das características de funcionamento, principalmente durante os períodos de

partida e parada;

� A proteção térmica do motor e do controlador;

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� A proteção mecânica da máquina acionada por supressão dos golpes e redução da

corrente de partida.

Utilizando a partida direta, os motores de indução apresentam surtos de corrente e conjugado

indesejáveis. Para minimizar tais surtos, usamos as partidas estrela-triângulo e compensadora.

De fato estas técnicas conseguem uma redução na corrente de partida, porém a comutação é

por degraus de tensão. Entretanto nenhuma delas se compara com a partida suave. A figura a

baixo permite comparar as curvas de comportamento da corrente de partida para as técnicas

mais usais:

Figura 3.1: Comparativo entre as técnicas de partida.

3.1. FUNCIONAMENTO DA SOFT-STARTERS

O funcionamento de soft-starters está baseado na utilização de tiristores, ou melhor, de uma

fonte tiristorizada, na configuração antiparalela, que é comandada por uma placa de controle

eletrônica, a fim de ajustar a tensão de saída, conforme programação feita pelo usuário. Veja

na figura 3.2 o diagrama simplificado de uma soft-starter. A soft-starter controla a tensão da

rede, por meio do circuito de potência constituído por seis tiristores, variando-se o ângulo de

disparo dos tiristores, variamos a valor da tensão eficaz aplicada ao motor.

Vamos analisar o circuito de potência e o circuito de controle da chave soft-starter.

Figura 3.2: Diagrama de blocos simplificado de uma soft-starter.

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3.1.1. CIRCUITO DE POTÊNCIA

Este circuito é formado por tiristores, onde circula a corrente de carga para o motor, as

proteções e por sensores (geralmente TC).

� O circuito RC (snubber) representado no sistema a cima, tem como função a proteção dos

tiristores devido a variação de tensão ��. � O TC fornece informações para a proteção e manutenção do controle de corrente em

valores pré-definidos.

3.1.2. CIRCUITO DE CONTROLE

É o bloco responsável pelo comando, proteção e sinalização do circuito de potência, bem

como os circuitos utilizados para comando, sinalização e interface homem/máquina (IHM), que

são configurados pelo usuário em função da aplicação.

3.2. PRINCIPAIS FUNÇÕES DA SOFT-STARTER

As chaves soft-starter são, hoje totalmente digitais e permitem programação pelo usuário, de

acordo com a aplicação desejada. Os tiristores são comandados por um microprocessador,

com as seguintes funções básicas:

� Controle das rampas de aceleração e desaceleração;

� Limitação de corrente ajustável;

� Conjugado na partida;

� Frenagem por injeção de corrente contínua;

� Proteção dos acionamentos por sobrecarga;

� Proteção do motor por sobrecarga ou partidas demasiadamente freqüentes;

� Detecção de desequilíbrio falta de fase ou falha nos tiristores;

Vamos descrever estas funções básicas, porém convém ressaltar que cada fabricante muitas

funções em seus produtos os quais denominamos parâmetros de programação.

3.2.1. RAMPA DE TENSÃO NA ACELERAÇÃO

Ao configurar este parâmetro, o usuário determina que a partida do motor seja controlada por

uma rampa de tensão inicial 6R (a qual deve garantir o torque de partida) sendo acelerado até

100% da tensão da rede de alimentação, dentro do intervalo de tempo 4� também

configurável.

Levando em conta que o conjugado é proporcional ao quadrado da tensão e que a corrente

cresce linearmente, podemos controlar o conjugado de partida do motor, assim como a sua

corrente de partida em função do controle da tensão eficaz aplicada aos seus terminais.

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Figura 3.3: Representação da rampa de aceleração e da tensão aplicado ao motor durante a

rampa e após a aceleração durante o tempo de partida setado.

Figura 3.4: Curvas características durante a rampa de aceleração do motor.

O valor da tensão de partida 6R deve ser ajustado de acordo com o tipo de carga acionada.

Vejamos dois exemplos:

a. BOMBAS

Para esta aplicação, o valor da tensão de partida não deve receber um valor elevado, a fim de

evitar golpes de aríete, que se traduz pela onda de pressão da coluna de líquido durante os

processos de partida/parada. Concomitantemente a tensão não pode se setada com valor

muita baixo, sob pena de falta de torque para acelerar, por isso o conjugado do motor deve ser

no mínimo superior a 15% do conjugado resistente.

b. VENTILADORES

Assim como as bombas, o valor de ajuste da tensão de partida deve ser baixo o suficiente para

garantir torque suficiente. O ajuste do tempo de partida não deve ser muito curto. Pode-se

usar a limitação de corrente de partida para entender o tempo de partida, enquanto a inércia

do sistema é superada. O conjugado de partida do motor deve estar no mínimo a 15% superior

ao conjugado do ventilador.

3.2.2. RAMPA DE TENSÃO NA DESACELERAÇÃO

Existem duas possibilidades para que seja executada a parada do motor: por inércia, em que a

soft-starter leva instantaneamente a tensão de saída a zero, assim o motor vai perdendo

gradativamente velocidade de acordo com a energia cinética da carga.

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Da mesma maneira que a soft-starter permite a partida suave do motor, também possibilita a

parada suave. Na parada controlada, a soft-starter reduz gradativamente a tensão dentro de

um tempo predefinido.

Na rampa de desaceleração, o valor da tensão 6� reduz o seu valor na forma de uma rampa

decrescente até o valor de desligamento final, em que o motor pára de girar, retirando a

tensão dos seus terminais. O tempo de desligamento pode ser configurado, de acordo com o

range permitido por cada fabricante, assim com a tensão de desligamento 6�.

Figura 3.5: Rampa de tensão de desaceleração.

Figura 3.6: Forma da onda da tensão na rampa de desaceleração.

3.2.3. PULSO DE TENSÃO DE PARTIDA (KICK START)

Esta função é aplicada em cargas de elevada inércia de partida, onde se exige um esforço extra

do acionamento, em função do alto conjugado resistente.

Então, neste caso, é aplicada uma tensão inicial maior do que a definida na rampa de

aceleração. É um pulso de tensão com amplitude e duração programáveis.

Esta aplicação de rampa de tensão é muito útil em situações onde se necessite de uma parada

suave do ponto de vista mecânico. Principalmente em bombas centrífugas, onde precisa

minimizar os golpes de aríete.

Figura 3.7: Representação da função kick start.

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Deve-se habilitar este parâmetro somente onde ele seja estritamente necessário pois ao

habilitá-lo via de regra a função limitação de corrente será desabilitada durante a duração do

pulso de kick start.

3.2.4. LIMITAÇÃO DE CORRENTE

Na maioria dos casos em que a carga apresenta uma inércia elevada, é utilizada esta função,

que faz com que o sistema rede e soft-starter forneçam ao motor somente a corrente que seja

necessária para a aceleração da carga. Este recurso garante um acionamento realmente suave.

A limitação de corrente também é muito utilizada na partida de motores cuja carga apresenta

um valor mais elevado de momento de inércia.

3.3. PROTEÇÕES

Além da partida e parada de motores de indução, a soft-starter executa a função de proteção

do motor, emitindo um alarme quando da atuação de uma proteção, permitindo que o usuário

verifique o erro ocorrido. Podemos encontrar algumas funções, tais como:

� Sobrecorrente imediata na saída: Ajusta o máximo valor de corrente que a soft-starter

pode conduzir para o motor, por um tempo predeterminado.

Figura 3.8: Sobrecorrente imediata.

� Subcorrente imediata: Ajusta o mínimo de corrente que a soft-starter pode conduzir para

o motor, por um tempo predeterminado. Esta função serve para aplicações onde o sistema

de acionamento não pode trabalhar a vazio, como por exemplo, sistemas de

bombeamento.

Figura 3.9: Subcorrente imediata.

� Outros parâmetros: Além dos parâmetros já citados, a soft-starter possui várias proteções,

dependendo do fabricante do equipamento, como por exemplo: sobretemperatura nos

tiristores, sequência de fase invertida, falta de fase na rede, falta de fase no motor.

� Econômia de energia elétrica: Quando o motor opera com carga reduzida,

conseqüentemente com baixo fator de potência. A soft-starter tem uma função que

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aperfeiçoa o ponto operacional do motor, minimizando as perdas de energia reativa,

fornecendo apenas a energia ativa requerida pela carga, o que caracteriza um

procedimento de economia de energia elétrica. A função de economia de energia elétrica

é utilizada com vantagens em aplicações onde o motor permanece funcionando a vazio

por um longo período de tempo. Isto é feito reduzindo-se a tensão aplicada aos terminais

do motor durante o tempo em que o mesmo permanece operando com baixo corrente de

carga ou a vazio. Reduzindo a tensão, reduz-se a corrente a vazio, e conseqüentemente as

perdas no ferro que são proporcionais ao quadrado da tensão.

Na prática, a função de otimização de energia só faz sentido ao ser ativada quando a carga

for menor que 50% da carga nominal durante um período de operação superior a 50% do

tempo de operação do motor

Figura 3.10: Forma de onda durante a função economia de energia.

3.4. DESCRIÇÃO DOS PARÂMETROS

Os parâmetros são agrupados de acordo com suas características e particularidades, conforme

apresentados em seguida.

PARÂMETROS DE LEITURA: Variáveis que podem ser visualizadas no display, mais não podem

ser alteradas pelo usuário, como por exemplo: tensão, corrente, potência ativa.

PARÂMETROS DE REGULAÇÃO: São os valores ajustáveis a serem utilizados pelas funções da

soft-starter, como por exemplo: tensão inicial, tempo de rampa de aceleração, tempo de

rampa de desaceleração.

PARÂMETROS DE CONFIGURAÇÃO: Definem as características da soft-starter, as funções a

serem executadas, bem como as entradas e saídas, como por exemplo: parâmetros dos relés

de saída e das entradas da soft-starter.

PARÂMETROS DO MOTOR: Define as características nominais do motor, como por exemplo:

ajuste da corrente do motor.

PARÂMETROS DEFAULT: São as configurações originais de fábrica, configurados para atender

o maior número de aplicações na tentativa de reduzir a programação por parte do usuário.

3.5. FORMAS DE LIGAÇÃO

Existem várias formas de ligar a soft-starter, as quais estão elencadas a seguir:

3.5.1. LIGAÇÃO DIRETA

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Nesse tipo de ligação, o motor é ligado diretamente à soft-starter. Dependendo do modelo da

soft-starter, pode ser ligada diretamente, ou com auxílio de contatores, fusíveis e relés de

sobrecorrente, como indicado na figura 2.16 a abaixo.

Figura 3.11: Ligação direta da soft-starter.

3.5.2. LIGAÇÃO COM CONTATOR EM PARALELO (CONTATOR DE BY PASS)

Essa ligação é feita para diminuir as perdas na soft-starter quando o motor está em regime

normal de trabalho. Para tanto é utilizado um contator em paralelo quando o motor estiver

em regime normal de trabalho. Veja a figura a baixo.

Figura 3.12: Ligação de contator de by-pass.

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3.5.3. LIGAÇÃO EM PARTIDA SEQUENCIAL DE DIVERSOS MOTORES

Podem ser ligados diversos motores com a mesma soft-starter, reduzindo os custos das

partidas. Para tanto, é partido um motor, e após ser concluída a sua partida, esse motor é

alimentado com a tensão da rede, e a soft-starter fica liberada para fazer a partida de outro

motor.

Figura 3.13: Partida seqüencial de motores.

Para a partida seqüencial recomenda-se o uso de motores da mesma potência e características

de carga, assim pode ser utilizado o mesmo ajuste para todos os motores. Se forem utilizados

motores com potências ou cargas diferentes, devem ser ajustados os parâmetros de cada

motor em separado, via entrada digital ou via rede.

3.5.4. LIGAÇÃO SIMULTÂNEA DE DIVERSOS MOTORES

Para efetuar esta ligação, a capacidade da soft-starter deve ser maior ou igual à soma das

potências de todos os motores.

Figura 3.14: Ligação simultânea de motores com soft-starter.

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3.5.5. DIAGRAMA DE COMANDO DA SOFT-STARTER

A soft-starter possui um determinado número de entradas e saídas digitais e analógicas. As

saídas podem ser parametrizadas para comando: ligar e desligar a soft-starter etc; sinalização:

alarme, sobrecorrentes, falta de alimentação etc; controle: indicação de final de rampa etc. As

tensões de operação desses relés e saídas digitais podem ser 110 VCA a 240 VCA a 24 VDC,

dependendo do fabricante.

Figura 3.15: Diagrama de comando de uma soft-starter.

4. INVERSORES DE FREQUÊNCIA NO ACIONAMENTO DE MOTORES

4.1. INTRODUÇÃO AO INVERSOR DE FREQUÊNCIA

Há alguns anos, para se ter um controle preciso de velocidade era utilizado motores de

corrente contínua. Entretanto isto acarretava diversos problemas, como custo do motor e

necessidade de retificação da tensão de alimentação. Atualmente podemos utilizar um

dispositivo eletrônico denominado inversor de freqüência, para o controle de velocidade de

motores de indução, mais baratos que os de corrente contínua, ficando o uso de motores CC

para situações específicas.

O método mais eficiente para o controle de velocidade de motores de indução trifásicos, com

menores perdas no dispositivo responsável pelo controle de velocidade, consiste na variação

de freqüência f1 da fonte alimentadora através de conversores de freqüência, em que o motor

pode ser controlado de modo a prover um ajuste contínuo de velocidade e conjugado com

relação à carga mecânica.

Os motores de indução são equivalentes a um transformador em que o primário é o estator e

o secundário é o rotor. Pelo equacionamento da máquina assíncrona, o conjugado

desenvolvido pelo motor assíncrono é dado pela seguinte equação:

� �u. A�

E a tensão aplicada na bobina de um estator é dada por:

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�� , ��p��u

Sendo:

C conjugado do motor (N.m)

�* fluxo de magnetização (Wb)

I2 corrente no rotor (A)

E2 tensão no estator (V)

f1 freqüência na rede

N1 número de espiras no estator

O fluxo alternado Φ1, resultante da tensão no estator U1 , induz no rotor uma f.e.m. a qual

produz um fluxo Φ2 proporcional à tensão U2 e inversamente proporcional à frequência.

Portanto temos:

�u � E��

Para possibilitar a operação do motor com torque constante para diferentes velocidades,

deve-se fazer variar a tensão E� proporcionalmente com a variação da frequência ��,

mantendo desta forma, o fluxo constante.

4.2. FUNCIONAMENTO DO INVERSOR DE FREQUÊNCIA

Os inversores utilizam a conversão CA/CC e, por fim, em CA novamente. Os inversores podem

ser classificados pela sua topologia, que é dividida em três partes: retificação de entrada,

controle do circuito intermediário e saída.

Figura 4.1: Circuito de um conversor de frequência.

RETIFICADOR: Na rede de entrada, a frequência é fixa em 60 Hz, sendo transformada em CC. O

filtro transforma esta CC com o valor aproximadamente em 3 � √� 389:9. CONTROLE DE CHAVEAMENTO: Na figura a cima tem o esquema simplificado de um inversor

de frequência (conversor). A tensão de entrada (já em CC) é conectada aos terminais de saída

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pelos transistores T1 a T6, que funcionam no corte ou saturação, como uma chave estática. O

controle desses circuitos é executado pelo controle de chaveamento, de forma a obter um

sistema de tensão CA, onde as fases estão 120° defasadas.

Devem ser escolhidas a tensão �� e a frequência �� que permitam que �� seja proporcional à

frequência �� mantendo assim, o fluxo ѳ� e o torque sejam constantes.

INVERSOR: O circuito de controle fornece pulsos para as bases dos transistores (circuito

inversor), que atuando sobre a tava de chaveamento, varia a frequência do CA de saída, bem

como o nível de tensão CA.

A tensão de saída varia segundo o método de modulação utilizado, sedo o PWM (pulse width

modulation) o mais utilizado em inversores de frequência. Este método fornece uma corrente

senoidal ao motor para uma frequência na faixa de modulação de 2 KHz

Figura 4.2: Modulação por PWM.

Desta forma, é possível variar a velocidade do motor de indução. A forma de controle pode ser

vetorial ou escalar. A escalar é a mais utilizada, sendo dada por uma relação direta entre a

tensão e a frequência.

Figura 4.3: Gráfico da tensão e x frequência e a região de enfraquecimento de campo.

Mantendo-se a tensão, é possível elevar frequência além da nominal, porém, ocorre o

enfraquecimento do campo, com conseqüente queda do conjugado motor.

Deve-se atentar para operações abaixo de 50% da velocidade nominal, pois os motores de

indução são autoventilados, e neste caso, o fluxo de ar pela carcaça será ineficiente e a

potência fornecida pelo motor deve ser reduzida.

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Nos motores de indução trifásicos com ventilação independente, a troca de calor independe

da velocidade do eixo, podendo utilizar até 90% do conjugado nominal do motor a partir de 10

Hz.

4.3. TIPOS DE INVERSORES DE FREQUÊNCIA

O que diferencia a arquitetura e funcionamento dos inversores são as variações que ocorrem

no circuito de controle. Basicamente há dois tipos de inversores.

4.3.1. INVERSOR ESCALAR

Este inversor somente pode ser usado em aplicações onde somente é exigido o controle de

velocidade sem o controle do torque desenvolvido e sem conhecimento da dinâmica de

controle. São sistemas que imprimem certo erro de velocidade que, dada a aplicação, pode ser

facilmente assimilado pelo sistema controlado. Os motores acionados por esta família de

inversores têm ou devem atender a exigências normais e o controle é feito por malha aberta

(sem realimentação), isto é, não existe geralmente um tacogerador instalado no eixo do motor

para realimentar o sistema de controle do inversor.

4.3.2. INVERSOR VETORIAL

O avanço das técnicas de controle permitiu que as novas estruturas de comando geradas

pudessem atender às sofisticas solicitações de controle de velocidade com respostas rápidas e

de alta precisão.

As máquinas de corrente contínua com sistema de controle de malha fechada já atendiam a

estas solicitações e, no acionamento em potência, tinham total hegemonia. Com os avanços

teóricos das técnicas vetoriais de controle, em que a avaliação das variáveis internas do motor,

num processo dinâmico, é efetuada e passada ao sistema de controle do inversor, a regulação

da máquina de indução trifásica tornou-se mais precisa e mais próxima da obtida com

maquinas de corrente contínua.

A corrente de armadura do motor, menos as perdas no ferro, pode ser analisada como

formada por duas parcelas distintas: aquela que é responsável pela magnetização da máquina

e, conseqüentemente, pelo fluxo magnético que atravessa o entreferro da máquina e, aquela

outra parcela do ramo de força do circuito.

Portanto, tendo o conhecimento dessas grandezas, tem-se conhecimento dos fluxos de

energia que a máquina necessita, por meio da análise da corrente da armadura. O sinal vido do

eixo do motor, coletado por um tacogerador de pulso, fornece uma malha fechada de

controle, o que possibilita:

� Alto desempenho dinâmico

� Operação suave no intervalo de velocidades especificadas para o inversor (conversor)

� Pequenas oscilações no conjugado do motor, quando ocorrem variações na carga

� Grande precisão de velocidade

A maioria dos inversores utilizados é do tipo escalar, como já foi dito. Só utilizaremos o tipo

vetorial em duas ocasiões:

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� Extrema precisão de rotação

� Torque elevado para baixas rotações ou a zero rpm (guindastes, pontes rolantes,

elevadores, etc.)

4.4. BLOCOS COMPONENTES DO INVERSOR

Figura 4.4: Blocos componentes do inversor de frequência.

4.4.1. BLOCO CPU

A CPU pode ser formada por um microcontrolador ou microprocessador. Isto depende apenas

do fabricante. De qualquer forma, é neste bloco que todos os parâmetros e dados do sistema

estão armazenados, visto que também uma memória esta integrada a esse conjunto. A CPU

não apenas armazena as informações relativas ao sistema (equipamento), como também

executa a função mais vital para o inversor funcionar, qual seja, a geração de pulsos para a

base transistores de saída, por meio de uma lógica de controle.

4.4.2. BLOCO IHM

Figura 4.5: A IHM do inversor de frequência da Weg.

A IHM é a interface homem/máquina. É através deste dispositivo que podemos visualizar o

que está ocorrendo no inversor (display) e parametrizá-lo de acordo com a aplicação (teclas).

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4.4.3. BLOCO INTERFACES

A maioria dos inversores podem ser comandados por dois tipos de sinais: analógicos ou

digitais. Normalmente quando queremos controlar a velocidade de rotação de um motor de

indução no inversor, utilizamos uma tensão analógica de comando. Essa tensão situa-se entre

0 a 10 volts CC. A velocidade de rotação é proporcional ao seu valor.

Para inverter o sentido de rotação, basta inverter a polaridade do sinal analógico (de 0 a 10

VCC, sentido horário e -10 a 0 VCC, sentido anti-horário). Este é um sistema muito utilizado em

máquinas e ferramentas automáticas.

Além da interface analógica, o inversor possui entradas digitais. Com um parâmetro de

programação podemos selecionar a entrada válida (analógica ou digital).

4.4.4. BLOCO ETAPA DE POTÊNCIA

A etapa de potência é constituída por um circuito retificador, que alimenta (através de um

circuito intermediário chamado barramento CC) o circuito de saída inversor (módulo IGBT).

4.5. SISTEMA DE ENTRADA DE DADOS E SAÍDA DE DADOS

O sistema de saída e entrada de dados é composto por dispositivos responsáveis pela

interligação entre o homem e a máquina. São dispositivos por onde o homem pode introduzir

informações na máquina ou por onde a máquina pode enviar informações ao homem. Para os

inversores podemos citar os seguintes dispositivos:

� Interface homem/máquina

� Entradas e saídas analógicas

� Entradas e saídas digitais

4.6. FORMAS DE VARIAÇÃO DE VELOCIDADE EM UM INVERSOR DE FREQUÊNCIA

A principal função de inversor de frequência é a variação de velocidade do motor elétrico.

Existem algumas formas de promover esta variação de velocidade. Vejamos algumas:

4.6.1. ACIONAMENTO PELA IHM

Figura 3.6: Ligação de um inversor a um motor elétrico trifásico.

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Uma das formas de se realizar o controle de velocidade de um inversor de frequência é o

acionamento pelas teclas da IHM. Para tal, deve se colocar o inversor em modo local, e pelo

teclado, pode-se decrementar e incrementar a velocidade do motor localmente, bem como

inverter o sentido de giro do motor.

4.6.2. ACIONAMENTO PELAS ENTRADAS DIGITAIS

Em uma aplicação industrial, torna-se inviável o acionamento de um inversor localmente

direto nas teclas de sua IHM. Assim, a grande maioria de aplicações com inversores de

frequência é realizada por meio de comandos remotos. Para isso, deve-se colocar o inversor

em modo de acionamento remoto e, por meio de botões externos, acionar ou desativar o

motor e ainda, inverter o seu sentido de giro.

4.6.3. ACIONAMENTO PELA FUNÇÃO MULTISPEED

O multispeed é utilizado quando se deseja até oito velocidades fixas pré-programadas. Permite

o controle da velocidade de saída relacionando os valores definidos por parâmetros, conforme

combinação lógica das entradas digitais programadas para multispeed.

Para a ativação da função multispeed, primeiramente é preciso fazer com que a fonte de

referência seja dada pela função multispeed, colocar o inversor em modo remoto e programar

uma ou mais entradas para multispeed, conforme a tabela a baixo.

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Figura 3.7: Tabela de parâmetros e gráfico de velocidade da função multispeed do inversor

CFW 08 da Weg.

4.6.4. ACIONAMENTO PELAS ENTRADAS ANALÓGICAS

Em muitas aplicações industriais, deseja-se um controle de velocidade desde 0% até 100%.

Como vimos anteriormente, esse controle não é possível se utilizarmos entradas digitais. Para

efetuarmos esse tipo de controle, pode-se trabalhar com entradas analógicas do inversor por

meio de sinais tensão (0 a 10 volts) ou sinais de corrente (4 a 30 mA). Esse acionamento pode

ser realizado de duas maneiras:

4.6.5. PELO POTENCIÔMETRO

O inversor de frequência possui em seus bornes uma fonte de 10 VCC, assim, pode-se conectar

um potenciômetro na configuração de divisor de tensão para aplicar uma tensão variável de 0

a 10 VCC.

4.6.6. PELA FONTE DE TENSÃO OU CORRENTE EXTERNAS

Esse tipo de configuração é um dos mais utilizados quando se quer controlar a velocidade do

inversor remotamente. O fornecimento de tensão ou corrente é feito por um controlador

externo, como um controlador lógico programável (CLP).

4.7. CONSIDERAÇÕES SOBRE O USO DE INVERSORES DE FREQUÊNCIA

� Perda de potência: O inversor não fornece uma forma de onda perfeitamente senoidal, o

que traz perdas ao motor na faixa de 15%.

� Influência sobre os capacitores: Os capacitores são afetados quando percorridos por

correntes de alta frequência. Deve ser ter atenção para evitar que o motor seja submetido

à sobretensões devido a essa influência.

� Sobretensões no isolamento: A comutação no inversor é realizada em alta frequência,

provocando elevados picos de tensão que afetam o isolamento das espiras entre fases e

entre fase e neutro.

� Limite do comprimento do circuito do motor: Uma onda de tensão é injetada no terminal

de fonte de circuito do motor, que tem uma determinada impedância característica, e

atinge o terminal de carga em que estão ligadas as bobinas, cuja a impedância

característica é bem maior que a primeira, o que pode resultar no fenômeno da refração e

reflexão da onda. Assim, o motor pode ser submetido à elevação de tensão nos seus

bornes. A equação a seguir mostra o comprimento do cabo, em que podem surgir

anomalias danosas à isolação do motor:

��_ � �KO�./�O� � Sendo: 6RJ a velocidade de propagação da onda de tensão (150 k ��⁄ )

4�R Tempo de crescimento do pulso

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Figura 3.8: Comprimento crítico do cabo.

� Distorção harmônica: Como a forma de onda não é senoidal, há distorção harmônica,

tanto de tensão quanto de corrente, o que afetará o rendimento do motor. Portanto,

para manter a elevação de temperatura do motor dentro da sua classe de isolação, é

necessário reduzir o torque por meio de um fator apresentado na figura a baixo.

Figura 3.9: Fator de redução de torque por distorção harmônica.

Para se obter o rendimento de um motor de indução, acionado por um inversor de frequência,

deve-se utilizar a seguinte equação:

�_ � �_`��1� ~ �_`�� 1

Sendo:

�_ rendimento do motor trabalhando com o inversor de frequência

� rendimento do motor acionado por uma onda senoidal

�_`�� fator de redução de torque por distorção harmônica

5. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL

O primeiro controlador totalmente programável foi desenvolvido em 1969 pela empresa de

engenharia Bedford Associates. Este primeiro CLP foi construído atendendo a uma

especificação da General Motors em 1968.

A indústria automobilística é uma grande consumidora de relés eletromagnéticos para

controlar os processos seriados de fabricação na sua linha de montagem. Nestas indústrias, a

cada mudança no processo de montagem, erra muito trabalhoso alterar a lógica baseada em

relés montados em painéis elétricos, além dos altos custos envolvidos.

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Surgi então, a idéia de se desenvolver um dispositivo de estado sólido, com características de

um computador e que pudesse ser reprogramado conforme a mudança de lógica na linha de

produção sem a necessidade de alteração de hardware ou relés eletromagnéticos.

Baseado então, nas especificações da General Motors, a Bedford Associates apresentou o

MODICON (Modular Digital Controller). O MODICON era um dispositivo que poderia funcionar

em varias operações distintas e facilmente programável. O primeiro CLP comercial foi o

MODICON 084.

Figura 5.1: MODICON 084 o primeiro CLP comercial.

Uma classificação histórica do CLP, em função do sistema de programação utilizado:

1ª. Geração: Caracterizavam-se pela programação dependente do hardware utilizado. Sendo o

Assembly a linguagem utilizada, esta linguagem depende do processador utilizado pelo

hardware. O programa era gravado em uma memória EPROM gravada em laboratório durante

a construção do CLP.

2ª. Geração: Aparecem as primeiras linguagens de programação não tão dependentes do

hardware. Utilizavam terminais de programação para gravar nas EPROM o programa monitor

do usuário. Após as EPROM serem programadas, eram colocadas no CLP.

3ª. Geração: O CLP já tem uma porta de programação, onde um terminal de programação

pode ser conectado, sendo possível apagar e regravar a memória do CLP. A estrutura física

também sofre alteração, seguindo a tendência de se tornarem dispositivos modulares.

4ª. Geração: O CLP passa a ter uma porta de comunicação serial, podendo ser programados

por microcomputadores. As vantagens eram poder ser utilizado varias linguagens de

programação e poder fazer simulações e testes.

5ª Geração: Tendência de padronização dos protocolos de comunicação dos CLP, de modo que

os dispositivos possam todos utilizar o mesmo protocolo de comunicação independentemente

do modelo e fabricante do produto.

5.1. INTRODUÇÃO AO CLP

DEFINIÇÃO ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas): É um equipamento digital com

hardware e software compatíveis com aplicações industriais.

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DEFINIÇÃO NEMA (National Eletrical Manufacturers Associatian): Aparelho eletrônico digital

que utiliza uma memória programável para armazenamento interno de instruções para

implementações específicas, tais como lógica, seqüenciamento, temporização, contagem

aritmética, através de módulos de entrada e saída, vários tipos de máquinas ou processos.

Em outras palavras, o CLP é um dispositivo de estado sólido, microprocessado o qual possui

um firmware residente em memória ROM e um programa de usuário em memória RAM e que

permite ser alterado pelo próprio usuário.

O CLP é capacitado com módulos de entrada, onde são ligadas as variáveis de entrada para

serem processadas pelo programa do usuário e apresentar saídas como respostas às variáveis

de entrada. As saídas são conectadas ao módulo de saída. Veja a figura a baixo, representado a

arquitetura básica de um CLP.

Figura 5.2: Arquitetura básica de um CLP.

5.1.1. DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS ITENS

1. FONTE DE ALIMENTAÇÃO

A fonte de alimentação tem normalmente as seguintes funções básicas:

� Converter a tensão CA da rede elétrica (110 ou 220 volts) para as tensões de alimentação

dos circuitos eletrônicos do CLP;

� Manter a carga na bateria que alimenta memórias do tipo RAM e os circuitos de clock que

utilizam sistemas de tempo real;

� Fornecer tensão para os circuitos de entrada e saída, geralmente 12 ou 24 volts CC.

2. UNIDADE DE PROCESSAMENTO CENTRAL - CPU

A CPU do CLP é formada pelo microprocessador e seus circuitos de controle e comunicação. O

microprocessador é o elemento principal da arquitetura do CLP, controlando os barramentos,

a comunicação com as memórias e os dispositivos de entrada e saída, executando o programa

do usuário.

O microprocessador pode ser de 8 ou 16 bits, dependendo da geração do CLP. O

microprocessador, descrito de uma forma básica, lê as entradas, executa a lógica de controle

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segundo o programa do usuário escrito através de um software específico e envia ou não

sinais para a saída.

3. BATERIA

As baterias são usadas no CLP para manter o circuito do relógio de tempo real, reter

parâmetros ou programas em memórias do tipo RAM, mesmo no caso de falta de energia.

Normalmente são do tipo Ni – Ca ou Li e possuem circuitos carregadores.

4. MEMÓRIA DO PROGRAMA OU MONITOR

O programa monitor (firmware do CLP) é o responsável pelo funcionamento geral do CLP. É

gravado pelo fabricante em memórias do tipo PROM, EPROM ou EEPROM e o usuário não

pode alterá-lo. É o sistema operacional do CLP.

5. MEMÓRIA DO USUÁRIO

É onde está armazenado o programa do usuário, apresentando a flexibilidade de programação

do CLP, já que o usuário pode alterá-lo de acordo com suas especificações. É constituída por

memórias do tipo RAM, EEPROM e FLASH-EPROM, além de ser também comum o uso de

cartões de memória.

6. MEMÓRIA DE DADOS

É a região de memória utilizada para armazenar os dados utilizados pelo programa do usuário.

Representam valores que serão consultados e alterados durante a execução do programa do

usuário.

7. MEMÓRIA IMAGEM DAS ENTRADAS/SAÍDAS

Sempre que a CPU executa um ciclo de leitura das entradas ou executa uma alteração nas

saídas, é armazenado em uma área de memória denominada imagem das entradas ou saídas.

Podemos considerar como tabelas, onde a CPU irá consultá-las para tomar decisões durante o

processamento do programa do usuário.

8. CIRCUITOS AUXILIARES

São circuitos que vão atuar em caso de falhas no CLP, alguns deles são:

POWER ON RESET: No momento que o CLP é ligado, este circuito desabilita as saídas, para

evitar que sejam enviados sinais indesejados de atuação para os dispositivos de saída. Quando

a CPU assume o comando do CLP, este circuito é desligado.

POWER DOWN: Este circuito monitora a tensão de alimentação, se esta ficar abaixo de um

valor pré-determina, ele avisa o microcontrolador para que os conteúdos das memórias sejam

salvos em tempo hábil.

WATCH DOG TIMER: Caso ocorra uma falha durante o ciclo de processamento do programa, o

microprocessador pode travar, entrando em um loop infinito. Para evitar este erro, o circuito

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de watch dog timer deve ser acionado em intervalos pré-definidos, caso não o seja, o watch

dog timer sinaliza um erro.

9. MÓDULOS OU INTERFACES DE ENTRADA

São circuitos utilizados para adequar eletricamente os sinais de entrada para o

microprocessador (CPU) do CLP. As entradas podem ser do tipo digital ou analógica.

ENTRADAS DIGITAIS: São aquelas que possuem apenas dois estados, ligado ou desligado.

Sendo oriundos de dispositivos tais como: botoeiras, chaves, sensores, termostatos,

pressostatos, chave bóia, entre outros.

As entradas podem ser em corrente contínua ou alternada. Em qualquer dos tipos utilizados,

há uma isolação galvânica entre a entrada e a CPU. Exemplo de uma entrada digital em 24

VCC, geralmente não maior que 50 m para evitar interferência no sinal.

Figura 5.3: Entrada digital em 24 VCC.

Figura 5.4: Entrada digital em 110 ou 220 VCA.

ENTRADAS ANALÓGICAS: A interface de entrada analógica permite que o CLP possa manipular

grandezas analógicas, enviadas normalmente por sensores eletrônicos. As grandezas são

normalmente oriundas de tensão ou corrente. As tensões estão geralmente na faixa de

operação de 0 a 10 VCC, 0 a 5 VCC, -5 a +5 VCC, -10 a +10 VCC (quando se permite entradas

positivas e negativas, chamamos de entradas diferenciais); no caso de corrente, normalmente

estão na faixa de 0 a 20 mA e 4 a 20 mA.

Como exemplo de dispositivos analógicos que normalmente encontramos no campo, citamos:

os sensores de pressão manométrica, sensores de pressão mecânica (strain gauges – utilizados

em células de carga), taco-geradores utilizados para a medição da rotação de eixos,

transmissores de temperatura, transmissores de umidade relativa do ar, entre outros.

A resolução de uma entrada analógica é medida em bits, então quanto maior a resolução,

melhor a representação da grandeza analógica.

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Figura 5.5: Exemplo de um circuito de entrada analógica.

10. MÓDULOS OU INTERFACE DE SAÍDAS

Estes módulos adéquam os sinais elétricos vindos da CPU para atuar nos dispositivos que

controlam o processo automatizado. Também podem ser os sinais do tipo digital ou analógico.

SAÍDAS DIGITAIS: Representadas por dois níveis: ligado ou desligado utilizados para controlar

dispositivos como: relés, contatores, relés de estado sólido, solenóides, válvulas, entre outros.

Normalmente as saídas digitais podem ser de três formas: saída digital à relé, saída digital a 24

VCC e saída digital a triac. Também é de praxe o isolamento galvânico entre os módulos de

saída e a CPU.

Figura 5.6: Exemplo de saída digital a relé.

Figura 5.7: Exemplo de saída digital a transistor.

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Figura 5.8: Exemplo de saída digital a triac.

SAÍDAS ANALÓGICAS: Convertem valores numéricos em sinais proporcionais de tensão ou

corrente, para o acionamento de dispositivos atuadores, tais como: válvulas proporcionais,

motores CC, servo-motores CC, inversores de freqüência, posicionadores rotativos, entre

outros.

Figura 5.9: Exemplo de um circuito de saída analógica.

5.2. FUNCIONAMENTO DOS CLP

Um controlador lógico programável tem seu funcionamento baseado num sistema de

microcomputador onde se tem uma estrutura de software que realiza continuamente ciclos de

varredura. A forma mais comum de processamento da CPU do CLP é o processamento cíclico,

onde as instruções do programa contidos na memória são lidas linha a linha, uma após a outra

seqüencialmente do início ao fim, daí retornando ao início ciclicamente.

Figura 5.10: Esquema de processamento cíclico.

Um dado importante de uma CPU é o seu tempo de ciclo, o tempo gasto para a execução de

uma varredura (scan). Este tempo é função do tamanho do programa do usuário (em média 10

ms a cada 1000 instruções).

O CLP apresenta estados de operação, que são basicamente dois estados:

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PROGRAMAÇÃO: Neste estado, o CLP não executa o programa, não assume nenhuma função

de controle, sendo este estado utilizado para a programação do mesmo ou efetuar testes e

alterações no programa do usuário. Programação off-line.

EXECUÇÃO: Estado em que o CLP assume a execução do programa do usuário. Neste estado,

se o CLP admitir programação, esta é denominada programação on-line.

O CLP funciona segundo um programa permanente armazenado em memória ROM

(firmware/programa monitor/sistema operacional), que executa um ciclo de scan chamado

scan timer e que consiste de uma série de operações realizadas de forma seqüencial e

repetida. A figura 5.11 representa, em forma de fluxograma, as principais fases de um ciclo de

scan de um CLP.

Ao ser energizado, estando o CLP em execução o mesmo cumpre uma rotina escrita em seu

sistema operacional. Esta rotina realiza as seguintes tarefas:

� Verifica o funcionamento da CPU, memórias e circuitos auxiliares;

� Verifica as configurações internas (hardware) e compara com os circuitos instalados;

� Verifica os estados das chaves principais (RUN, STOP, PROG, e outras);

� Desativa todas as saídas;

� Verifica a existência de um programa de usuário;

� Emite um aviso de erro se ocorrer alguma falha e então pára;

� Se não encontrar nenhum erro nesta rotina, a CPU passa a fazer uma varredura constante,

em forma de loop, das instruções.

Entrando em loop o primeiro passo a ser executado é a leitura dos pontos de entrada,

transferindo os dados lidos para a tabela ou memória de imagem das entradas.

Após a gravação dos valores na tabela imagem de entradas, o processador inicia a execução do

programa do usuário, de acordo com as instruções armazenadas na memória.

Terminando o processamento do programa, os valores obtidos serão transferidos para a tabela

ou memória de imagem de saídas, como também a transferência de outros operandos, como

resultados aritméticos, contagens, etc.

Ao término das atualizações das tabelas de imagem das saídas, é então feito a transferência

para os cartões ou módulos de saídas, fechando o loop. Neste momento inicia-se outro loop

(ciclo de scan).

O ciclo de scan é monitorado por um circuito denominado watch dog timer (pode ser

programado por hardware ou software). Este ciclo tem um tempo pré-definido e sendo

ultrapassado o watch dog timer é ativado interrompendo o processamento da CPU. O CLP

assume um estado de erro.

O tempo de varredura depende do tamanho do programa do usuário e das quantidades de

entradas e saídas programadas.

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Figura 5.11: Ciclo de varredura de um CLP.

Então basicamente o CLP, após executar as sub-rotinas do seu programa monitor, lê as

entradas, atualiza o mapa de memória das entradas, executa o programa do usuário

baseado nas entradas lidas, atualiza o mapa de memória das saídas e somente depois de

terminar a atualização do mapa de saída, transfere para os cartões de saída os sinais para os

atuadores em campo para o controle do processo automatizado. Conforme esquema

demonstrado da figura 5.12.

Figura 5.12: Ciclo de operação de um CLP ressaltando, leitura, processamento e saída.

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5.3. VANTAGENS E DESVANTAGENS DO USO DO CLP

Com a redução do custo de um CLP, devido ao desenvolvimento da indústria eletrônica e a

competição entre as mesmas, as aplicações com CLP podem ser avaliadas com relação aos

benefícios oferecidos por esta tecnologia, se comparada com a utilização de lógicas com relés

e contadores instalados em painéis. Cito algumas destas vantagens:

� A flexibilidade na mudança de lógicas no processo controlado

� Alta confiabilidade na repetição do processo

� Reduzido espaço físico para a montagem do CLP

� Possibilidade de crescimento escalar, já que os CLP são modulares

� Permite modificação no local de instalação do CLP através de programação com PC

� A mesma lógica pode ser aplicada em processos similares

� Comunicação com supervisórios instalados em computadores

Poucas são as desvantagens no uso de CLP, mais cito algumas dificuldades no uso desta

tecnologia:

� Pode haver atuação incorreta por ruído (hardware do CLP, módulos de entrada e saída

ou fonte) � necessidade de filtros

� Treinamento para utilização do CLP

� Caso ocorram danos no hardware, nem sempre é possível manutenção ao nível da

fábrica

Figura 5.13: Comparação entre painel com relés e painel com CLP em montagem modular.

5.4. PROGRAMAÇÃO DO CLP

Programar um CLP significa passar instruções para o mesmo, a fim de que possa controlar

algum processo. Podemos passar instruções para o CLP utilizando um software especifico para

cada fabricante. Porém a linguagem utilizada basicamente é a Step 5, a qual basicamente é

representada em três tipos mais utilizados:

� Diagramas de Contados – DIC ou do inglês Ladder Diagram - STL: também chamado

de diagrama de relés, diagrama escada ou diagrama ladder

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Esta forma gráfica esta mais próxima da utilizada por eletrotécnicos em diagramas elétricos.

Figura 5.14: Diagrama ladder; entradas (E); saída (S);

� Diagrama lógico – DIL ou do inglês Control System Flowchart - CSF

Linguagem semelhante à utilizada em eletrônica digital, representando o esquema em blocos

lógicos digitais.

Figura 5.15: Diagrama de blocos lógicos. Input (I); output (Q).

� Lista de Instruções – LIS ou do inglês Statement List - STL

Semelhante a utilizada em linguagens de computadores.

Figura 5.16: Diagrama de lista de instruções.

Durante o curso, será usado para desenvolvimento da lógica de programação, o software da

Siemens LOGO! Soft. Este software na versão demo emula a função do CLP LOGO da Siemens.

A linguagem que utilizaremos será a do diagrama lógico. Vamos utilizar esta linguagem por ser

para o eletrotécnico uma linguagem pouco explorada durante o curso e na indústria, a

programação de CLP utilizando a por blocos lógicos é muito utilizada.

A linguagem diagrama por contatos Ladder é praticamente a que usamos para elaborar os

comandos elétricos. Cabe ressaltar que o software LOGO! Soft faz a conversão de uma

linguagem para a outra, sendo muito útil didaticamente.

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REFERÊNCIA BIBLIOGRAFICA

[1] PEDRO, LUIS ANTONELLI. Introdução aos Controladores Lógicos

Programáveis - CLPs. 1998. Apostila.

[2] CAPELLI, Alexandre. CLP Controladores Lógicos Programáveis na Prática. Rio de Janeiro: Antenna Edições Técnicas Ltda, 2007.

[3] GEORGINI, Marcelo. Automação Aplicada – Descrição e Implementação de Sistemas Seqüenciais com PLCs. 7 ed. São Paulo: Editora Érica, 2006.

[4] FRANCHI, Claiton Moro. Acionamentos Elétricos. 4 ed. São Paulo: Editora Érica, 2008.

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87725064 ap de laboratorio de comandos eletricos 2012

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