UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA
ESTUDO DA APLICAÇÃO DE SOFT-STARTER NA PARTIDA DE
MOTORES E NA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA
JONAS LOMONACO NOGUEIRA DE OLIVEIRA
Itajubá, outubro de 2017
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ii
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA
JONAS LOMONACO NOGUEIRA DE OLIVEIRA
ESTUDO DA APLICAÇÃO DE SOFT-STARTER NA PARTIDA DE
MOTORES E NA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA
Monografia apresentada ao Instituto de
Sistemas Elétricos e Energia, da
Universidade Federal de Itajubá, como parte
dos requisitos para obtenção do título de
Engenheiro Eletricista.
Orientador: DOUTOR ÂNGELO JOSÉ JUNQUEIRA REZEK
Itajubá, outubro de 2017
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iii
Dedicatória
Dedico este trabalho ao professor Ângelo Rezek
pela paciência no incentivo e na orientação que
tornaram possível a realização desta monografia.
Aos familiares que estiveram sempre presentes
para apoiando e incentivando. E por fim, porém
não menos importante, todos amigos e colegas que
sempre incentivaram e apoiaram a conclusão desta
jornada.
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iv
Agradecimentos
Primeiramente o agradecimento a família, a qual sempre forneceu todos os meios
necessários para que cada passo nessa jornada pudesse ser realizado. Aos estimados professores
que puderam sempre compartilhar sua sabedoria adquirida aos longos dos anos como modo de
vida. Enormes agradecimentos pela imensa ajuda e disposição do professor Ângelo Rezek, o
qual ajudou muito, e sempre, supervisionando todas as atividades realizadas no laboratório.
Esteve lá em horários que sempre passavam seu expediente, bem como em finais de semana,
com o objetivo do compartilhamento de seu conhecimento. Imensa gratidão também a todos do
laboratório de engenharia elétrica, os quais disponibilizaram materiais e o espaço para que se
fossem trabalhadas as atividades práticas a que se refere este trabalho. E por fim, a Universidade
Federal de Itajubá, que transforma sonhos em realidade, graças as dedicações dos professores
e ex-alunos que por ali passaram e todos que por ali ainda estão.
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v
Resumo
O controlador CA/CA é um conversor estático, com variação da tensão de saída e manutenção
da frequência. Pode-se ter o arranjo monofásico ou o arranjo trifásico. Este controlador é
composto de tiristores em antiparalelo por fase para variação da tensão de saída, conseguida
pela modificação dos ângulos de disparo dos tiristores que variam na faixa de 0º a 180º. Assim,
para ângulo de disparo de 180º, tem-se uma tensão de saída igual a zero e diminuindo-se esse
ângulo de disparo em direção a 0º, consegue-se aumentar gradativamente a tensão. O arranjo
monofásico é utilizado por exemplo no controle de luminosidade de lâmpadas elétrica, partida
de motor de indução monofásico e mais recentemente em chuveiros elétricos. O arranjo trifásico
é utilizado largamente nos equipamentos conhecidos como soft-starters, para limitação de
corrente de partida de motores de indução trifásico. A conservação de energia acontece em caso
de carga leve, onde se abaixa a tensão, porque diminui as perdas no ferro. Tem-se no laboratório
de máquinas elétricas da Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI) estes equipamentos dos
fabricantes WEG e Siemens e um soft-starter manual, com os quais se pretende na pesquisa
elaborar um manual de utilização didático simplificado para aulas práticas e pesquisas afins.
PALAVRAS-CHAVE: Conservação de energia; Controlador ca trifásico e monofásico;
Controlador de corrente; Soft-starter.
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vi
Abstract
The AC/AC controller is a static converter with varying output voltage and frequency
maintenance. It can have the single-phase arrangement or three-phase arrangement. This
controller is composed of thyristors in anti-parallel per phase for variation of the output voltage,
achieved by modifying the firing angles of the thyristors ranging from 0º to 180º. Thus, for the
180 ° firing angle, an output voltage equal to zero is obtained and the firing angle decreasing in
the direction of 0°, it is possible to increase the voltage gradually. The single-phase arrangement
is used for example in the control of electric lamp brightness, single-phase induction motor
starting and more recently in electric showers. The three-phase arrangement is widely used in
equipments known as soft-starters, for limiting the starting current of three-phase induction
motors. The energy conservation happens in case of light load, where we lower the voltage,
because it reduces the losses in the iron. There are in the laboratory of electrical machines of
the Federal University of Itajubá (UNIFEI) these equipments of the manufacturers WEG and
Siemens, and a manual one, with which it is intended in the research elaborate a manual of
didactic use simplified for practical classes and related researches.
KEY WORDS: Energy conservation; Three-phase and single-phase AC controller; Current
controller; Soft-starter.
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vii
Lista de Figuras
FIGURA 1 – CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA NO BRASIL ......................................................... 15
FIGURA 2 – ESTATOR E ROTOR DE UM MIT................................................................................ 16
FIGURA 3 – CIRCUITO ELÉTRICO EQUIVALENTE POR FASE DE UM MOTOR. ................................. 17
FIGURA 4 - PLACA DE UM MOTOR COM A RAZÃO DA CORRENTE DE PARTIDA PELA NOMINAL. .... 18
FIGURA 5 – COMPARATIVO ENTRE MÉTODOS DE PARTIDA. ........................................................ 22
FIGURA 6 - PONTOS DE OPERAÇÃO PARA ELEMENTOS SEMICONDUTORES. ................................. 22
FIGURA 7 - DIODO COM A REPRESENTAÇÃO DE SUA POLARIZAÇÃO INVERSA E DIRETA. ............. 23
FIGURA 8 - CIRCUITO ELÉTRICO COM O USO DE UM DIODO. ....................................................... 24
FIGURA 9 - FORMAS DE ONDA DO CIRCUITO COM O DIODO ......................................................... 24
FIGURA 10 – CIRCUITO COM O TIRISTOR .................................................................................... 25
FIGURA 11 – TENSÃO MÉDIA ..................................................................................................... 25
FIGURA 12 - SOFT-STARTER COM A REPRESENTAÇÃO DOS TIRISTORES ACOPLADOS AO MOTOR. 26
FIGURA 13 - ESQUEMA DE UM SOFT-STARTER IMPLEMENTADO COM 6 TIRISTORES PARA ACIONAR
UM MIT ............................................................................................................................. 26
FIGURA 14 - CIRCUITO DE DISPARO. .......................................................................................... 29
FIGURA 15 - SOFT-STARTER MANUAL E CIRCUITO DE DISPARO. ................................................. 29
FIGURA 16 - PARTE FRONTAL DO MEDIDOR VOLTECH. .............................................................. 30
FIGURA 17 - PARTE TRASEIRA DO MEDIDOR VOLTECH. ............................................................. 30
FIGURA 18: ESQUEMÁTICO DE LIGAÇÕES DO MEDIDOR VOLTECH ............................................. 31
FIGURA 19: DADOS DE PLACA DO MOTOR WEG ........................................................................ 31
FIGURA 20: MOTOR ACOPLADO AO FREIO DE FOUCAULT .......................................................... 32
FIGURA 21: DINAMÔMETRO....................................................................................................... 33
FIGURA 22: TACÔMETRO. .......................................................................................................... 33
FIGURA 23: VARIVOLT. ............................................................................................................. 34
FIGURA 24: PONTE DE DIODOS. .................................................................................................. 34
FIGURA 25: AMPERÍMETRO UTILIZADO PARA A MEDIÇÃO DE CARGA ......................................... 35
FIGURA 26: AMPERÍMETRO ALICATE. ........................................................................................ 35
FIGURA 27: BANCADA COMPLETA ............................................................................................. 36
FIGURA 28: DADOS OBTIDOS DO MEDIDOR VOLTECH ................................................................ 38
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Lista de Tabelas
TABELA 1: DADOS DE PLACA DO MOTOR WEG .......................................................................... 32
TABELA 2: TENSÃO PLENA APLICADA AO MOTOR. ..................................................................... 41
TABELA 3: REDUÇÃO DE TENSÃO COM A UTILIZAÇÃO DO SOFT-STARTER. ................................. 42
TABELA 4: TENSÃO PLENA APLICADA AO MOTOR. ..................................................................... 43
TABELA 5: REDUÇÃO DE TENSÃO COM A UTILIZAÇÃO DO SOFT-STARTER. ................................. 43
TABELA 6: TENSÃO PLENA APLICADA AO MOTOR. ..................................................................... 44
TABELA 7: REDUÇÃO DE TENSÃO COM A UTILIZAÇÃO DO SOFT-STARTER. ................................. 45
TABELA 8: TENSÃO PLENA APLICADA AO MOTOR. ..................................................................... 46
TABELA 9: REDUÇÃO DE TENSÃO COM A UTILIZAÇÃO DO SOFT-STARTER. ................................. 46
TABELA 10: TENSÃO PLENA APLICADA AO MOTOR. ................................................................... 47
TABELA 11: REDUÇÃO DE TENSÃO COM A UTILIZAÇÃO DO SOFT-STARTER. ............................... 48
TABELA 12: TENSÃO PLENA APLICADA AO MOTOR. ................................................................... 49
TABELA 13: REDUÇÃO DE TENSÃO COM A UTILIZAÇÃO DO SOFT-STARTER. ............................... 49
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ix
Lista de Abreviaturas e Siglas
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ISEE Instituto de Sistemas Elétricos e Energia
SI Sistema Internacional de Unidades
TFG Trabalho Final de Graduação
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MIT Motor de Indução Trifásico
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Lista de Símbolos
constante matemática com valor aproximado de 3,1415
dcV tensão contínua entre os terminais da ponte de diodos
aI corrente na fase A
E força eletromotriz
N número de espiras
Φ fluxo magnético
mecP potência mecânica
eleP potência elétrica
m massa
C conjugado
g gravidade
n rotação
d distância do braço onde o torque é aplicado
rendimento
mX impedância de magnetização
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Sumário
1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 13
1.1 Motivação ................................................................................................................ 13
1.2 Objetivo ................................................................................................................... 14
1.3 Organização do trabalho ....................................................................................... 14
2 REVISÃO DA LITERATURA ..................................................................................... 15
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................................. 21
3.1 Princípio de funcionamento do soft-starter.......................................................... 22
3.2 Recursos de um soft-starter ................................................................................... 26
3.2.1 Proteção do motor ..................................................................................................... 27
3.2.2 Sensibilidade à sequência de fase ............................................................................. 27
3.2.3 Plug-in ...................................................................................................................... 27
3.2.4 Circuito de economia de energia .............................................................................. 27
4 ANÁLISE EXPERIMENTAL ....................................................................................... 28
4.1 Equipamentos e Instrumentos utilizados ............................................................. 28
4.1.1 Circuito de Disparo ................................................................................................... 28
4.1.2 Soft-Starter ............................................................................................................... 29
4.1.3 Medidor Voltech ....................................................................................................... 30
4.1.4 Motor Weg acoplado ao Freio de Foucault .............................................................. 31
4.1.5 Outros equipamentos e instrumentos utilizados ....................................................... 34
4.2 Procedimento Experimental .................................................................................. 37
4.2.1 Partida do motor ....................................................................................................... 37
4.2.2 Variação de carga ..................................................................................................... 37
4.2.3 Tensão de alimentação do motor .............................................................................. 37
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xii
4.2.4 Coleta de dados ......................................................................................................... 38
4.2.5 Cálculos .................................................................................................................... 39
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................................... 40
5.1 Motor a vazio - 0 [mA] ........................................................................................... 41
5.2 Carga leve no motor - 100 [mA] ............................................................................ 42
5.3 Aumento da carga no motor – 150 [mA] .............................................................. 44
5.4 Aumento da carga no motor – 200 [mA] .............................................................. 45
5.5 Aumento da carga no motor – 250 [mA] .............................................................. 47
5.6 Aumento da carga no motor – 300 [mA] .............................................................. 48
6 CONCLUSÃO ................................................................................................................. 51
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 52
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13
1 Introdução
1.1 Motivação
A conservação de energia elétrica é assunto bastante evidenciado atualmente pois um
gasto considerável em energia elétrica é efetuado em nossos dias. Assim, qualquer iniciativa
em termos de redução de consumo é relevante. Dentro desta ideia, tem-se como objetivo propor
uma iniciativa visando a reduzir o consumo do motor de indução trifásico na indústria.
Cabe lembrar que este setor representa uma grande parcela do consumo elétrico
industrial e total, já que o setor industrial é responsável por 44% do consumo da energia elétrica
produzida no país, dentro dos quais os motores elétricos representam aproximadamente 55%
do consumo. Ou seja, o consumo de energia elétrica por parte dos motores elétricos representa
cerca de 24,2% do consumo de energia nacional (FREITAS, 2008).
O motor de indução trifásico apresenta como inconveniente elevadas correntes de
partida, podendo atingir de seis a dez vezes a sua corrente nominal (MAMEDE FILHO, 2013).
Este fato faz com que outros consumidores sejam prejudicados durante este período de partida
do motor, uma vez que ocorre uma queda de tensão da rede de suprimento de energia elétrica.
Para minimizar este efeito indesejável, alguns métodos são usados na partida do motor
de indução trifásico, quais sejam:
- Método de partida usando chave estrela-triângulo;
- Método de partida usando chave compensadora;
- Método de partida usando reatores limitadores de corrente;
- Método de partida suave (soft-starter).
Este último é um método eletrônico recente e vem sendo bastante utilizado na indústria.
Consiste em se aplicar uma tensão que é aumentada gradativamente em forma de rampa,
possibilitando a partida do motor. Utiliza-se para tal, o dispositivo eletrônico de potência
controlador CA trifásico. Este equipamento é constituído por dois tiristores em antiparalelo por
fase, sendo que a entrada é conectada à respectiva fase da rede e a saída à cada fase do motor.
O ângulo de disparo dos tiristores pode ser variado convenientemente, começando com
um valor próximo de 180° e diminuindo gradativamente em direção à 0°.
Desta maneira, uma tensão elevada em forma de uma rampa é aplicada ao motor de
modo que tem uma partida satisfatória, sem provocar uma grande perturbação aos demais
consumidores, como ocorre no caso da partida direta.
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14
Levando-se em consideração que os motores representam grande parte da energia
consumida no meio industrial, pretende-se utilizar o “soft-start” para possibilitar também uma
economia de energia. No caso de funcionamento do motor com baixa carga, pode-se reduzir
um pouco a tensão do mesmo. Desta maneira consegue-se uma redução nas perdas do ferro,
que dependem da tensão. Pode-se por exemplo, observar a corrente do motor e proceder à
redução da tensão até o ponto em que a corrente começa a subir, ou até que a velocidade comece
a variar substancialmente. Este é o ponto em que se deve parar com a redução da tensão.
Em um soft-starter esse ponto pode ser automaticamente determinado, pela supervisão
que o mesmo faz do sistema, devido à facilidade de programação. Aquisita-se, por exemplo, a
corrente e vai-se diminuindo a tensão até o ponto em que a corrente começa a aumentar. Isto
pode ser feito automaticamente por programação conveniente, sendo esta uma das funções
existentes no soft-starter
1.2 Objetivo
Este trabalho tem como objetivo o estudo de aplicações práticas industriais de soft-
starters na partida de motores e na conservação de energia, para uma viabilização didática do
emprego dos mesmos nos laboratórios de eletricidade da UNIFEI, possibilitando assim a
melhoria das aulas práticas e pesquisas afins.
1.3 Organização do trabalho
Este trabalho está disposto em 6 capítulos. O primeiro capitulo, já apresentado, expõe
as motivações e os objetivos da presente dissertação. Uma breve abordagem de trabalhos
anteriores e de tópicos importantes relacionados ao trabalho é realizada no capítulo dois. Deste
modo, no terceiro capítulo são apresentados os fundamentos teóricos do funcionamento de um
soft-starter, que é o componente em que esse trabalho tem como foco principal.
Prosseguindo, o quarto capítulo mostra a análise experimental que foi feita para que
todos os resultados pudessem ser obtidos. Nele, todos os equipamentos e instrumentos
utilizados no trabalho são descritos, e em seguida é explicado como foi realizado o
procedimento experimental, passo-a-passo. Após o embasamento do trabalho feito nos
capítulos anteriores, o capítulo cinco traz os resultados obtidos com os experimentos e faz uma
discussão a repeito destes resultados.
Por fim, no capitulo seis são apresentadas as conclusões a respeito da conservação de
energia com a utilização do soft-starter, bem como uma perspectiva para trabalhos futuros.
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15
2 Revisão da Literatura
Os Motores de Indução Trifásico (MIT) representam uma carga bastante significante e
de extrema importância no contexto industrial. Estudos de Haddad (2007, p87), por exemplo,
indicam que no cenário Brasileiro, aproximadamente 25% de todo o consumo de energia
elétrica é proveniente do setor industrial, além disso a Figura 1 mostra com mais detalhes a
distribuição do consumo de energia como citado anteriormente.
Figura 1 – Consumo de energia elétrica no Brasil
Fonte: ELETROBRÁS (2007).
A utilização de motores no setor industrial é fundamental, pois é através dele que se é
possível realizar a conversão eletromecânica de energia, ou seja, a partir do momento que se
tem um sistema de geração com grandes potências e um sistema de transmissão que consiga
diminuir a distância elétrica equivalente entre o sistema gerador e à carga, é o motor que fica
encarregado então de converter a potência elétrica gerada para a potência mecânica que será
posteriormente consumido pela carga.
O princípio de funcionamento do motor se dá através de uma interação principalmente
entre as partes físicas do rotor e do estator. A Figura 2 mostra onde essas partes se encontram
em um motor na maioria dos casos:
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16
Figura 2 – Estator e rotor de um MIT
Fonte: Autor próprio.
Na Figura 2, a parte circulada em azul é a parte associada ao estator, ela é responsável
pela criação do campo magnético girante do motor. A alimentação do motor se dá através da
aplicação de tensão em seus terminais de entrada. Assim que há alimentação, haverá circulação
de corrente nos enrolamentos do estator e essa passagem de corrente nos fios fará com que se
tenha a criação de um campo magnético girante nesse motor. A partir do momento que esse
campo seja produzido, haverá uma interação entre ele e o rotor do motor, que está indicado
através da parte circulada em vermelho.
Através da Lei de Lenz Faraday, demonstrada na Equação 1, haverá uma tensão
induzida no rotor, essa tensão também resultará em uma corrente circulante nessa região e fará
com que finalmente haja uma força resultante que terá como principal característica a rotação
do eixo do motor.
𝐸 = −𝑁 𝑑Φ
𝑑𝑡 (1)
Onde E é a Força Eletromotriz, N o número de espiras equivalente do sistema e Φ o
fluxo magnético que essas espiras estarão submetidas ao decorrer do tempo.
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17
Uma outra forma de se observar a relação de tensões entre a entrada do motor até as
correntes no rotor responsáveis pela força equivalente que resultará no torque na ponta do eixo
do motor, é através do circuito elétrico equivalente, que pode ser visto na Figura 3. Esse circuito
relaciona a tensão de entrada com as impedâncias características de um motor e finalmente com
uma corrente equivalente em seu rotor. É importante salientar que a maior impedância deste
sistema é representada pela indutância Xm que é a impedância de magnetização do motor. Essa
impedância é de extrema importância para esta pesquisa já que ela implica diretamente em altas
correntes na partida do motor.
Figura 3 – Circuito elétrico equivalente por fase de um motor.
Fonte: Apostila do professor Hermeto.
A utilização do motor em condições de regime permanente, implica em utilizá-lo dentro
dos padrões especificados pelo fabricante, isto implica numa utilização saudável de um motor
e dificilmente implicará em danos muito acentuados a longo prazo, como falhas de rotor
quebrado, curto-circuito entre espiras, ressecamento do isolamento, entre outras.
A operação do motor fora das condições ditas como nominais é prejudicial para a
máquina e pode acarretar danos em pontos específicos ou, até mesmo, que causem a
deterioração total do motor e a substituição do mesmo para que se possa continuar a realizar o
mesmo ciclo de trabalho exigido pela carga.
Contudo, em algumas situações específicas, o uso do motor fora das condições nominais
pode ser considerado não prejudicial para o motor, mais especificamente na partida do MIT,
segundo (MAMEDE FILHO, 2013) as correntes podem se elevar, de seis até dez vezes a
corrente nominal especificada pelo fabricante, esse fenômeno acontece pois quando o motor se
encontra parado é necessário uma corrente muito alta para que seja possível se ter a
magnetização dos enrolamentos do estator e assim entrar nas condições operacionais de regime
permanente.
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18
Para Franchi (2015) um dos momentos mais críticos para a análise e para o uso de um
motor elétrico é na sua partida, já que a solicitação decorrente do sistema de alimentação por
parte do motor se encontra muito mais alta do que o consumo de corrente em regime contínuo
sem grandes perturbações ou transitórios.
Contudo, o fato da corrente de partida ser bastante elevada é algo regulamentado pelos
fabricantes, e em geral a própria placa do motor já indica essa relação, como pode ser visto na
Figura 4. Desta forma o cliente e o operador desse equipamento podem ter o pleno
conhecimento da operação do motor.
Figura 4 - Placa de um motor com a razão da corrente de partida pela nominal.
Fonte: Autor próprio.
Por mais que essa relação na partida do motor seja considerada normal e não haja uma
deterioração muito acentuada já que esse fenômeno ocorre em um baixo intervalo de tempo,
ainda assim há um desgaste natural e será muito mais evidente se houver muitas partidas no
motor em um intervalo pequeno de tempo.
Alguns métodos de se reduzir este efeito de correntes elevadas são retratados através do
estudo do professor Dr. Rezek (REZEK, 2010):
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19
- Método de partida através da configuração estrela delta (Y – Δ);
- Método de partida através de uma chave compensadora;
- Método de partida através de um reator limitador de corrente;
- Método de partida através do Soft-Starter. (RESEK, 2000)
Neste cenário encontra-se a utilização de um método de partida suave, ou, como a
literatura especializada da engenharia elétrica, o Institute of Electrical and Eletronics Engineers
(IEEE) referido simplesmente como soft-starter.
O soft-starter é um dispositivo eletrônico que funciona através de tiristores em
antiparalelo. Contudo a ideia do uso dele consiste em reduzir a tensão na alimentação do motor
durante a partida do MIT, isso terá como consequência uma redução drástica na corrente de
partida do motor, consequentemente o consumo de energia neste instante de partida será
reduzido se comparado com a partida de forma direta.
Dessa forma, uma análise recorrente na literatura é de que é possível economizar energia
elétrica através desta partida suave. Conforme Guangqiang et al. (2004, p1) menciona em seus
estudos que o desenvolvimento desta tecnologia não se preocupou com a economia de energia,
e sim em um menor esforço nos motores para tentar diminuir o stress causado na partida, após
a consolidação do uso desta ferramenta, foi observado que era possível se economizar bastante
energia elétrica apenas dimensionando corretamente o dispositivo de partida suave.
Pelo fato de que há uma grande demanda de consumo de energia elétrica em países mais
industrializados, no Brasil não se encontra como exceção, e já que aproximadamente um quarto
de toda a energia consumida é pelos motores de indução, qualquer tipo de economia é bem-
vinda e em um contexto geral pode vir a fazer um impacto significativo, o método para que se
possa realizar este melhor aproveitamento é através dos tiristores e como cita o professor Dr.
Rezek:
Este método eletrônico de partida é um dos mais recentes e que vem sendo utilizado
com mais frequência na indústria. Consiste em aplicar uma tensão baixa no motor que
será aumentada gradativamente que dessa forma permitirá o motor partir. Para se ter
essa operação necessária será usado dois tiristores conectados por fase em uma
conexão antiparalelo.
O ângulo de disparo nos tiristores pode ser convencionalmente variado entre perto de
180º até ser diminuído gradualmente para 0º. Esta manobra é utilizada para que não
haja consumo de corrente muito alta e que dessa forma não perturbe outros
consumidores ou até mesmo em ocasiões extremas fazer com que o sistema de
proteção atua para a alta corrente de partida direta. (REZEK, et al. 2000)
A motivação para uma melhor eficiência e um melhor aproveitamento da energia
elétrica consumida no país fica evidente através da aprovação da “Lei de Eficiência Energética”
(Lei nº 10.295 de 17.out.2001 -BRASIL, 2001b), ou seja, em um contexto mais amplo, cada
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20
oportunidade de se fazer um uso mais consciente e a tentativa de se ter um melhor
aproveitamento da energia elétrica é algo muito requisitado no país.
Além de diminuir um possível stress no motor com as altas correntes de partida e uma
economia do consumo de energia elétrica, o estudo de (SOUZA, M. O. el. Al., 2017) salienta
que as altas correntes consumidas pelo motor em sua energização podem fazer com que o
sistema em que se encontra instalado esse MIT pode acarretar em uma diminuição de tensão,
podendo ocasionar sérios distúrbios nos circuitos de comando e de proteção.
Nos estudos de (ROSA, 2003), ficou evidenciado que a economia de energia na partida
de motores por soft-starter reduziu principalmente as perdas no ferro, já que essas perdas são
mais relevantes quando se tem baixas cargas, ou um carregamento de no máximo 50% da
corrente nominal do motor. Ou seja, se for reduzido a tensão de alimentação do MIT, pode
haver uma economia considerável e conclui-se que o uso de partida suave pode implicar em
economias evidentes quando o motor parte à vazio por exemplo.
Além disso, o autor (ROSA, 2003) cita diversas cargas das industrias que podem utilizar
do método de partida através do soft-starter, como por exemplo:
• Bombas centrífugas (saneamento, irrigação, petróleo);
• Ventiladores, exaustores e sopradores;
• Compressores de ar e refrigeração;
• Misturadores e aeradores;
• Britadores e moedores;
• Picadores de madeira;
• Refinadores de papel;
• Fornos rotativos;
• Serras e plainas (madeira);
• Moinhos (bolas e martelo);
• Transportadores de carga.
Com as três primeiras sendo as cargas mais frequentes no ramo industrial.
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21
3 Fundamentação Teórica
Os soft-starters são usados nos processos modernos de partida do motor de indução, que
através de comando microprocessado, controlam tiristores que ajustam a tensão enviada ao
estator do motor. Assim, é possível, de um lado, proteger a rede elétrica das correntes de partida
elevadas e, de outro aliviar o acionamento dos altos conjugados de aceleração do motor de
indução.
As chaves de partida estática são chaves microprocessadas, que são projetadas para
acelerar, quanto para desacelerar, e proteger motores elétricos de indução trifásicos. A tensão
aplicada ao motor é controlada através do ajuste do ângulo de disparo de tiristores. Com o ajuste
correto das variáveis, o torque e a corrente são ajustados às necessidades da carga, assim, a
corrente exigida será a mínima necessária para acelerar a carga, sem mudanças de frequência.
Algumas das características e vantagens das chaves soft-starters:
- Pulso de tensão na partida para cargas com alto conjugado de partida;
- Redução rápida de tensão a um nível ajustável;
- Ajuste da tensão de partida por um tempo pré-definido;
- Proteção contra falta de fase, sobrecorrente e subcorrente, etc.
Quando em partida direta, os motores assíncronos trifásicos de rotor em gaiola
apresentam picos de corrente e de conjugados indesejáveis. São utilizados vários métodos para
facilitar a partida, como chave estrela-triângulo, chave compensadora, etc.
Uma redução na corrente de partida é conseguida através destes métodos, porém a
comutação é por degraus de tensão. Porém, nenhum deles se compara com o método de partida
suave, que é o método que utiliza o soft-starter. Na Figura 5 pode ser visto o comparativo de
corrente entre os métodos mais usuais de partida:
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22
Figura 5 – Comparativo entre métodos de partida.
Fonte: ROSA (2003).
3.1 Princípio de funcionamento do soft-starter
O princípio de funcionamento de um Soft-Starter se dá na aplicação de dispositivos
semicondutores em série com o motor em que se deseja suavizar a partida. De uma forma geral
esses dispositivos são feitos de Silício ou Germânio, a utilização desses elementos em
específico é explicada através da Figura 6:
Figura 6 - Pontos de operação para elementos semicondutores.
Fonte: CEFET/BA.
Ou seja, a utilização de um semicondutor é analisada em dois momentos, no primeiro
se encontra quando ele está polarizado diretamente. Nesta configuração esse elemento é visto
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23
como um curto circuito, ou seja, não há praticamente nenhuma resistência associada a ele. Em
um outro momento, quando ele está polarizado reversamente, a resposta dele se dá através da
abertura dos seus terminais, ou em outras palavras, ele não permite a condução de corrente nos
seus terminais.
A Figura 7 mostra um diodo, que é o exemplo mais comum de semicondutores utilizados
para a configuração exposta anteriormente, e sua forma de polarização direta e inversa.
Figura 7 - Diodo com a representação de sua polarização inversa e direta.
Fonte: CEFET/BA.
A diferença entre o diodo previamente exemplificado e o tiristor que é utilizado para a
concepção do soft-starter se dá exatamente na polarização direta, a diferença básica entre esses
dois dispositivos é que enquanto no diodo o momento da polarização direta se encontra fixa e
invariável, o tiristor permite que se escolha o momento exato desejado para a atuação na
polarização direta.
Em outras palavras, como a rede de energia elétrica Brasileira é uma senóide à 60 Hz,
isso implica que metade do tempo da onda o diodo se encontrará polarizado diretamente e na
outra metade do tempo ele estará polarizado reversamente, assim sendo o diodo irá conduzir
apenas na metade da duração da onda, conforme mostra a Figura 8 e a Figura 9. Entretanto,
para o uso do tiristor e a possibilidade de alterar o momento de condução na polarização reversa
a condução do mesmo será por uma quantidade de tempo inferior ao do diodo. Este raciocínio
também pode ser visto na Figura 10 e na Figura 11.
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24
Figura 8 - Circuito elétrico com o uso de um diodo.
Fonte: Notas de aula do professor Rafael di Lorenzo
Figura 9 - Formas de onda do circuito com o diodo
Fonte: Notas de aula do professor Rafael di Lorenzo
Na Figura 9, a curva vermelha se dá pela passagem de corrente no circuito, a forma de
onda verde representa a tensão da fonte e a onda azul representa a tensão equivalente na carga.
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25
Figura 10 – Circuito com o tiristor
Fonte: AHMED,(2006).
Figura 11 – Tensão média
Fonte: AHMED (2006).
Através da análise da Figura 10 e da Figura 11, pode-se reparar então que a tensão eficaz
que chega nos terminais da carga é afetada diretamente pelo disparo de condução do dispositivo
do Soft-Starter. Já que a carga alimentada é um motor, a tensão eficaz na partida do motor é
diminuída radicalmente, fazendo com que assim finalmente se chegue ao fenômeno desejado
de que a corrente será reduzida à valores muito inferiores do que se for feito a partida de uma
forma direta por exemplo.
Em uma análise geral, a Figura 12 demonstra como se faz a utilização do Soft-Starter
entre a fonte de alimentação da rede com a carga de um motor trifásico com a representação
dos tiristores fazendo a função do dispositivo em questão:
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26
Figura 12 - Soft-Starter com a representação dos tiristores acoplados ao motor.
Fonte: Guangqiang et al.
O soft-starter é um equipamento eletrônico capaz de controlar a potência e frenagem do
motor no instante da partida. Diferentemente de sistemas elétricos convencionais que são
utilizados para essa função (partida com autotransformador, chave estrela-triângulo, etc.).
Um esquema genérico de um soft-starter pode ser visto na Figura 13.
Figura 13 - Esquema de um soft-starter implementado com 6 tiristores para acionar um MIT
Fonte: ROSA (2003).
A tensão na partida é reduzida através do ângulo de condução dos tiristores, diminuindo
assim os picos de corrente gerados pela inércia da carga mecânica.
O soft-starter controla a potência do motor, porém ele não altera sua frequência
(velocidade de rotação).
3.2 Recursos de um soft-starter
Os soft-starters existentes hoje no mercado (fabricados pela WEG, SIEMENS e outras)
são equipados com interfaces homem-máquina, ou painel de LEDs para informar o status do
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27
sistema. Quanto aos recursos que um soft-starter deve ter, os mais importantes serão detalhados
a seguir:
3.2.1 Proteção do motor
Uma curva típica de sobrecorrente de um soft-starter determina interrupções e bloqueios
em caso de falta de fase ou falha do tiristor. Normalmente, esses equipamentos também
possuem relés eletrônicos de sobrecarga. Durante o tempo de operação, um relé eletrônico de
carga entra em operação quando necessário.
O dispositivo pode ser configurado para dar proteção tanto para subcorrentes quanto
para sobrecorrentes.
3.2.2 Sensibilidade à sequência de fase
É possível configurar os soft-starters de modo que operem somente se a sequência de
fase estiver correta. Este é um recurso que assegura a proteção, principalmente mecânica, para
cargas que não podem girar em sentido contrário. Quando existe a necessidade de reversão, é
possível realizá-la com contatores externos ao soft-starter.
3.2.3 Plug-in
O plug-in é um conjunto de facilidades que podem ser disponibilizadas no soft-starter
através de um módulo extra, ou através de parâmetros, como frenagem AC ou CC, relé
eletrônico, realimentação de velocidade para aceleração independente das flutuações de carga
e dupla rampa de aceleração para motores de duas velocidades.
3.2.4 Circuito de economia de energia
Grande parte dos soft-starters modernos tem um circuito de economia de energia, de
modo que é possível uma redução da tensão aplicada em motores a vazio, diminuindo as perdas
no ferro, que representam a maior parcela de perda nos motores com baixas cargas. Uma
economia significante pode ser experimentada para motores que operam com cargas leves. No
entanto, por conta desta função, correntes harmônicas indesejáveis são geradas na rede devido
à abertura do ângulo de condução para diminuição da tensão.
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28
4 Análise Experimental
Durante a análise experimental foram realizados diversos passos e medidas de dados, os
quais serão explicados passo a passo nesta seção. Primeiramente será feito um detalhamento de
todos instrumentos que foram utilizados durante esta etapa e logo em seguida será feito uma
apresentação explicando as etapas que foram realizadas e como os cálculos foram feitos.
4.1 Equipamentos e Instrumentos utilizados
4.1.1 Circuito de Disparo
Foi utilizado um circuito de disparo, que está representado na Figura 14, para que fosse
possível a variação do ângulo de disparo. Deste modo o soft-starter podia atuar, diminuindo a
tensão aplicada. Neste circuito existem 12 saídas que são conectadas aos tiristores, das quais 6
vão para o gate e 6 vão para o catodo. O circuito é alimentado por uma fonte trifásica utilizada
no laboratório, e desta fonte trifásica é puxada uma fase e um neutro para obter uma alimentação
de 127 [V].
Existe também um visor que mostra o ângulo de disparo, que é variado em um
potenciômetro na própria caixa do circuito de disparo. Quando o potenciômetro é girado no
sentido horário seu ângulo aumenta e a tensão diminui, e quando o potenciômetro é girado no
sentido anti-horário seu ângulo diminui e a tensão aumenta. Além disso, a caixa do circuito
possui 4 chaves:
- 110/220 [V], que são as opções de alimentação da caixa;
- Liga/Desliga, onde é decidido se o circuito vai ser ligado ou desligado;
- Libera/Bloqueia, onde é decidido se os pulsos serão bloqueados ou liberados;
- Auto/Manual, onde é decidido se o disparo será manual ou automático.
Os dados foram obtidos com a chave em 110 [V], ligada, pulsos liberados e manual.
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29
Figura 14 - Circuito de disparo.
Fonte: Autor próprio.
4.1.2 Soft-Starter
Foi utilizado um soft-starter manual, o qual está à esquerda na
Figura 15, que foi montado pela equipe do laboratório e pelo professor Rezek. Este, que é
composto de seis tiristores em antiparalelo, foi alimentado por uma fonte trifásica que foi levada
para a caixa do circuito de disparo. Também da caixa do circuito de disparo vem os cabos do
catodo e gate que são conectados em cada tiristor do soft-starter, conforme explicado
anteriormente. Na parte superior deste soft-starter, temos as fases A, B e C, onde é possível
medir a tensão que alimenta o motor, a qual é reduzida de acordo que se varia o ângulo no
circuito de disparo. Para um ângulo de 180° a tensão aplicada ao motor é de 0 [V], enquanto
que para um ângulo de 0° a tensão aplicada ao motor nesta situação é de 220 [V].
Figura 15 - Soft-Starter manual e circuito de disparo.
Fonte: Autor próprio.
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4.1.3 Medidor Voltech
Foi utilizado um sistema de medição de potências para formas de ondas não senoidais.
Este equipamento é o modelo PM300 da Voltech. A potência absorvida pelo motor foi medida
para tensão plena aplicada à máquina, para posterior comparação com a potência absorvida
quando se reduz a tensão aplicada, por intermédio da utilização do soft-starter.
A parte frontal deste medidor pode ser vista na Figura 16, onde é possível selecionar os
dados que se deseja obter, tais como tensão, corrente, potência ativa, potência aparente, potência
reativa e fator de potência. Já a parte traseira deste medidor pode ser vista na Figura 17, onde
se tem diversas entradas que foram conectadas com os cabos, que vieram junto com o medidor,
já fornecidos pelo próprio fabricante.
Figura 16 - Parte frontal do medidor Voltech.
Fonte: Autor próprio.
Figura 17 - Parte traseira do medidor Voltech.
Fonte: Autor próprio.
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31
As conexões na parte traseira do medidor Voltech foram feitas de acordo com o manual
fornecido pelo fabricante. O esquemático dessas ligações pode ser visto na Figura 18, que foi
retirada do próprio manual.
Figura 18: Esquemático de ligações do medidor Voltech
Fonte: (ANALYZERS; MANUAL)
4.1.4 Motor Weg acoplado ao Freio de Foucault
Este foi o motor utilizado para o estudo da conservação de energia utilizando o soft-starter. O
motor já estava acoplado ao Freio de Foucault no laboratório, bastando apenas fazer alguns
ajustes nos cabos do motor, para que o circuito pudesse ser montado com sucesso. Na
Figura 19 é possível ver os dados de placa do motor.
Figura 19: Dados de placa do Motor Weg
Fonte: Autor próprio.
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32
Seus dados nominais para uma tensão de 220 [V], que foi a tensão aplicada ao motor,
também podem ser vistos na Tabela 1.
Tabela 1: Dados de placa do Motor Weg
Fonte: Autor próprio.
O motor e o Freio de Foucault já acoplados podem ser vistos Figura 20. Os dados foram
obtidos com diversas variações de cargas aplicadas neste, as quais serão discutidas com maior
profundidade no final deste capítulo.
Figura 20: Motor acoplado ao Freio de Foucault
Fonte: Autor próprio.
Conforme a corrente contínua injetada nas bobinas do freio de Foucault ia aumentando,
maior era o torque e a frenagem, de forma que o braço fazia uma força no sentido anti-horário.
Para que o cálculo do torque fosse possível foi utilizado um dinamômetro para medir a massa,
mostrado na Figura 21, que já estava acoplado juntamente ao Freio de Foucault.
O cálculo da potência mecânica também foi necessário para o cálculo do rendimento,
portanto também era necessário saber a rotação do motor em todas as situações de carga e
tensão. Esta rotação foi calculada com a utilização de um tacômetro, mostrado na Figura 22,
que estava disponível no laboratório.
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33
Figura 21: Dinamômetro.
Fonte: Autor próprio.
Figura 22: Tacômetro.
Fonte: Autor próprio.
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34
4.1.5 Outros equipamentos e instrumentos utilizados
Nesta seção serão demonstrados os outros equipamentos e instrumentos que foram
utilizados para que todos os dados pudessem ser coletados apropriadamente.
Para que a corrente contínua fosse injetada nas bobinas do freio, que consequentemente
gerava uma carga de frenagem, foi utilizado um varivolt, o qual pode ser visto na Figura 23. O
motor era partido sem carga, com o varivolt zerado. Para injetar a corrente contínua nas bobinas
do freio bastava girar na parte superior do equipamento no sentido horário.
Figura 23: Varivolt.
Fonte: Autor próprio.
Do varivolt, as 3 fases vão para uma ponte de diodos, que pode ser vista na Figura 24.
Da ponte de diodos, um cabo vai para um amperímetro, que pode ser visto Figura 25, e o
outro vai para o Freio de Foucault.
Figura 24: Ponte de diodos.
Fonte: Autor próprio.
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35
Já no amperímetro, um dos cabos vem da ponte de diodos, conforme dito anteriormente,
e o outro vai para o Freio de Foucault. Desta forma a medição da corrente contínua injetada nas
bobinas do freio pode ser feita com a utilização deste equipamento.
Figura 25: Amperímetro utilizado para a medição de corrente contínua.
Fonte: Autor próprio.
Além disso, também foi utilizado um amperímetro alicate, que pode ser visto Figura 26,
para medir a corrente que alimentava o motor na fase A. E por fim, utilizamos mais dois
voltímetros, um para medir a tensão que alimentava o motor para checar se todas as fases
estavam equilibradas e outro para medir a tensão contínua entre os terminais da ponte de diodos.
Figura 26: Amperímetro alicate.
Fonte: Autor próprio.
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36
Por fim, tem-se que o circuito completo com todos os componentes, equipamentos e
instrumentos pode ser visualizado na Figura 27, onde se encontra o circuito de disparo no canto
direito, o soft-starter no centro, o varivolt à esquerda, o motor acoplado ao Freio de Foucault
ao fundo no canto esquerdo, e os multímetros e medidor Voltech na bancada atrás do soft-
starter.
Figura 27: Bancada completa
Fonte: Autor próprio.
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37
4.2 Procedimento Experimental
O procedimento experimental desta pesquisa foi desenvolvido conforme as
necessidades do TFG, para assim obter os dados desejados. Conforme proposto pelo professor
Rezek, foram obtidos dados para diferentes tipos de carga. As correntes contínuas injetadas nas
bobinas do freio de Foucault foram nos valores de 300 [mA], 250 [mA], 200 [mA], 150 [mA],
100 [mA] e carga nula.
Dentro de cada valor de carga os dados eram analisados para tensão plena, que na
ocasião foi de aproximadamente 220 [V], e também para o caso do soft-starter atuando, que é
o caso de quando o ângulo de disparo aumenta e consequentemente a tensão diminui
gradativamente.
A seguir será explicado cada passo realizado neste experimento.
4.2.1 Partida do motor
O primeiro procedimento a ser realizado foi partir o motor, variando o ângulo no circuito
de disparo. Após ligar a fonte de alimentação, o ângulo é variado de 180° até atingir 0°, de
modo que a alimentação do motor fica estável em 220 [V]. Esse processo de partida no motor
foi feito sem carga, com o motor a vazio.
4.2.2 Variação de carga
Após o motor partir, é hora de decidir o tipo de carga que será utilizada para as medições.
Conforme dito anteriormente, para que a corrente contínua fosse injetada nas bobinas bastava
girar na parte superior do varivolt no sentido horário e em seguida é verificado o valor da
corrente contínua no amperímetro, mostrado na Figura 25. As medidas foram feitas para o
motor a vazio (0 [mA]), com leve carga (100 [mA]), média carga (150 a 200 [mA]) e alta carga
(250 a 300 [mA]). A carga foi aumentada gradativamente para todas as situações desejadas.
4.2.3 Tensão de alimentação do motor
Assim que o tipo que carga é decidido, deve-se decidir a tensão que alimentará o motor.
O valor desta tensão é reduzido conforme se aumenta o ângulo no circuito de disparo.
As tensões utilizadas foram aproximadamente as seguintes:
- 220 [V]: Tensão plena, sem atuação do soft-starter;
- 200 [V]: Redução de tensão com a utilização do soft-starter;
- 180 [V]: Redução de tensão com a utilização do soft-starter;
- 160 [V]: Redução de tensão com a utilização do soft-starter;
- 140 [V]: Redução de tensão com a utilização do soft-starter;
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38
Logo, foram analisados os dados para 6 tipos diferente de carga, e dentro de cada tipo
de carga cerca de 5 diferentes tensões. No entanto, para alta carga o motor não responde bem à
redução da tensão e acaba desligando, o que será discutido novamente no capítulo sobre
resultados.
4.2.4 Coleta de dados
A coleta de dados se inicia assim que a corrente contínua desejada foi injetada nas
bobinas do freio e a tensão de alimentação do motor que se deseja utilizar já foi estabilizada.
Assim, segue abaixo os passos que devem ser feitos para a coleta de dados.
- 1° dado: Valor de carga, mostrada no amperímetro da Figura 25;
- 2° dado: Tensão de alimentação do motor, utilizando um voltímetro entre duas fases
na saída do soft-starter;
- 3° dado: Corrente na fase A do motor, utilizando o amperímetro alicate da Figura 26;
- 4° dado: Tensão contínua na carga utilizando um voltímetro;
- 5° dado: Rotação, utilizando o tacômetro da Figura 22;
- 6° dado: Massa, utilizando o dinamômetro do Freio de Foucault que foi mostrado na
Figura 21;
- 7° dado: Comprimento do braço do Freio de Foucault que é responsável pelo torque
realizado, o qual foi medido com uma régua e obteve-se o valor de 0,25 [m];
- 8° dado: Por fim, os valores de tensão, corrente, potência ativa, potência reativa,
potência aparente e fator de potência para cada fase que são disponibilizados pelo medidor
Voltech, conforme mostra a Figura 28. Para que os dados desejados apareçam basta apertar os
botões em questão, que já possuem as siglas disponíveis para fácil entendimento.
Figura 28: Dados obtidos do medidor Voltech
Fonte: Autor próprio.
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4.2.5 Cálculos
Com todos os dados em mãos é possível agora fazer os cálculos para obter outros valores
que são necessários para o trabalho, tais como o conjugado, potência mecânica e rendimento.
Para o cálculo do conjugado é necessário saber a massa resultante do torque que pode
ser medida no dinamômetro utilizado, a gravidade, que na ocasião é 9,81 [m/s²], e por fim a
distância do braço em que o conjugado será aplicado, que na ocasião é 0,25 [m]. O cálculo é
feito através da Equação 2.
dgmC (2)
Para o cálculo da potência mecânica é necessário saber o valor do conjugado, que pode
ser calculado pela Equação 2, e também na rotação, que é medida pelo tacômetro. O cálculo é
feito de acordo com a Equação 3.
nCPmec 602 (3)
E finalmente, o cálculo do rendimento, onde é preciso apenas do valor da potência
mecânica que pode ser calculada pela Equação 3 e da potência elétrica consumida pelo motor,
que podemos obter no visor do medidor Voltech. O cálculo do rendimento é feito de acordo
com a Equação 4.
Pele
Pmec (4)
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40
5 Resultados e Discussão
Após a apresentação do embasamento teórico e da descrição do procedimento
experimental, este item traz os resultados obtidos no trabalho e, por fim, uma discussão a
respeito dos valores obtidos. O tipo de carga analisado se constitui de uma carga cujo conjugado
é proporcional à rotação. Em uma continuação deste trabalho pretende-se fazer uma análise
para cargas de conjugado constante, que é o caso de calandras, e também para cargas cujo
conjugado é dependente do quadrado da rotação, que é o caso de acionamento de bombas e
ventiladores.
As seções deste capítulo estão dividas de acordo com a carga utilizada, e dentro de cada
seção é possível observar os resultados com a utilização de tensão plena e com tensão reduzida,
que é quando o soft-starter entra em funcionamento. Assim é possível comparar os resultados
e fazer uma análise se há ou não uma economia de energia e uma possível melhoria no
rendimento com a utilização do soft-starter.
Em cada seção serão demonstradas tabelas com todos os dados e resultados obtidos para
cada carga em questão. Os resultados e dados que serão demonstrados são os seguintes:
- Tensão [V]: Tensão fornecida pela fonte de alimentação do sistema, para cada fase e
a média total, medida em Volts;
- Corrente [A]: Corrente fornecida pela fonte de alimentação do sistema, para cada fase
e a média total, medida em Amperes;
- Potência Ativa [W]: Potência ativa elétrica que alimenta a máquina, para cada fase e a
média total, medida em Watts;
- Potência Aparente [VA]: Potência aparente elétrica que alimenta a máquina, para cada
fase e a média total, medida em Volt-Ampere;
- Potência Reativa [VAr]: Potência reativa elétrica que alimenta a máquina, para cada
fase e a média total, medida em Volt-Ampere reativo;
- Fator de Potência: Medido para cada fase e a média total;
- Rotação [rpm]: Rotação do motor medida em rotações por minuto;
- Massa [kg]: Massa observada no dinamômetro medida em quilogramas;
- Vdc [V]: Tensão continua entre os terminais da ponte de diodos, medida em Volts;
- Ia Motor [A]: Corrente de alimentação do motor na fase A, medida em Amperes;
- Potência Mecânica [W]: Potência mecânica calculada do motor, medida em Watts;
- Rendimento [%]: Rendimento do motor, em porcentagem;
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41
- Economia de Energia [%]: Economia de energia obtida, em porcentagem, com a
utilização do soft-starter, sempre em relação ao dado obtido com tensão plena;
- Melhoria do Rendimento [%]: Melhoria do rendimento obtida, em porcentagem, com
a utilização do soft-starter, sempre em relação ao dado obtido com tensão plena.
5.1 Motor a vazio - 0 [mA]
A) Tensão plena aplicada ao motor:
Com uma tensão de 221,5 [V], medida entre os terminas de saída do soft-starter, foi
possível obter os dados demonstrados na Tabela 2.
Tabela 2: Tensão plena aplicada ao motor.
Fonte: Autor próprio.
B) Redução de tensão com a utilização do soft-starter:
Com a utilização do soft-starter, foi possível reduzir a tensão medida entre os terminais
de sua saída, utilizando os valores de 201,4 [V], 178,1 [V], 157,6 [V] e 134,5 [V] para assim
obter os resultados demonstrados na Tabela 3.
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42
Tabela 3: Redução de tensão com a utilização do soft-starter.
Fonte: Autor próprio.
Pode-se observar que com a utilização do soft-starter no motor a vazio foi possível obter
uma economia de energia de até 23,5% quando a tensão aplicada ao motor era de 134,5 [V], já
que sua potência ativa consumida pelo motor foi bem menor, na ordem de 24,7 [W] a menos
do que quando o motor operava com tensão plena. Nesta situação, conforme a tensão aplicada
ao motor era reduzida, maior era a economia de energia obtida.
Em relação ao rendimento não foi obtido nenhum dado, já que não havia carga no motor
e sua potência mecânica era nula.
É importante ressaltar que não foram demonstrados dados para a injeção de corrente
contínua no valor de 50 [mA] pois assim como para carga nula, não havia potência mecânica já
que a carga era muito baixa e, consequentemente, os dados foram muito similares aos de carga
nula.
5.2 Carga leve no motor - 100 [mA]
A) Tensão plena aplicada ao motor:
Com uma tensão de 219,8 [V], medida entre os terminas de saída do soft-starter, foi
possível obter os dados demonstrados na Tabela 4.
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43
Tabela 4: Tensão plena aplicada ao motor.
Fonte: Autor próprio.
B) Redução de tensão com a utilização do soft-starter:
Com a utilização do soft-starter, foi possível reduzir a tensão medida entre os terminais
de sua saída, utilizando os valores de 199,4 [V], 179,5 [V], 159,6 [V] e 138,7 [V] para assim
obter os resultados demonstrados na Tabela 5.
Tabela 5: Redução de tensão com a utilização do soft-starter.
Fonte: Autor próprio.
Com carga leve no motor foi possível observar que a utilização do soft-starter resultou
em uma economia de energia de até 10,5% quando a tensão aplicada ao motor era de 159,6 [V],
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
44
já que a potência ativa consumida pelo motor foi menor, na ordem de 23,4 [W] a menos do que
quando o motor operava com tensão plena.
Nesta situação, a economia de energia obteve seu pico em cerca de 159,6 [V]. Quando
a tensão era reduzida ainda mais, essa economia de energia ainda existia, porém com um
resultado menos satisfatório, na ordem de 4,8%.
Também foi possível observar que a melhoria no rendimento da máquina acompanhou
os resultados obtidos na economia de energia, tendo seu melhor resultado quando as tensões
aplicadas eram de 179,5 [V] e 159,6 [V], cujas melhorais foram também de 10,5%.
5.3 Aumento da carga no motor – 150 [mA]
A) Tensão plena aplicada ao motor:
Com uma tensão de 219,5 [V], medida entre os terminas de saída do soft-starter, foi
possível obter os dados demonstrados na Tabela 6.
Tabela 6: Tensão plena aplicada ao motor.
Fonte: Autor próprio.
B) Redução de tensão com a utilização do soft-starter
Com a utilização do soft-starter, foi possível reduzir a tensão medida entre os terminais
de sua saída, utilizando os valores de 199,8 [V], 178,8 [V], 156,2 [V] e 139,4 [V] para assim
obter os resultados demonstrados na Tabela 7.
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Tabela 7: Redução de tensão com a utilização do soft-starter.
Fonte: Autor próprio.
Com uma injeção de corrente contínua nas bobinas do freio na ordem de 150 [mA], já
foi possível perceber que conforme a carga ia aumentando, a economia de energia diminuía.
Nesta situação foi possível observar que a utilização do soft-starter resultou em uma economia
de energia de até 6,6% quando a tensão aplicada ao motor era de 178,8 [V], já que a potência
ativa consumida pelo motor foi menor, na ordem de 19,8 [W] a menos do que quando o motor
operava com tensão plena.
Nesta situação, a economia de energia obteve seu pico em cerca de 178,8 [V]. Quando
a tensão era reduzida ainda mais, essa economia de energia ainda existia, porém com um
resultado menos satisfatório, chegando a até 4,9%.
Assim como para a carga anterior, foi possível observar que a melhoria no rendimento
da máquina acompanhou os resultados obtidos na economia de energia, tendo seu melhor
resultado quando a tensão aplicada era de 178,8 [V], obtendo uma melhoria na ordem de 8,3%.
5.4 Aumento da carga no motor – 200 [mA]
A) Tensão plena aplicada ao motor:
Com uma tensão de 219,8 [V], medida entre os terminas de saída do soft-starter, foi
possível obter os dados demonstrados na Tabela 8.
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Tabela 8: Tensão plena aplicada ao motor.
Fonte: Autor próprio.
B) Redução de tensão com a utilização do soft-starter:
Com a utilização do soft-starter, foi possível reduzir a tensão medida entre os terminais
de sua saída, utilizando os valores de 201,4 [V], 179,3 [V], 160,0 [V] e 139,4 [V] para assim
obter os resultados demonstrados na Tabela 9.
Tabela 9: Redução de tensão com a utilização do soft-starter.
Fonte: Autor próprio.
Agora, com uma injeção de corrente contínua na ordem de 200 [mA], ainda foi possível
obter economia de energia para algumas reduções de tensão, porém somente quando foi
reduzida até 160 [V]. Quando o motor chegava próximo de uma alimentação na ordem de 140
[V] ele ficava muito instável e apresentava um consumo de energia maior com a utilização do
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
47
soft-starter, que foi o caso das medições para uma tensão de alimentação no motor em 139,4
[V], onde acabou consumindo 3,1% a mais de energia comparando quando o motor operava
com tensão plena.
Nesta situação, a economia de energia obteve seu pico em cerca de 179,3[V]. Quando a
tensão era reduzida ainda mais, essa economia de energia piorava consideravelmente, chegando
a até ficar negativa.
Assim como para as cargas anteriores, foi possível observar que a melhoria no
rendimento da máquina acompanhou os resultados obtidos na economia de energia, tendo seu
melhor resultado quando a tensão aplicada era de 179,3 [V], obtendo uma melhoria na ordem
de 5,4%. Importante ressaltar que o rendimento também acompanhou os resultados negativos
da economia de energia, mostrando que a utilização do soft-starter para esse tipo de carga não
é recomendada quando se diminui muito a tensão aplicada ao motor.
5.5 Aumento da carga no motor – 250 [mA]
A) Tensão plena aplicada ao motor:
Com uma tensão de 217,0 [V], medida entre os terminas de saída do soft-starter, foi
possível obter os dados demonstrados na Tabela 10.
Tabela 10: Tensão plena aplicada ao motor.
Fonte: Autor próprio.
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B) Redução de tensão com a utilização do soft-starter:
Com a utilização do soft-starter, foi possível reduzir a tensão medida entre os terminais
de sua saída, utilizando os valores de 199,6 [V], 175,7 [V] e 160,5 [V] para assim obter os
resultados demonstrados na Tabela 11.
Tabela 11: Redução de tensão com a utilização do soft-starter.
Fonte: Autor próprio.
Com uma injeção de corrente contínua na ordem de 250 [mA] não houve economia de
energia para nenhuma das tensões reduzidas com a utilização do soft-starter. E conforme a
tensão era reduzida, mais energia o motor consumia, chegando a consumir até 15,3% a mais de
energia do que quando alimentado com tensão plena. Nesta situação o motor chegou a desligar
quando uma tensão na ordem de 140 [V] era aplicada.
O mesmo raciocínio seguiu para a melhoria do rendimento da máquina, que só piorou
conforme a tensão aplicada era reduzida, chegando a ter resultados até 20,9% piores do que
quando alimentado com tensão plena.
Logo, nesta situação a utilização do soft-starter tanto para a economia de energia quanto
para a melhoria do rendimento da máquina não é recomendada, já que obtém resultados que só
pioram a operação do motor.
5.6 Aumento da carga no motor – 300 [mA]
A) Tensão plena aplicada ao motor:
Com uma tensão de 216,8 [V], medida entre os terminas de saída do soft-starter, foi
possível obter os dados mostrados na Tabela 12.
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Tabela 12: Tensão plena aplicada ao motor.
Fonte: Autor próprio.
B) Redução de tensão com a utilização do soft-starter:
Com a utilização do soft-starter, foi possível reduzir a tensão medida entre os terminais
de sua saída, utilizando o valor de 199,3 [V] para assim obter os resultados demonstrados na
Tabela 13.
Tabela 13: Redução de tensão com a utilização do soft-starter.
Fonte: Autor próprio.
Com uma injeção de corrente contínua na ordem de 300 [mA] foi quando se obteve o
pior resultado de todos, com uma corrente de alimentação do motor bem alta e acima da corrente
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nominal, que é de 3 [A], ainda quando alimentado com tensão plena. Nesta situação o motor
desligava logo que chegava perto de uma alimentação de 190 e 180 [V].
Assim como para a carga anterior não houve economia de energia com a utilização do
soft-starter, chegando a consumir 5,1% a mais de energia do que quando alimentado com tensão
plena. No entanto, o consumo de energia só não foi ainda maior pois só foi possível medir os
dados com uma alimentação de 199,3 [V] no motor.
O mesmo raciocínio seguiu para a melhoria do rendimento da máquina, que teve seu
rendimento reduzido em 8,8%. Logo, nesta situação a utilização do soft-starter tanto para a
economia de energia quanto para a melhoria do rendimento da máquina não é recomendada, já
que obtém resultados que só pioram a operação do motor.
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6 Conclusão
Com o decorrer das atividades desenvolvidas foi adquirido grande conhecimento a
respeito dos soft-starters, principalmente sobre seu funcionamento e como colocá-lo em
operação. Analisando as medições feitas em todas as condições de carga, pode-se concluir que
houve uma economia de energia com a utilização do soft-starter apenas para cargas leves, isto
é, até 150 [mA]. A economia de energia conseguida chegou a 23,5% quando à vazio, 10,5%
com 100 [mA] e 6,6% com 150 [mA].
O rendimento da máquina também obteve melhorias quando o motor operava com
cargas em 100 [mA] e 150 [mA], com resultados melhores do que quando o motor era
alimentado com tensão plena. Essas melhorias chegaram a 10,5% para uma injeção de corrente
contínua de 100 [mA], e chegaram a 8,3% quando essa injeção era na ordem de 150 [mA]
Nos demais casos, além da economia de energia e a melhoria no rendimento não serem
significativos, houve também um decréscimo do fator de potência.
Logo, conclui-se que para o tipo de carga analisado, que se constitui de uma carga cujo
conjugado é proporcional à velocidade, a utilização do soft-starter na redução de tensão para
que se economize energia somente é vantajosa para o motor subcarregado.
Além disso, foi possível observar e comprovar alguns fundamentos que são ditos na
literatura. Um deles foi que, através dos dados obtidos, observou-se que quanto maior era a
corrente contínua injetada nas bobinas do freio, maior era a frenagem aplicada, já que a rotação
acabou diminuindo conforme a carga foi aumentando, de forma que o Freio de Foucault
funcionava com sucesso. Outro fundamento é a questão de economia de energia só acontecer
no caso de cargas leves, que de fato, foi exatamente o que os resultados demonstraram.
Fica proposto como uma continuação deste trabalho, uma análise para cargas de
conjugado constante e para cargas cujo conjugado é dependente do quadrado da rotação, que é
o caso típico de acionamento de bombas e ventiladores. Além disso, também fica proposto para
um trabalho futuro encontrar uma tensão ótima a ser aplicada conforme a carga, já que durante
os experimentos aqui realizados pode-se observar que esta tensão ótima variava entre 160 e 180
[V].
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Referências
RASHID, Muhammad Harunur. Power Electronics Circuits, devices and applications. 2ª ed.
Prentice Hall.
ECATALOG WEG. Manual do usuário. Disponível em:
<http://ecatalog.weg.net/files/wegnet/weg-ssw06-manual-do-usuario-220v-690v-0899.5853-
1.4x-manual-portugues-br.pdf>. Acesso em: 15 abr. 2017.
SIEMENS. Soft-starter 3rw30 sirius. Disponível em:
<http://www.industry.usa.siemens.com/automation/us/en/industrial-controls/products/solid-
state-control/soft-starters/documents/3rw30_sirius_system_manual_3rw3_ch 8_52
pgs.pdf>. Acesso em: 15 abr. 2017.
BARBI, Ivo. Eletrônica de Potência. Editora da Universidade Federal de Santa Catarina,
Florianópolis, SC. 2000.
REZEK, Ângelo José Junqueira. Fundamentos básicos de máquinas elétricas: teoria e ensaios.
Magalhães C.; Rezek, A, J, J; Cortez J. A; Vicente, J. M. E “Implementação de um sistema de
partida suave soft-start para o motor de indução trifásico baseado em microcomputador”, Anais
XII C B A – Uberlândia, M.G., vol. 3, setembro, 1998.
Vicente, J. M. E. “Monitek – Equipamento para medições de potências elétricas”, 1998.
ABB “SoftSart – PS A, PS D e PS DH”, Suécia: ABB Control, dec., 1994.
TELEMECANIQUE “ALTISTART 3 – Conversores de partida e parada para motores
assíncronos”; São Paulo: Telemecanique, 1994.
Assis, M. M.; “Partida suave de motores de indução trifásicos”; São Paulo: SIEMENS, 1995.
Mungenast, J.; IEEE Trans. On Ind. Appl. “Design and application of a solid state AC Motor
Starter”, vol. IA-12, n.1, 1976.
Bose, B.K. “Power electronics and variable frequency drives”, IEEE PRESS, 1997.
FREITAS P. C. F. D.; BISPO, A. C.; DELAIBA, S.F.P. Análise comparativa dos rendimentos
dos motores da linha padrão e de alto rendimento sob o enfoque da eficiência energética.
Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos (Sbse), Belo Horizonte, Brasil, 2008.
MAMEDE FILHO, João. Instalações elétricas industriais. 8.ed. Rio de Janeiro-RJ: LTC, 2013.
ANALYZERS, P.; MANUAL, U. Pm100/300. , v. 44, n. 0.
J. Haddad, A.H. Santos, “Eficiência Energética Teoria e Pratica”, Eletrobrás-procel Escola
Federal de Engenharia de Itajubá, pp. 87, Itajubá 2007.
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
53
CEFET/BA. Curso de Tecnologia em Automação Industrial. Bahia: Cefet, 2010.
Notas de aula do professor Hermeto
Notas de aula do professor Rafael de lorenzo
GUANGQIANG, Lu et al. Energy Conservation ofA Novel Soft Starter Controlled by IGBT
for Induction Motors with Minimum Current. Harbin: IEEE, 2004.
REZEK, A.j.j. et al. ENERGY CONSERVATION WITH USE OF "SOFTSTARTER".
Itajubá: Ieee, 2000.
SOUZA, Marcelo de Oliveira et al. ANÁLISES DAS CORRENTES DE PARTIDA DE UM
MOTOR TRIFÁSICO ACIONADO POR CHAVE CONVENCIONAL E POR INVERSOR
DE FREQUÊNCIA. Maceió: Ciências Exatas e Tecnológicas, 2017.
FRANCHI, Claiton Moro.ACIONAMENTOS ELÉTRICOS. 5.ed. São Paulo-SP: Érica, 2015.
ROSA, Alex da. Simulação de um Soft-Starter para acionamento de motores de indução.
2003. 67 f. Tese - Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Itajubá, Goiânia,
2003.
BRASIL. Decreto 4.508 de 11.dez.02. Dispõe sobre a regulamentação específica que define
os níveis mínimos de eficiência energética de motores elétricos trifásicos de indução rotor
gaiola de esquilo, de fabricação nacional ou importados, para comercialização ou uso no
Brasil, e dá outras providências. D.O.U., Brasília, DF, 12.dez.2002.
AHMED, Ashfaq. Eletrônica de potência. São Paulo, SP: Pearson Prentice Hall, 2006.