Softstarter é um equipamento responsável por realizar a partida suavizada de um motor elétrico, conhecido também como chave de partida suave ou arrancador suave. Neste artigo falaremos sobre este equipamento e seus benefícios, explanaremos brevemente o funcionamento de um motor elétrico e diferentes métodos para partida, assim como suas principais características e peculiaridades.
* por Mateus Castro
MOTORES ELÉTRICOS
Existem diversos modelos de motores elétricos disponíveis como motores monofásicos ou polifásicos, corrente contínua ou alternada, assíncrono ou síncrono, rotor em gaiola ou anéis, sendo o mais utilizado no mercado os motores trifásicos assíncronos de rotor em gaiola, por serem relativamente baratos e terem custos de manutenção reduzidos, sendo esse o nosso foco neste artigo.
Partida Direta
A partida direta é a prática ainda comum no mercado por ser uma solução compacta e barata, pois consiste apenas de um contator ou outro equipamento para seccionamento e um relé de sobrecarga para proteção do motor, porém sua conexão direta à rede elétrica gera picos de corrente elétrica e torque elevados, geralmente para vencer sua própria inércia e/ou das demais cargas conectadas.
Estes picos ocasionados na partida podem causar diversos problemas elétricos e mecânicos:
- Transientes de corrente e de tensão, resultantes da partida direta, podem sobrecarregar a rede de alimentação local e causar variações e afundamentos de tensão, interferindo e danificando outros equipamentos conectados a rede.
- Picos de torque na partida podem ocasionar escorregamentos de correias, estresse e desgaste mecânico em acoplamentos, engrenagens e rolamentos, reduzindo assim a vida útil do motor, gerando necessidade de manutenção e reparos.
- Problemas operacionais poderão surgir devido à partida abrupta, como danos em produtos em esteiras transportadoras.
- Pressão e choques hidráulicos nos sistemas de tubulação na partida e parada das bombas, conhecido também como golpe de aríete.
Partida Estrela-Triângulo
A partida estrela triângulo é realizada com três contatores, um relé de sobrecarga e temporizadores e só pode ser realizada em motores que rodam com a ligação em triângulo em operação nominal. Este método consiste em uma partida de dois tempos do motor. Com o primeiro estágio acelerando o rotor em uma conexão estrela há uma redução de 1/3 da corrente elétrica nominal, chaveando-se com o temporizador posteriormente no segundo estágio para a conexão em triângulo (após se atingir geralmente 80-85% da velocidade nominal), permitindo entregar ao motor a corrente elétrica e torque nominal.
Este método funciona bem para partidas leves ou descarregadas, mas não será possível para iniciar aplicações pesadas, devido ao torque reduzido da partida (33% a 25% do torque nominal).
Um grande problema, no entanto, surge com partidas estrela-triângulo que aparecem quando se chaveia para a conexão triângulo, resultando em elevados transientes de corrente. Em alguns casos, o pico de corrente pode chegar a um valor ainda maior que de uma partida direta. Assim como a partida direta, no estrela-triângulo a parada de um motor será direta e abrupta.
Inversor de frequência
Um inversor de frequência, ou drive, atua convertendo a frequência de um motor sendo assim possível controlar sua velocidade. Ele é de fato um ótimo equipamento para ser utilizado devido ao seu controle otimizado.
No entanto, para aplicações onde não é necessário monitoramento e controle da velocidade do motor durante operação, sua aplicação se torna demasiadamente cara, além de demandar um espaço maior que uma Softstarter por exemplo, devido ao seu dimensional e peso superior. Outro aspecto negativo é a geração de harmônicas devido à decomposição e atuação na frequência, que pode ser reduzida com filtros e cabos blindados, porém não totalmente eliminadas.
SOFTSTARTER
A softstarter não altera a frequência ou a velocidade como um inversor de frequência, e sim cria uma rampa da tensão aplicada ao motor, a partir de uma tensão inicial até a tensão plena. Inicialmente, a tensão para o motor é tão baixa que só é capaz de ajustar o jogo entre as engrenagens ou o alongamento das correias para evitar solavancos repentinos durante a partida. Gradativamente a tensão e o torque se elevam, de modo que a máquina começa a acelerar. Uma das vantagens com este método de partida é a possibilidade de ajustar o torque com a necessidade exata, estando a aplicação carregada ou não.
O que é? Como funciona?
Uma Softstarter consiste de uma série de tiristores anti-paralelos, dois em cada fase.
Estes tiristores são componentes semicondutores que normalmente são isolantes mas, enviando um sinal de ignição, permite a condução da corrente e tensão elétrica.
A suavização da partida é realizada com o sinal de disparo aos tiristores, permitindo a condução de corrente e passagem de tensão apenas no final de cada semi ciclo da onda senoidal, sempre quando a mesma estiver se aproximando do zero, com o sinal de disparo cada vez mais cedo, permitindo assim que uma parte cada vez maior da tensão passe através dos tiristores, até que 100% de tensão seja conduzida.
Há vários tipos de Softstarters no mercado, com controle de 2 ou 3 fases, diferentes funções, proteções e acessórios, configurações por IHM ou botões rotativos, diferentes procotolos de comunicação e etc, recomendados para diferentes tipos de aplicações, segmentos e necessidades do consumidor final.
Softstarters com controle de duas fases têm como vantagens seus dimensionais reduzidos e mais leves, além de um preço mais competitivo, tendo em vista que sua performance ainda será muito boa, sendo possível realizar paradas suaves também e reduzir a corrente de partida.
A ABB possui um sofisticado algoritmo para eliminar componentes CC que podem surgir ao se realizar o controle de apenas duas fases. Esta componente poderá ocasionar um efeito contrário de frenagem do motor durante a partida.
Uma desvantagem proveniente de não se ter uma das fases controladas é o desbalanceamento das correntes, onde será maior na fase não controlada, comparada às outras duas fases tiristorizadas. Softstarters com controle de duas fases também não permite realizar uma ligação Inside-Delta e não é recomendado para a partida de cargas muito pesadas.
Já a desvantagem de uma Softstarter com controle de 3 fases é o aumento de seu dimensional e peso, assim como maior custo do produto.
Controle por rampa de tensão
Uma vez que a tensão para o motor é reduzida durante a partida, tanto a corrente como o torque também serão diminuídos. De fato, se a tensão é reduzida para 50% do total de tensão, a corrente será reduzida para cerca de 50% da corrente máxima e o torque será reduzido para cerca de 25%.
No entanto, uma variação linear da tensão não dá necessariamente uma variação linear do torque ou da velocidade.
Controle por torque
Ao contrário de uma partida com controle de tensão em forma de rampa, o controle de torque é feito por meio de um circuito com um algoritmo fechado em loop, medindo a corrente e tensão para que se calcule e ajuste o torque. Controle de torque é especialmente útil para a parada de bombas, onde uma diminuição repentina da velocidade podem levar a golpes de aríete, picos de surtos de pressão no sistema hidráulico, que podem causar um tremendo desgaste mecânico na bomba, nas válvulas e no sistema de tubulação.
Ao realizar uma parada por rampa de tensão, a tensão começa a diminuir logo após o comando de paragem, no entanto, a corrente irá aumentar em uma tentativa do motor de manter-se no seu estado atual. Uma vez que o torque depende tanto da tensão e da corrente, o mesmo irá permanecer levemente inalterado inicialmente, até que após uma diminuição suficiente da tensão, ocorrerá uma queda brusca na corrente e o torque e o motor terão uma parada repentina.
Esta paragem ainda será muito melhor do que uma parada direta, mas em muitos sistemas de bomba isso não é bom o suficiente, por isso deve ser encontrada outra solução.
Com o controle de torque, ao invés de uma rampa de tensão, ocorrerá uma rampa do torque do motor, forçando o motor a desacelerar imediatamente e executar uma desaceleração controlada por todo o caminho até chegar a uma parada completa, no entanto, ainda assim não é suficiente apenas através de uma rampa linear de torque. É necessária uma curva do torque, concebida de tal maneira que o golpe de aríete seja evitado.
É por isso que a ABB por muito tempo trabalhou em estreita colaboração com fabricantes de bombas, a fim de adquirir conhecimento sobre a melhor forma de parar as bombas e após milhares de diferentes testes e simulações com diferentes combinações de bombas e motores ABB foi desenvolvida a curva de parada ideal, a maneira perfeita para se parar uma bomba.
APLICAÇÕES
VENTILADORES
Problemas típicos
O elevado momento de inércia de ventiladores ocasiona em um longo tempo de partida, consequentemente drenando uma corrente elétrica elevada da rede, o que pode levar a quedas de tensão graves, perturbando outros equipamentos.
Os ventiladores são muitas vezes conduzidos por uma ou mais correias de transmissão, que durante uma partida direta tendem a escorregar, pois o torque de partida do motor é muito alto e as correias não são capazes de transferir essa força.
Solução Softstarter
A chave para resolver os problemas de escorregamento com correias é a redução do torque de arranque do motor durante a partida. A softstarter fornece a capacidade de ajustar as configurações para se adaptar a qualquer condição de partida, tanto descarregado quanto totalmente carregado. Usando uma Softstarter também se reduzirá a alta corrente necessária para a partida, e, assim, evitar a queda de tensão na rede. Algumas softstarters possuem proteções embutidas, como proteção de subcarga, que podem detectar uma correia quebrada por exemplo, e parar o motor para evitar danos.
BOMBAS
Problemas típicos
Iniciar uma bomba normalmente não ocasiona grandes distúrbios elétricos, mas podem ocasionar problemas com as ondas de pressão no sistema de hidráulico, especialmente quando o motor para muito rapidamente (golpe de aríete). Durante uma única parada este é apenas um inconveniente, mas ao executar vários arranques e paragens por hora, dia após dia, todo o sistema de bomba em breve estará desgastado.
Solução Softstarter
Uma parada suave por controle de tensão irá reduzir os problemas do golpe de aríete, mas em muitos sistemas esta solução pode não ser boa o suficiente, sendo necessário a parada por controle de torque, a fim de reduzir o torque e parar o motor da maneira mais otimizada. Algumas Softstarters possuem funções úteis para aplicações em bombas, como proteção de subcarga detectando bombas rodando a seco, funções kickstart ou similares, criando um pontapé inicial para partir bombas levemente obstruídas, e funções de rotor bloqueado para evitar danos causados por bombas travadas.
COMPRESSORES
Problemas típicos
Partidas diretas de compressores os expõem a alto estresse e desgaste mecânico no compressor em si, assim como nas correias de transmissão e acoplamentos. O resultado é uma vida útil reduzida. Nos casos em que as correias de transmissão são usadas , muitas vezes escorregam durante o início. A fonte desses problemas é o torque de partida alto ocorrendo com o método de partida direta.
Solução Softstarter
Ao utilizar uma Softstarter é possível limitar o torque de arranque para um nível adequado para todas as diferentes aplicações. O resultado é menor estresse em acoplamentos, rolamentos e correias não escorregam durante a partida. O custo de manutenção vai ser reduzida a um mínimo. A corrente de partida é limitada em 3 a 4 vezes a corrente nominal do motor.
ESTEIRAS
Correias transportadoras podem ter características diferentes, seu comprimento pode variar de apenas alguns metros até vários quilômetros e correia pode ser horizontal ou inclinada. Tipicamente a correia transportadora tem um torque de carga constante.
Problemas típicos
Correias transportadoras, muitas vezes precisam de um torque de partida muito próximo ou um pouco acima do torque nominal do motor, ocasionando escorregamentos nas correias e esteiras.
Engrenagens e engates também estão expostos a tensões mecânicas elevadas, resultando em um desgaste considerável e custos de manutenção elevados. Acoplamentos fluídos podem ser usados para reduzir o torque transferido, porém é um método caro e requer muita manutenção.
Solução Softstarter
Ao utilizar uma Softstart o torque de partida pode ser reduzido a um valor mínimo e ainda ser capaz de iniciar a correia transportadora. A característica de configuração torna possível ajustar o torque exatamente ao nível necessário para a partida. O resultado é o menor estresse possível em caixas de engrenagens e acoplamentos, e não escorregamento de correias. Isto irá reduzir o custo de manutenção para um mínimo. Além disso, algumas Softstarters estão equipadas com proteção de inversão de fase para detectar correias transportadoras correndo na direção errada. Softstarters também podem ter proteção de sub ou sobrecarga para detectar se a carga está muito baixa ou muito alta, e pontapé inicial para ser capaz de iniciar esteiras levemente obstruídas.
Softstarters da ABB – A linha completa
A ABB oferece três linhas de softstarters diferentes para cobrir cada necessidade de solução do cliente
com motores de até 1800 A.
PSR – A linha compacta
A softstarter PSR é a mais compacta de todas as linhas de softstarters ABB, permitindo projetar equipamentos de partida compactos. Uma PSR junto com um disjuntor-motor compõem uma solução de partida muito mais compacta do que uma partida estrela-triângulo, por exemplo. A PSR possui by-pass integrado, reduzindo as perdas de energia dentro da softstarter e com apenas três potenciômetros, a configuração da PSR é extremamente fácil e rápida.
O controle de duas fases e as características de rampa otimizadas asseguram partida e parada suave em todas as aplicações.
PSE – A linha eficiente
A softstarter PSE é a primeira softstarter compacta do mundo com proteção eletrônica integrada de sobrecarga do motor e controle de torque para um controle excelente de bombas. Um design compacto repleto de funcionalidades torna a PSE uma solução de partida bastante eficiente. A tela iluminada, de fácil navegação, e teclado de quatro botões facilitam o aproveitamento de todos os recursos avançados da softstarter PSE. A tela fornece todas as informações necessárias durante rampa e operação contínua.
PST(B) – A linha avançada
A softstarter PST(B) é a linha de softstarters mais avançada com quase todas as funcionalidades imagináveis inclusas. A proteção avançada do motor, da softstarter e da carga garantem operação livre de problemas. Os problemas são detectados antes do motor precisar parar, devido a um sistema de pré-advertência que minimiza o tempo de inatividade.
O controle de torque da PST(B) foi desenvolvido em cooperação com fabricantes de bombas reconhecidos, para garantir a melhor parada possível das bombas, sem o risco de golpes de aríete e picos de pressão.
Com a tela LCD de texto completo em português, configurações de aplicações pré-programadas e registro de eventos, permite configurar e operar a Softstarter facilmente.
PSTX – em breve
A PSTX é o mais recente avanço da ABB no controle e proteção de motores, com novas funcionalidades e maior confiabilidade. Fique atento para maiores informações e seu lançamento ainda neste semestre!
Usando o FieldBus Plug da ABB você pode decidir a qualquer momento qual protocolo de comunicação deseja usar. O sistema fieldbus permite configurar, controlar e monitorar a softstarter.
Software de especificação de Softstarters - Prosoft ABB
Não perca o guia já publicado no portal da VOLTIMUM sobre a seleção de Softstarters ABB para diferentes aplicações:
http://www.voltimum.com.br/articles/software-de-especificacao-de-softstarters-prosoft-abb
Sobre a ABB - ABB é líder mundial em tecnologias de energia e automação. Localizada em Zurique, na Suíça, a empresa emprega 145.000 funcionários, opera em aproximadamente 100 países e possui 87 escritórios com o objetivo de proporcionar a seus clientes locais e globais o suporte necessário para que desenvolvam seus negócios com sucesso.
* Mateus Castro é Engenheiro Especialista de Produtos da área de Baixa Tensão da ABB Brasil