Motores

Fundamentalmente, recomendamos para protecção de todos os tipos de motores, a utilização de um relé digital multifunções, incluindo os seguintes elementos:

• Uma unidade de imagem térmica,
• Uma unidade sensível à componente inversa da corrente,
• Uma unidade permitindo a eliminação rápida dos defeitos polifásicos violentos,
• Uma unidade sensível à corrente homopolar.

Estas funções de base, assim como outras funções suplementares integradas nos relés de protecção de motores controlados por microprocessador e , irão ser tratadas detalhadamente nos capítulos seguintes.

A escolha definitiva entre uma protecção única (relé multifunções), ou uma combinação de diversos sistemas de protecção (relé multifunções e protecções complementares), será apenas tomada após um estudo detalhado das características da instalação, condições de arranque do motor, etc. Por outro lado, a potência do motor não constitui um critério de escolha rígido entre este ou aquele tipo de protecção, podendo um determinado tipo ser utilizado com bons resultados, numa gama de potências para a qual não foi originalmente concebido.

A escolha final deverá depender dos condicionantes económicos (nomeadamente o custo da protecção incluindo os transformadores de intensidade, em comparação com o custo do motor a proteger), assim como da importância do motor no processo industrial em que está inserido e consequências resultantes dos eventuais períodos de indisponibilidade. Por outro lado, a utilização deste ou daquele relé poderá ser decidida com o objectivo de proteger a carga accionado, ou para atenuar os riscos que esta possa implicar para o motor eléctrico (blocagem de rotor, desferramento de bomba, etc.,).

I - SOBRECARGA TÉRMICA EQUILIBRADA E DESEQUILIBRADA

A sobrecarga permanente de um motor é geralmente devida a um aumento do binário da carga, ou a uma diminuição do binário motor provocada por um abaixamento da tensão de alimentação, ou, no caso particular dos motores síncronos, a uma diminuição da corrente de excitação.

Se esta sobrecarga não for eliminada, o valor elevado da corrente provocará um sobreaquecimento prejudicial à máquina, do qual resultará uma diminuição do seu tempo de vida útil (envelhecimento prematuro dos isolantes).

Uma má repartição de consumidores monofásicos ou um ligeiro desequilíbrio da rede de alimentação, provoca o aparecimento de correntes de sequência inversa, as quais contribuem também para o aquecimento do rotor da máquina.

A componente inversa das correntes estatóricas cria um campo electromagnético no entreferro, que gira à velocidade de sincronismo, mas em sentido contrário ao sentido de rotação do rotor, dando origem a correntes com uma frequência de 100 Hz, que se concentram na superfície do rotor. Estas correntes provocam perdas por efeito de Joule elevadas, e portanto um sobreaquecimento.

De modo a ter em consideração também estas perdas, os relés e elaboram a imagem térmica a partir de uma combinação das correntes directa e inversa, extraídas a partir das correntes reais de fase através de um filtro de componentes simétricas, registando assim todo o tipo de sobrecargas, tanto equilibradas como desequilibradas. Obtém-se assim uma diminuição do tempo de resposta da unidade térmica, no caso de existir uma taxa de componente inversa elevada na alimentação dos motores.

A sua constante de tempo é regulável, de modo a permitir a sua adaptação a qualquer tipo de motor.

Afim de ter em conta os diferentes modos de arrefecimento dos motores, o relé possui uma constante de tempo térmica de arrefecimento regulável, que é utilizada a partir do momento em que o motor é colocado fora de serviço.

O possui ainda uma unidade de alarme térmico, permitindo assim dispor de uma informação do funcionamento em sobrecarga do motor, antes de se provocar o disparo, sempre prejudicial para os processos industriais.

Nos motores de potências elevadas, os quais vêm à partida equipados com sondas de temperatura de platina (Pt 100) para vigiar os pontos quentes do estator, poderão ser utilizados os relés de controlo de temperatura da série STEP 7000.

Estes relés efectuam assim uma medida directa da temperatura da máquina, tendo em conta a temperatura ambiente e os eventuais defeitos no sistema de arrefecimento,

Os tempos de resposta elevados das sondas e a sua fiabilidade perfectível, justifica a utilização, nas máquinas de potência elevada, de ambos os tipos de protecção: controlo de temperatura - STEP e imagem térmica - IMM.

II - DESEQUILÍBRIOS

O funcionamento de um motor em regime desequilibrado pode ser consequência da fusão de um fusível, do não fecho de um polo do disjuntor, ou de uma simetria de fases defeituosa da rede de alimentação.

Os relés e possuem uma unidade de máximo de corrente inversa de tempo dependente (tempo inverso). Esta unidade assegura a detecção e eliminação de defeitos bifásicos resistivos e de funcionamentos em monofásico.

Regulada a 20 % , esta unidade permite detectar a perda de uma fase mesmo quando o motor protegido estiver pouco carregado ou em vazio.

Por outro lado, a característica de tempo dependente assegura a sua estabilidade em caso de um defeito desequilibrado violento a montante (os motores comportam-se neste caso como geradores de corrente inversa), ou durante o período de arranque, onde a amplitude da corrente trifásica provoca uma saturação desigual dos T.I., produzindo um desequilíbrio artificial no secundário.

O funcionamento desta unidade possui uma temporização mínima de 0,5 s de modo a permitir que os defeitos de valor elevado sejam eliminados pelos fusíveis, antes de se dar a ordem de abertura ao contactor. O poder de corte deste deverá, no entanto, ser pelo menos igual ao valor da corrente que provoca a fusão dos fusíveis num tempo de 0,5 s pois neste caso, fusíveis e contactor cortarão a corrente de defeito simultaneamente. Consequentemente, quanto maior for o calibre dos fusíveis, maior deverá ser o poder de corte do contactor associado.

Nos blocos transformador-motor, as correntes de sequência inversa mantêm a sua amplitude ao atravessarem o transformador (tendo em conta a relação de transformação); apenas o seu ângulo de fase é afectado rodando um múltiplo de 30^o, dependendo do índice horário do transformador. Assim, um relé instalado no primário detectará a mesma amplitude de componente inversa que detectaria se estivesse instalado directamente aos terminais do motor.

Nos motores síncronos de elevada potência, é necessário detectar uma percentagem muito baixa de componente inversa (a partir de 6 % de In). Estas máquinas deverão, neste caso, ser equipadas com um relé de protecção contra os desequilíbrios do tipo , cuja curva de funcionamento se pode adaptar aos limites suportados pela máquina, e que dispõe, além disso, uma unidade de alarme de tempo independente (ver ).

III - CURTO-CIRCUITOS

Um curto-circuito entre fases nos enrolamentos, aos bornes da máquina ou nos cabos de alimentação, provoca o aparecimento de correntes elevadas que poderão deteriorar a máquina, devido ao sobreaquecimento e esforços electrodinâmicos daí resultantes.

Os relés e são equipados com uma unidade de componente directa de corrente de actuação muito rápida, cuja regulação é feita automaticamente em função do valor da corrente de arranque regulada no relé. Esta função pode ser colocada fora de serviço no caso do comando do motor ser feito por contactor-fusíveis.

O facto desta unidade ser regulada para valores superiores ao da corrente de arranque, faz com esta que seja insensível aos defeitos internos próximos do ponto neutro, pelo que, nas máquinas de elevada potência, se torna aconselhável a utilização de uma protecção diferencial.

Os relés diferenciais DMS 7001 ou podem neste caso ser utilizados. A escolha entre uma ou outra solução é condicionada pelas condições de instalação dos transformadores de intensidade.

IV - DEFEITOS À TERRA

Os defeitos à terra são os defeitos mais frequentes nas máquinas assíncronas. A deterioração da qualidade dos isolantes provoca o aparecimento de uma corrente de circulação entre os enrolamentos e a terra, através das lâminas ou da carcaça do estator. O valor desta corrente está dependente do modo de ligação do neutro à terra .

Como acontece para os defeitos entre fases, é aconselhável um tempo de eliminação muito curto, de modo a limitar os estragos e consequentes custos de reparação.

Qualquer que seja o regime de neutro da instalação, a unidade de componente homopolar integrada nos relés e assegura uma protecção adequada contra os defeitos à terra. O seu tempo de actuação é aumentado automaticamente no caso da colocação fora de serviço da unidade contra curto-circuitos (componente directa), tornando-a compatível com o comando por contactor-fusíveis. Esta unidade pode ser alimentada através de um transformador toroidal englobando as três fases ou a partir da ligação residual dos três T.I. de fase.

É no entanto aconselhável a utilização de um transformador toroidal, no intuito de dispor de uma máxima sensibilidade, permitindo a detecção de defeitos resistivos. A detecção rápida de defeitos resistivos limita os estragos na máquina, reduzindo os custos de reparação (rebobinagem em vez da substituição do motor).

Por outro lado, quando alimentada pela ligação residual, à o risco de disparos intempestivos durante o arranque do motor, devido à saturação desigual dos três T.I.. Neste caso, a unidade homopolar não deve ser regulada a valores inferiores a 0,15 a 0,2 x In dos T.I., valores que são muitas vezes demasiado elevados, quando comparados com a corrente máxima de defeito à terra.

Há, no entanto, um limite mínimo para a regulação da unidade homopolar, limite esse que é imposto pela corrente capacitiva homopolar própria da saída protegida (quando se der um defeito à terra numa saída vizinha, a corrente fornecida pela saída sã pode provocar a actuação intempestiva do relé, se este tiver uma regulação muito baixa). Por este motivo, a unidade homopolar do IMM não deverá ser regulada para valores inferiores a 1,5 vezes o valor da corrente capacitiva própria da saída protegida; na maior parte dos casos este valor não excederá 8A.

Nas redes de neutro isolado, a unidade homopolar assegurará a eliminação selectiva de um defeito à terra, se a corrente capacitiva homopolar total da rede for superior a 5 vezes o valor da corrente capacitiva própria de cada uma das saídas. Se esta relação não poder ser respeitada, deverão ser utilizados relés de máximo de intensidade homopolar direccionais . Em qualquer dos casos, a sinalização geral de defeito à terra deverá ser efectuada por um relé de máximo de tensão homopolar. Esta função será realizada por um relé de máximo de tensão residual do tipo alimentado a partir de 3 T.T. com os secundários em estrela, ou por um no caso de uma ligação em triângulo aberto.

Mesmo que a função de detecção de defeitos monofásicos à terra não possa ser efectuada de um modo seguro pela unidade homopolar do IMM, a sua utilização justifica-se pelo facto de continuar a ser o meio de detecção mais sensível no caso de um defeito duplo à terra em dois pontos afastados da mesma rede.

V - PROTECÇÕES NO ARRANQUE

V.1 - Arranque demasiado longo

Um arranque demasiado longo provoca um aquecimento rápido da máquina devido ao elevado valor da corrente de arranque absorvida por esta, num período em que o sistema de ventilação ainda não está a funcionar de um modo eficiente (ventilador localizado no veio). Esta sobrecarga é demasiado rápida para poder ser eliminada pela unidade de sobrecarga térmica.

Os relés e possuem uma unidade com tempo de resposta extremamente inverso, a qual assegura uma protecção eficiente do motor contra os arranques anormalmente longos, independentemente da tensão de alimentação. Esta unidade ajusta-se automaticamente em função das grandezas de arranque: corrente de arranque Id e tempo de arranque Td.

Se o tempo de arranque do motor for superior ao tempo máximo permissível de rotor bloqueado a partir do estado quente, então esta unidade não é suficiente, devendo ser utilizada uma protecção adicional, constituída por um relé de tensão contínua ligado a um gerador taquimétrico acoplado ao veio da máquina.

V.2 - Controle do número de arranques

O permite controlar, por contagem , o número de arranques de um motor durante um determinado intervalo de tempo. Um determinado número de arranque é autorizado durante um intervalo de tempo escolhido (t); se esse número de arranques é atingido, qualquer outro arranque será interdito durante um outro período de tempo (T). ( função ANSI [66] ).

Os relés e possuem uma unidade de autorização de arranque em função do estado térmico da máquina. O seu contacto, inserido na cadeia de fecho do órgão de comando, interditará qualquer arranque enquanto o estado térmico do motor se encontrar acima do valor de autorização regulado no relé.

Nota: Os relés e fornecem através do "display" da face frontal, uma informação: ?a , que informa o operador da compatibilidade entre as regulações do relé durante o arranque. ?a consiste na constante de tempo térmica aconselhada pelo relé tendo em conta a corrente e tempo de arranque do motor regulados no relé, e o estado térmico de autorização de arranque. Se ?a for superior à constante de tempo regulada poderão ocorrer disparos da unidade térmica durante os arranques a quente do motor.

VI - BLOCAGEM DE ROTOR EM MARCHA

Do ponto de vista de protecção, a blocagem de rotor deverá ser considerada especialmente nos casos de britadeiras, trituradoras, etc. Nos relés e , uma unidade de máximo de intensidade de tempo independente assegura a protecção contra as blocagens de rotor em marcha. Esta função é colocada fora de serviço durante os períodos de arranque (sendo nesta situação substituída pela unidade contra os arranques demasiado longos).

VII - DESFERRAMENTO DE BOMBA

O relé pode ainda incluir, uma unidade de mínimo de corrente que actua quando a corrente absorvida pelo motor estabiliza a um valor próximo da corrente em vazio durante mais de 3 segundos, permitindo detectar o desferramento de uma bomba ou a quebra de uma correia de transmissão.

Se os níveis de actuação do são demasiado restritivos ( 0,15 In < I < 0,4 In ), poderá ser utilizado como protecção complementar um relé de mínimo de corrente de tempo independente do tipo .

Nalguns casos, o critério de detecção de corrente não permite realizar esta função, devendo então ser utilizado um relé de mínimo de potência activa do tipo ou .

VIII - MÍNIMO DE TENSÃO

Os relés de mínimo de tensão ou , alimentados por transformadores de tensão do barramento e regulados a valores da ordem de 0,7 Un, permitem colocar fora de serviço os motores assíncronos, próximo do seu limite de tensão. Estes relés poderão ser substituídos por um relé de mínimo de tensão directa , que assegurará igualmente a interdição de arranque em caso de inversão de fases a montante do barramento.

A utilização destes relés ( ou ) não é necessária se um autómato de cela estiver já a ser utilizado para funções de gestão de reaceleração dos motores, ou de transferência automática. Efectivamente, o com as suas duas entradas de medida de tensão, às quais poderão ser associados 8 níveis de máximo ou mínimo de tensão e 16 blocos temporizadores, permite, entre outras funções, realizar uma supervisão completa da tensão do barramento.

IX - PROTECÇÕES ESPECÍFICAS PARA MOTORES SÍNCRONOS

Os sistemas de protecção dos motores síncronos utilizam o mesmo tipo de relés descritos nos parágrafos precedentes.

IX.1 - Perda de excitação

O controle e detecção da perda de excitação pode ser efectuada por um relé de mínimo de tensão contínua associado a um temporizador . A tensão é medida aos terminais de um shunt inserido no circuito de excitação. O possui ainda uma unidade de máximo de tensão, que poderá ser utilizada para detectar um mau funcionamento do regulador de excitação que, ao fornecer uma corrente demasiado elevada, poderá deteriorar o enrolamento rotórico.

O aparecimento dos sistemas de excitação sem escovas limita a aplicação deste tipo de protecção apenas ao circuito estatórico dos sistemas de excitação modernos. Para uma protecção completa da máquina contra as perdas de excitação, será utilizado, em complemento ou como protecção principal, um relé de impedância alimentado pelas correntes e tensões de linha da máquina.

IX.2 - Ruptura de sincronismo

Num motor síncrono, a potência mecânica fornecida é proporcional à tensão entre fases, à força contra-electromotriz e ao ângulo interno da máquina. Se a carga aumentar, se a tensão do barramento diminuir (curto-circuito) ou se a excitação desaparecer, o binário motor diminui, o que conduz a uma desaceleração da máquina e ao funcionamento fora do sincronismo, funcionamento esse que é prejudicial ao enrolamento rotórico e aos amortecedores.

O relé , sensível às transferências de potência reactiva, integra os escorregamentos durante um período de tempo regulável, afim de permitir a ressincronização do motor, no caso da perturbação que lhe deu origem ser rapidamente eliminada.

O apresenta ainda a vantagem de detectar uma perda de sincronismo originada por uma perda de excitação.

Nota: Nos motores que utilizem o método de arranque em assíncrono, a acção dos relés e deve ser inibida até ser aplicada a tensão de excitação.

IX.3 - Defeito do rotor à massa

O aparecimento de um defeito à massa no circuito rotórico de uma máquina síncrona deverá apenas actuar um alarme. Efectivamente, o aparecimento de um primeiro defeito não trás consequência imediatas, dado o circuito rotórico estar completamente isolado. Pelo contrário, o aparecimento de um segundo defeito provoca uma sobrecarga do circuito rotórico e um desequilíbrio mecânico devido a uma distribuição desigual do campo magnético no rotor.

O circuito rotórico é vigiado por um relé de controle de isolamento do tipo , que sobrepõe uma tensão alternada de baixa frequência à tensão contínua da excitação. O seu critério de funcionamento consiste na detecção de uma corrente de circulação de baixa frequência entre este e a massa.

X - AUTOMATISMOS

Se um motor for susceptível de ser submetido a uma reaceleração na sequência de uma transferência automática, poderá ser necessário prever a abertura do seu disjuntor por mínimo de tensão e o seu fecho retardado, em função do número de motores a reacelerar, da tensão residual ainda presente e da potência da fonte (ver ).

Estas diferentes medidas de tensão, as diversas temporizações associadas e a lógica de transferência e de reaceleração dos motores, podem ser asseguradas pelos autómatos programáveis do tipo.