Soft-StartersControle automtico de mquinasCurso tecnolgico de Sistemas EltricosCampus Campos IFFProf. Eng. Marcelo cordeiro Soares

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1.1 OBJETIVOS A popularizao da tecnologia, bem como a crescente necessidade de sistemas confiveis, incrementam a utilizao de soft-starters. Ar-condicionados, refrigerao industrial e compressores so exemplos que utilizam esse equipamento, principalmente quando ligados a fontes de alimentao no-confiveis ou fracas. Soft-starters so utilizados basicamente para partidas de motores de induo CA (corrente alternada) tipo gaiola, em substituio aos mtodos estrela-tringulo, chave compensadora ou partida direta.

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Tem a vantagem de no provocar trancos no sistema, limitar a corrente de partida, evitar picos de corrente e ainda incorporar parada suave e protees. Estas chaves contribuem para a reduo dos esforos sobre acoplamentos e dispositivos de transmisso durante as partidas e para o aumento da vida til do motor e equipamentos mecnicos da mquina acionada, devido eliminao de choques mecnicos. Tambm contribui para a economia de energia, sendo muito utilizada em sistemas de refrigerao e em bombeamento.

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A aplicao de microprocessadores se expande vertiginosamente com o passar do tempo. Uma das causas da grande expanso do uso de microprocessadores o seu custo reduzido. Com o passar dos dias descobrem-se novas aplicaes. O seu manuseio j se encontra bastante facilitado, fazendo com que novos equipamentos sejam desenvolvidos sem grande esforo.

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Os microprocessadores atuais so versteis e consomem pouca energia. Dessa forma pode-se desenvolver equipamentos de pequeno porte com baixo custo operacional. Estes equipamentos podem substituir a mo de obra humana muitas vezes utilizada em tarefas repetitivas. Por esses motivos, o circuito de controle de um soft-starter usa um microcontroladores / microprocessadores.

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1.2 CARACTERSTICAS

Nos processos modernos de partida do motor de induo, so usados soft-starters que, atravs de comando microprocessado, controlam tiristores que ajustam a tenso enviada ao estator do motor. Desta forma, consegue-se, de um lado, aliviar o acionamento dos altos conjugados de acelerao do motor de induo e, de outro, proteger a rede eltrica das correntes de partida elevadas.

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As chaves de partida esttica so chaves microprocessadas, projetadas para acelerar (ou desacelerar) e proteger motores eltricos de induo trifsicos. Atravs do ajuste do ngulo de disparo de tiristores, controla-se a tenso aplicada ao motor. Com o ajuste correto das variveis, o torque e a corrente so ajustados s necessidades da carga, ou seja, a corrente exigida ser a mnima necessria para acelerar a carga, sem mudanas de freqncia.

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Algumas caractersticas e vantagens das chaves soft-starters so:

Ajuste da tenso de partida por um tempo pr-definido;

Pulso de tenso na partida para cargas com alto conjugado de partida;

Reduo rpida de tenso a um nvel ajustvel, (reduo de choques hidrulicos em sistemas de bombeamento);

Proteo contra falta de fase, sobre-corrente e subcorrente, etc.

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Os motores assncronos trifsicos de rotor em gaiola apresentam picos de corrente e de conjugados indesejveis quando em partida direta. Para facilitar a partida so usados vrios mtodos, como chave estrela-tringulo, chave compensadora, etc. Estes mtodos conseguem uma reduo na corrente de partida, porm a comutao por degraus de tenso. Entretanto, nenhum se compara com o mtodo de partida suave (que utiliza o soft-starter). A figura 1 a seguir mostra o comparativo de corrente entre os mtodos mais usuais de partida:

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1.3 PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO

O soft-starter um equipamento eletrnico capaz de controlar a potncia do motor no instante da partida, bem como sua frenagem. Ao contrrio dos sistemas eltricos convencionais utilizados para essa funo (partida com autotransformador, chave estrela-tringulo,etc.). Seu princpio de funcionamento baseia-se em componentes estticos: tiristores. O esquema genrico de um soft-starter mostrado na figura 2 abaixo:

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Figura 2 Esquema de um soft-starter implementado com 6 tiristores para acionar um motor de induo trifsico (MIT)

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Atravs do ngulo de conduo dos tiristores, a tenso na partida reduzida, diminuindo os picos de corrente gerados pela inrcia da carga mecnica. Um dos requisitos do soft-starter controlar a potncia do motor, sem entretanto alterar sua freqncia (velocidade de rotao). Para que isso ocorra, o controle de disparo dos SCRs (tiristores) atua em dois pontos: controle por tenso zero e controle de corrente zero.

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O circuito de controle deve temporizar os pulsos de disparo a partir do ltimo valor de zero da forma de onda, tanto da tenso como da corrente. O sensor pode ser um transformador de corrente que pode ser instalado em uma nica fase (nesse caso, o sistema mede somente o ponto de cruzamento de uma fase), ou um para cada fase.

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Figura 3 Diagrama de blocos de um soft-starter

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No circuito de potncia, a tenso da rede controlada atravs de 6 tiristores, que possibilitam a variao do ngulo de conduo das tenses que alimentam o motor. 16 Para alimentao eletrnica interna, utiliza-se uma fonte linear com vrias tenses, alimentada independente da potncia.

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O carto de controle contm os circuitos responsveis pelo comando, monitorao e proteo dos componentes de potncia. Esse carto possui tambm circuitos de comando e sinalizao a serem utilizados pelo usurio de acordo com sua aplicao, como sadas rel.

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Para que a partida do motor ocorra de modo suave, o usurio deve parametrizar a tenso inicial (Vp) de modo que ela assuma o menos valor possvel suficiente para iniciar o movimento da carga. A partir da, a tenso subir linearmente segundo um tempo tambm parametrizado (tr) at atingir o valor nominal. Isso mostrado na figura 4:

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Figura 4 Curva de acelerao de um MIT usando soft-starter

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Na frenagem, a tenso deve ser reduzida instantaneamente a um valor ajustvel (Vt), que deve ser parametrizado no nvel em que o motor inicia a reduo da rotao. A partir desse ponto, a tenso diminui linearmente (rampa ajustvel (tr)) at a tenso final Vz, quando o motor parar de girar. Nesse instante, a tenso desligada. Veja a figura seguinte:

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Figura 5 Curva de desacelerao de um MIT usando soft-starter

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Alm da tenso, o soft-starter tambm tem circuitos de controle de corrente. Ela conservada num valor ajustvel por um determinado intervalo de tempo. Esse recurso permite que cargas de alta inrcia sejam aceleradas com a menor corrente possvel, alm de limitar a corrente mxima para partidas de motores em fontes limitadas (barramento no-infinito).

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Alguns fabricantes projetam seus soft-starters para controlar apenas duas fases (R e S, por exemplo), utilizando a terceira como referncia. Essa tcnica, que mostrada na figura 6, simplifica o circuito de controle e, conseqentemente, barateia o produto.

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Figura 6 Soft-starter com apenas duas fases controladas

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1.4 RECURSOS DE UM SOFT-STARTER

Os soft-starters existentes no mercado (fabricados pela WEG, SIEMENS e outras) so equipados com interfaces homem-mquina, ou painel de LEDs para informar o status do sistema. Quanto aos recursos que um soft-starter deve ter, os mais importantes so:

1. proteo do motor;

2. sensibilidade seqncia de fase;

3. plug-in;

4. circuitos de economia de energia.

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1.4.1 Proteo do motor

A figura 7 apresenta a curva tpica de sobre-corrente de um soft-starter: Figura 7 Curva tpica de sobre-corrente de um soft-starter

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Podemos notar que ela determina interrupes e bloqueios em caso de falta de fase ou falha do tiristor. Normalmente, esses equipamentos tambm possuem rels eletrnicos de sobrecarga. Durante o tempo de operao (tr), um rel eletrnico de carga entra em operao quando necessrio.

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O dispositivo pode ser configurado para dar proteo tanto para sobre-correntes (Ioc) quanto para sub-correntes (Iuc). Quando possvel, utilizar para partidas de motores chaves soft-starter que possibilitem o ajuste do torque do motor s necessidades do torque da carga, de modo que a corrente absorvida ser a mnima necessria para acelerar a carga.

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Veja a figura 8, que ilustra a limitao de corrente quando usamos soft-starter: Figura 8 Limitao de corrente em um soft-starter

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1.4.2 Sensibilidade seqncia de fase

Os soft-starters podem ser configurados para operarem somente se a seqncia de fase estiver correta. Esse recurso assegura a proteo, principalmente mecnica, para cargas que no podem girar em sentido contrrio (bombas, por exemplo). Quando h a necessidade de reverso, podemos faz-los com contatores externos ao soft-starter.

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1.4.3 Plug-in

O plug-in um conjunto de facilidades que podem ser disponibilizadas no soft-starter atravs de um mdulo extra, ou atravs de parmetros, como rel eletrnico, frenagem CC ou AC, dupla rampa de acelerao para motores de duas velocidades e realimentao de velocidade para acelerao independente das flutuaes de carga.

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1.4.4 Economia de energia

A maioria dos soft-starters modernos tem um circuito de economia de energia. Essa facilidade reduz a tenso aplicada para motores a vazio, diminuindo as perdas no entreferro, que so a maior parcela de perda nos motores com baixas cargas. Uma economia significante pode ser experimentada para motores que operam com cargas de at 50% da potncia do motor. Entretanto, essa funo gera correntes harmnicas indesejveis na rede, devido a abertura do ngulo de conduo para diminuio da tenso. A figura a seguir ilustra isso:

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Figura 9 Economia de energia usando um soft-starter

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Cabe lembrar, entretanto, que o soft-starter no melhora o fator de potncia, e tambm gera harmnicos, como qualquer outro dispositivo de acionamento esttico.

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1.5 APLICAES

Os soft-starters podem ser utilizados nas mais diversas aplicaes. Suas principais so em:

Bombas centrfugas (saneamento, irrigao, petrleo);

Ventiladores, exaustores e sopradores;

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Compressores de ar e refrigerao;

Misturadores e aeradores;

Britadores e moedores;

Escadas rolantes;

Esteiras de bagagens em aeroportos;

Linhas de engarrafamento.

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Picadores de madeira;

Refinadores de papel;

Fornos rotativos;

Serras e plainas (madeira);

Moinhos (bolas e martelo);

Transportadores de carga:

Correias;

Monovias;

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Porm, trs delas so clssicas: bombas, compressores e ventiladores. Daremos, em seguida, uma pequena descrio de cada uma dessas aplicaes. 1.5.1 Bombas

Nessa aplicao, a rampa de tenso iguala as curvas do motor e de carga. A rampa de sada do soft-starter adequa a curva de torque do motor sobre a da bomba. Nesse caso, a corrente de partida reduzida para aproximadamente 2,5 vezes a corrente nominal.

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A rampa de desacelerao diminui sensivelmente o choque hidrulico. Essa a razo, alis, das empresas de saneamento especificarem soft-starters com potncias superiores a 10kW. Uma das facilidades que torna ainda mais interessante a utilizao desse equipamento no acionamento de bombas o recurso kick-start. O kick-start um pulso 22 de tenso rpido e de grande amplitude aplicado no instante da partida. Isso ajuda a vencer a inrcia de partida quando h a presena de slidos na bomba (sujeira).

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Figura 10 Pulso kick-start usado na partida de cargas com alto atrito inicial

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1.5.2 Compressores

O soft-starter reduz a manuteno e permite que compressores crticos sejam desligados quando no forem necessrios. Por outro lado, evita que eles sejam desligados no funcionamento normal devido a fontes de alimentao muito fracas.

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1.5.3 Ventiladores

Os ventiladores, assim como as bombas, exigem um torque proporcional velocidade, porm, tambm tm grande inrcia. Geralmente, o limite de corrente utilizado para estender o tempo de rampa, enquanto a inrcia vencida.

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1.6 CUIDADOS

A seguir apresentamos alguns tpicos com respeito instalao de um soft-starter em geral:

Os soft-starters podem ser fixados chapa de montagem por quatro parafusos da mesma forma que contatores convencionais. Os mesmos devem ser usados em instalao abrigada, sendo relativamente imunes ao ambiente agressivo, j que a nica parte mvel representada pelos ventiladores, nos modelos maiores.

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Os soft-starters muito grandes, que utilizam tiristores de discos, devem tambm ser relativamente protegidos de p condutor ou que se torne condutor por acmulo de umidade.

Os soft-starters com ou sem ventilador incorporado, geram uma quantia de calor, o qual deve ser extrado do painel, pois caso contrrio haveria um acmulo de calor, elevando muito a temperatura interna do painel, fazendo com que atue a proteo de temperatura. Deve-se portanto, utilizar ventiladores com filtro de poeira e venezianas no painel.

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O ventilador mencionado no item acima deve ser adequado para trocar o ar do painel e manter o mesmo a temperaturas adequadas de operao.

Evite enfileirar demais os soft-starters, de modo que o ar mais aquecido que sai de um seja o ar que vai ser sugado pelo ventilador do outro.

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Os soft-starters a partir de 75 A possuem ventilador incorporado. Os ventiladores ligam somente quando a temperatura do dissipador atingir 50 graus centgrados. Caso a temperatura do dissipador ultrapassar 80 graus, a sada de potncia ser bloqueada, s voltando a funcionar quando a temperatura cair.

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Nem sempre possvel utilizar um soft-starter. A seguir, damos uma lista dos pontos mais crticos:

Refrigerao: deve-se instalar o dispositivo sempre verticalmente, com a ventilao para cima. A perda de calor aproximada de 3,6 W/A de corrente circulante.

Tipo de motor: no deve ser utilizado para partida de motores em anel.

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Fator de potncia: no se deve colocar capacitores na sada do soft-starter a fim de se corrigir o fator de potncia.

Torque alto em velocidade zero: elevadores e guindastes necessitam de torque mximo a velocidade zero no instante da partida. Nesse caso, a utilizao do soft-starter no aconselhvel.

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Qualquer chave soft-starter dever ser protegida por fusveis ultra-rpidos, levando em conta os valores i.t dos tiristores e dos fusveis, sendo que os valores i.t dos fusveis dever ser 20% menor que dos tiristores.

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2. ESTUDO DE UMA CHAVE SOFT-STARTER

As principais caractersticas que uma boa chave soft-starter deve ter so funes de: proteo, sinalizao e ajustes. Essas funes e caractersticas so bastante desejveis e esto presentes em todas chaves produzidas industrialmente.

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Qualquer chave soft-starter apresenta as seguintes vantagens em relao aos equipamentos de partida de motor tradicionais. Dentre as mais importantes, temos:

Reduz a corrente de partida;

Partida suave que reduz os trancos e golpes no sistema mecnico.

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Como foi dito anteriormente, o soft-starter um mdulo eletrnico tiristorizado, para partida suave de motores de induo trifsicos. O mdulo substitui os tradicionais Estrela-Tringulo e Chave Compensadora. O mesmo inicia a transferncia gradual de energia para o motor, iniciando assim, suavemente a acelerao do mesmo, reduzindo os trancos e golpes nos componentes mecnicos e sobrecarga na rede eltrica durante a partida.

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O sistema de controle possui ajuste da corrente de partida, que evita a subida excessiva da mesma. O mtodo utilizado o de incremento linear do ngulo de conduo do tiristor, em ligao antiparalelo, nas trs fases, resultando em aumento suave da tenso no estator do motor. Com o crescimento da tenso, aumenta tambm o torque, at que vencido o conjugado da carga, o motor inicia a girar, sendo que em seguida limitada a corrente de partida mxima permissvel.

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2.1 FUNES PRINCIPAIS

Diversas funes podem ser selecionadas em chaves deslizantes frontalmente ao mdulo de comando. Estas so explicadas logo a seguir.

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2.1.1 Seleo de ajuste local da rampa de acelerao

Este ajuste se refere ao ajuste da corrente limitada na partida do motor. Permite suavizar a subida de corrente no motor, de zero at a corrente de partida. Esta suavizao visa evitar trancos no motor e na carga. Ela no responsvel direta pelo tempo de partida efetiva do motor.

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O tempo de partida , por outro lado, dependente do nvel de corrente de partida e da carga. Este ajuste de Rampa de Acelerao deve ser sempre o menor possvel, para suavizar a partida e no prolongar demais o incio de giro do motor, otimizando a operao. Este ajuste especialmente importante em motores com pouca carga ou sem carga, os quais, devido a tendncia de rpida acelerao, tendem a oscilarem.

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Se o motor estiver com carga baixa, logo aps alguns segundos, o mesmo j estar na rotao nominal, e a rampa de tenso ainda estar subindo. Em outros casos, com carga pesada, o motor s ronca durante uma parte da rampa, s iniciando a girar assim que a tenso ultrapassa o ponto em que fornea o torque necessrio a carga. Isto tambm normal.

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Este ajuste o principal, sendo diretamente responsvel pelo tempo de partida do motor. Quanto mais alta a corrente admissvel, mais rpida ser a partida. Esta corrente poder atingir at 4 vezes a corrente nominal do motor, conforme o caso. Aps a subida inicial, suave da corrente, a mesma permanecer no nvel ajustado at o final de partida.

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Uma partida tima percebida at pelo ouvido, j que existe uma acelerao progressiva, bem perceptvel e ao mesmo tempo suave. Para motores sem carga, tambm para evitar instabilidade, este nvel deve ser alto, j que, de qualquer modo, o motor sem carga acelera rpido. Deste modo, pode-se perceber que para motores sem carga perde-se um pouco a vantagem da limitao de corrente.

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2.1.2 Seleo de ajuste remoto

Esta funo utilizada para partida de dois ou mais motores de potncias diferentes com o mesmo soft-starter. Deste modo, cada motor ter a partida ideal, se um dispositivo externo como contatores auxiliares ou CLP selecionar a corrente de partida para cada caso.

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2.1.3 Seleo de parada por corrente ou por rotao

Em caso de seleo de parada suave e comando de parada suave no boto correspondente, o soft-starter inicia a parada do motor obedecendo rampa de parada ajustada, por corrente ou por rotao do motor. Nos dois casos, a rotao diminui em rampa, sendo que no segundo caso a preciso maior pois a corrente fica livre para aumentar ou diminuir, compensando a carga.

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A diferena bastante perceptvel, sendo que por rotao, a rampa de parada obedece melhor a ajustada e pretendida. Nos dois casos o efeito melhor que a parada por diminuio de voltagem simplesmente, como usada pela maioria dos concorrentes, o que provoca parada abrupta do motor abaixo de determinada tenso, no obedecendo a rampa ajustada.

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A rampa de parada til em casos onde a parada brusca prejudicial mecanicamente. Isso pode acontecer em bombas de recalque, para evitar golpe de arete, e em motores com redutores de alta relao, que, ao parar instantaneamente, ocasiona problemas devido a massas de alta inrcia acoplados no lado de baixa rotao do redutor.

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A mesma efetuada obedecendo esta rampa, ou por diminuio gradual da corrente ou por diminuio gradual da velocidade deixando a corrente livre para variar at o valor de 5 vezes a corrente nominal.

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2.1.4 Funo Energy Saver

Esta funo diminui a tenso no motor quando a carga for abaixo da nominal do motor, sendo til em casos em que o motor possui partida pesada mas a carga diminui aps a partida, como ocorre em uma grande porcentagem das aplicaes. Esta funo equivale a diminuir a potncia do motor proporcionalmente a carga, economizando energia e melhorando o fator de potncia. Em caso de picos de carga a liberao da tenso total automtica, voltando ao regime de economia aps o pico de carga.

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2.1.5 Funo deteco de cavitao

Esta proteo utilizada principalmente para bombas, detectando a diminuio drstica da corrente do motor, o que significa que a bomba no est escorvada ou seja, est com ar no sistema.

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2.1.6 Funo de frenagem

Esta funo permite a parada com frenagem por injeo de corrente CC igual a aproximadamente duas vezes a nominal do motor. S ativa em caso de Parada Normal (Full Stop). O tempo de injeo de corrente CC ajustvel de 2 a 15 segundos e deve ser ajustada para o valor ideal, durante o StartUp, de modo que a frenagem seja interrompida logo aps a parada efetiva do motor.

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2.1.7 Funo Booster

Esta funo permite que para cargas com muita inrcia ou atrito o soft-starter injete inicialmente por um perodo de 0 a 2 segundos, ajustvel, uma corrente de 5 vezes a nominal do motor, retomando em seguida a rampa de partida ajustada. S deve ser usado onde absolutamente necessrio e pelo menor tempo que surta o efeito desejado, para evitar sobrecorrentes desnecessrias na instalao.

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A figura seguinte ilustra soft-starters fabricados pela WEG. Note os bornes disponveis para a ligao entre o soft-starter e as trs fases da rede e do motor.

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2.2 PROTEES Para que se possa proteger o soft-starter de qualquer distrbio ou falha, h a necessidade de que se faa o estudo das suas protees necessrias. Estas so listadas nos sub-tpicos a seguir.

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2.2.1 Falta de Fase

Detecta falha e falta de fase na entrada do mesmo. Quando atuada, acende o led correspondente, comuta o rel de falha e inibe-se o disparo dos tiristores. Sinaliza se ocorrer tanto falta de fase na entrada como na sada, como tambm falha interna que ocasione falta de corrente em uma das fases.

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Em caso de motor sem carga, desacoplado, tanto no mtodo de superviso de tenso como no de corrente esta proteo pode no atuar, j que num caso o motor gera tenso nominal na fase faltante (sem carga) e no outro caso a corrente muito baixa e a deteco feita por comparao entre as fases. No ocasiona problemas pois o motor logicamente no vai operar com carga zero ou desacoplado. Deve-se tomar cuidado durante testes com o motor desacoplado.

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2.2.2 Curto-Circuito

Atua caso ocorra uma corrente instantnea de valor 8 vezes a nominal do soft-starter. Neste caso, acende o LED correspondente, inibe-se os disparos e comuta-se o rel de indicao de falha. Esta proteo no dispensa o uso de fusveis ultra-rpidos para proteo dos tiristores, j que as condies de curto-circuito variam, dependendo da impedncia da rede, podendo atingir valores elevados de corrente. Neste caso, o fusvel pode atuar primeiro, protegendo mais adequadamente os tiristores.

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Sinaliza se detectados nveis instantneos de corrente acima de 8 vezes a corrente nominal. Esta proteo no dispensa o uso de fusveis ultra-rpidos, j que dependendo da impedncia do sistema e do nvel da corrente de curto-circuito, os fusveis podem abrir primeiro, protegendo mais adequadamente os tiristores. Alm disto em caso de falha geral do equipamento os fusveis garantem a proteo adequada.

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2.2.3 Sobre-Corrente

Esta proteo ajustvel, de 70 a 120% da corrente nominal. Atua aps 10 segundos de sobrecarga, acendendo o LED correspondente, comutando o rel de falha e inibindo-se o disparo dos tiristores. Essa funo, que deve estar presente em toda chave soft-starter, sinaliza a ocorrncia de sobrecarga acima dos nveis ajustados.

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2.2.4 Sobre-Temperatura

Uma chave bem projetada possui um sensor trmico nos dissipadores de calor dos tiristores. Caso ocorra elevao da temperatura, ocorrer a indicao da falha no LED vermelho correspondente, inibio do disparo dos tiristores, e a comutao do rel de indicao de falha.

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2.3 SINALIZAES POR LEDS

Qualquer chave soft-starter produzida industrialmente tem um grande nmero de sinalizaes, feitas atravs de leds. Essas sinalizaes tm, no geral, a funo de informar ao usurio a respeito do funcionamento da chave. Elas so citadas logo a seguir, e damos uma breve explicao sobre cada uma:

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Pronto para a partida: Significa que o motor no est em regime de partida, nem em fim de partida e nem em rampa de parada e neste caso pode ser comandada a partida.

Rampa: sinaliza a ocorrncia das rampas de partida e parada.

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Rotao nominal: sinaliza somente se a rampa de partida terminou e a corrente do motor caiu para nveis nominais, indicando que o mesmo partiu. Comanda tambm a entrada do contator de By Pass quando utilizado.

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Frenagem: Sinaliza enquanto o motor est em processo de frenagem por injeo de corrente contnua.

Booster: Sinaliza durante processo de injeo de alta corrente no inicio de partida, caso esta funo esteja selecionada.

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2.4 BY PASS

By Pass a funo de um contator em paralelo com o soft-starter, que no final da partida, comandado pelo prprio sinal de Rotao nominal, fecha ficando em paralelo com os tiristores, assumindo a corrente nominal do motor. Na hora da parada por Soft Stop, o contator abre sem faiscamento, pois os tiristores assumem a corrente do motor, sem interrupo e inicia-se a rampa de parada, com a interrupo da corrente final pala passagem pelo zero, portanto sem faiscamento.

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No caso de parada Full Stop, uma pequena temporizao no soft-starter permite que o contator abra primeiro, sem faiscamento e logo aps os tiristores interrompem a corrente pela passagem pelo zero de corrente, portanto tambm sem faiscamento. O contator de By Pass, apresenta, portanto, durabilidade muito grande pois no apresenta faiscamento nos contatos no na abertura e no fechamento. Ele possui as vantagens:

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No necessita refrigerao no painel para poucas partidas. O painel pode ser totalmente fechado em muitos casos, mantendo o equipamento limpo.

No apresenta perdas e aquecimento aps a partida.

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As protees continuam ativas.

O contator utilizado no participa da partida e da parada, no apresentando faiscamentos e desgaste prematuro.

Pode ser mais econmico.

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2.5 EXEMPLO DE APLICAO A dinmica inerente dos motores de induo resulta em redues quadrticas do torque e da acelerao disponveis, quando redues lineares na tenso aplicada so impostas no enrolamento do motor, conforme relao abaixo:

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onde: Td = Torque disponvel Tmax = Torque mximo a tenso nominal V = Tenso aplicada Vmax = Tenso nominal na chave soft-starter Td = (V/Vmax) . Tmax2

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Considerando que o soft-starter fundamentalmente um dispositivo regulador de corrente aplicada (tenso aplicada no motor continuamente ajustada pela ponte tiristorizada para manter o nvel de corrente), podemos modificar a equao anterior para uma relao de torque-corrente. Considerando que as redues da tenso aplicada no motor refletem redues no pico de corrente, uma substituio direta pode ser feita. Veja:

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onde: Td = Torque mximo a tenso nominal 31 Tmax = Torque mximo a tenso nominal I = Valor do limite de corrente Imax = Corrente mxima a tenso nominal

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Obviamente corrente e torque variam durante o ciclo de acelerao de um motor de induo. Para calcular com preciso o torque disponvel de um motor especfico, atravs do seu ciclo de acelerao, necessrio dispor da curva corrente-torque versus velocidade do motor. Considerando que essa informao no sempre um valor especfico de limite de corrente, pode ser calculado usando os dados de corrente relativos ao torque no motor na condio de rotor bloqueado.

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onde: Td = Torque disponvel Trb = Torque com rotor bloqueado I = Valor limite de corrente

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3. COMPARAO ENTRE MTODOS DE PARTIDA DE MOTORES TRIFSICOS

Sempre que possvel, a partida de um motor trifsico tipo gaiola deve ser direta (a plena tenso), por meio de um dispositivo de controle, geralmente um contator. Entretanto este mtodo exige da rede eltrica uma corrente muito elevada.

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Caso a partida direta no seja possvel, quer pela exigncia da concessionria (que no caso da instalao de baixa tenso exige, geralmente, que motores acima de 5 CV a partida seja por tenso reduzida), quer pela imposio da prpria instalao, utilizam-se sistemas de partida indireta.

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3.1 PARTIDA DIRETA

3.1.1 Caractersticas Sempre que possvel, a partida de um motor dever ser feita de forma direita, ou seja, sem artifcios para reduo da corrente de partida. Esse mtodo de partida aplicado a:

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Mquinas com qualquer tipo de carga;

Mquinas que suportam o conjugado (torque) de acelerao;

Fonte com disponibilidade de potncia para alimentao;

Confiabilidade de servio pela composio e comando simples.

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Por outro lado, quando a corrente de partida do motor elevada, podem ocorrer alguns transtornos, tais como:

Interferncia no funcionamento de equipamentos instalados no mesmo sistema, devido queda de tenso excessiva.

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Necessidade de superdimensionar os sistemas de proteo, com conseqente aumento de custos.

Por imposio da reduo da corrente de partida pela companhia concessionria de energia eltrica, de forma a limitar a queda de tenso na rede.

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Quando tais fatos ocorrem, necessrio recorrer a um sistema de partida indireta, de modo a reduzir o pico de corrente na partida. A figura seguinte ilustra as caractersticas bsicas da partida direta de um motor de induo trifsico. Veja:

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Figura 12 Caractersticas bsicas da partida direta

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A figura a seguir ilustra o painel de uma chave trifsica para partida direta:

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3.1.2 Componentes Bsicos

Os componentes bsicos de uma chave para partida direta de motores trifsicos so os seguintes:

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Tabela 1 Lista de componentes de uma chave para partida direta de motores de induo.

PADRO A Contator Voltmetro Fusvel para Rede Fusvel para Controle Rel de Nvel Sinaleiro Rel falta de fase Ampermetro Rel Trmico

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No sendo possvel a partida direta, outros mtodos de partida so utilizados:

Partida estrela-tringulo;

Partida por autotransformador (tambm chamada de compensadora);

Partida suave (soft-starter), por meio de eletrnica de potncia.

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Na seqncia indicada, esto tambm os custos do dispositivo de partida: uma estrela-tringulo mais barata do que uma partida suave (soft-starter), para mesma potncia de motor. E necessrio associar o investimento no motor com o dispositivo de partida. Por essa razo, mquinas pequenas (acima de 5 CV ou eventualmente maiores de acordo com determinaes da Concessionria de Energia), usam uma partida estrela-tringulo; mquinas maiores, passando pelas compensadoras (com auto-transformador), usam, no outro extremo das potncias, a partida suave (soft-starter).

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Um outro aspecto a qualidade da partida, h casos em que os solavancos resultantes de uma partida em estrela-tringulo no so admissveis dentro do regime de funcionamento do motor e sobretudo da carga acionada. Faremos uma anlise detalhada sobre o assunto mais adiante. Vamos analisar individualmente cada mtodo de partida no que segue.

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3.2 PARTIDA POR CHAVE ESTRELA-TRINGULO

3.2.1 Caractersticas O motor assncrono de induo trifsico apresenta uma resistncia rotrica de valor muito baixo. Isto, que se constitui numa vantagem no funcionamento do motor em rotao nominal, prejudicial no momento de partida, pois gera correntes muito altas. Estas correntes elevadas geradas na partida, se no forem levadas em considerao no projeto, provocaro possivelmente uma queda de tenso que perturbar as instalaes vizinhas.

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Motores capazes de terem sua partida atravs de uma partida estrela-tringulo, tem que ser do tipo trifsico, com as 3 entradas e 3 sadas dos rolamentos, acessveis, para fazer a mudana de uma ligao estrela para tringulo.

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Figura 14 Esquema de ligao dos enrolamentos na partida estrela-tringulo

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A maneira de reduzir esta corrente de rotor bloqueado (Ip) atravs da reduo da tenso de alimentao do motor eltrico. Sabemos que o conjugado da partida do motor eltrico proporcional ao quadrado da tenso aplicada nos seus bornes (a corrente fica reduzida a 33% da corrente de rotor bloqueado na ligao em tringulo), devemos ento analisar se o motor parte satisfatoriamente com esta reduo corrente.

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Pela figura 14, temos uma relao entre as correntes de linha (corrente que suprida da fonte da concessionria de energia) para as duas configuraes mostradas. Veja: 3Ideltapartida =Itriangulopartida E, portanto, para o conjugado do motor: 3Tdeltapartida =Ttriangulopartida Portanto,

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Portanto, o motor eltrico parte com 33% do conjugado nominal. A curva de conjugado reduzida na mesma proporo. Por este motivo, sempre que for necessria uma partida ESTRELA-TRINGULO, dever ser usado um motor eltrico com curva de conjugado elevado, porm previstos para partida ESTRELA-TRINGULO. Veja a figura a seguir, que ilustra o comportamento da partida de um motor atravs da chave estrela-tringulo.

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Figura 15 Comportamento da partida de um motor usando-se uma chave estrela-tringulo

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Antes de se decidir por uma partida ESTRELA-TRINGULO, ser necessrio verificar se o conjugado de rotor bloqueado (Tp) ser suficiente para operar a carga. O conjugado resistente da carga (Tr) no poder ser maior que o conjugado de rotor bloqueado (Tp) do motor eltrico, nem a corrente no instante da mudana para tringulo poder ter um valor inaceitvel. Existem casos que o sistema de partida ESTRELA-TRINGULO no pode ser usado.

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Neste sistema a tenso da rede constante e mudando apenas as ligaes internas do motor eltrico atravs de chaves manuais ou automticas (contatores e rels de tempo). O nome devido aos dois tipos de ligao interna do motor eltrico.

3.2.2 Vantagens e desvantagens Vale a relao da tabela abaixo para partida

ESTRELA-TRINGULO:

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Tabela 2 Relao entre tenso de linha e as tenses dos enrolamentos de um motor de induo trifsico

Tenso de Linha Trifsica (V) Enrolamentos 220 220 / 380 V 380 380 / 660 V 220 220/380/440/760 V 440 220/380/440/760 V

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Para este sistema de partida, a tenso da rede deve coincidir com a tenso do motor na ligao TRINGULO, e o mesmo dever ter possibilidade para ligao em dupla tenso. Por exemplo, se a tenso da rede for 220 V trifsica o motor eltrico dever ter no mnimo seis bornes de ligao e 380 V em Y. Na anlise das curvas de carga, e particularmente na das cargas indutivas (ou motoras), a corrente de partida plena pode alcanar valores eficazes igual a 8 vezes.

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Uma vez passada a fase de partida, ou seja, o motor j tiver alcanado sua rotao nominal e assim a corrente tambm j for nominal, ento podemos comutar os enrolamentos para a ligao de funcionamento normal, que ento ser ligada em tringulo, como uma corrente igual corrente nominal.

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Na comutao da estrela para o tringulo, e com conseqente aumento instantneo da corrente em trs vezes, manifesta-se um impacto mecnico que, de um lado, no por vezes admissvel dentro do regime de funcionamento da mquina 38 acionada. Por outro lado, esse mesmo impacto leva a acelerar a fadiga mecnica da mquina e do eixo de acionamento do motor, o que reduz sensivelmente a vida til das partes mecnicas envolvidas. A comutao da ligao estrela para tringulo feita automaticamente, por meio de rel de tempo associado ao comando de contatores.

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As principais vantagens do uso das chaves estrela-tringulo so:

Muito utilizada por seu custo reduzido;

Nmero de manobras ilimitado;

Corrente de partida reduzida a 1/3 da normal;

Dimenses reduzidas.

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J, suas principais desvantagens compreendem os seguintes tpicos:

Somente pode ser aplicada a motores com seis bornes acessveis;

A tenso da rede deve coincidir com a tenso tringulo do motor;

O conjugado de partida fica reduzido a 1/3 do normal.

Provocam trancos no sistema, tanto no incio da partida como na comutao estrela para tringulo.

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A chave de partida ESTRELA-TRINGULO em geral somente poder ser usada em partidas de mquinas em vazio, ou seja, sem cargas, e somente aps ter atingido a rotao nominal, a carga poder ser aplicada. So utilizadas basicamente para cargas bastante leves. Se precisarmos partir com carga, usamos a chave compensadora. Esta ser explicada logo a seguir.

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3.3 CHAVE COMPENSADORA AUTOMTICA

3.3.1 Caractersticas Esse mtodo de partida atende melhor a potncias de carga superiores quelas atendidas pela partida estrela-tringulo. Nesse caso, o controle da potncia ou da corrente feito mediante o ajuste de derivaes na sada do autotransformador, em porcentagens normalmente de 65% e 80%. Porm, outras derivaes podem ser previstas, contanto que as condies de utilizao o necessitem.

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aplicada no acionamento de mquinas de grande porte que partem com carga parcial Alm disso, a chave compensadora alivia o conjugado (torque) de acelerao por causa da tenso inicial (reduzida), e conseqentemente, reduz a disponibilidade de potncia para alimentao.

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As principais vantagens da chave compensadora so:

Reduo da corrente de partida, mantendo um conjugado suficiente para acelerar o motor;

possvel variar os taps do autotransformador, de modo a propiciar uma partida satisfatria do motor.

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J suas principais desvantagens so listadas a seguir:

Limitao do nmero de manobras;

Custo bem mais elevado em comparao estrela tringulo;

Construo volumosa e pesada;

Necessidade de estruturas mais caras para usa fixao;

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Exige uso de trs contatores e pesado autotransformador, que dissipa alta energia na partida, permitindo, em geral, somente 6 partidas por hora;

Provoca trancos no sistema no incio da partida e na comutao;

A energia dissipada no autotransformador perdida.

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A figura 16 mostra o painel de uma chave compensadora. Logo a seguir, na figura 17, podemos ver o comportamento da partida atravs da chave compensadora.

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Figura 17 Comportamento da partida com uma chave compensadora

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3.3.2 Componentes Bsicos

Contator para Rede

Contator para Partida

Autotransformador

Rel Trmico

Voltmetro

Ampermetro

Fusvel para Rede

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Fusvel para Controle

Rel de Nvel

Sinaleiros

Botes para liga-desliga

Pra-raio

Rel falta de fase

Comutador para voltmetro

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3.4 PARTIDA COM CHAVE SRIE-PARALELO

Para partida com chave srie-paralelo, necessrio que o motor seja religvel para duas tenses, onde a menor delas dever ser igual a tenso da rede (tenso de servio) e a outra igual ao dobro daquela. Neste tipo de partida o pico de corrente fica reduzido a 1/4 daquele com partida direta. Deve-se ter presente que com este tipo de ligao, o conjugado de partida do motor tambm fica reduzido a 1/4 e portanto a mquina deve partir praticamente em vazio.

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3.5 CHAVES REVERSORAS

As chaves reversoras so utilizadas para efetuar a inverso do sentido de rotao dos motores eltricos. Tem sua aplicao principal em mquinas operatrizes, onde a inverso do sentido de rotao do motor se faz necessria.

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