RETROFIT EM MOTORES E CHAVES DE PARTIDA

RETROFIT EM MOTORES E CHAVES DE PARTIDA

 

José Luiz Machado dos Santos[1]

 

RESUMO: Nas industrias, a utilização de chaves de partida para acionamento de motores é frequentemente utilizada em larga escala, dentre estas chaves de partida podemos citar como principais, a direta, a compensadora, a estrela-triangulo, a soft-starter e o inversor de frequência, sem estes equipamentos as indústrias não teriam a facilidade que tem hoje para garantir a vida útil dos motores e seus acionados. Com o intuito de realizar um retrofit (termo utilizado principalmente em engenharia para designar o processo de modernização de algum equipamento já considerado ultrapassado ou fora de norma) nas partidas de motores, será feito um estudo sobre chave de partida compensadora e sobre chave de partida soft-starter. Com esse estudo vamos poder mostrar os benefícios da soft-starter com relação à chave compensadora. Na pesquisa será utilizado o acionamento dos refinadores da máquina de papel, das fábricas de papel e celulose. Neste caso está instalado uma chave de partida compensadora e um motor GE, 500CV 4 pólos, instalado na planta fabril desde 1979. Este motor já possui cerca de 10 rebobinagens em seu histórico.

 

Palavras-chave: Chave de partida. Soft-starter. Chave compensadora. Motor.

 

 

RETROFIT ON ENGINES AND STARTING

 

ABSTRACT: In industries, the use of starters for motor drives is often used on a large scale, among these starters we can cite as the main ones: direct-online-starter, auto-transformer-starter, star-triangle, soft-starter and variable speed starter. Without these equipments the industries would not have the facility that has today to guarantee the life of the engines and their driven equipments. In order to realize a retrofit (term used mainly in engineering to designate the process of modernization of some equipment already considered outdated or out of norm) in motors starting, will be done a study on auto-transformer-starter and soft-starter. With this study we will be able to show the benefits of the soft-starter in relation to the auto-transformer-starter. In the research will be used the drive of the refiners of the paper machine in a pulp and paper mills. In this case there is an auto-transformer-starter and a 4-pole 500CV GE engine installed in the factory since 1979. This engine already has about 10 rewinds in its history.

 

Keywords: Starting wrench. Soft-starter. Compensating Key. Motor.

 

 

1INTRODUÇÃO

 

            Atualmente no Brasil as chaves de partida eletromecânicas, como a direta e a compensadora ainda são muito utilizadas por ter como algumas caraterísticas a funcionalidade e fácil manutenção. Porém, com o avanço da tecnologia, as chaves de partida eletrônicas como a soft-starter e o inversor de frequência, foram sendo inseridos na indústria.

O que também muito contribuiu para que as chaves de partida eletrônicas forem instaladas é o avanço tecnológico das máquinas e equipamentos em que elas acionam, pois possibilitam um maior controle de produção, maior vida útil de equipamentos acionados, melhora no sistema elétrico, etc.

Os acionamentos eletrônicos ainda possuem um custo elevado, porém sua eficiência com relação aos eletromecânicos pode trazer muito lucro para a indústria em um curto espaço de tempo. A dificuldade para a indústria está em saber o quanto é viável economicamente fazer a substituição destes acionamentos.

Baseado no histórico de queima de motores da indústria, verificou-se que uma grande parte dos motores que apresentaram defeito foi devido à sobrecarga, resultando no aquecimento do bobinado interno e ocasionando a queima, e ainda nas diversas ocorrências que geraram indisponibilidade de processo, como por exemplo, a queima de autotransformadores utilizados em chaves compensadoras, constata-se que esta tecnologia já está obsoleta e precisa ser substituída. Uma solução moderna e que está sendo utilizada em larga escala nas indústrias, são as chaves de partida eletrônicas acionando motores de auto rendimento, e neste caso usaremos a chave de partida soft-starter para adequar este acionamento. Sendo assim, será que são alternativas eficazes? A soft-starter vai efetivamente amenizar as paradas de máquinas por falha no acionamento dos motores?  Os motores de auto rendimento são mais econômicos que motores comuns?

            Visando desenvolver uma solução para os problemas nas chaves de partida, neste artigo será estudada a atualização tecnológica das mesmas e a substituição de motores de baixo rendimento, com o intuito de melhorar a disponibilidade e a confiabilidade da planta e ainda, aumentar sua eficiência energética.

 

 

 

 

2FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

 

2.1PARTIDA POR CHAVE COMPENSADORA

 

            Este acionamento tem por finalidade segundo (NASCIMENTO, 2013) reduzir a corrente de partida de um motor pela redução da tensão aplicada no mesmo. O autotransformador trifásico, que é um componente elétrico utilizado neste acionamento, normalmente tem algumas opções de tensão para ajustar a aplicação, por exemplo, 50%, 65% e 85%. Também neste acionamento temos uma redução no conjugado de partida, mas podemos controlar a redução pela escolha adequada da tensão de saída a ser utilizada. Este acionamento tem um custo elevado devido ao autotransformador que deve ser muito bem dimensionado e especificado, com os dados de potência, as tensões de saída (TAPs) e o número de manobras por hora. Esse número de manobras por hora define quantas vezes seguidas podemos efetuar a partida do motor por este acionamento no intervalo de uma hora sem que haja danos no autotransformador por aquecimento.

 

2.1.1Vantagens e desvantagens

 

            As chaves compensadoras possuem duas grandes vantagens, segundo Nascimento (2013), uma delas são as várias opções de TAP, onde podemos escolher a melhor opção de partida de um motor, claro que isto está diretamente ligado ao tipo de equipamento que será acionado. A outra, dependendo do tipo do circuito de força utilizado, no momento que a chave passa para a condição nominal, o autotransformador comporta-se como reatância em série com o motor, ajudando a reduzir o pico de corrente na transferência.

            Ainda segundo Nascimento (2013) a grande desvantagem é o custo elevado para instalação desse acionamento, devido ao autotransformador. E além do custo, o espaço ocupado pelo conjunto é maior e geralmente não se pode partir a chave consecutivamente, sob pena de queimar o autotransformador. Sendo assim, neste acionamento devemos respeitar o número de partidas do autotransformador.

 

2.2SOFT-STARTER

 

            Como o nome já evidencia, é um “sistema de partida suave”. Este acionamento eletrônico é utilizado para partir o motor suavemente, isto é, aceleração dentro de uma rampa programada, com controle de tensão e corrente aplicada ao motor. O pico de corrente de partida com soft-starter deixa de ser um problema. Para executar essa função, o soft-starter se utiliza de circuitos eletrônicos de potência tiristorizados. As chaves soft-starters são equipamentos que possuem componentes de eletrônica de potência que consistem em elementos de comutação bidirecionais, compostas de pontes de tiristores que atuam como chaves de partida estática, projetadas para regular a rampa de aceleração nas partidas de motores de indução trifásicos, a fim de controlar a corrente de partida da máquina, em substituição as chaves de partida antigas. As chaves soft-starters atuam também na rampa de desaceleração nas paradas da máquina e ainda na proteção elétrica do motor. Seu uso é comum em bombas centrífugas, ventiladores, e motores de grande potência cuja aplicação não exija a variação de velocidade (NASCIMENTO, 2013).

 

2.2.1Vantagens e desvantagens

 

Toda chave soft-starter apresenta vantagens e desvantagens em relação às chaves de partida tradicionais. Segundo Nascimento (2013), as mais importantes são:

• Reduzir e limitar a corrente de partida;
• Evitar picos de corrente;
• Incorporar parada suave e proteções.
• Redução evidente dos esforços sobre os acoplamentos e dispositivos de transmissão (redutores, polias, engrenagens, correias) durante a partida;
• Aumento da vida útil do motor e equipamentos mecânicos da máquina acionada pela eliminação de choques mecânicos;
• Facilidade de operação, ajuste e manutenção;
• Instalação elétrica simples;
• Operação em ambientes de até 55 °C.

As desvantagens da chave soft-starter são as seguintes:

• Gera aquecimento por efeito Joule nos Tiristores;
• Exigem métodos eficientes de ventilação forçada;
• Sensibilidade a surtos de tensão: Semicondutores e Eletrônica;
• Possibilidade de geração de Interferência Eletromagnética;
• Produção de Distúrbios Harmônicos durante a partida;
• Necessita proteção especial no alimentador: Fusíveis de atuação Ultra-Rápida;
• Pouca resistência a curto-circuito na carga acionada.

 

2.3MOTOR TRIFÁSICO DE INDUÇÃO COM ROTOR GAIOLA DE ESQUILO

 

            São os motores mais usados na indústria. Ele possui várias vantagens, mas a maior vantagem é ele ser mais econômico com relação aos motores monofásicos, tanto na fabricação, quanto na utilização dele na indústria, e ainda escolhendo o melhor método de partida, tem uma gama enorme de aplicações (FRANCHI, 2014).

            O rotor em gaiola de esquilo é constituído por um núcleo de chapas ferromagnéticas, isoladas entre si, sobre o qual são colocadas barras de alumínio (condutores), dispostas paralelamente entre si e unidas nas suas extremidades por dois anéis condutores, também em alumínio, que provocam um curto-circuito nos condutores (FRANCHI, 2014, p.45).

O estator do motor é também constituído por um núcleo ferromagnético laminado, nas cavas do qual são colocados os enrolamentos alimentados pela rede de corrente alternada trifásica (FRANCHI, 2014, p.46).

A vantagem desse rotor em relação ao rotor bobinado é que resulta em uma construção de induzido mais rápida, mais prática e mais barata

No estator são montados grupos de bobinas para cada fase, responsáveis pelo campo magnético girante trifásico dentro da máquina. As bobinas são posicionadas estrategicamente de moto que as bobinas de entrada das fases tenham defasagem de 120° entre elas. A montagem do enrolamento, de acordo com o número de ranhuras, número de polos e potência desejada, pode ser imbricada ou meio imbricada. O enrolamento imbricado possibilita, com a mesma carcaça, obter um aumento na potência do motor. O rotor do tipo gaiola de esquilo é montado sobre um eixo que gira dentro do campo magnético girante suportado por rolamentos instalados nas extremidades do eixo. Instalada no eixo, na parte traseira do motor, geralmente encontramos uma ventoinha, que direciona ar entre as alhetas na carcaça do motor, ajudando a resfriá-lo. (FRANCHI, 2014, p.46).

 

2.3.1Motores de alto rendimento

 

            Segundo Franchi (2014) os motores de alto rendimento utilizam materiais de melhor qualidade, tanto no rotor quanto no estator e, com a mesma potência exercida no eixo, ele consome menos energia durante o mesmo tempo de operação que um motor de indução de gaiola de esquilo. Estes motores possuem algumas particularidades e características especiais. Utilizam chapas magnéticas de aço silício de qualidade bem superior as usadas em outros motores, o que provoca uma redução da corrente de magnetização e, por consequência, aumentando o rendimento do motor. Também é utilizado grande quantidade de cobre nos seus enrolamentos, assim ocasionando uma redução nas perdas por aquecimento em função da corrente elétrica. Apresentam alto fator de enchimento das ranhuras, e assim tendo um benefício de melhor dissipação do calor gerado pelas perdas internas. O rotor também tem uma redução de perdas suplementares, isto devido ao tratamento térmico feito nele. Assim conforme todos os fatores anteriormente citados e também pelo sistema de ventilação, que nestes motores são bem elaborados, operam com temperaturas inferiores, comparando aos motores convencionais utilizados na indústria, o que torna possível maior capacidade de sobrecarga, possibilitando um fator de serviço superior a 1,10. O rendimento desses motores pode crescer e atingir um número muito próximo da sua nominal, porém, este motor ainda é caro, comparando aos motores convencionais, mas seu custo benefício se paga devido à redução do custo operacional.

 

3METODOLOGIA

 

            Foi pesquisado sobre a real eficiência da chave de partida compensadora utilizada nas indústrias em geral e comparado com a chave de partida soft-starter. Além disso, foi realizado um levantamento da eficiência dos motores levando em consideração o grande número de rebobinagens. Para pesquisa foram utilizados livros sobre acionamentos elétricos e sites de fabricantes dos equipamentos estudados para verificar qual a melhor opção, não só na eficiência, mas também no custo. Foram utilizados para os testes práticos instrumentos de medição que objetivam comprovar a eficiência do equipamento escolhido.

            Trata-se de uma pesquisa de campo exploratória natureza qualitativa e quantitativa. A coleta de dados foi realizada por meio de livros, manuais, registrador de eventos, e através de entrevistas com técnicos do setor de manutenção elétrica.

            O registrador de eventos é um dos instrumentos utilizado na pesquisa, ele forneceu os dados necessários para verificar a atual condição do acionamento, como as correntes e seus respectivos gráficos, a tensão e seus respectivos gráficos, medição de potência ativa, aparente e reativa e distorções harmônicas. Baseando-se nestes dados, foi comparado aos dados teóricos do acionamento que irá substituí-lo. Além deste importante instrumento, também foi utilizado multímetros e medidores de isolação (MEGGER). Outra importante ferramenta utilizada na pesquisa foi a entrevista com os técnicos do setor de manutenção elétrica, pois seus conhecimentos práticos auxiliarão muito, principalmente na especificação da nova chave de partida a ser instalada.

Este trabalho teve um grande auxilio da Klabin Papéis S/A de Otacílio Costa. A empresa disponibilizou os equipamentos da Máquina de Papel para possíveis estudos de implantação do novo sistema de acionamento, pois a empresa apoia toda e qualquer alternativa para diminuição de parada na planta e disponibilidade de equipamentos.

 

4RESULTADOS E DISCUSSÃO

 

4.1CHAVE DE PARTIDA EM OPERAÇÃO

 

Atualmente na planta industrial das empresas de papel e celulose, existem vários tipos de chaves de partida, incluindo diretas, estrela-triângulo, compensadoras, soft-starter e inversores de freqüência. Na gaveta de acionamento pesquisada neste artigo, a chave de partida instalada é uma compensadora. Esta chave de partida aciona um motor de indução trifásico de 500cv, 4 polos, responsável pelo acionamento do refinador de massa da máquina de papel.

  O Refinador de Massa de Celulose é um importante equipamento para as fábricas de papel, pois é o responsável por desagregar totalmente a fibra de celulose antes que a mesma seja transformada em folhas de papel.

  O acionamento deste motor é composto por componentes robustos, com muitas partes eletromecânicas e com um grande potencial para apresentar defeitos como: aquecimento/derretimento de contatos móveis e fixos, falha em bobinas de acionamento, queima do autotransformador por excesso de partidas ou por defeito no rele temporizador etc. Um dos motivos que motivaram a realização dessa pesquisa foi um evento em que um autotransformador pegou fogo e danificou uma parte do painel. Esta realidade está presente nas demais gavetas de acionamentos de refinadores, todos são equipamentos antigos, obsoletos e não atendem as exigências da norma NR-10.

 

Características da chave de partida compensadora:

• Proteção contra curto-circuito através dos fusíveis NH tipo gL/gG;
• Proteção contra sobrecarga através de rele térmico com lamina bimetalica.
• Utilização de contatores eletromecânicos para manobra;
• Aplicável a motores que partem com carga;
• Frequência de manobras: 2 manobras/hora.

 

Abaixo segue a relação de alguns materiais instalados neste acionamento:

• Bases para fusível NH;
• Fusíveis NH 800A;
• 1 Contator CWM400-22-30 (400A);
• 2 Contatores CWM150-22-30 (150A);
• 1 Autotransformador Potencia 500CV 5 partidas hora;
• Relé térmico (600);
• TC’s 800/5A;
• 1 rele temporizador;
• 1 contator de comando;
• 1 transformador de comando (2000 kVA);
• 3 fusíveis diazed (630A).

 

Este acionamento foi instalado no ano de 1979 na máquina de papel 13, nesta época ainda não existia a NR-10, então os painéis não eram projetados pensando na proteção dos manutentores que trabalham neste equipamento, e devido a adequação a norma e também para a confiabilidade do acionamento, cada vez mais são elaborados estudos para modernização dos equipamentos elétricos da planta fabril.

 

4.2motor EM OPERAÇÃO

 

  Os motores instalados nos refinadores são de fabricação GE e estão instalados desde 1979, quando iniciou a máquina de papel 13. Na figura 1 segue os dados técnicos destes motores:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 1. Dados tecnicos MOT-0007.

 

Fonte: Acervo do autor, 2018.

 

Este motor teve 12 intervenções desde o início de operação em 1979, sendo que 8 delas foram para rebobinar e as outras 4 foram para revisão e troca de rolamentos. Ele é um motor aberto, isto é, possui 2 aberturas laterais de cada lado do motor para saída do ar quente e uma abertura na parte traseira responsável por captar ar frio para troca térmica. Estes motores possuem um ventilador interno que capta o ar frio de fora do motor e joga diretamente sobre a cabeça das bobinas, não existindo assim, aletas externas para refrigeração do mesmo. Na figura 2 tem-se uma imagem do motor em operação atualmente nos refinadores das máquinas de papel, e conforme podemos ver ele é um motor obsoleto.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 2. Motor GE 500cv.

 

Fonte: Acervo do autor, 2018.

 

4.2.1Testes com analisador de energia

 

Foi instalado no painel elétrico de acionamento do motor do refinador Nº1 o analisador de energia para verificar as grandezas elétricas deste motor.

            Na instalação do aparelho é importante tomar alguns cuidados, pois o acionamento está em operação, assim deve-se estar equipado com os EPI’s (Equipamento de proteção individual) necessários para realizar a instalação.

Primeiramente se instala as sondas de tensão e de correntes que irão captar os sinais dessas grandezas e envia-las para o analisador.

            Depois de instaladas as duas sondas, ligamos o aparelho e configuramos conforme os dados do acionamento, como tensão, ligação das sondas de corrente e tensão e corrente nominal do motor, depois de todos estes parâmetros configurados começamos a monitorar as grandezas elétricas. Nas figuras 3 e 4 pode-se observar como o aparelho é montado.

 

Figura 3. Sondas de medição.

 

Fonte: Acervo do autor, 2018.

Figura 4. Analizador de energia.

 

Fonte: Acervo do autor, 2018.

 

Na Figura 5, são apresentados os dados coletados pelo equipamento:

Figura 5. Planilha de medições analizador de energia.

 

Fonte: Acervo do autor, 2018.