Como os controles inteligentes de motores conseguem maximizar a resiliência e o tempo operacional

São necessários controles de motor inteligentes que possam maximizar a resiliência e o tempo de operação das máquinas na próxima geração de manufatura da Indústria 4.0, processamento de metais e materiais básicos, extração e mineração e infraestrutura essencial, como estações de tratamento de água potável e esgoto.

Os controles de motor nessas aplicações devem ser capazes de controlar e proteger motores com potência entre 75 HP e 700 HP. Uma proteção abrangente, incluindo proteção contra sobrecarga, proteção contra falta do potencial terra e proteção contra desequilíbrio de fase, é necessária para dar suporte à operação resiliente.

Também devem incluir autodiagnósticos de desgaste de contato e detecção de sobretensão/subtensão da bobina com indicadores visíveis para dar suporte à manutenção preditiva e ter projetos modulares para uma manutenção mais rápida a fim de maximizar o tempo de operação. A conformidade com o dimensionamento da corrente de curto-circuito (SCCR) do National Electrical Code (NEC), UL e Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) é necessária para garantir que o equipamento elétrico possa suportar altas correntes sem sofrer danos e que seja seguro.

Esses controles de motor também devem estar em conformidade com a norma IEC 60947-4-1, que abrange a segurança de contatores e acionadores de partida eletromecânicos, incluindo dispositivos de comutação de proteção do motor (MPSD), dispositivos de comutação de proteção do motor somente instantâneos (IMPSD) e atuadores de relés-contatores.

Este artigo começa com uma visão geral dos requisitos do SCCR. Em seguida, se aprofunda em uma família recentemente desenvolvida de controles de motor inteligentes da Schneider Electric, incluindo contatores modulares e relés de sobrecarga, detalhando a operação das funções de proteção e como o autodiagnóstico é implementado.

Ele analisa como esses relés de sobrecarga atendem aos requisitos da norma IEC 60947-4-1 e apresenta como o design modular acelera a manutenção preventiva. Para finalizar, ele analisa como dois contatores podem ser usados para montar um conjunto de reversão, permitindo o controle bidirecional de motores CA.

O SCCR é uma característica essencial na especificação de um painel de controle que contribui para a confiabilidade geral. É usado no dimensionamento de componentes de potência, como contatores e condutores. A norma IEC 60947-4-1 detalha três fases para o cálculo do SCCR (Figura 1):

1. Identificação do SCCR de cada componente de proteção e/ou controle e de cada bloco e elemento do sistema de distribuição.
2. Determinação do SCCR de cada circuito de ramificação. Com base nos valores dos componentes do circuito.
3. Determinação do SCCR do painel de controle completo. Com base nos valores dos circuitos.

Figura 1: Os cálculos de SCCR começam com os dimensionamentos de componentes individuais (retângulos amarelos), avançam para determinar o SCCR dos circuitos de ramificação (tracejado vermelho) e, em seguida, consideram as necessidades de SCCR do painel de controle completo (retângulo cinza). (Fonte da imagem: Schneider Electric)

Contatores TeSys Giga

Os contatores TeSys Giga estão disponíveis com dimensionamentos de 115 a 900 amperes (A) nas configurações de 3 polos (3P) e 4 polos (4P). Eles têm SCCRs dimensionados em até 100 quiloamperes (kA) e 480 volts (V), com as especificações de vários dispositivos de proteção e classificações listadas em uma tabela na lateral do contator. Além disso, os contatores 4P mostram os dimensionamentos do motor CA trifásico e HP. Esses contatores estão disponíveis para duas categorias de carga:

• CA monofásica – Aplica-se a cargas de CA em que o fator de potência é superior a 0,95. Essas são principalmente cargas não indutivas ou levemente indutivas, como cargas resistivas. A interrupção do arco resulta em um mínimo de arco e de desgaste do contato.
• CA trifásica – Aplica-se a motores de gaiola de esquilo com quebra durante o funcionamento normal do motor. Ao fechar, há uma corrente de irrupção de até sete vezes a corrente nominal de plena carga do motor. Ao abrir, o contator interrompe a corrente nominal de plena carga do motor.

Os contatores TeSys Giga podem ser alimentados por uma tensão de controle de corrente alternada (CA) ou corrente contínua (CC) e têm supressores de surto integrados. Há duas versões de contatores: padrão e avançado. Os contatores padrão são projetados para uso geral. Os exemplos incluem:

• LC1G1154LSEN, 4P para cargas CA monofásicas. Dimensionado para 250 A com uma bobina de banda larga de 200-500 V CA/CC
• LC1G225KUEN, 3P para cargas CA trifásicas. Dimensionado para 225 A com uma bobina de 100-250 V CA/CC

Os contatores avançados TeSys Giga têm recursos adicionais, como uma maior seleção de tensões da bobina, menor consumo de energia da bobina, uma entrada de controlador lógico programável (CLP) e um design de cabo que permite a manutenção sem remover cabos ou conexões de barramento.

Os modelos avançados também são compatíveis com o módulo opcional de Diagnóstico Remoto de Desgaste (RWD), discutido na próxima seção. Exemplos de contatores avançados incluem:

• LC1G115BEEA, 3P para cargas CA trifásicas. Dimensionado para 115 A com uma bobina de 24-48 V CA/CC
• LC1G800EHEA, 3P para cargas CA trifásicas. Dimensionado para 800 A com uma bobina de 48-130 V CA/CC

Todos os contatores TeSys Giga incluem um LED de diagnóstico no painel frontal para avaliar rapidamente as condições de falha (Figura 2).

Figura 2: Contator típico do TeSys Giga mostrando o LED de diagnóstico no centro superior da unidade. (Fonte da imagem: DigiKey)

Os contatores TeSys Giga têm várias funções de diagnóstico integradas para melhorar a confiabilidade e dar suporte à manutenção preventiva, incluindo:

Diagnóstico de desgaste do contato e RWD

Os contatos sofrem desgaste sempre que interrompem a corrente no circuito de alimentação. Uma falha de contato resulta na perda de controle do motor. O algoritmo de desgaste dos contatos nos controladores TeSys Giga calcula continuamente a vida útil restante dos contatos. Quando a vida útil restante estiver abaixo de 15%, um alerta será emitido, permitindo que a manutenção preventiva seja agendada:

• Um alerta local é visível no LED de diagnóstico na parte frontal do contator.
• Um módulo RWD opcional pode ser usado com contatores avançados.

Diagnóstico da tensão de controle

A tensão de controle monitora as condições de subtensão e sobretensão. A indicação de diagnóstico está disponível remotamente em unidades com números de peça terminados em LSEMC, usando um módulo opcional de gerenciamento remoto de dispositivos (RDM). Uma subtensão é definida como uma tensão de alimentação abaixo de 80% da especificação mínima, e uma sobretensão é definida como superior a 110% da máxima.

Diagnóstico de funcionamento interno

A intermitência contínua do LED de diagnóstico indica qualquer mau funcionamento interno do circuito de controle.

Dispositivos de comutação de proteção do motor

Os controles de motor inteligentes, como os contatores TeSys Giga, são uma parte importante das instalações da Indústria 4.0. O uso de MPSDs também é uma consideração importante para garantir o máximo de produtividade e disponibilidade.

Na norma IEC 60947-4-1, MPSD refere-se a um dispositivo projetado com um atraso para proteger um motor contra condições de sobrecarga. Um segundo tipo de dispositivo, um IMPSD, é um tipo específico de MPSD que dispara imediatamente ao detectar uma sobrecarga. Os IMPSDs geralmente não estão associados à proteção do motor CA.

Dependendo da aplicação, a partida do motor pode levar alguns segundos ou várias dezenas de segundos. O MPSD deve ser especificado para atender aos requisitos de segurança da aplicação e, ao mesmo tempo, evitar disparos incômodos.

Para atender às necessidades de aplicações específicas, a norma IEC 60947-4-1 define várias classes de relés de sobrecarga. A classe de disparo indica o tempo máximo que o relé leva para abrir quando há uma sobrecarga.

Também há diferenças entre as classes de disparo da América do Norte e da IEC. Por exemplo, a classe 10 é uma classe de disparo norte-americana que dispara a sobrecarga dentro de 4 a 10 segundos após a detecção de 600% da configuração da corrente de sobrecarga. A classe 10A é uma classe de disparo IEC que dispara a sobrecarga dentro de 2 a 10 segundos após a detecção de 720% da configuração da corrente de sobrecarga (Tabela 1).

Tabela 1: Exemplos de classes de relés de sobrecarga térmica com base na corrente dimensionada (Ir). (Fonte da tabela: Schneider Electric)

As classes de disparo 10A e 10 são adequadas para motores de serviço normal. A classe 20 é recomendada para motores de serviço pesado para evitar disparos incômodos. A classe 30 é usada com um motor de partida muito longa.

Relés de sobrecarga TeSys Giga

Os relés de sobrecarga térmica TeSys Giga são altamente versáteis e projetados para uso com motores CA. As definições para proteção contra falha de aterramento, proteção contra desequilíbrio de fase e classe de disparo (5, 10, 20 e 30) são configuráveis no painel frontal. O painel frontal também inclui LEDs de alarme e status. Eles têm amplas faixas de proteção contra sobrecarga térmica ajustável que permitem que quatro modelos sobrepostos lidem com aplicações de 28 A a 630 A (Figura 3):

LR9G115, ajustável de 28 a 115 A

LR9G225, ajustável de 57 a 225 A

LR9G500, ajustável de 125 a 500 A

LR9G630, ajustável de 160 a 630 A

Figura 3: O painel frontal dos relés de sobrecarga TeSys Giga inclui LEDs de status e ajustes de proteção. (Fonte da imagem: DigiKey)

Sobrecargas térmicas

A proteção contra sobrecarga térmica é usada com motores assíncronos monofásicos e trifásicos. O nível de corrente para proteção contra sobrecarga térmica pode ser ajustado com base no modelo do relé de sobrecarga que está sendo empregado. Além disso, a classe de disparo e o atraso associado são ajustáveis. A proteção contra sobrecarga térmica pode ser estabelecida para rearme automático ou manual.

Perda de fase

A proteção contra perda de fase é usada para proteger os motores assíncronos trifásicos contra superaquecimento. O relé de sobrecarga monitora continuamente a corrente em cada fase. Quando o valor da corrente em uma das fases é inferior a 0,1 da corrente dimensionada (Ir) e o valor da corrente em outra fase é superior a 0,8 Ir, o relé de sobrecarga é acionado em 4 ±1 segundos. A proteção contra perda de fase não pode ser desativada e deve ser redefinida manualmente.

Desequilíbrios de fase

Os desequilíbrios de fase causam superaquecimento de um motor assíncrono. As causas comuns incluem:

• Linha longa de alimentação da rede
• Contato defeituoso no interruptor de entrada
• Rede desequilibrada

Quando a taxa de desequilíbrio ultrapassa 40%, o relé de sobrecarga é acionado em 5 ±1 segundos. A proteção contra desequilíbrio de fase deve ser redefinida manualmente.

Falhas de aterramento

A proteção contra falha de aterramento é usada para proteger motores assíncronos trifásicos. Uma falha de aterramento ocorre quando o isolamento do circuito de carga se torna ineficaz devido à vibração, umidade ou outros fatores. O relé de sobrecarga monitora a corrente de aterramento (Ig). Quando o Ig excede mais de 10% do Ir, o relé dispara em 1 ±0,2 segundos. A proteção contra falha de aterramento deve ser redefinida manualmente.

Modularidade

O projeto modular dos contatores TeSys Giga pode ser especialmente útil se houver desgaste excessivo dos contatos ou se uma sobrecarga ou outras condições anormais de operação danificarem o controlador. Os módulos de controle também podem ser substituídos para se adaptar a diferentes tensões da bobina, e o módulo de comutação pode ser trocado para substituir polos desgastados.

Uma função de organização dos cabos pode ser implementada com um kit opcional para facilitar a manutenção rápida. Uma vez instalado, o módulo de controle ou de comutação pode ser substituído rapidamente sem a remoção dos cabos.

Inversão do sentido

Os contatores de reversão são usados para alterar o sentido de rotação dos motores CA em aplicações como esteiras transportadoras, elevadores e linhas de embalagem. Eles funcionam invertendo a polaridade das conexões, fazendo com que o motor gire no sentido oposto.

Um contator de reversão pode ser fabricado usando dois contatores padrão intertravados mecanicamente. O intertravamento impede que os contatores sejam ligados simultaneamente (Figura 4).

Figura 4: Dois contatores TeSys Giga intertravados para formar um contator de reversão para motores CA. (Fonte da imagem: Schneider Electric)

Por exemplo, os seguintes componentes podem ser usados para construir um contator de reversão dimensionado para 200 HP a 460 V com uma bobina de 100-250 V CA/CC (Figura 4):

• LC1G265KUEN, controlador de motor TeSys Giga, dois necessários
• DZ2FJ6, kit de terminais do contator
• LA9G3612, espalhadores
• LA9G3761, barras de reversão
• LA9G970, intertravamento mecânico

Resumo

Os contatores e relés de sobrecarga TeSys Giga são dispositivos altamente versáteis que podem maximizar a resiliência e o tempo de operação em uma ampla gama de aplicações. Os contatores têm dimensionamentos de 115 a 900 A nas configurações 3P e 4P. Eles têm SCCRs de até 100 kA e 480 V, e seu projeto modular agiliza a manutenção.

Os relés de sobrecarga programáveis têm amplas faixas de corrente operacional, permitindo que poucos dispositivos satisfaçam as necessidades de muitas aplicações. Por fim, o controle de movimento bidirecional pode ser realizado conectando-se dois contatores TeSys Giga com um sistema de intertravamento mecânico.