Como proteger equipamentos caros usando relés monitores trifásicos de baixo custo

A maioria das máquinas comerciais e industriais encontradas em sistemas de aquecimento, ventilação e ar-condicionado (HVAC), tratamento de água, manuseio de materiais, máquina operatriz, aplicações marítimas e aeronáuticas são acionadas por motores trifásicos. Estes dispositivos confiáveis podem ser danificados por uma série de condições de falhas que, se não forem resolvidas rapidamente, podem levar a falhas ou no mínimo a uma vida útil reduzida, resultando em paradas e custos de reparo significativos.

Os relés de falta de fase podem ser usados para detectar essas falhas, notificar os operadores e parar a máquina antes que sejam feitos danos permanentes. Estes relés podem detectar que as três fases estão presentes, têm a sequência correta e têm tensões de fase dentro de uma faixa correta. Se ocorrer um erro, o relé pode abrir um conjunto de contatos que pode iniciar uma condição de alarme ou desligar a máquina.

Uma grande variedade de relés com detecção de fase está disponível para lidar com uma ampla gama de tensões, configurações trifásicas e condições de erro. Este artigo discute brevemente os modos potenciais de falha do motor e como os relés com detecção de fase operam. Em seguida, descreve a seleção e a aplicação de relés trifásicos de monitoramento usando exemplos do mundo real da Carlo Gavazzi.

Modos de falha do motor trifásico

Entre as falhas comuns em uma série de indústrias estão aquelas relacionadas à fonte de alimentação trifásica e seu efeito sobre os motores. A perda de uma das três fases ou um desequilíbrio nas tensões das fases pode resultar em correntes superiores às normais nas fases restantes do motor, levando à perda de potência mecânica e a vibrações mecânicas excessivas. Da mesma forma, a subtensão e a sobretensão forçam o motor a aumentar a corrente a fim de acionar a mesma carga, o que pode encurtar a vida útil do motor.

Outra possibilidade é ter uma sequência de fase incorreta que poderia fazer o motor inverter o sentido, o que pode ter resultados desastrosos no lado da carga do motor.

Funções do relé de falta de fase

Os relés de falta de fase têm uma gama de funções relacionadas ao estado da fonte de alimentação trifásica. Eles são alimentados pelas linhas trifásicas que eles monitoram. Todos eles monitoram a sequência de fases e a perda de qualquer tensão de fase. Os relés são ativados se todas as fases estiverem presentes e a sequência de energização estiver correta. No caso de perda de qualquer uma das fases ou de uma sequência incorreta de fases, o relé é desenergizado. Alguns relés de falta de fase também monitoram os níveis de tensão das três fases. A determinação da tensão utiliza uma medida do verdadeiro valor eficaz (TRMS) e desativa o relé quando a amplitude cai abaixo de um limite pré-estabelecido. Alguns dispositivos oferecem a mesma detecção de amplitude, mas têm configurações de limite ajustáveis pelo usuário. Uma gama de modelos de relé monitoram a assimetria de fase e a tolerância. Todos os relés oferecem um atraso antes da atuação, devido ao nível de tensão ou problemas de assimetria para evitar a ativação espúria. Em alguns modelos, o atraso é programável.

Opções de relé de falta de fase

O DPA01CM44 da Carlo Gavazzi Inc. é um exemplo de relé de detecção de fase para configurações de três fios (Figura 1). A série é alimentada pela fonte trifásica, com modelos disponíveis que operam nas tensões de 230, 400, 600 e 690 volts CA (VCA). Estes relés são destinados à montagem em um trilho DIN, com versões plug-in também disponíveis. As configurações de saída do relé são contatos de polo único e curso duplo (SPDT) ou SPDT duplo.

Figura 1: O DPA01CM44 é um relé de falta de fase montado em trilho DIN para linhas trifásicas de 208 a 480 VCA com uma saída de contato SPDT do relé. (Fonte da imagem: Carlo Gavazzi Inc.)

Sob condições normais de tensão, o relé é ativado, significando que o contato ou contatos normalmente abertos (NA) da saída do relé estão fechados, e o contato ou contatos de saída normalmente fechados (NF) estão abertos. A operação de relé ocorre em 100 milissegundos (ms). Os LEDs de status no painel frontal indicam a energia e o relé estão ligados.

Os relés de flata de fase DPA01 podem ser instalados para monitorar qualquer linha trifásica (exemplo 1, na Figura 2), ou podem ser associados a um motor trifásico (exemplo 2).

Figura 2: Exemplos de aplicação para o relé monitor trifásico da série DPA01. O exemplo 1 (à esquerda) mostra-o conectado para monitorar uma linha trifásica. O exemplo 2 (à direita) ilustra seu uso no monitoramento de um motor trifásico. (Fonte da imagem: Carlo Gavazzi Inc.)

Quando ocorre uma condição de erro em qualquer uma das aplicações, um contator conectado ao relé de forma apropriada abre o circuito trifásico de forma permanente, enquanto o relé de monitoramento permanece conectado à fonte de energia. Quando conectado para monitorar uma linha trifásica sem motor, não há problema em detectar uma fase morta porque o nível da entrada em falta cai significativamente. Quando um monitor é conectado a um motor, a operação do motor tenderá a regenerar a fase ausente devido ao acoplamento indutivo interno. O relé é ajustado para detectar uma fase ausente desde que a amplitude seja inferior a 85% da tensão trifásica nominal. Consequentemente, é importante verificar que a regeneração do motor seja inferior a 85% da tensão nominal da linha.

Em aplicações que requerem um limiar personalizado de sobretensão ou subtensão, pode ser usado o relé de falta de fase multifuncional DPB01CM48 da Carlo Gavazzi. Este relé detecta condições de sobretensão e subtensão, bem como perda de fase e sequência inadequada de fases. Os níveis limiares de sobretensão e subtensão são ajustáveis pelo usuário através de um interruptor do painel frontal (Figura 3).

Figura 3: O relé de falta de fase multifuncional DPB01CM48 monitora perda de fase, sequência de fases e limiares selecionáveis de sobretensão e subtensão usando controles do painel frontal. O atraso operacional para a atuação da sobretensão e subtensão é ajustável pelo usuário para minimizar a ativação transitória. (Fonte da imagem: Carlo Gavazzi Inc.)

Este relé também é montado em trilho DIN e suporta ambas as topologias trifásicas de estrela e triângulo. Tem faixas de tensão programáveis pelo usuário e selecionáveis como 380, 400, 415, 480 VCA de fase a fase e 220, 230, 240 e 277 VCA de fase a neutro. A topologia do circuito e as faixas de tensão são definidas usando um interruptor DIP interno. Um modelo separado na família DPB01 lida com faixas de tensões mais baixas.

Há três botões de controle no painel frontal do relé. O controle superior estabelece o limite inferior de tensão de -2 a -22% da tensão nominal, o do meio estabelece o limite superior de tensão de 2 a 22% da tensão nominal, e o inferior é usado para definir o atraso operacional entre 10 ms a 30 segundos (s). O atraso é usado para evitar que os transientes de tensão de curta duração provoquem disparos acidentais do relé.

Há três LEDs no painel frontal do relé para indicar seu status. Um LED verde indica que a energia está ligada. Um LED amarelo indica que o relé está energizado. Se houver um evento de alarme, então o LED amarelo é desligado e o relé é desenergizado após um tempo limite, e o LED vermelho piscará. Se o erro foi uma condição de sobretensão ou subtensão, o LED vermelho pisca a uma frequência de 2 Hertz (Hz), e o relé será desenergizado após o tempo limite. Se ocorrer uma perda de fase ou sequência de fase incorreta, o relé é desenergizado dentro de 200 ms, e o LED vermelho pisca a uma taxa de 5 Hz durante a duração da condição de erro.

O relé de falta de fase DPC01DM69 tem o conjunto mais completo de recursos da Carlo Gavazzi (Figura 4). Este relé montado em trilho DIN monitora a sequência de fases e perda de fase, bem como a subtensão e sobretensão, simetria de fase e tolerância.

Figura 4: O DPC01DM69 é um relé monitor de fase montado em trilho DIN com LEDs na borda esquerda indicando os estados do relé (amarelo), estado de alarme (vermelho) e estado de energia (verde). Os controles definem os limites de tolerância/assimetria ou sobretensão/subtensão, e os atrasos dos relés. (Fonte da imagem: Carlo Gavazzi Inc.)

O DPC01DM69 opera de forma semelhante ao DPB01CM48 em termos de seleção da faixa de tensão de operação e da topologia trifásica. Possui seleções adicionais do interruptor DIP para retardo na energização (1 s ou 6 s), configuração de saída (conjunto duplo de contatos SPDT ou um único conjunto de contatos de dois pólos, curso duplo (DPDT)) e funções de monitoramento para sobretensão/subtensão ou assimetria/tolerância.

O DPC01CM69 opera em três modos diferentes, dependendo do tipo de alarme. A perda de fase ou sequência incorreta de fases resulta na desenergização dos relés de saída 1 e 2. Um evento de sobretensão ou assimetria faz com que o relé de saída 1 desenergize no final do atraso 1 pré-definido, e um evento de subtensão ou fora de tolerância faz com que o relé de saída 2 desenergize no final do atraso 2 pré-definido. Este arranjo de saída dupla permite maior flexibilidade em resposta a diferentes eventos de alarme.

A assimetria é um indicador da qualidade da fonte de alimentação e é definida como o valor absoluto do desvio máximo das tensões de fase, dividido pela tensão nominal do sistema trifásico. A tolerância é outro indicador da qualidade da fonte de alimentação e é definida como o valor absoluto do desvio máximo das tensões de fase em relação à tensão nominal, dividido pela tensão nominal do sistema trifásico (Figura 5).

Figura 5: Equações de assimetria e tolerância de uma fonte trifásica. (Fonte da imagem: Carlo Gavazzi Inc.)

Em geral, o desequilíbrio das linhas trifásicas deve ser inferior a 2% a fim de evitar o superaquecimento em um motor trifásico. Observe que as escalas de assimetria e tolerância na cobertura do DPC01CM69 variam de 2 a 22%.

Conclusão

Em uma ampla série de indústrias, o monitoramento CA trifásico é crítico para evitar tempos de parada dispendiosos devido a motores danificados. Para garantir que isto seja feito de forma fácil e eficaz, a Carlo Gavazzi oferece uma ampla gama de relés monitores trifásicos projetados utilizando as mais sofisticadas técnicas de medição, ao mesmo tempo em que oferece fácil configuração. Os relés variam desde dispositivos simples que monitoram a perda de fase e sequência de fases até monitores mais complexos que detectam ainda as condições de sobretensão e subtensão, bem como assimetria e tolerância de fase. Estes relés de falta de fase oferecem a garantia de que os problemas da fonte de alimentação trifásica não causarão danos aos equipamentos caros.