1. PROTEÇÃO POR PERDA DE CARGA
1.1. Durante a operação de um motor elétrico pode ocorrer a perda repentina do conjugado resistente devido ao desacoplamento da carga mecânica da máquina. Sabendo-se que a corrente nominal a vazio do motor Inmv é inferior à corrente a vazio quando o motor está acoplado ao eixo da máquina que aciona, Inma, mas sem a carga de trabalho, pode-se concluir que há perda de carga quando o relé registrar uma corrente fluindo no circuito do motor, de valor igual ou superior ao valor da corrente a vazio do motor Inmv e inferior a Inma. No entanto, pode ser mais conveniente adotar para a perda mínima de carga um valor de ajuste igual a 0,05 × Inm, pois dessa forma em qualquer condição de operação a vazio, ou seja, com o motor desacoplado da máquina ou a máquina sem carga resistente, o relé irá atuar.
2. PROTEÇÃO CONTRA DESEQUILÍBRIO DE CORRENTE
2.1. Na ocorrência de uma falta de fase no circuito de alimentação de um motor elétrico motivado, por exemplo, pela queima do fusível de uma das fases, a corrente que circulará nas duas fases restantes terá valor variando entre 1,7 e 2 vezes a corrente nominal do motor. Nessa condição operacional a função de imagem térmica pode não funcionar adequadamente, pois ela interpretaria o aquecimento nas bobinas do motor como valor médio das três fases. Para ajustar o relé de desequilíbrio de corrente, basta conhecer o valor percentual de desequilíbrio de corrente e multiplicar pela corrente nominal do motor.
3. PROTEÇÃO CONTRA ROTOR BLOQUEADO
3.1. Proteção contra rotor bloqueado na partida
3.1.1. Para executar o processo de partida, os motores elétricos requisitam da rede de energia uma grande quantidade de potência aparente, destacando-se a potência reativa. Os fabricantes de motores elétricos normalmente informam em seus catálogos técnicos o tempo máximo suportável pelo motor na condição de rotor bloqueado. Em geral, esse tempo varia entre 9 e 15 s. Assim, o tempo de ajuste do relé de sobrecorrente deve ser igual ou inferior ao tempo de rotor bloqueado.
3.2. Proteção contra rotor bloqueado em regime normal de operação
3.2.1. Para atender os requisitos operativos, devem-se utilizar dois relés de sobrecorrente temporizados. O primeiro relé deve ter a sua alimentação seccionada durante o processo de partida do motor, após o qual o relé é reconectado ao sistema de proteção para atuar durante o funcionamento normal. Deve ser ajustado para um valor ligeiramente inferior à maior corrente transiente da carga num tempo estabelecido e que não afete o limite térmico do motor. Um segundo relé dedicado à proteção contra rotor bloqueado fica permanentemente conectado ao sistema de proteção.
4. PROTEÇÃO CONTRA SOBRECORRENTES
4.1. Proteção contra sobrecorrente de fase e neutro
4.1.1. O relé de sobrecorrente de fase deve proteger o circuito do motor contra sobrecarga e contracorrentes de curto-circuito trifásico. A proteção contra sobrecargas não se mostra eficiente para a proteção do motor, existindo outros elementos mais indicados como a proteção de imagem térmica. No entanto, a proteção contra curtos-circuitos fase e terra utilizando-se relé de sobrecorrente de neutro depende do tipo de aterramento do sistema de alimentação do motor. Outro esquema de proteção contra correntes de defeito fase e terra e que se mostra eficiente é utilizar um transformador de corrente do tipo toroidal através do qual passam os cabos de alimentação do motor.
4.2. Relés diferenciais de sobrecorrente
4.2.1. Para limitar as avarias no motor, devido a defeitos internos, o uso de relés diferenciais de sobrecorrente tem sido a proteção mais adequada para esse tipo de falta. No entanto, para que um motor possa ser beneficiado com esse tipo de proteção é necessário que tenha os seis terminais acessíveis e como os transformadores de corrente normalmente são instalados no interior da caixa de ligação dos motores, para motores de fornecimento normal, acarreta dificuldade de instalação, devido ao tamanho dessas caixas.
4.3. Proteção de distância
4.3.1. Em motores de grande porte podem ser adotados relés de distância para proteção contra rotor bloqueado. Essa aplicação se faz necessária para os motores que acionam cargas que requeiram tempos de partida muito elevados em relação ao tempo de rotor bloqueado. Nesse caso, as proteções de sobrecorrente não poderiam ser aplicadas ou, se aplicadas, se tornariam inúteis, já que deveriam ser desconectadas no período de partida.
4.4. Detectores térmicos bimetálicos ou termostatos
4.4.1. São dispositivos térmicos instalados no interior das bobinas dos motores sensíveis à elevação de temperatura no ponto onde operam comandando a atuação do disjuntor de proteção. Têm como vantagem prover uma proteção localizada no ponto mais quente dos enrolamentos dos motores. A grande questão dos detectores de temperatura é quanto às avarias nesse dispositivo. Se isso ocorrer, a proteção provida pelos detectores de temperatura estará eliminada, já que não se justifica abrir o motor e substituir o enrolamento no qual está instalado o detector defeituoso.
4.5. Detectores térmicos a resistência dependente da temperatura
4.5.1. São dispositivos metálicos, também conhecidos como RTD, iniciais de Resistance Temperature Dependent, cuja resistência elétrica guarda uma dependência com a temperatura do ponto de instalação. Podem ser fabricados de cobre, cuja resistência elétrica é de 10 Ω para temperatura de 25 °C, ou de platina cuja resistência elétrica é de 100 Ω para a temperatura de referência de 0 °C. Sua utilização é maior na supervisão dos mancais do motor já que permite conhecer, por meio de um dispositivo gráfico ou digital, a evolução da sua temperatura.
4.6. Detectores térmicos a termistor
4.6.1. Os termistores são também detectores térmicos, compostos de semicondutores, cuja resistência varia em função da temperatura, podendo ser ligados em série ou em paralelo com o circuito de comando do contactor. São localizados internamente ao motor, embutidos nos enrolamentos. Podem ser dos tipos PTC (Positive Temperature Coefficient) ou NTC (Negative Temperature Coefficient). Vale resaltar que, como os termistores são instalados no estator, o fluxo de ar refrigerante que passa no entreferro impede a transferência do calor do rotor para o lado do estator, mascarando a avaliação dos termistores, dessa forma, o rotor pode sofrer aquecimento elevado sem que o termistor seja sensibilizado.
5. FALHAS DOS MOTORES ELÉTRICOS
5.1. A partir do momento de início de sua operação, os motores elétricos estão sujeitos a diversos tipos de falhas que podem afetar inicialmente a sua vida útil até sofrer um dano irreparável. As condições críticas a que podem ficar submetidos os motores elétricos em geral resultam em:
5.1.1. Efeitos térmicos
5.1.1.1. Falhas por sobrecarga
5.1.1.1.1. • Sobrecarga contínua: a máquina que está acoplada ao motor solicita uma maior potência no eixo. • Sobrecarga intermitente: a máquina que está acoplada ao motor solicita uma maior potência no eixo a intervalos de tempos conhecidos ou não (regime de funcionamento). • Rotor travado na partida: durante a partida o conjugado de carga pode superar o conjugado motor resultando no travamento do rotor. • Rotor travado em operação normal: durante o seu funcionamento normal o motor pode ser solicitado por um conjugado de carga que supera o conjugado motor resultando no travamento do rotor. • Tensões desbalanceadas: as tensões entre fases ou entre fases e terra são diferentes acarretando tensões de sequência negativa responsáveis por conjugados resistentes e colocando o motor em sobrecarga.
5.1.1.2. Falhas por tensão
5.1.1.2.1. • Subtensão: a tensão de fornecimento é inferior à tensão nominal dos enrolamentos do motor fazendo com que ele solicite maior corrente da rede para manter a potência constante. • Sobretensão: a tensão de fornecimento é superior à tensão nominal dos enrolamentos do motor afetando o seu dielétrico. • Sobretensão por descargas atmosféricas: a tensão a que fica submetida a rede elétrica devido a uma descarga atmosférica pode afetar o dielétrico do motor.
5.1.1.3. Falhas operacionais
5.1.1.3.1. • Reversão de fase: uma operação incorreta pode repentinamente inverter o sentido de operação do motor, podendo afetar mecanicamente tanto o rotor do motor quanto a máquina a que está acoplado. • Perda de excitação: somente para os motores elétricos síncronos. • Operação fora do sincronismo: somente para os motores elétricos síncronos.
5.1.1.4. Falhas com origem no meio ambiente
5.1.1.4.1. • Meio refrigerante deficiente: podendo ser causado por acúmulo de sujeira nos canais de ventilação dos motores e ambientes com aberturas insuficientes para o exterior. • Excesso de umidade: afeta a isolação do motor pela presença de água no bobinado. • Temperatura ambiente elevada: afeta a isolação do motor dentro da sua classe de isolamento. • Atmosferas explosivas: quando o motor opera em ambientes contaminados por gases inflamáveis que podem penetrar na sua parte interna e ocasionar uma explosão.
5.1.1.5. Falhas mecânicas
5.1.1.5.1. • Falhas nos mancais: muitas vezes têm origem nos esforços de partida e parada do motor acima dos valores suportáveis. • Falhas nos rolamentos: deficiência do meio lubrificante.
5.1.2. Funções de proteção dos motores elétricos
5.1.2.1. A partir do conhecimento das condições adversas a que podem ficar submetidos os motores elétricos, faz-se necessário aplicar as proteções devidas para preservar a sua integridade. Entre as principais funções que devem ser empregadas na proteção de motores elétricos temos: • Função 26: proteção térmica. • Função 27: proteção contra subtensão. • Função 37: proteção contra perda de carga. • Função 40: proteção contra perda de excitação (subimpedância). • Função 46: desbalanço de corrente (corrente de sequência negativa). • Função 47: proteção de sequência de fase de tensão. • Função 48: proteção contra partida longa.
6. RELÉ DE PROTEÇÃO POR IMAGEM TÉRMICA
6.1. Para avaliar a temperatura interna dos enrolamentos do motor, o relé de imagem térmica processa através de um algoritmo a somatória das perdas de efeito Joule e a dissipação térmica da máquina, gerando uma grandeza proporcional à temperatura. Quando essa grandeza supera o valor de ajuste do relé da chave de manobra (disjuntor ou contactor) do motor, o relé recebe a ordem de disparo. Para isso, é necessário que se conheça a curva característica tempo × corrente de aquecimento do motor, normalmente fornecida pelo seu fabricante.
7. Antes do advento dos relés microprocessados a proteção térmica dos motores elétricos trifásicos era realizada por meio de dispositivos térmicos incorporados aos disjuntores e contactores, ficando a unidade magnética dos disjuntores e os fusíveis responsáveis pela proteção contra curtos-circuitos. Com o desenvolvimento dos relés microprocessados associados ao seu extraordinário desempenho operacional e a preços competitivos, os motores elétricos trifásicos industriais de baixa tensão e os motores elétricos de média tensão, em geral, são protegidos por relés numéricos, substituindo a tradicional proteção de sobrecorrente temporizada para sobrecargas e de tempo definido sem temporização para defeitos trifásicos, bifásicos e monopolares.
8. PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
8.1. A proteção adequada contra surtos de tensão é o uso de para-raios de sobretensão atmosférica instalado próximo ao ponto de conexão da rede com o motor. Essa distância pode ser calculada considerando as ondas refratadas.
9. COMPORTAMENTO TÉRMICO DOS MOTORES ELÉTRICOS
9.1. Processo de aquecimento
9.1.1. O aquecimento dos motores elétricos é decorrente da diferença entre a potência elétrica fornecida pelo sistema de alimentação e a potência mecânica disponibilizada no eixo do motor. Já a elevação de temperatura é função das perdas geradas nos enrolamentos estatóricos e rotóricos devido à corrente circulante nos enrolamentos, bem como no núcleo magnético do estator e do rotor. O atrito entre as partes móveis do motor, mesmo que pequenas, contribui para contabilização das perdas totais do motor. Assim, as perdas resultantes do processo de funcionamento do motor são convertidas em calor.
9.2. Processo de resfriamento
9.2.1. À medida que o fluxo de ar produzido pelo ventilador do motor varre as ranhuras da carcaça o calor para ela transferido por condução e convecção é removido para o meio ambiente resfriando o motor e permitindo que a temperatura das partes mais quentes dos enrolamentos não ultrapasse os limites da classe de isolamento. Se o resfriamento do motor ocorrer por meio de um processo adiabático, isto é, nas mesmas condições previstas durante o aquecimento, a constante de tempo térmica de resfriamento do motor é igual à constante de tempo térmica de aquecimento do motor. Como na maioria dos casos, o processo de transferência de calor dos motores não é adiabático, o tempo de resfriamento é bem superior ao tempo de aquecimento, pois a dissipação de calor para o meio ambiente é feita naturalmente, alcançando aproximadamente 1,5 a 2 vezes o tempo de aquecimento.