"DISPOSITIVO DE PARTIDA PARA MOTOR A INDUÇÃO MONOFÁSICO E MÉTODO DE PARTIDA PARA MOTOR A INDUÇÃO MONOFÁSICO" Campo da invenção Refere-se a presente invenção a um dispositivo de partida eletrônico do tipo utilizado em motores elétricos, particularmente motores a indução monofásicos.
Histórico da invenção Motores a indução monofásicos são amplamente utilizados devido a sua simplicidade, robustez e alta performance. Sua aplicação é encontrada em eletrodomésticos em geral, refrigeradores, freezers, condicionadores de ar, compressores herméticos, lavadoras, motobombas, ventiladores e algumas aplicações industriais.
Os motores a indução conhecidos são geralmente dotados de um rotor do tipo gaiola e um estator bobinado, constituído de dois enrolamentos, sendo um deles um enrolamento de marcha e o outro um enrolamento de partida. Durante a operação normal do compressor, o enrolamento de marcha é alimentado por uma tensão alternada, sendo que o enrolamento de partida é alimentado temporariamente, no início da operação de partida, criando um campo magnético girante no entreferro do estator, condição esta necessária para acelerar o rotor e promover sua partida. O campo magnético girante pode ser obtido alimentando-se a bobina de partida com uma corrente defasada, no tempo, relativamente à corrente circulante pelo enrolamento principal, preferencialmente num ângulo próximo de 90 graus. Esta defasagem entre a corrente circulante nos dois enrolamentos é obtida por características construtivas dos enrolamentos ou pela instalação de uma impedância externa em série com um dos enrolamentos, mas geralmente em série com o enrolamento de partida. Este valor de corrente circulante pelo enrolamento de partida, durante o processo de partida do motor é, geralmente, elevado, fazendo-se necessário o uso de algum tipo de chave que interrompa esta corrente após transcorrido o tempo necessário para promover a aceleração do motor.
Para motores em que uma eficiência muito elevada é necessária, este enrolamento de partida não é totalmente desligado após transcorrido o periodo de partida, mantendo-se ligado em série a este enrolamento um capacitor chamado de capacitor de marcha, que provê uma corrente suficiente para aumentar o torque máximo do motor e sua eficiência.
Para motores com esta configuração usando uma impedância permanente em série com o enrolamento de partida durante a operação normal do motor, são conhecidos alguns dispositivos de partida, do tipo PTC, relé eletromecânico, temporizados, ou ainda existem combinações onde um PTC conectado em série com um dispositivo que interrompe a passagem de corrente após um determinado tempo (RSP) conforme citado nos documentos de patente americanos US5053908 e US5051681, e no pedido de patente internacional co-pendente, W002/09624A1, do mesmo depositante.
Um dos componentes amplamente utilizados na partida de motores monofásicos "split phase", onde capacitor de funcionamento não é utilizado, é o do tipo relé eletromecânico. A abrangência do seu uso está relacionada ao seu baixo custo de fabricação e a sua simplicidade tecnológica. Por outro lado, o relé eletromecânico apresenta uma série de limitações destacando-se a necessidade do dimensionamento de um componente especifico para cada tamanho de motor elétrico, impossibilidade do uso em motores de alta eficiência onde um capacitor de funcionamento é empregado, geração de ruidos eletromagnéticos e sonoro durante a sua operação e desgaste dos seus componentes provocados por arco elétrico e atrito mecânico.
Uma alternativa ao relé eletromecânico é o dispositivo tipo PTC (positive coeficiente temperature). Este componente tem uma larga utilização em motores de alta eficiência onde sua aplicação está associada a um capacitor de funcionamento. Por tratar-se de uma pastilha cerâmica sem partes móveis, seu principio soluciona grande parte das limitações do relé eletromecânico. Como seu funcionamento está baseado no aquecimento de uma pastilha cerâmica, resultando na elevação da sua resistência e conseqüente limitação da corrente circulante, ocorre a dissipação de uma potência residual durante todo o seu periodo de funcionamento. Outra limitação deste componente está relacionada ao tempo de intervalo requerido para permitir partidas consecutivas. Uma das suas grandes vantagens é a possibilidade do uso de um único componente para operar na partida de uma familia de motores com uma determinada tensão (115V ou 220V), mas torna-se uma limitação quando a característica analisada é a otimização do tempo de energização da bobina auxiliar. Seu tempo de condução é diretamente proporcional ao volume da pastilha cerâmica e inversamente proporcional à corrente circulante, acarretando em um tempo de partida reduzido, quando o mesmo é aplicado em motores de maiores potências e um tempo demasiadamente longo, quando sua aplicação é feita em motores menores. Estes dois fatos levam à deficiência de partida dos motores maiores e a um maior consumo de energia durante o período de partida nos motores menores. Já os componentes de partida tipo temporizados eliminam a grande desvantagem do consumo residual do PTC, porém não solucionam a deficiência no tempo de partida requerido para os diferentes tamanhos de motores. Seu conceito permite o dimensionamento de um circuito que proporcione o tempo otimizado de partida para os diferentes tamanhos de motor. Contudo, torna-se mandatória a existência de vários componentes para atender uma determinada família de motores elétricos, acarretando na despadronização, elevado ajuste nas linhas de fabricação e aumento dos estoques. Tais dispositivos não levam em consideração as condições de operação no instante do arranque e são, portanto, dimensionados pela pior condição, aumentando o tempo de partida.
Objetivos da invenção Assim, é um objetivo da presente invenção prover um dispositivo de partida com topologia simples e robusta, de custo reduzido e que permita: o uso em larga escala em sistemas de baixo custo, apresentando as vantagens dos dispositivos temporizados, onde o consumo residual de potência é eliminado; a redução do número de componentes necessários para atender uma determinada família de motores de uma mesma tensão de alimentação; o uso em motores de alta eficiência com capacitores de funcionamento; e apresente a característica dos relês eletromecânicos, onde o tempo de partida é otimizado para cada diferente tamanho de motor elétrico. É um outro objetivo desta invenção prover um método de partida para motor a indução monofásico que otimize o tempo de partida em função do tamanho e carga do motor a ele ligado. É um outro objetivo desta invenção prover um método de partida para motor a indução monofásico que otimize o tempo de partida automaticamente em função da tensão da rede de alimentação. É um outro objetivo desta invenção prover um dispositivo eletrônico de partida para motor a indução monofásico com consumo de energia desprezível. É ainda um outro objetivo desta invenção prover um dispositivo eletrônico de partida para motor a indução monofásico que possa operar em conjunto com um capacitor de partida ou outra impedância instalada em série com o enrolamento de partida do motor. É também objetivo desta invenção prover um dispositivo eletrônico de partida para motor a indução monofásico não susceptível a transitórios ou perturbações provindas da rede de alimentação.
Sumário da invenção Estes e outros objetivos são alcançados através de um dispositivo de partida para motor a indução monofásico compreendendo: um estator tendo um enrolamento de marcha e um enrolamento de partida; uma fonte de alimentação de corrente aos referidos enrolamentos de marcha e de partida; uma chave de marcha e uma chave de partida, respectivamente conectando o enrolamento de marcha e o enrolamento de partida à fonte, quando em uma condição fechada, dita chave de partida sendo conduzida a uma condição aberta quando terminada a partida do motor; um sensor de corrente conectado em série entre a fonte e o estator, de modo a detectar o nivel de corrente de alimentação a este último; e uma unidade de controle alimentada pela fonte e recebendo, do sensor de corrente, sinais representativos do nivel de corrente sendo alimentada ao estator, dita unidade de controle sendo operativamente conectada às chaves de marcha e de partida, de modo a instruir suas condições aberta e fechada, sendo a condição aberta da chave de partida definida quando a razão entre o nivel de corrente atual alimentada ao estator e informado pelo sensor de corrente à unidade de controle e o nivel de corrente de partida previamente informado à referida unidade de controle pelo sensor de corrente, quando do fechamento das chaves de marcha e de partida, atingir um valor igual ou inferior a um valor predeterminado predefinido.
Os objetivos da presente invenção são também alcançados através de um método para partida de motores a indução monofásicos do tipo acima definido e que compreende as etapas de: a - detectar o nivel de corrente de partida durante um primeiro intervalo de tempo, após o fechamento das chaves de partida e de marcha, por um sensor de corrente conectado em série entre a fonte e o estator, de modo a detectar o nivel de corrente de alimentação a este último; b- detectar um nivel de corrente drenado pelo estator, durante um outro intervalo de tempo subsequente ao primeiro intervalo de tempo após o fechamento das chaves de partida e de marcha; c - informar os niveis de corrente de partida e drenado pelo estator a uma unidade de controle alimentada pela fonte e conectada ao sensor de corrente, de modo a receber deste, informações sobre a corrente sendo alimentada ao motor; d - comparar o nivel de corrente drenado pelo estator com aquele valor de nivel de corrente de partida; e - abrir a chave de partida quando a razão entre o nivel de corrente drenado pelo motor e o nivel de corrente de partida atingir um valor igual ou inferior a um valor predeterminado. O circuito eletrônico de partida objeto da presente invenção é do tipo que compreende o uso de um mecanismo de monitoramento do consumo de corrente de pelo menos uma das bobinas do motor durante o período de funcionamento, armazenando o valor lido durante o periodo de partida. Esta função pode ser obtida, como por exemplo, através da leitura da queda de tensão provocada sobre um resistor de baixa impedância sujeito a corrente consumida pelo motor elétrico. O circuito eletrônico compreende ainda o uso de um mecanismo de monitoramento da tensão da rede de alimentação, armazenando o valor lido durante o periodo de partida, de modo a permitir correções no valor predeterminado, quando da ocorrência de variações de tensão na rede. Esta função pode ser obtida, por exemplo, através da leitura da queda de tensão num divisor resistivo.
Como é característico dos motores de indução, no momento em que o mesmo é conectado à tensão de alimentação, inicia-se a circulação de corrente pela bobina principal e pela bobina auxiliar. Nesse instante a corrente consumida pelo motor elétrico é sensivelmente elevada, o que provoca uma grande sensibilização do mecanismo de detecção da corrente consumida pelo motor. Com o início do movimento do rotor do motor elétrico, provocado pela interação do campo magnético criado pela passagem de corrente através dos enrolamentos de marcha e de partida, a corrente consumida vai gradativamente reduzindo-se a níveis que proporcionalmente irão diminuir a sensibilização do mecanismo de detecção da corrente consumida. Este processo irá progredir continuamente até que o motor atinja a velocidade de rotação próxima à sincrona, onde a sensibilização do mecanismo de detecção de corrente será baixa o suficiente para que o circuito efetue o desligamento do enrolamento de partida. A partir desse instante somente haverá corrente no enrolamento de partida provida pelo capacitor de funcionamento, se instalado.
Como a corrente é registrada em cada período de arranque, o dispositivo de partida é sensível aos diferentes níveis de torque requerido durante o processo de partida, de forma que variações da carga no eixo do motor que prolonguem o período de partida acarretarão na manutenção da energização do enrolamento de partida durante um período longo suficiente para vencer as restrições impostas ao motor elétrico. Por outro lado, em uma situação onde a condição de carga imposta ao motor durante o período é reduzida, a aceleração do rotor ocorrerá em um período menor, proporcionando uma redução mais acentuada dos níveis de corrente consumida pelo motor elétrico, de forma que o dispositivo desabilite mais rapidamente o enrolamento de partida.
Além da sua susceptibilidade à variação de carga durante a partida, a solução da presente invenção também permitirá a otimização do tempo de energização do enrolamento de partida para diferentes valores da tensão de alimentação (sub, nominal ou sobretensão) e para diferentes condições de temperatura do bobinado do motor elétrico.
Breve descrição dos desenhos A invenção será descrita com referência aos desenhos em anexo, nos quais: A figura 1 representa, esquematicamente, uma configuração de um dispositivo de partida construído de acordo com a presente solução; A figura 2 representa, esquematicamente, uma outra configuração do dispositivo de partida ilustrado na figura 1 e construído de acordo com a presente solução; A figura 3 representa, esquematicamente, níveis de corrente drenada para o estator do motor, observadas no tempo, durante a partida (tl, t2) e em condição de marcha do motor com a bobina auxiliar energizada (t3) e, após o tempo (t3), em marcha do motor somente com a bobina principal energizada, obtidas em circuitos de partida de motor elétrico da técnica anterior; A figura 4 representa, esquematicamente, níveis de corrente drenada para o estator do motor, observadas no tempo, durante a partida (tl, t2) e em condição de marcha do motor com a bobina auxiliar energizada (t3) e, após o tempo (t3), em marcha do motor somente com a bobina principal energizada e obtidas com o dispositivo de partida de motor elétrico da presente solução; e A figura 5 representa o fluxograma da lógica de partida do circuito.
Descrição das configurações ilustradas O dispositivo de partida de motor a indução monofásico da presente invenção será descrito para um motor compreendendo: um estator M tendo um enrolamento de marcha Bl e um enrolamento de partida B2; uma fonte F, de alimentação de corrente aos referidos enrolamentos de marcha Bl e de partida B2; uma chave de marcha SI e uma chave de partida S2, respectivamente conectando o enrolamento de marcha Bl e o enrolamento de partida B2 à fonte F, quando em uma condição fechada, dita chave de partida S2 sendo conduzida a uma condição aberta quando terminada a partida do motor, dito dispositivo de partida compreendendo um circuito de partida 28 incluindo, além das chaves de marcha SI e de partida S2 : um sensor de corrente RS conectado em série entre a fonte F e o estator M, de modo a detectar o nível de corrente de alimentação a este último; e uma unidade de controle 30 alimentada pela fonte F e recebendo, do sensor de corrente RS, sinais representativos do nível de corrente sendo alimentada ao estator M e, de um sensor de tensão SV, conectado entre a fonte F e dita unidade de controle 30, sinais representativos do nivel de tensão da fonte F, dita unidade de controle 30 sendo operativamente conectada às chaves de marcha SI e de partida S2. De acordo com a figura 1 a fonte F, de corrente alternada, fornece alimentação aos enrolamentos de marcha Bl e de partida B2 do estator M do motor através de um primeiro terminal de alimentação 1 da fonte F, conectado aos enrolamentos de marcha Bl e de partida B2 do estator M, ao sensor de tensão SV e a uma fonte de alimentação 29 do circuito de partida 28, que fornece tensão à unidade de controle 30. Um segundo terminal de alimentação 2 da fonte F está conectado ao sensor de corrente RS que, nesta figura 1, é disposto em série entre a fonte F e as chaves de marcha SI e de partida S2. Em uma outra configuração da presente invenção, ilustrada na figura 2, o sensor de corrente RS é disposto em série entre a fonte F e a chave de marcha Sl, de modo a considerar a corrente somente do enrolamento de marcha Bl do estator M. Essa solução tem como vantagem diminuir a corrente que circula pelo sensor de corrente RS.
Em uma configuração da presente invenção, o dispositivo de partida permite a utilização de um capacitor de funcionamento CR disposto em paralelo entre um terminal Tl e um terminal T2 do estator M, respectivamente associados aos enrolamentos de marcha Bl e partida B2 de dito estator M, para prover a defasagem necessária entre as correntes que passam por ditos enrolamentos de marcha Bl e de partida B2, durante o funcionamento normal do motor, e um capacitor CS, em série com o enrolamento de partida B2, para prover a dita defasagem, durante o arranque do motor.
Uma vez que o circuito recebe um comando de liga de um dispositivo externo, por exemplo um termostato 32, eletromecânico ou eletrônico, ou através da leitura de um sensor de temperatura 31 instalado adequadamente no sistema, a unidade de controle 30 do circuito de partida 28 da presente invenção instrui o fechamento das chaves de marcha SI e de partida S2, de forma sincronizada com a passagem por zero da tensão da rede, detectada através do sensor de tensão SV conectado à unidade de controle 30. As chaves de marcha SI e de partida S2 são fechadas no instante da passagem por zero da tensão da rede, para reduzir, nestas, o pico de corrente, bem como na rede de alimentação, evitando geração de ruido eletromagnético e estresse das ditas chaves. As chaves de marcha SI e de partida S2 podem ser contatos eletromecânicos ou chaves semicondutoras estáticas para corrente alternada, como por exemplo TRIACS. A circulação de corrente pelo motor, que ocorre através do elemento sensor de corrente RS, por exemplo um resistor de baixa impedância, gera neste um sinal de tensão ou de corrente proporcional à corrente do motor, que é então aplicado ao circuito de partida 28, por exemplo na forma de uma entrada de um conversor AD não ilustrado, de um microcontrolador. Durante os primeiros ciclos após o fechamento das chaves de marcha SI e de partida S2, para a alimentação do motor, a corrente é medida e obtêm-se a informação inicial da mesma. Durante o período citado o motor não atinge uma rotação significativa e o nível de corrente detectado pelo sensor de corrente RS durante esses primeiros ciclos é bastante próximo àquele característico da condição de rotor bloqueado para o motor em questão, e é então memorizado pela unidade de controle 30 do circuito de partida 28, como nível de corrente de partida Ip. Nesse mesmo intervalo de tempo obtém-se também, através do sensor de tensão SV, a informação da tensão na rede de alimentação e esse valor é então armazenado como Vp. Com referência às figuras 3 e 4, a corrente do motor permanece aproximadamente constante durante o primeiro intervalo de tempo de partida tl, após o que, em um segundo intervalo de tempo t2, o nível de corrente medido inicia uma redução gradual, a medida que o rotor começa a girar.
Após atingir o regime de funcionamento, próximo à região de carga do motor, a corrente total do motor se estabiliza, o que é indicado nas figuras 3 e 4, por um terceiro intervalo de tempo t3, quando a bobina de partida B2 ainda se encontra energizada. A partir da determinação do nivel de corrente de partida Ip, o que ocorre durante o intervalo de tempo tl, o nivel de corrente atual é continuamente medido, como Ia e a razão entre estes valores é constantemente calculado, como K: A cada nova detecção de nivel de corrente atual Ia, um novo valor de K é calculado. O primeiro valor calculado para K será muito próximo de 1, já que este nivel de corrente atual ocorrerá num instante logo após a amostragem que definiu o nivel de corrente de partida Ip. Enquanto o rotor permanecer bloqueado, ou muito abaixo da rotação de trabalho, o nivel de corrente atual Ia terá um valor próximo àquele nivel de corrente de partida Ip e, consequentemente, o K terá um valor igual ou ligeiramente inferior a 1. À medida que o motor acelera, os valores de K calculados diminuem na mesma taxa que a corrente do estator M do motor diminui, conseqüência da FCEM gerada nas bobinas do estator M, em função da interação com as correntes no rotor, durante o giro deste.
Ao receber cada informação sobre nivel de corrente atual Ia drenada pelo estator M, a unidade de controle 30 calcula uma razão K entre cada dito nivel de corrente atual Ia alimentada ao estator M e informada pelo sensor de corrente RS à unidade de controle 30 e o nivel de corrente de partida Ip, de modo que quando dita razão K atingir um valor igual ou inferior a um valor predeterminado (Km), a unidade de controle 30 instrui a abertura da chave de partida S2, ou seja, a razão K é constantemente comparada a um valor predeterminado Km e quando o K for igual ou menor que esse valor Km, o circuito de partida 28 finaliza o arranque do motor e a unidade de controle 30 instrui a abertura da chave de partida S2. O valor predeterminado Km é constantemente ajustado pela unidade de controle 30 como sendo igual ao produto de um valor de referência Kr pela razão entre a tensão lida no momento da partida Vp e a tensão atual Va detectadas pela unidade de controle 30, através do sensor de tensão SV, matematicamente: Se a tensão não sofrer alteração durante o periodo de arranque, ou seja, a tensão atual Va for sempre igual a tensão de partida Vp, então o valor predeterminado Km manterá o valor de referência Kr. Contudo, se após o arranque a tensão sofrer alterações, por exemplo diminuir,____a corrente sofrerá uma redução menos significativa na finalização do arranque, já que além da FCEM o fator redução da tensão da linha influenciará significativamente a corrente do motor. Nesse exemplo o valor predeterminado Km será aumentado de acordo com a variação de tensão. Se após o arranque a tensão aumentar, a corrente do motor não reduzirá do mesmo modo, já que o aumento de tensão acarretará num decréscimo de corrente. Nesse caso o valor predeterminado Km será diminuído para compensar essa variação. Com essa lógica o circuito mantém o enrolamento de partida B2 energizado somente durante o tempo necessário para partida, otimizando o arranque, mesmo com flutuações na rede de alimentação. O valor de referência Kr é definido previamente, em função da aplicação, família de motores e tensão esperada da rede de alimentação e pode, por exemplo, ser definido entre 0,2 e 0,8 dependendo dos parâmetros mencionados acima e da topologia do circuito: se a corrente medida é a total do circuito ou somente do enrolamento de marcha Β2 . O valor de referência Kr é, então, definido durante a implementação do circuito como sendo a razão entre um nivel de corrente de marcha Im drenada pelo estator M, em uma condição de marcha do motor e a referida corrente de partida Ip para condições esperadas de carga, tipo de motor e tensão da rede de alimentação. A figura 3 representa a corrente do motor para um arranque com dispositivos temporizadores, de acordo com a técnica anterior, a figura 4 representa a corrente durante o arranque com a solução proposta e a figura 5 representa a lógica de partida executada pelo circuito. A cada nova partida do motor, um novo nivel de corrente de partida Ip é memorizado pela unidade de controle 30, de forma que o circuito se adapte automaticamente às novas condições de carga, de tensão da rede (sobre ou subtensão) e condições de temperatura dos enrolamentos de marcha Bl e de partida B2 do estator M. Devido à memorização a cada novo ciclo de arranque, o circuito não necessita qualquer calibração prévia para determinado motor, tendo seu funcionamento baseado na redução percentual do valor da corrente e não na corrente propriamente dita, de forma que o mesmo circuito pode atender uma ampla faixa de motores.
No caso de ocorrer uma tentativa de arranque mal sucedida, em que o rotor permaneça travado e não haja redução no valor de corrente lido, a unidade de controle 30 instrui a abertura das chaves de partida SI e de marcha S2, quando a razão entre um nivel de corrente atual Ia drenada pelo estator Meo nivel de corrente de partida Ip for superior ao valor predeterminado Km, dentro de um intervalo de tempo máximo previamente definido para a finalização da partida do motor. Nesta condição, o primeiro intervalo de tempo tl indicado nas figuras 3 e 4 se estenderá de forma indevida alcançando um tempo máximo permitido e a abertura de ambas as chaves de marcha SI e de partida S2 protegerá o motor e essas últimas. Nesse caso o circuito irá aguardar o tempo adequado de resfriamento do motor e/ou o tempo necessário para adequar a condição de carga ao torque fornecido pelo motor, antes de permitir um novo ciclo de arranque. Durante o funcionamento normal do motor a corrente é constantemente medida e comparada a um limite e, se exceder esse limite, a unidade de controle 30 providenciará a abertura das chaves de marcha SI e de partida S2, protegendo o motor.