Também conhecidos como chaves compensadoras, os autotransformadores de partida são uma solução prática e economicamente interessante para se reduzir a tensão aplicada nos enrolamentos do estator de motores de indução trifásicos, durante a partida, somente, o que contribui para reduzir a corrente de partida.
Essa última tida como sendo uma das maiores desvantagens dos motores de indução, pois causa distúrbios na rede que variam desde a atuação indevida da proteção, e consequente desligamento de todo um circuito alimentador, até o simples esvanecimento da iluminação de ambientes, causando um certo desconforto visual aos ocupantes de um ambiente iluminado, por exemplo.
Motivadores
Por isso, a partir de um determinado valor de potência nominal, da ordem de 7 cv (Cerca de 5 kW), as concessionárias invariavelmente vedam a partida direta de motores de indução trifásicos, devendo o cliente utilizar dispositivos adequados, dentre os quais os autotransformadores de partida se enquadram, competindo, ainda hoje, com muitas vantagens, com chaves estrela-triângulo, conversores de frequência e soft starters.
Principalmente, para os casos de partidas de motores de menor potência nominal, enquanto que para potências elevadas, o uso dos dispositivos eletrônicos, como os soft starters e os conversores de frequência, já está cada vez mais competitivo. Mesmo assim, não é demais afirmar que os autotransformadores de partida vão continuar sendo viáveis e, por isso, especificados, fabricados e vendidos, por um bom e longo tempo, ainda.
Estrutura e Diferenças
Apesar do nome, o autotransformador de partida nada mais é do que um divisor indutivo, tendo características bem diferentes daquelas de um transformador convencional, no que diz respeito ao seu projeto, apesar da semelhança de aspecto, por conter núcleo ferromagnético e enrolamentos e, consequentemente, também apresentar as preocupações com a corrente de Inrush.
Entretanto, uma das principais diferenças é que sua operação se dá durante um curto período, somente quando da partida do motor, para depois se tornar inativo no circuito. Com base nisso, o projetista de um autotransformador de partida tem uma boa oportunidade para economizar, com a devida segurança, uma boa quantidade de material condutor dos enrolamentos. Senão, vejamos o caso de um autotransformador de partida com, digamos, taps de 65, 80 e 100 % da tensão nominal, e que esses três valores sejam utilizados, durante a partida de um motor de indução. Assim, de início, se energiza o estator do motor com 65 % da tensão nominal, o que faz com que em 35 % do enrolamento do autotransformador circule uma corrente com amplitude de cerca de 65 % da corrente de partida nominal. Portanto, ainda alta, pois convém lembrar que a amplitude da corrente de partida nominal é cerca de 7 a 9 vezes a corrente nominal de regime. Então, após alguns segundos, a partir de ajuste feito no circuito de comando, os taps do autotransformador são alterados para aplicar 80 % da tensão nominal ao estator do motor, o que faz com que corrente de partida já não passe mais em 65 % do enrolamento, mas em apenas 20 % dele.
Entretanto, pelo fato do motor já estar em movimento, essa corrente é menor do que 80 % da corrente nominal de partida, sendo, portanto, considerada mediana. Por fim, após mais alguns segundos, a tensão plena, 100% da nominal, é aplicada ao estator do motor e o autotransformador é retirado de operação, pelo circuito de comando. As Figuras 1 e 2 permitem visualizar essas mudanças de taps de 65 % e 80 % com a respectiva divisão da corrente do estator pelos enrolamentos do autotransformador.
Figura 1 – Partida de motor de indução com autotransformador de partida – Tensão inicial de 65 % da nominal, com corrente de partida (alta) circulando por apenas 35 % do enrolamento.
Figura 2 – Partida de motor de indução com autotransformador de partida – Tensão comutada para 80 % da nominal, fazendo com que uma corrente ainda de partida e mediana circule por 20 % do enrolamento.
Desta forma, se nota que 20 % do enrolamento de cada fase deve ser dimensionado para a circulação de uma considerável corrente durante todo intervalo de tempo de partida, enquanto que 65 % deve ser dimensionado para uma corrente leve, apenas magnetizante, pelo mesmo intervalo de tempo. 15% do enrolamento fica então sujeito a uma elevada corrente, mas por um intervalo de tempo mais curto, ainda. Obviamente, este comportamento vai permitir subdimensionar os condutores da cada uma das porções do enrolamento, para uma maior densidade de corrente, permitindo um ganho significativo em ternos de material condutor. Invariavelmente, cobre.
Para a correta “dosagem” desse subdimensionamento, a utilização de software de projeto torna-se cada vez mais e decisiva, permitindo que projetistas dependam menos de uma larga experiência para realizar projetos muito bem adequados e seguros.
Ainda assim, o conhecimento da natureza da carga a ser acionada pelo motor também pode ser muito importante, pois definirá o intervalo de tempo de aceleração do motor a, até que ele atinja o regime permanente e o autotransformador saia de operação.
Faltou dizer…
Adicionalmente, convém apontar um importante problema inerente aos autotransformadores de partida, que é o evento de cada chaveamento, correspondente à mudança de tap. Isso porque, devido à natureza indutiva intrínseca aos enrolamentos, a interrupção de sua corrente provoca sobretensões elevadas, que podem danificar os enrolamentos do autotransformador.
Essas sobretensões, de natureza transitória, provocam uma elevada concentração de campo elétrico nas espiras posicionadas nos extremos de cada enrolamento, que pode danificar o equipamento, definitivamente. Neste caso, é interessante saber que são os enrolamentos contínuos que dão origem a capacitâncias elevadas, que é que predominam na distribuição dessa tensão transitória ao longo dos enrolamentos.
Assim, muito embora não seja economicamente viável utilizar outros tipos de enrolamentos, que não os contínuos, a adoção de reforços nas cabeceiras dos enrolamentos é uma prática recomendável.
Mas como e o quanto fazer isso?
Mais uma vez, cada vez mais softwares de design e projetos surgem como uma ferramenta cada vez mais indispensável.
Por fim, cabem alguns comentários importantes:
- Existe uma diversidade de tipos de autotransformadores de partida. O mais tradicional tem três colunas no circuito magnético e três enrolamentos em único quadro, sendo um para cada fase e que são ligados em estrela. Entretanto, existem autotransformadores de partida com dois enrolamentos, somente, ligados em V (Vê) , mas três colunas no circuito magnético e com um mesmo quadro;
- Corrente e partida de motores e corrente de Inrush não são a mesma coisa. A primeira é relativamente maior e de mais curta duração;
- O uso de DPS – Dispositivo de Proteção contra Surtos tem se tornado economicamente viável, graças à disseminação dos varistores. Neste caso, eles têm sido empregados com sucesso na limitação das sobretensões transitórias, anteriormente citadas.