Proteção Térmica de Sobrecarga do Motor
Para entender a proteção de sobrecarga térmica do motor no motor de indução, podemos discutir o princípio de funcionamento do motor de indução trifásico. Há um estator cilíndrico e uma bobina trifásica distribuída simetricamente na periferia interna do estator. Devido a essa distribuição simétrica, quando a alimentação trifásica é aplicada à bobina do estator, um campo magnético rotativo é produzido. Este campo gira na velocidade síncrona. O rotor é criado no motor de indução principalmente por barras de cobre sólidas, que são interligadas nas duas extremidades de tal forma que formam uma estrutura tipo gaiola. É por isso que este motor também é chamado de motor de indução de gaiola de esquilo. De qualquer forma, vamos chegar ao ponto básico do motor de indução trifásico - que nos ajudará a entender claramente sobre a proteção de sobrecarga térmica do motor.
Conforme o fluxo magnético rotativo corta cada condutor de barra do rotor, haverá uma corrente induzida circulante fluindo através dos condutores de barra. No início, o rotor está parado e o campo do estator está girando na velocidade síncrona, a velocidade relativa entre o campo rotativo e o rotor é máxima. Portanto, a taxa de corte do fluxo com as barras do rotor é máxima, a corrente induzida é máxima nessa condição. Mas, como a causa da corrente induzida é esta velocidade relativa, o rotor tentará reduzir esta velocidade relativa e, portanto, começará a girar na direção do campo magnético rotativo para alcançar a velocidade síncrona. Assim que o rotor atingir a velocidade síncrona, esta velocidade relativa entre o rotor e o campo magnético rotativo se torna zero, portanto, não haverá mais corte de fluxo e, consequentemente, não haverá corrente induzida nas barras do rotor. Como a corrente induzida se torna zero, não haverá mais necessidade de manter a velocidade relativa zero entre o rotor e o campo magnético rotativo, então a velocidade do rotor diminui.
Assim que a velocidade do rotor diminui, a velocidade relativa entre o rotor e o campo magnético rotativo novamente adquire um valor não zero, o que novamente causa corrente induzida nas barras do rotor, então o rotor tentará novamente atingir a velocidade síncrona e isso continuará até que o motor seja desligado. Devido a esse fenômeno, o rotor nunca atingirá a velocidade síncrona, bem como nunca parará de funcionar durante a operação normal. A diferença entre a velocidade síncrona e a velocidade do rotor em relação à velocidade síncrona é denominada escorregamento do motor de indução.
O escorregamento em um motor de indução em funcionamento normal varia tipicamente de 1% a 3%, dependendo da condição de carga do motor. Agora, tentaremos traçar as características de corrente e velocidade do motor de indução - vamos ter um exemplo de um grande ventilador de caldeira. 
No gráfico, o eixo Y é tomado como tempo em segundos, o eixo X é tomado como % da corrente do estator. Quando o rotor está parado, ou seja, na condição de partida, o escorregamento é máximo, portanto, a corrente induzida no rotor é máxima e, devido à ação de transformação, o estator também absorverá uma corrente elevada da alimentação, que seria cerca de 600% da corrente nominal de carga total do estator. Conforme o rotor é acelerado, o escorregamento diminui, consequentemente a corrente do rotor e, portanto, a corrente do estator cai para cerca de 500% da corrente nominal de carga total dentro de 12 segundos, quando a velocidade do rotor atinge 80% da velocidade síncrona. Depois disso, a corrente do estator cai rapidamente para o valor nominal conforme o rotor atinge sua velocidade normal.
Agora, discutiremos sobre a sobrecarga térmica do motor elétrico ou problema de superaquecimento do motor elétrico e a necessidade de proteção de sobrecarga térmica do motor.
Sempre que pensamos no superaquecimento de um motor, a primeira coisa que nos vem à mente é a sobrecarga. Devido à sobrecarga mecânica, o motor absorve uma corrente maior da alimentação, o que leva ao superaquecimento excessivo do motor. O motor também pode ser superaquecido excessivamente se o rotor for bloqueado mecanicamente, ou seja, ficar parado por força mecânica externa. Nessa situação, o motor absorverá uma corrente excessivamente alta da alimentação, o que também leva à sobrecarga térmica do motor elétrico ou ao problema de superaquecimento excessivo. Outra causa de superaquecimento é a tensão de alimentação baixa. Como a potência consumida pelo motor da alimentação depende da condição de carga do motor, para tensão de alimentação baixa, o motor absorverá uma corrente maior da rede para manter o torque necessário. A fase única também causa sobrecarga térmica do motor. Quando uma fase da alimentação está fora de serviço, as duas fases restantes absorvem uma corrente maior para manter o torque de carga necessário, e isso leva ao superaquecimento do motor. A condição de desequilíbrio entre as três fases da alimentação também causa o superaquecimento da bobina do motor, pois o sistema desequilibrado resulta em corrente de sequência negativa na bobina do estator. Além disso, devido à perda súbita e reestabelecimento da tensão de alimentação, pode ocorrer aquecimento excessivo do motor. Uma vez que, devido à perda súbita da tensão de alimentação, o motor é desacelerado e, devido ao reestabelecimento súbito da tensão, o motor é acelerado para atingir sua velocidade nominal e, portanto, para isso, o motor absorve uma corrente maior da alimentação.
Como a sobrecarga térmica ou superaquecimento do motor podem levar ao falha da isolamento e danos na bobina, para uma proteção de sobrecarga térmica do motor adequada, o motor deve ser protegido contra as seguintes condições
Sobrecarga mecânica,
Bloqueio do eixo do motor,
Tensão de alimentação baixa,
Fase única da alimentação,
Desequilíbrio da alimentação,
Perda súbita e reestabelecimento da tensão de alimentação.
O esquema de proteção mais básico do motor é a proteção de sobrecarga térmica, que abrange primariamente a proteção de todas as condições mencionadas acima. Para entender o princípio básico da proteção de sobrecarga térmica, vamos examinar o diagrama esquemático do esquema de controle de motor básico.
Na figura acima, quando o botão LIGAR é fechado, a bobina do partida é energizada através do transformador. Como a bobina do partida é energizada, os contatos normalmente abertos (NA) 5 são fechados, portanto, o motor recebe a tensão de alimentação em seus terminais e começa a girar. Esta bobina de partida também fecha o contato 4, o que mantém a bobina do partida energizada mesmo que o botão LIGAR seja liberado. Para parar o motor, existem vários contatos normalmente fechados (NF) em série com a bobina do partida, conforme mostrado na figura. Um deles é o contato do botão DESLIGAR. Se o botão DESLIGAR for pressionado, este contato abre e interrompe a continuidade do circuito da bobina do partida, fazendo com que a bobina do partida seja desenergizada. Portanto, os contatos 5 e 4 voltam à sua posição normalmente aberta. Então, na ausência de tensão nos terminais do motor, ele eventualmente parará de funcionar. Da mesma forma, qualquer um dos outros contatos NF (1, 2 e 3) conectados em série com a bobina do partida, se abertos, também parará o motor. Esses contatos NF estão acoplados eletricamente a diversos relés de proteção para parar a operação do motor em diferentes condições anormais.
Vamos olhar para o relé de sobrecarga térmica e sua função na proteção de sobrecarga térmica do motor.
A secundária dos TCs em série com o circuito de alimentação do motor, estão conectadas a uma tira bimetálica do relé de sobrecarga térmica (49). Como mostrado na figura abaixo, quando a corrente através da secundária de qualquer um dos TCs ultrapassa seus valores predeterminados por um período predeterminado, a tira bimetálica é superaquecida e deforma-se, o que, por fim, causa a operação do relé 49. Assim que o relé 49 é operado, os contatos NF 1 e 2 são abertos, desenergizando a bobina do partida e, portanto, parando o motor.
Outra coisa que devemos lembrar durante a provisão de proteção de sobrecarga térmica do motor. Na verdade, todo motor tem algum valor tolerável de sobrecarga predeterminado. Isso significa que todo motor pode funcionar além de sua carga nominal por um período específico permitido, dependendo de sua condição de carga. Quanto tempo um motor pode funcionar com segurança para uma determinada carga é especificado pelo fabricante. A relação entre diferentes cargas no motor e os períodos correspondentes permitidos para o funcionamento do mesmo em condições seguras é referida como a curva de limite térmico do motor. Vamos olhar para a curva de um motor específico, mostrada abaixo.
Aqui, o eixo Y ou eixo vertical representa o tempo permitido em segundos, e o eixo X ou eixo horizontal representa a porcentagem de sobrecarga. Aqui, fica claro a partir da curva que o motor pode funcionar sem danos devido ao superaquecimento por um longo período a 100% da carga nominal. Ele pode funcionar com segurança 1000 segundos a 200% da carga nominal. Ele pode funcionar com segurança 100 segundos a 300% da carga nominal. Ele pode funcionar com segurança 15 segundos a 600% da carga nominal. A parte superior da curva representa a condição de funcionamento normal do rotor, e a parte inferior representa a condição de bloqueio mecânico do rotor.
Agora, a curva de tempo de operação versus corrente de atuação do relé de sobrecarga térmico escolhido deve estar situada abaixo da curva de limite térmico do motor para operação satisfatória e segura. Vamos discutir mais detalhes -
Lembre-se das características da corrente de partida do motor - Durante a partida do motor de indução, a corrente do estator ultrapassa 600% da corrente nominal, mas permanece até 10 a 12 segundos, após o qual a corrente do estator cai repentinamente para o valor nominal. Portanto, se o relé de sobrecarga térmica for acionado antes desses 10 a 12 segundos para a corrente de 600% da nominal, o motor não poderá ser iniciado. Portanto, pode-se concluir que a curva de tempo de operação versus corrente de atuação do relé de sobrecarga térmico escolhido deve estar situada abaixo da curva de limite térmico do motor, mas acima da curva de características da corrente de partida do motor. A posição provável das características do relé de corrente térmica está delimitada por essas duas curvas, conforme mostrado no gráfico pela área destacada.
Outra coisa a ser lembrada ao escolher o relé de sobrecarga térmica. Este relé não é um relé instantâneo. Ele tem um atraso mínimo na operação, pois a tira bimetálica requer um tempo mínimo para aquecer e deformar para o valor máximo de corrente de operação. A partir do gráfico, descobre-se que o relé térmico será acionado após 25 a 30 segundos, se o rotor for bloqueado mecanicamente de repente ou o motor falhar em iniciar. Nessa situação, o motor absorverá uma corrente enorme da alimentação. Se o motor não for isolado rapidamente, danos severos podem ocorrer.
Este problema é superado pela provisão de um relé de sobrecorrente com alta sensibilidade. As características de tempo-corrente desses relés de sobrecorrente são escolhidas de tal forma que, para valores menores de sobrecarga, o relé não será acionado, já que o relé de sobrecarga térmica será acionado antes. Mas, para valores maiores de sobrecarga e para a condição de rotor bloqueado, o relé de sobrecorrente será acionado em vez do relé térmico, pois o primeiro será acionado muito antes do último.
Portanto, tanto o relé de sobrecarga bimetálico quanto o relé de sobrecorrente são fornecidos para proteção completa de sobrecarga térmica do motor.
Há uma desvantagem principal do relé de sobrecarga bimetálico, pois a taxa de aquecimento e resfriamento do bimetálico é afetada pela temperatura ambiente, o desempenho do relé pode variar para diferentes temperaturas ambientais. Este problema pode ser superado usando RTD ou detector de temperatura resistiva. Motores maiores e mais sofisticados são protegidos contra sobrecarga térmica com maior precisão usando RTD. Os RTDs são colocados junto à bobina do estator nas ranhuras do estator. A resistência do RTD muda com a mudança de temperatura, e este valor resistivo alterado é detectado por um circuito de ponte de Wheatstone.
Este esquema de proteção de sobrecarga térmica do motor é muito simples. O RTD do estator é usado como um braço de uma ponte de Wheatstone equilibrada. A quantidade de corrente através do relé 49 depende do grau de desequilíbrio da ponte. À medida que a temperatura da bobina do estator aumenta, a resistência elétrica do detector aumenta, o que perturba a condição equilibrada da ponte. Como resultado, a corrente começa a fluir através do relé 49 e o relé será acionado após um valor predeterminado desta corrente desequilibrada, e, finalmente, o contato do partida será aberto para interromper a alimentação do motor.
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