Partida Estrela-Triângulo: Esquemas de Comando e Potência

1. O que é a partida estrela-triângulo e para que serve

Um motor de indução trifásico ligado directamente à rede absorve, no primeiro instante, entre 6 e 8 vezes a corrente nominal. Com o rotor parado, comporta-se como um transformador com o secundário em curto-circuito, e a corrente só desce à medida que o motor acelera.

Num motor pequeno isso passa despercebido. Num motor de maior potência traduz-se em quedas de tensão na rede, disparos de protecções, aquecimento dos condutores e choques mecânicos no acoplamento. A estrela-triângulo reduz a causa: durante o arranque, cada enrolamento recebe menos tensão, e a corrente desce em proporção.

A redução é feita pelo próprio motor, sem transformadores nem resistências adicionais. O circuito precisa de três contactores, um temporizador e dos seis terminais do motor.

2. Diferença entre partida directa e partida estrela-triângulo

Na partida directa, um único contactor aplica a tensão da rede aos enrolamentos já ligados na configuração de serviço. Na partida estrela-triângulo, o arranque faz-se com uma ligação e o funcionamento normal com outra, e é o circuito de comando que decide o momento da passagem.

A partida directa continua a ser a melhor escolha para motores pequenos e para cargas que pedem binário elevado desde o início. O limite de potência a partir do qual se exige arranque a tensão reduzida depende da rede e das regras da concessionária de energia, e deve ser confirmado caso a caso.

3. Princípio de funcionamento das ligações estrela e triângulo

Um motor trifásico tem três enrolamentos (ou bobinas), cada um com dois terminais. Na norma actual são designados U1-U2, V1-V2 e W1-W2. O que muda entre estrela e triângulo é a forma como esses seis terminais se interligam.

Ligação em estrela (Y)

Os terminais U2, V2 e W2 são unidos num ponto comum, e os terminais U1, V1 e W1 recebem as três fases. Cada bobina fica submetida à tensão de fase, que é a tensão de linha dividida por √3 (aproximadamente 0,577). Numa rede de 400 V, cada bobina recebe cerca de 231 V.

Ligação em triângulo (Δ)

O fim de cada bobina liga-se ao início da seguinte: U1 com W2, V1 com U2, W1 com V2. Cada vértice do triângulo recebe uma fase da rede, e cada bobina fica submetida à tensão de linha completa.

Porque é que a corrente desce para um terço

Ao mudar de triângulo para estrela, a tensão em cada bobina desce na razão 1/√3, e a corrente na bobina desce na mesma razão. Mas na ligação em triângulo a corrente de linha é √3 vezes a corrente da bobina, enquanto na estrela a corrente de linha é igual à da bobina. O efeito combinado dá o factor (1/√3) × (1/√3) = 1/3 na corrente absorvida à rede.

O binário depende do quadrado da tensão aplicada à bobina, pelo que também cai para (1/√3)² = 1/3.

Z é a impedância de cada enrolamento no arranque, com o rotor parado. A relação de um terço é aproximada, porque a impedância real varia um pouco com a saturação magnética nas duas ligações.

4. Componentes eléctricos utilizados

As designações abaixo são as do esquema do repositório do Brevemito (que estudaremos adiante). Noutros esquemas, os mesmos componentes podem ter outros números; identifique sempre cada contactor pela função e não pela etiqueta.

Nesta montagem, K1 e K2 alimentam cada um uma extremidade dos enrolamentos, e K3 faz apenas o ponto comum. Por isso, em triângulo, K1 e K2 conduzem a corrente de fase (cerca de 58 % da nominal), e K3, que só trabalha durante o arranque, conduz cerca de um terço. Confirme os valores nas tabelas do fabricante dos contactores.

O relé térmico F1 está em série com K1, isto é, no ramo dos enrolamentos, e não na linha. Vê, por isso, a corrente de fase, e regula-se em regra para cerca de 58 % da corrente nominal do motor. Se estivesse na linha, regular-se-ia pela nominal. Confirme na documentação do relé antes de ajustar.

5. Funcionamento do circuito de potência

O circuito de potência é o caminho da corrente que alimenta o motor. No esquema do repositório ocupa o lado direito: as fases L1, L2 e L3 passam pelos fusíveis F0 e chegam a três contactores, K1, K2 e K3, que se combinam de duas formas válidas.

• K1 liga L1, L2 e L3, através do relé térmico F1, aos terminais U1, V1 e W1. Sem K1 o motor nunca recebe energia.
• K3 (estrela) junta os terminais U2, V2 e W2 num ponto comum. Com K1 e K3 fechados, o motor está em estrela.
• K2 (triângulo) liga L1, L2 e L3 aos terminais W2, U2 e V2, respectivamente. Com K1 e K2 fechados, U1 e W2 ficam ambos em L1, V1 e U2 em L2, e W1 e V2 em L3: é a ligação em triângulo.

Qualquer combinação válida tem K1 fechado e apenas um dos outros dois. Garantir isto em todas as circunstâncias é a tarefa do circuito de comando.

6. Funcionamento do circuito de comando

O circuito de comando trabalha a baixa corrente e reúne as bobinas dos contactores, o temporizador, os botões, os contactos auxiliares e as lâmpadas. A descrição que se segue acompanha a Figura 2, de cima para baixo.

1. Alimentação e protecção. A fase passa pelo fusível F2, pelo contacto NF 95-96 do relé térmico F1 e pelo botão de paragem S0. Com o comando alimentado, acende a lâmpada H0.
2. Botão S1. Ao ser accionado, o contacto NA 13-14 alimenta a bobina de K1 e a lâmpada H1, e leva energia ao contacto comutador do temporizador.
3. Temporizador T. A sua bobina é alimentada através de um contacto auxiliar de K1 (13-14), pelo que só começa a contar depois de K1 fechar.
4. Contacto comutador de T (55, 56 e 58). Enquanto o temporizador conta, 55 está ligado a 56 (contacto fechado), que alimenta o ramo de K3. Ao fim do tempo, 55 passa a 58, que alimenta o ramo de K2.
5. Ramo de K3 (estrela). De 56 a corrente passa pelo contacto NF 11-12 de K2 e chega à bobina de K3 e à lâmpada H3.
6. Ramo de K2 (triângulo). De 58 a corrente passa pelo contacto NF 11-12 de K3 e chega à bobina de K2 e à lâmpada H2.
7. Falha por sobrecarga. Quando F1 actua, o contacto 95-96 abre e desliga todo o comando; o 97-98 fecha e acende a lâmpada HF.

Noutros esquemas, o temporizador pode ser alimentado em paralelo com K1 ou com K3, ou usar dois contactos separados em vez de um comutador. O princípio é o mesmo: o temporizador mede o tempo em estrela e os contactos NF cruzados impedem que K2 e K3 estejam energizados ao mesmo tempo.

Protecção contra sobrecarga

7. Sequência de funcionamento

1. Repouso. Todos os contactores abertos, motor parado. Só H0 está acesa: o comando está alimentado e à espera de ordem.
2. Arranque em estrela. Ao accionar S1, K1 e K3 fecham. O motor arranca em estrela com cerca de 58 % da tensão por bobina, e acendem H1 e H3. O temporizador começa a contar.
3. Temporização. O motor acelera em estrela. No esquema do repositório o tempo é de cerca de 10 segundos; na prática, deve ser suficiente para o motor atingir uma velocidade próxima da nominal, e depende da inércia da carga.
4. Transição. Terminado o tempo, o contacto comutador do temporizador desliga o ramo de K3 e liga o de K2. O contacto NF de K3 só volta a fechar depois de K3 abrir, o que garante que K2 só fecha com K3 já aberto.
5. Funcionamento em triângulo. K1 e K2 fechados, K3 aberto. H3 apaga, H2 acende, e cada bobina recebe a tensão de linha completa.
6. Paragem. S0 interrompe o comando e os contactores abrem. O mesmo acontece se o relé térmico actuar.

O vídeo mostra o esquema completo a funcionar. Vale a pena vê-lo duas vezes, uma a seguir o comando e outra a seguir a potência.

Como regular o tempo de estrela

A passagem a triângulo deve fazer-se quando o motor já está perto da velocidade nominal. Com carga leve e pouca inércia bastam alguns segundos; em ventiladores grandes ou cargas com volante de inércia, o tempo pode passar da dezena de segundos.

Para acertar, meça. Com uma pinça amperimétrica na linha, acompanhe a corrente durante o arranque em estrela: parte de um valor alto e estabiliza num patamar quando o motor deixa de acelerar. É aí que o temporizador deve actuar. Se a corrente ainda estiver a descer na passagem a triângulo, o pico de transição será maior do que precisava.

Falta verificar o binário. Durante toda a aceleração em estrela, o binário resistente da carga tem de ficar abaixo do binário do motor em estrela, cerca de um terço do de triângulo. Se não ficar, o motor estabiliza a meia velocidade com corrente elevada e o relé térmico acaba por actuar.

8. Importância do intertravamento entre os contactores de estrela e triângulo

Se K2 e K3 fecharem ao mesmo tempo, com K1 fechado, o resultado é um curto-circuito entre fases. K3 junta os terminais U2, V2 e W2, e K2 liga esses mesmos terminais, um a um, às fases da rede. As protecções actuam, mas os contactos podem soldar e o motor, o contactor ou os condutores ficar danificados.

Por isso o intertravamento faz-se em duas camadas independentes:

• Intertravamento eléctrico: o contacto NF 11-12 de K2 está em série com a bobina de K3, e o contacto NF 11-12 de K3 em série com a bobina de K2. Enquanto um contactor estiver fechado, a bobina do outro não pode receber energia. É o que se vê no esquema do repositório.
• Intertravamento mecânico: um acessório (bloco de intertravamento) montado entre os dois contactores impede fisicamente que ambos fechem em simultâneo, mesmo que o comando falhe ou que um contacto auxiliar esteja soldado. Não aparece no esquema eléctrico; acrescenta-se na montagem real.

9. Condições necessárias para utilizar este método de arranque

• Seis terminais acessíveis. Os seis terminais dos enrolamentos têm de estar na caixa de terminais, para que o circuito possa fazer ou desfazer as interligações. Um motor com apenas três terminais acessíveis, já ligado internamente, não serve.
• Tensão de placa compatível. A tensão em triângulo indicada na placa tem de ser igual à tensão de linha da rede. Só assim a ligação em triângulo, em funcionamento normal, aplica a cada bobina a tensão para a qual foi projectada.
• Carga com binário de arranque baixo. Em estrela o binário cai para cerca de um terço. Se a carga o exceder, o motor não acelera.
• Frequência e potência conformes. Verificar também a frequência e a potência na placa de características.

10. Vantagens, limitações e aplicações industriais

Vantagens

• Reduz a corrente de arranque para cerca de um terço da directa, aliviando a rede e as protecções.
• Usa componentes comuns (contactores, temporizador, relé térmico), fáceis de encontrar e de substituir.
• Custo inferior ao de soft-starters e de variadores de frequência.
• Circuito de comando fácil de ler, bom para aprender a interpretar esquemas.

Limitações

• O binário de arranque também fica reduzido a cerca de um terço, o que exclui cargas pesadas no arranque.
• A comutação é feita em circuito aberto, e o breve corte pode provocar um pico transitório de corrente na passagem a triângulo.
• Exige motor de seis terminais e seis condutores entre o quadro e o motor.
• O arranque é por escalão único: a tensão passa de um valor fixo ao valor pleno, sem rampa.
• Só serve para motores cuja tensão em triângulo coincide com a da rede.

Aplicações típicas

Funciona bem com cargas que arrancam leves ou em vazio: ventiladores e exaustores, bombas centrífugas, serras, furadeiras, esmeris, compressores que arrancam sem carga e outras máquinas-ferramentas. Não é indicado para cargas que exigem binário elevado desde o início, como transportadores carregados, britadores ou compressores que arrancam em pressão.

Quando o arranque suave tem de ser mais controlado, ou o motor não tem seis terminais, as alternativas habituais são o autotransformador de arranque (chave compensadora), o soft-starter e o variador de frequência.

Avarias e verificações frequentes

11. Estudo prático dos esquemas no repositório do Brevemito

O Brevemito mantém um repositório público de circuitos eléctricos básicos, com uma pasta dedicada à partida estrela-triângulo. Serve para praticar: tem o esquema completo de comando e potência, uma imagem de cada estado de funcionamento (desligado, estrela, triângulo e sobrecarga) e o vídeo da simulação, para comparar com o que leu aqui.

Como estudar o esquema, passo a passo

1. Separe os dois circuitos. Comando à esquerda (bobinas, botões, contactos auxiliares, lâmpadas) e potência à direita (fusíveis, contactores, relé térmico, motor). Estude cada um isoladamente.
2. Identifique os componentes pela função. Localize K1 (principal), K3 (estrela), K2 (triângulo), F1 (relé térmico), T (temporizador), S0 e S1, e confirme com a tabela da secção 4.
3. Verifique as ligações dos seis terminais. No circuito de potência, confirme que K3 une U2, V2 e W2, e que K2 leva L1, L2 e L3 a W2, U2 e V2.
4. Siga cada bobina. No comando, para K1, K3 e K2, escreva o que tem de estar fechado para a bobina receber energia.
5. Procure o intertravamento. Encontre os contactos NF cruzados entre K2 e K3 e explique o que aconteceria sem eles.
6. Percorra as quatro imagens de estado. Em cada uma, diga que contactos e lâmpadas mudaram em relação à anterior, e só depois veja o vídeo para confirmar.

Exercícios propostos

• Desenhe de memória o circuito de potência e compare com o esquema do repositório; anote as diferenças.
• Diga em que estado ficam todos os contactos auxiliares quando o motor está em triângulo.
• Imagine que o contacto NF de K3 em série com K2 fica colado fechado. O que muda no funcionamento?
• Explique como o relé térmico F1 desliga o comando e acende HF, e porque é que a sua regulação não é a corrente nominal do motor.
• Proponha uma forma de manter K1 ligado depois de largar S1 e desenhe-a no comando.

12. Perguntas frequentes

Conclusão

Ligar as bobinas em estrela nos primeiros segundos reduz a corrente de arranque a um terço, ao custo de um terço do binário. Por isso a escolha do método começa pela carga e pela placa do motor, e só depois pelo quadro.

O esquema do repositório reúne temporização, intertravamento e protecção contra sobrecarga num só circuito. Se conseguir explicar cada ramo de bobina e cada contacto NF cruzado, fica com uma boa base para ler outros comandos eléctricos.