Embora uma instalação de fabricação possa ter equipamentos de manobra de alta qualidade, um sistema de distribuição bem projetado e um transformador corretamente dimensionado, um equipamento significativo ainda pode estar fora de serviço devido à incapacidade de encontrar a fonte de uma falha de sobrecorrente que ocorreu devido a um circuito de controle de motor com defeito em um motor de bombeamento de 30kW (por exemplo). Assim, os centros de controle de motores (MCCs) foram projetados como um meio de consolidar várias (dezenas/casas) instalações de motores em uma única área, com disjuntores individuais, sobrecarga e detecção de falhas para cada motor, enquanto requerendo apenas um barramento para se conectar ao serviço elétrico. Este guia explicará as funções dos centros de controle de motores, suas capacidades e os requisitos contidos no Código Elétrico Nacional.
Em resumo, o NEC define um centro de controle de motor (MCC) como um agrupamento de várias seções fechadas que compartilham um barramento de potência comum, além de conter várias unidades de controle de motor. A função principal de um MCC é permitir o início, parada, proteção e monitoramento de muitos motores que operam dentro de uma área comum. Um MCC também serve para fornecer os seguintes benefícios: fiação de campo reduzida; solução de problemas simplificada; maior segurança (unidades de extração); e maior capacidade de adicionar capacidade de motor à planta (adição de ‘buckets’), em vez de comprar motores adicionais. Normalmente, cada unidade de controle de motor conterá um disjuntor/fusível, contator e relé de sobrecarga. Neste momento, os MCCs inteligentes possuem capacidades de comunicação que estão em rede e, portanto, fornecem uma infinidade de informações ao sistema de controle, enquanto controlam a operação dos motores.
O que é um centro de controle de motor
A definição de acordo com o Artigo 100 do Código Elétrico Nacional explica um MCC como uma coleção de segmentos fechados com um barramento de potência compartilhado e que consiste principalmente de dispositivos de controle de motor. A clareza dessa explicação é evidente em três lugares diferentes dentro do texto. O termo segmentos fechados mostra que o modelo é intercambiável porque as seções podem ser montadas juntas ou expandidas conforme a necessidade. Barramento de potência compartilhado indica a presença de uma linha de fornecimento de energia que conecta todas as seções juntas, em vez de uma linha separada para cada seção. A terceira parte da definição menciona especificamente unidades de controle de motor, mostrando que o modelo é distinto do painel de distribuição e do quadro de manobra, que são usados apenas na distribuição elétrica.
Este design fez do MCC um dispositivo híbrido, pois possui características tanto de um sistema de distribuição quanto de um aparelho. Por causa disso, adotou as ideias dos quadros de manobra em termos de especificação de construção e também fornece requisitos adicionais para a construção dos dispositivos destinados a circuitos de motor, tornando assim necessário ter o Artigo 430, Parte VIII como um texto independente e não apenas uma parte dos artigos relacionados aos quadros de manobra.
Para que serve um MCC: os propósitos que justificam o custo
Um MCC é tipicamente mais caro do que o valor total de seus iniciadores. Este prêmio tem seis componentes. Cada um dos quais é uma razão de engenharia válida por si só.
- Controle centralizado. Todos os motores em uma determinada área podem ser ligados e desligados remotamente, tornando muito mais fácil resolver quaisquer falhas. No caso de um transportador de correia fora de operação, o operador sabe exatamente onde encontrar o iniciador: no compartimento rotulado de um MCC em vez de na caixa de junção da máquina.
- Coordenação e seletividade. Uma configuração do dispositivo de interrupção, aplicada a todo o sistema de barramento, permite a coordenação entre todos os acionamentos elétricos para a eliminação eficaz de falhas elétricas: quando um motor é desligado, todos os outros acionamentos podem continuar funcionando.
- Menos cabos. Fios de distribuição e controle são fornecidos já conectados e testados; tudo o que é necessário no local é instalar um cabo de alimentação principal, fios especiais para cada motor e um cabo de conexão de controle.
- Manutenção segura. Unidades substituíveis podem ser reparadas ou trocadas sem cortar a energia de todo o MCC; este recurso é o mais importante para plantas de processo.
- Escalabilidade. Mais motores podem ser adicionados conectando novas placas de relé ao MCC.
- Limitação de falhas e proteção do pessoal. Com a estrutura fechada, separadores e designs resistentes a arco em vigor, as consequências da falha podem ser limitadas a um compartimento em vez de se estender a toda a sala.
A justificativa comercial de todas essas vantagens raramente é expressa em termos de economia de custos, mas sim como custo calculado de inatividade. A oficina que sofre com paradas não programadas custando dezenas de milhares por hora recuperará o custo de um MCC inteligente apenas por ter que gastar menos tempo em reparos.
Como um MCC funciona: barramento horizontal, barramento vertical e compartimentos
Em termos de eletricidade, um MCC não é complexo e em termos de engenharia, o design de engenharia o torna funcional. A energia flui para a unidade e é distribuída entre dois níveis de barramento. O barramento horizontal representa o barramento na forma de uma barra reta que conecta a fonte de energia a todas as seções verticais da unidade. Dentro das seções, o barramento vertical fornece energia aos controladores de motor que estão colocados nesta seção.
Especificidades da construção são baseadas em códigos de construção e são importantes de saber porque estão mostradas em desenhos e documentos de regulamentação.
- O reforço do barramento não deve ser confundido com a classificação do barramento. A classificação do barramento significa a capacidade de corrente do barramento. Enquanto o reforço do barramento significa a força mecânica máxima que o barramento pode suportar durante uma situação de curto-circuito e é expressa em corrente (por exemplo, 65 kA ou 100 kA). Um barramento que tem classificação suficiente e reforço insuficiente pode ser destruído sob corrente de falha.
- O arranjo de fases é constante. Em um sistema trifásico, os barramentos horizontal e vertical devem ser dispostos de acordo com a sequência A, B, C na visão frontal — isso significa da frente para trás, de cima para baixo ou da esquerda para a direita. Para um circuito delta trifásico de quatro fios, a fase com a maior tensão em relação ao terra é chamada de B.
- O espaçamento é definido pelo código. Em instalações de até 600 V, a tabela de espaçamento requer 25,4 mm no mínimo entre o barramento energizado e o terra, 25,4 mm entre fios de fase opostos através do ar e 50,8 mm na superfície.
- O espaço de curvatura de fios é obrigatório. O espaço mínimo de curvatura nos terminais e no espaço do canal é o mesmo que para quadros de distribuição; a razão para essa recomendação é que, se o condutor for curvado fora do raio de curvatura especificado mesmo uma vez durante a instalação, sua isolação pode ser permanentemente danificada.
- Barreiras separam os barramentos de serviço de outros dispositivos em qualquer MCC de entrada de serviço para proteger o pessoal que trabalha em seções adjacentes de situações perigosas.
Uma unidade que ocupa o lugar de uma seção vertical no MCC é chamada de balde e é onde o trabalho elétrico ocorre. A interface da unidade com o barramento indica que tipo de MCC está sendo usado: ou uma unidade fixa ou uma unidade retirável. Fixo significa que a unidade está parafusada no lugar e desconectada da fonte de energia durante os trabalhos de manutenção, enquanto a retirável pode ser retirada do compartimento sem desenergizar o barramento.
O que vai dentro de um balde: de partidas DOL a VFDs
O starter de combinação primário consiste em três componentes: um dispositivo de proteção contra curto-circuito (disjuntor ou fusível), um contator para controlar o motor e um relé de sobrecarga para proteger contra sobrecorrente contínua. Tudo o mais em um starter de combinação é apenas uma versão diferente desse tema.
| Tipo de unidade | O que faz | Onde é utilizado |
|---|---|---|
| Starter direto na linha (DOL) | Partida em plena tensão; disjuntor, contator, sobrecarga | Motores pequenos e cargas que toleram partida em plena tensão |
| Starter reversível | Dois contatores fornecendo rotação para frente e para trás | Transportadores, guindastes, qualquer processo que exija mudança de direção |
| Starter estrela-delta | Reduz a corrente de partida iniciando em estrela e mudando para delta | Motores maiores onde a capacidade de fornecimento limita a corrente de partida |
| Partida suave | Rampas de tensão baseadas em tiristores para controlar o torque e a corrente de partida | Bombas, ventiladores e transportadores onde o choque mecânico é importante |
| Inversor de frequência variável (VFD) | Controle contínuo de velocidade e otimização de energia | Controle de processos, HVAC, qualquer coisa com demanda de fluxo variável |
| Balde de alimentação | Proteção e comutação apenas, sem controle de motor | Fornecendo painéis, transformadores ou equipamentos em outros locais |
| Unidade inteligente | Starter em rede com diagnósticos e medição integrados | Plantas integrando dados de motores em um sistema de controle ou manutenção |
Esta camada contém duas funções de proteção que não podem ser encontradas no alimentador. A primeira função é a proteção contra sobrecarga, que é projetada aproximadamente de acordo com o desempenho do motor e o fator de manutenibilidade. Um motor operando sob sobrecarga severa por um longo tempo pode falhar antes que um dispositivo de curto-circuito faça seu trabalho. A segunda função é a proteção contra falha à terra, que é responsável por detectar correntes que viajam por uma rota inesperada. Em uma planta com muitos motores em um único barramento, o projeto dessa proteção deve ser seletivo, e os princípios por trás dela estão estabelecidos nos fundamentos de proteção contra falha à terra, que se aplica de forma idêntica, seja a falha detectada no alimentador ou dentro de um único balde.
Tipos, invólucros e o MCC inteligente
Além de serem categorizados com base em serem fixos ou retiráveis, os MCCs são classificados com base no invólucro que utilizam e no padrão ao qual se conformam. Embora as classificações elétricas sejam fatores importantes, os tipos de invólucro NEMA utilizados também desempenham um papel importante nas operações da planta que podem envolver lavagem, poeira e umidade. Isso ocorre porque a falha em um conjunto inadequadamente fechado acontece devido à quebra de isolamento resultante da contaminação, e não devido a uma falha elétrica limpa.
Em termos de padrões, a América do Norte possui seus próprios padrões UL 845 e NEMA ICS 18. Além disso, o desempenho dos iniciadores é definido no padrão NEMA ICS 2. Projetos internacionais devem cumprir tipos que estão sujeitos aos testes IEC 61439-1 e IEC 61439-2 para verificar aumentos de temperatura, parâmetros de resistência a curto-circuito e limites de folga e contaminação. Isso mostra que um MCC em conformidade não é uma qualificação genérica, uma vez que deve atender a um padrão específico; portanto, se uma proposta não indicar qual padrão deve ser atendido, não pode ser tratada como legítima.
Os MCCs inteligentes representam a conquista mais significativa nas últimas décadas. A fiação de cada contato auxiliar de volta ao PLC no painel de marshalling foi substituída pela prática em que cada balde possui um módulo de comunicação e se torna parte da rede da planta. Em primeiro lugar, isso permite reduzir significativamente a fiação de controle; em segundo lugar, permite obter o consumo de energia para cada motor e dados de horas de operação sem dispositivos extras; em terceiro lugar, permite obter dados de condição para manutenção preditiva em vez de manutenção reativa. No entanto, isso também leva a novos desafios para garantir que um MCC inteligente funcione como parte do sistema de rede, enquanto a manutenção elétrica, ao mesmo tempo, inclui responsabilidades por cibersegurança, gerenciamento de endereços, versões de peças sobressalentes, etc.
Equipamentos de serviço, aterramento e os requisitos do código
De acordo com o Artigo 430 Parte VIII, várias condições devem ser atendidas desde a primeira reunião de design. Caso o MCC atue como equipamento de serviço, ele deve ter um dispositivo de desconexão principal para todos os condutores de serviço não aterrados. Também deve haver um dispositivo de ligação principal devidamente dimensionado, conforme as regras de ligação, caso um condutor aterrado esteja presente, além de barreiras que estabeleçam uma isolação entre os barramentos de serviço e outras partes do MCC que precisam ser fornecidas.
O aterramento é geralmente considerado uma questão de último recurso e se torna o mais perigoso quando erros são cometidos a esse respeito. Todos os componentes do MCC devem ser ligados em um todo com um condutor de ligação ou barramento que se enquadre na tabela de condutores de ligação do equipamento fornecido. Também é necessário garantir que todos os cabos de aterramento atendam aos requisitos estabelecidos para esse barramento e o ponto correspondente. Em uma situação em que as seções não estão devidamente ligadas, ocorre uma situação em que os quadros adjacentes do MCC se influenciam mutuamente, apresentando uma certa diferença de tensão. Os princípios são os mesmos que regem todo sistema aterrado, e vale a pena revisá-los na fase de projeto em vez de na inspeção: a disposição de aterramento de transformador e sistema determina a que o barramento de aterramento do MCC está realmente referenciado, e um esquema de aterramento que seja adequado a montante ainda pode deixar um quadro de motor em um potencial inesperado se a ligação interna estiver incompleta.
Existem dois requisitos adicionais para a placa de identificação e os desenhos. Primeiro, há um requisito para que a classificação de corrente do barramento de potência e a classificação de curto-circuito do MCC sejam marcadas claramente após a instalação do sistema. Há um requisito de que a corrente de falha do MCC deve ser documentada e disponível para qualquer pessoa que tenha permissão para inspecionar, instalar e manter o item, juntamente com a data em que o curto-circuito foi calculado.
O que alimenta um MCC: equipamentos a montante e verificações de classificação
Não é possível definir um MCC separadamente, pois sua classificação não tem significado a menos que avaliada em conjunto com parâmetros a montante. Como norma, a fonte de energia pode ser um transformador de distribuição, um quadro de distribuição principal ou um alimentador de uma subestação de alta tensão. Três valores devem ser adquiridos antes de determinar uma classificação, que inclui a tensão de alimentação e configuração, o consumo de corrente pelo usuário e a corrente de curto-circuito prospectiva no local de conexão.
No entanto, é o último valor que cria problemas para os projetos. Um MCC construído no local existente onde o transformador já foi trocado pode lidar com um nível de falha muito maior do que o projetado; o exemplo mais comum é uma renovação de utilidade que traz mais potência de falha sem grandes modificações no processo de produção. Essa é a razão pela qual a documentação da corrente de falha é necessária, e por que cada operação de reparo significativa deve conter verificação de classificação. Compreender o que a fonte de alimentação transformador de distribuição contribui — sua impedância, sua configuração e sua capacidade nominal — é o ponto de partida para esse cálculo, porque a impedância do transformador é geralmente o termo dominante na corrente de falha disponível nos terminais do MCC.
Proteção, medição e o papel dos transformadores de corrente
Todo o equipamento MCC e numerosos grandes motores dependem de transformadores de corrente para a detecção da corrente elétrica real que flui. O transformador de corrente reduz a alta corrente primária para um nível de sua corrente secundária padrão, normalmente 5 A ou 1 A, que pode ser gerenciado por relés de proteção e medidores. Existem três locais em um MCC onde os CTs são aplicados: na barra coletora de entrada para proteção contra sobrecorrente e falha à terra; nos grandes iniciadores de motor para proteção diferencial ou térmica; e nos painéis de medição onde as informações sobre energia consumida e demanda de energia são coletadas.
Dois aspectos do design afetam o funcionamento da instrumentação. O primeiro aspecto é que a relação deve ser escolhida adequadamente – o CT deve estar acima da corrente primária máxima, enquanto a corrente secundária deve ser mantida em um nível suficiente em carga normal para leituras confiáveis. É por isso que motores grandes geralmente têm um CT destinado à proteção em vez de medições. O segundo aspecto é o total da carga secundária – esta é a resistência total de todos os relés, medidores e cabos conectados ao CT. Selecionar um dispositivo para essa função é uma questão de classe de precisão documentada, carga e classificação térmica de curto prazo, em vez de tamanho físico, e um representante gama de transformadores de corrente mostra como esses parâmetros são publicados para uma unidade específica. Os transformadores de corrente também introduzem uma regra que nenhum técnico de manutenção deve esquecer: o circuito secundário nunca deve ser aberto sob carga, porque sem carga o CT desenvolve uma tensão perigosa em seus próprios terminais.
Problemas comuns e práticas de manutenção
As falhas do MCC raramente são exóticas. Elas se agrupam em um punhado de causas recorrentes, e a maioria delas é visível em um cronograma.
| Problema | Causa raiz | Mitigação |
|---|---|---|
| Superaquecimento nas conexões da barra | Juntas bolted soltas, ciclagem térmica, contaminação | Verificações de torque em um cronograma; termografia infravermelha sob carga |
| Falha do contator ou do iniciador | Desgaste de contato devido à alta frequência de operação | Contadores de operação em unidades inteligentes; substituição planejada de contatos |
| Desarme indesejado | Configurações de sobrecarga incorretas para o motor real; harmônicos de VFDs | Verificar configurações em relação à corrente de carga total da placa de identificação e fator de serviço |
| Quebra de isolamento | Poeira, umidade, entrada de lavagem, detritos soltos | Classe de invólucro correta, juntas mantidas, programas de limpeza |
| Modificações não documentadas | Alterações em campo sem atualizações de desenho | Revisão controlada de desenho; verificar em relação ao as-built em cada auditoria |
| Flash de arco e exposição do pessoal | Trabalho em equipamentos energizados sem avaliação ou EPI | Estudo de energia de incidente publicado, limites, EPI e procedimento |
Na verdade, a rotina de manutenção que alcança a maior parte disso é um dos tipos mais simples de manutenção, que inclui atividades como torque e termografia no barramento, inspeção de contatos e contagem de funcionamento para os iniciadores, monitoramento ambiental da caixa e verificação se os desenhos correspondem à instalação. Em uma planta onde o MCC é o ponto único através do qual a maior parte do processo é alimentada, esse programa deve estar no mesmo calendário que a manutenção do transformador e do equipamento de manobra, em vez de em um silo separado — um abrangente checklist de manutenção de transformadores e um cronograma de inspeção do MCC compartilham a mesma lógica de intervenções programadas que capturam a degradação lenta antes que se torne uma interrupção forçada.
MCC comparado com equipamento de manobra, quadros de distribuição e VFDs
As reuniões tendem a confundir quatro terminologias que significam coisas diferentes, causando um alto potencial para problemas de especificação.
- Quadro de distribuição. Ele distribui energia para uma combinação de circuitos com proteção contra sobrecorrente adequada. Não há partida de motor, nem proteção contra sobrecarga presente aqui.
- Quadro de manobra ou equipamento de manobra. Esta montagem é destinada à distribuição e proteção de energia em uma escala maior e ajuda na distribuição e proteção da energia.
- MCC. Este equipamento é construído em torno de sistemas de controle de motor. Eles fornecem proteção, comutação e proteção contra sobrecarga em um barramento em seções modulares da montagem.
- VFD. Esta é apenas uma unidade controlando uma função de motor, que pode estar localizada tanto no MCC quanto separadamente. O princípio de operação do VFD não é idêntico ao do MCC.
Perguntas Frequentes
Qual é o principal objetivo de um MCC?
O objetivo é ser capaz de gerenciar, proteger e monitorar vários motores a partir de um único local central. Na prática, isso significa conectar todos os iniciadores e alimentadores de um setor de fabricação a um barramento de potência comum em construções modulares. Os sistemas são construídos de tal forma que os motores podem ser iniciados, parados e protegidos contra superaquecimento e curto-circuito muito mais facilmente do que se estivessem conectados separadamente no local. O segundo propósito – escalabilidade: em vez de reconstruir todo o sistema, a capacidade necessária pode ser obtida adicionando novos segmentos ou conectando seções.
Como funciona um MCC?
A eletricidade é fornecida através de um dispositivo principal (como um disjuntor, um terminal ou um interruptor de fusível) de onde é distribuída através de um barramento de potência comum que se estende pela montagem. Em cada seção, barras verticais retiram deste barramento comum e fornecem energia a cada unidade de controle de motor empilhada separadamente. Cada unidade (chamada bucket) é equipada com dispositivos de proteção de circuito, contator ou um acionamento, bem como painel para proteção contra sobrecarga. A fiação de controle fornece a conexão das unidades, seja a botões de pressão ou a uma rede da planta (no caso de um MCC inteligente).
Quais são os problemas comuns com painéis MCC?
Problemas repetitivos são aqueles devido a barramentos mal conectados que causam pontos quentes, desgaste de contatores em interruptores acionados com frequência, configurações incorretas de sobrecargas que causam desligamentos indesejados, deterioração do isolamento por sujeira e umidade, harmônicos de motores conectados a VFD afetando outras cargas, e alterações não documentadas feitas por técnicos que tornam os desenhos do equipamento inúteis. A maioria dos problemas é identificada por meio de testes programados de torque, inspeção termográfica, contagem de contatores utilizados e verificação ambiental em vez de esperar até que a falha ocorra.
Qual é a diferença entre um VFD e um MCC?
Eles funcionam em níveis diferentes. Um MCC atua como uma coleção de equipamentos que fornece energia e oferece alguma proteção e capacidade de partida para acionamentos de motores. Enquanto isso, um VFD refere-se a um único dispositivo que modifica a velocidade de um motor variando a frequência e a tensão. Como os acionamentos são comumente montados em buckets de MCC, as pessoas tendem a confundir os dois conceitos; no entanto, o MCC é a caixa, o barramento e o dispositivo de proteção para o conjunto completo de acionamentos, enquanto o VFD é responsável por controlar um motor. Se um substituir completamente o MCC por VFDs, não haverá proteção adequada dos acionamentos elétricos juntos.
Referências
- NFPA — NFPA 70 Código Elétrico Nacional, Artigo 100 e Artigo 430 Parte VIII (Centros de Controle de Motores)
- NFPA — NFPA 70E: Norma de Segurança Elétrica no Local de Trabalho
- UL Solutions — UL 845: Centros de Controle de Motores
- NEMA — NEMA ICS 18: Centros de Controle de Motores e NEMA ICS 2: Controladores e Sistemas de Controle Industriais
- Comissão Eletrotécnica Internacional — IEC 61439-1 e IEC 61439-2: Conjuntos de Equipamentos de Seccionamento e Controle de Baixa Tensão
- IEEE — IEEE C37.20.7: Guia para Teste de Equipamentos de Seccionamento Avaliados até 52 kV para Falhas de Arco Interno
Conclusão
Um Centro de Controle de Motores (MCC) é onde a distribuição comum de energia elétrica para o sistema de energia termina. O barramento é o equipamento usado para a distribuição, enquanto os buckets são usados para proteger, comutar e monitorar a distribuição de energia. As grandes caixas metálicas e proteções foram projetadas especificamente para manter o equipamento longe da exposição, enquanto as redes modernas de fábricas permitem que todo o MCC funcione como um operador de coleta de energia. Cada fabricante terá desenvolvido um código que inclui requisitos para reforço de barramento, ordem de fase, espaço de curvatura e folga, ligação em interseções, marcação de placa de identificação e documentação de corrente de falha. A maioria dos fabricantes tem três decisões básicas a tomar para todos os MCCs. Primeiro, os fabricantes devem tornar o componente removível do MCC disponível se os custos de inatividade forem muito altos; segundo, os fabricantes devem verificar se a classificação de corrente de falha para cada MCC é igual ou maior do que as correntes de falha nos terminais; e finalmente, os fabricantes devem fornecer monitoramento contínuo da documentação de engenharia enquanto seu cliente está construindo uma instalação.