Se uma das fases faltar na alimentação de um motor trifásico sérios problemas de funcionamento podem ocorrer, inclusive a queima dos enrolamentos. É portanto uma preocupação das maiores para qualquer industria ou outras instalações que possuam tais tipos de motores a monitoração constante das fases da rede de energia que os alimenta. Neste artigo descrevemos a montagem de um detector de falta de fase que acionará um dispositivo de proteção ou um alarme (ou ambos) quando ocorrer a falta de uma das fases da alimentação da rede.

Os motores de potências elevadas usados na industria e em muitos outros tipos de aplicações de maior porte normalmente são alimentados a partir de uma rede trifásica, conforme mostra a figura 1.



A defasagem de apenas 120 graus entre os três enrolamentos possibilita não só uma partida e funcionamento mais suave como também outras vantagens mecânicas importantes que devem ser levadas em conta nas suas aplicações e que são detalhadas a seguir.
Para isso podemos fazer uma analogia com os motores a pistão para mostrar as vantagens dos motores trifásicos.
Os motores de uma fase apenas são como motores de um cilindro que possuem um funcionamento pulsante e portanto menos suave quando comparados aos trifásicos que seriam os equivalentes aos motores de três cilindros.
Outro ponto importante é que os motores monofásicos não possuem torque na partida levando a necessidade de enrolamentos adicionais de partida que os encarecem.
Finalmente, podemos obter até 50% a mais de potência de um motor trifásico quando comparado a um motor equivalente de uma fase apenas de mesmo tamanho. Em outras palavras, temos uma economia considerável na quantidade de cobre usada nos enrolamentos quando usamos uma alimentação trifásica.


Proteções
No entanto, tais motores também têm alguns pontos críticos no seu funcionamento havendo para isso diversos tipos de proteção que podem ser usadas.

Dois tipos de proteção devem ser destacadas:

a)   Térmica
Sob condições adversas de funcionamento a temperatura de um motor pode se elevar para além dos limites aceitáveis. Os materiais usados no isolamento dos fios dos enrolamentos e outras partes possuem temperaturas limites e se elas forem superadas pode ocorrer a sua queima.
A elevação da temperatura pode ocorrer por diversos motivos que vão desde a ventilação ambiente precária acompanhada de calor ambiente excessivo até uma sobrecarga do próprio motor na carga que ele deve movimentar.
Normalmente são usados dispositivos de proteção do tipo termomagnético que desligam a alimentação em caso de elevação excessiva de temperatura.


b)   Falta de Fase
Se uma das fases faltar pode tanto ocorrer o sobreaquecimento dos enrolamentos com dado o aumento da carga como até uma parada indevida devido a esta sobrecarga que culmina com a queima do motor.
Isso significa que a monitoração constante das fases do motor é algo que deve ser implementado na sua instalação com recursos para seu desligamento imediato quando isso ocorrer.
Para esta finalidade podemos usar um detector de falta de fase, um circuito que constantemente verifica se existe tensão nas três fases que alimentam o circuito. Na falta de uma ou mais dessas fases o circuito é acionado atuando sobre um relé.
Este relé pode ser conectado tanto a um sistema de proteção que desliga imediatamente o motor como também a um sistema de aviso. É claro que podem ser usados os dois recursos ao mesmo tempo.
Se o leitor trabalha numa industria que possui um motor deste tipo, ou possui em seu negócio um motor trifásico e deseja zelar tanto pelo seu bom funcionamento como pela sua integridade, o projeto que descrevemos deve ser de seu interesse.



Como Funciona
O circuito proposto monitora constantemente as três fases que alimentam o motor através de três pequenos transformadores. A tensão no secundário de cada um desses transformadores tem duas utilidades.
Uma delas é, após a retificação, alimentar o circuito protetor de modo a manter o relê final de controle energizado.
A outra é fornecer um sinal que mostre a cada um dos três comparadores que a fase correspondente está presente.
Os três comparadores nada mais são do que amplificadores operacionais rápidos que são ajustados para fornecer uma saída alta quando as fases estiverem presentes.
Este ajuste é feito individualmente em cada um dos três trimpots das entradas não inversoras.
Num comparador, conforme mostra a figura 2, a saída estará no nível alto quando a entrada não inversora estiver com tensão acima da usada como referência e irá ao nível baixo quando a tensão da entrada não inversora cair abaixo deste nível.


A tensão de referência é dada pela fonte de 12 V com um circuito regulador do tipo 7812.
Como as saídas dos comparadores são do tipo "open collector" elas podem ser unidas de modo a formar uma função lógica "E".
Se uma das saídas dos comparadores for ao nível baixo pela ausência da fase que ela monitora, os transistores ligado às saídas são cortados e com isso o relé de controle é desenergizado cortando a alimentação do motor ou fazendo soar um sistema de aviso.
Veja então que o relê permanece energizado se as três fases estiverem presentes.



Montagem
Na figura 3 temos o diagrama completo do detector de falta de fase para motores trifásicos.


A montagem pode ser feita com base numa placa de circuito impresso cuja sugestão de disposição de componentes é mostrada na figura 4.


A furação para a instalação do relê depende do tipo usado o qual, por sua vez, depende da corrente que deve ser controlada pelo motor. Uma possibilidade é usar um relê com soquete para altas correntes instalado fora da placa de circuito impresso.
Outra possibilidade interessante a ser analisada é o uso de um pequeno relê de baixa potência neste circuito o qual controla um relê maior fora do circuito junto ao motor que deve ser monitorado.
Os pequenos transformadores usados devem ter enrolamento primário de acordo com a tensão de cada fase (117 VAC ou 127 VAC) e secundário de 12 + 12 V com 500 mA de corrente ou mais.
Os diodos são todos do tipo 1N4002 ou equivalentes. Os transistores admitem equivalentes sendo o circuito previsto para acionar relês com até 500 mA de corrente.
Na entrada de cada transformador são previstos fusíveis de proteção e os trimpots de ajuste são comuns.
Os capacitores eletrolíticos devem ter tensões de trabalho de pelo menos 25 V e o circuito integrado regulador de tensão deve ter um pequeno radiador de calor, conforme a corrente de acionamento do relê usado.
Será interessante usar um soquete para o circuito integrado LM339 e só instalá-lo depois que toda a montagem estiver completa.
Se bem que o circuito possa ser instalado numa pequena caixa de plástico ou outro material, nada impede que sua placa com o relê fique na própria caixa de controle do motor.



Ajuste e Uso
Inicialmente aplique 110 V (117 ou 127 VAC) numa das entradas do circuito (Tome cuidado com todos os procedimentos que envolvem montagem, calibração e uso deste circuito pois ele opera diretamente com tensão da rede de energia.).
Meça então a tensão no pino de saída da alimentação do circuito integrado regulador de tensão. Deve ser encontrada uma tensão de 12 V. Se isso não ocorrer confira sua montagem.
Verificada a alimentação correta, o circuito integrado LM339 pode ser agora instalado e a fase de calibração estará pronta para ser iniciada.
Para a calibração use o circuito da figura 5.


O transformador de isolamento é interessante para proteger o operador contra choques em caso de um toque acidental.
O variac deve inicialmente ser ajustado para sua menor tensão de entrada. Observe que neste procedimento o terminal de neutro (N) é apenas usado como uma referência de tensão durante a fase de teste de funcionamento e calibração do sistema de proteção.
Veja também que neste caso, apenas para efeito de ajuste não precisamos que as tensões de entrada estejam defasadas de 120 graus. A finalidade de nosso circuito é apenas detectar quando elas estão ausentes e não o instante que isso ocorre. Assim, para efeitos de calibração precisamos apenas que o circuito detecte sua ausência e por isso podemos interligar as entradas A, B e C para esta finalidade.
Inicialmente ajuste o variac vagarosamente até a tensão:

V = Vnom x 0,9/1,73

Onde: Vnom é a tensão nominal que deve ser aplicada as armaduras do motor
0,9 é valor escolhido para se obter a comutação do motor (90% da tensão nominal da armadura)
1,73 é a raiz quadrada de 3 para se obter o valor rms da tensão

O valor 0,9 poderá ser alterado para se obter o acionamento com outras tensões.
Se ao fazer este ajuste qualquer dos fusíveis queimar, desligue tudo e confira sua montagem.
Se tudo correr bem até aqui, passe para a fase seguinte do ajuste.
Ajuste os trimpots nas entradas de referência dos comparadores de modo que eles apliquem a máxima tensão de entrada (todos abertos). Neste ajuste o relê deverá ser energizado o que significa que a lâmpada será mantida acesa.
Passe então ao primeiro trimpot e vá reduzindo a tensão aplicada a entrada correspondente do comparador até o momento em que o relê desenergizar (a lâmpada apaga). Volte um pouco o ajuste deste trimpot de modo que o relê energize novamente e a lâmpada acenda.
Faça o mesmo com os outros dois trimpots.
Para verificar a ação do circuito, desligue qualquer uma das entradas de monitoração (A, B ou C). O relê deve desenergizar imediatamente fazendo com que a lâmpada se apague.
Comprovado o funcionamento o circuito já poderá ser instalado no motor o qual deve proteger.
Na figura 6 temos o circuito de instalação do protetor num motor trifásico convencional.


É importante observar que o leitor estará trabalhando diretamente com tensões perigosas da rede de energia quando fizer a instalação do sistema de proteção.
Na ligação do circuito em qualquer motor a sequência das fases não é importante.



LISTA DE MATERIAL


Semicondutores:
IC-1 - LM339 - quadruplo comparador - circuito integrado
IC-2 - 7812 - regulador de tensão de 12 V - circuito integrado
D1 a D13 - 1N4002 - diodos de silício

Q1 - BC558 ou equivalente - transistor PNP de uso geral
Q2 - BD136 ou equivalente - transistor PNP de uso geral

Resistores: (1/98W, 5%)
LED - LED vermelho comum (ou de outra cor)
Z1 - 6,0 V ou 6,6 v - diodo zener de 400 mW

Resistores: (1/8W, 5%)
R1, R2, R3- 4,7 k ohms
R4, R5, R6 - 47 k ohms
R7, R8, R9 - 4,7 M ohms
R10 , R11 - 18 k ohms
R12, R13 - 1 k ohms
P1, P2, P3 - 10 k ohms - trimpots

Capacitores:
C1, C2, C3 - 47 uF x 25 V - eletrolíticos
C4 - 470 uF x 25 V - eletrolítico
C5 - 10 uF x 16 V - eletrolítico
C6 - 470 nF - cerâmico

Diversos:
F1, F2, F3 - 500 mA - fusíveis
T1, T2, T3 - Transformadores com primário de acordo com a tensão de fase e secundário de 12 + 12 V x 500 mA ou mais
K1 - Relê de 12 V até 500 mA
Placa de circuito impresso, radiador de calor para CI-2, fios, solda, suporte para fusíveis, etc.