Motores eletricos, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

Baixe Motores eletricos e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! Unifei - Universidade Federal de 4 4 Itajubá ECA 34 -MAQUINAS ELETRICAS PARA AUTOMAÇÃO a Grupo de Estudos em Manutenção EmMEi | Eletro-Eletrônica e Instalações Motores Elétricos (Edição Preliminar) Antonio Tadeu Lyrio de Almeida - Agosto de 2004 - E Unifei - Universidade Federal de ECA 34 —MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA aa AUTOMAÇÃO mst Eine eretrênios o mersações MOTORES ELÉTRICOS APRESENTAÇÃO Os motores elétricos são o meio mais indicado para a transformação de energia elétrica em mecânica, em termos industriais, para acionamento das mais variadas cargas, tais como bombas, compressores, sistemas de elevação de peso e outras. Existe uma ampla variedade de motores elétricos disponíveis comercialmente, os quais podem ser divididos em dois grupos, ou seja, os de corrente continua e os de corrente alternada, sendo que estes ainda podem ser síncronos ou de indução (assincronos). Os motores de indução, principalmente os trifásicos, são os mais utilizados industrialmente e, dentre eles, o de rotor em gaiola, cujo campo de aplicação se estende, praticamente, a todo tipo de acionamento. Os motores de corrente continua, por outro lado, são empregados em aplicações industriais, nas quais se deseja um controle eficiente de velocidade. Neste contexto, o objetivo desse texto é o de analisar esses motores (com exceção do sincrono) e, para tanto, foi dividido em três partes básicas. A primeira parte é composta pelos Capítulos 1 e 2, onde se fornecem os princípios básicos do eletromagnetismo e alguns dos aspectos comuns a todos os motores elétricos, respectivamente. A segunda parte compreende os Capítulos 3 a 8 e são abordados os motores de indução trifásicos. A terceira e última parte, composta pelos Capítulos 9 e 10, refere-se aos motores de corrente contínua. Unifei - Universidade Federal de ECA 34 —MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA Heajubá AUTOMAÇÃO . Grupo de Estudos em Manutenção MEÍ — Eletro-Eletrônica e Instalações MOTORES ELÉTRICOS 2.0- OPERAÇÃO EM CARGA DE UM MIT 3.0- GRANDEZAS CARACTERÍSTICAS 3.1 - Potência 3.2 - Tensões 3.3 - Velocidade 3.4- Torque ou Conjugado. 3.5 — Perdas 3.6 — Potências Elétricas 3.7 — Fator de Potência 3.8 - Rendimento 3.9 - Corrente do Estator Exercício de fixação 3.10 - Fator de Serviço 4.0- CURVAS CARACTERÍSTICAS 5.0 - EFEITOS DOS DESBALANÇOS DE TENSÕES Exercício de fixação 6.0 —- FALTA DE FASE 7.0 - FLUTUAÇÕES DE TENSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CAPÍTULO 6: PARTIDA DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS RESUMO 1.0- INTRODUÇÃO 2.0- CONJUGADO MOTOR E ACELERADOR 2.1 — Partida com Rotor Livre ou em Vazio Exercício de fixação 2.2 — Partida com Carga 3.0 - CORRENTE NA PARTIDA Exercício de fixação 5.0 — EFEITOS DA VARIAÇÃO DA TENSÃO 6.0- EFEITOS DA RESISTÊNCIA DO ROTOR 7.0 - CATEGORIAS DE DESEMPENHO 8.0 - PROBLEMAS CAUSADOS PELA PARTIDA 8.1 — Motor 8.2 — Carga e Sistema de Transmissão 8.3 - Rede Elétrica e Instalações 9.0- MÉTODOS DE PARTIDA 9.1 - Partida com Chave Estrela-Triângulo Exercício de fixação 9.2 - Chave Compensadora E Unifei - Universidade Federal de ECA 34 —MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA Itajubá AUTOMAÇÃO - Grupo de Estudos em Manutenção » MEÍ — Eletro-Eletrônica e Instalações MOTORES ELETRICOS Exercício de fixação 49 9.3 - Partida com Soft-Starter 50 9.4 — Partida com Resistências no Rotor. 51 CAPÍTULO 7: IDENTIFICAÇÃO DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS 52 RESUMO 52 1.0- INTRODUÇÃO 52 2.0. - DADOS DE PLACA E DE CATÁLOGOS 52 2.1, - Dados de Placa 52 2.2 - Dados de Catálogo 53 2.3 - Folha de Dados 54 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA 54 CAPÍTULO 8: METODOLOGIAS PRÁTICAS PARA A AVALIAÇÃO DE CARACTERÍSTICAS OPERACIONAIS 55 RESUMO 55 1.0 - INTRODUÇÃO ss 2.0- AVALIAÇÃO DA POTÊNCIA — MÉTODO DA LINEARIZAÇÃO DA CURVA I=f(P) 55 3.0- AVALIAÇÃO DA ROTAÇÃO — MÉTODO DA LINEARIZAÇÃO DA CURVA I=f(n) 56 Exercício de fixação 56 4.0- AVALIAÇÃO DO TORQUE — MÉTODO DA LINEARIZAÇÃO DA CURVA M=f(n) 57 Exercício de fixação 57 5.0- CURVAS CARACTERÍSTICAS 58 CAPÍTULO 9: MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA... 60 RESUMO s0 1.0- INTRODUÇÃO so 2.0 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO s0 2.1 - Motor Elementar so 2.2 — Utilização de Teclas 62 2.3 — Atenuação das Oscilações de Torque. 63 2.4 Aumento dos Valores de Torque 63 3.0- TENSÃO INDUZIDA 64 4.0 - EXCITAÇÃO 6s E Unifei - Universidade Federal de ECA 34 —MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA Htajubá AUTOMAÇÃO - Grupo de Estudos em Manutenção » MEÍ — Eletro-Eletrônica e Instalações MOTORES ELETRICOS 5.0 - COMUTAÇÃO 66 6.0 - LINHA NEUTRA 67 7.0- REAÇÃO DE ARMADURA 67 8.0 - PÓLOS AUXILIARES OU DE COMUTAÇÃO (INTERPÓLOS) 68 9.0- ENROLAMENTO DE COMPENSAÇÃO [5 10.0 - CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES CC [5 10.1 - Quanto à Aplicação 69 10.2 - Quanto à Posição do Eixo 70 10.3 - Quanto ao Sistema de Excitação 70 CAPÍTULO 10: ASPECTOS CONSTRUTIVOS DOS MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA 72 RESUMO 72 1.0- INTRODUÇÃO 72 2.0 - PARTES COMPONENTES DO ESTATOR 74 2.1 - Carcaça 74 - Pólos Principais 75 - Interpólos ou Pólos de Comutação 75 2.4 - Enrolamentos de Campo e dos Interpólos. 75 3.0 - PARTES COMPONENTES DO ROTOR 76 3.1 - Armadura 76 3.2 - Comutador 78 3.3 - Eixos 78 4.0 - OUTROS COMPONENTES 79 4.1 - Mancais 79 4.2 Sistema de Arrefecimento 79 4.3 — Escovas 79 4.3 - Porta - Escovas 79 4.4-— Anel e Braço dos Porta-Escovas so Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações A corrente que circula pelas espiras recebe o nome de corrente de excitação e o seu produto pelo número total dessas espiras, é denominada de força magnetomotriz. De acordo com a lei de Ampêre, o fluxo magnético no eletroimã depende do material magnético e das dimensões que é construído, além da força magnetomotriz. Assim, pode-se aumentar ou diminuir o fluxo, dentro de certos limites, alterando-se a força magnetomotriz (ou, em última análise, a corrente de excitação). A relação gráfica entre ambas as grandezas é conhecida por curva de saturação (ou de magnetização). Região de saturação Fluxo Corrente de excitação Figura 4 — Exemplo de curva de saturação. 3.0 “TENSÃO INDUZIDA Coube ao inglês Michael Faraday, onze anos depois de Oersted e Ampére, descobrir como se obter eletricidade a partir do magnetismo. Em 1831, Faraday construiu um experimento semelhante ao mostrado na figura 5, onde se tem um anel de aço, duas bobinas sem contato físico, uma chave para ligar e desligar o circuito, uma bateria e uma bússola. Figura 5 — Experimento de Faraday. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Observa-se que, no momento em que a bateria era ligada ou desligada através da chave, instantaneamente flui uma corrente pela primeira bobina, a qual magnetiza o anel. Ao mesmo tempo, verifica-se que a agulha da bússola dá um “salto”, mudando de posição, como ilustrado na figura 6. Figura 6 — Deslocamento da agulha da bússola. Logo em seguida, a agulha volta a sua posição original, como na figura 7. Figura 7 — Retomno da agulha da bússola à posição original. Faraday concluiu que a deflexão da agulha da bússola ocorria devido à indução de uma tensão elétrica (mais propriamente, uma força eletromotriz) que causava o surgimento instantâneo de uma corrente na segunda bobina. Uma segunda experiência realizada por Faraday, foi inserir e retirar um imã dentro de uma bobina, cujos terminais estavam conectados a um galvanômetro. Ao fazer isso, percebeu que a agulha do galvanômetro se movia, como ilustra a figura 8. Figura 8 — Indução de tensão em bobina. Capítulo 1: Conceitos Básicos - 2 Unifei - Universidade Federal de Itajubá “ Grupo de Estudos em Manutenção /MiSÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações Com tais experimentos, Faraday verificou que, sempre que houver uma variação entre o fluxo magnético e um circuito elétrico, nele será induzido uma força eletromotriz (tensão induzida). Se ele estiver fechado, ocorrerá a circulação de corrente. Portanto, em linhas gerais, pode-se escrever a lei de Faraday como: “A força eletromotriz induzida em um circuito fechado é determinada pela taxa de variação do fluxo magnético que atravessa circuito”. Na última experiência descrita, verifica-se que quando o ímã se aproxima do circuito o galvanômetro deflete em um determinado sentido e quando ele se afasta, a deflexão ocorre no sentido contrário. Figura 9 — Deflexão do galvanômetro. O cientista russo Heinrich Friedrich Emil Lenz, em 1834, enunciou a chamada Lei de Lenz, que justifica o fenômeno, ou seja: “A força eletromotriz induzida produz uma corrente cria um campo magnético cujo sentido se opõe à variação do fluxo magnético original. 4.0 - FORÇA DE LORENTZ O holandês Hendrik Antoon Lorentz, prêmio Nobel de Física de 1902, verificou que "toda carga elétrica imersa num campo e dotada de velocidade, de direção não coincidente com a direção do campo, fica sujeita a uma força de origem eletromagnética”. Desta forma, se um condutor imerso em um campo com densidade (ou indução) magnética B e percorrido por uma corrente 1 fica submetido a uma força F de origem eletromagnética, cujo valor máximo é F=B.Il (1 Onde: 1 é o comprimento da parte do condutor imersa no campo. O sentido dessa força pode ser obtido pela conhecida regra da mão esquerda, onde o dedo indicador representa o campo, o dedo médio a corrente e o polegar a força de origem eletromagnética, como mostrado a figura 10. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Direção da corrente Figura 10 - Força agindo sobre um condutor. 5.0 - CONJUGADO OU TORQUE 5.1 — Conceito de Conjugado Quando se aplicam forças a um corpo, elas possuem a qualidade de realizarem trabalho, função dos deslocamentos que nele provocam. Assim, o trabalho de uma força é definido como o produto da intensidade da força pela extensão do deslocamento que ela determina no corpo, quando o deslocamento se dá na direção dessa força. Desta forma, pode-se definir torque ou conjugado como um momento de torção, ou seja, o esforço (ou trabalho) que se faz para movimentar algo em círculo, como uma porca no caso mostrado na figura 11. Torque Figura 11 — Conceito de torque. Note-se que o esforço (ou trabalho) efetuado para rosquear a porca é sempre o mesmo, mas se o cabo da chave for segurado em pontos diferentes, a força a ser aplicada muda, como ilustra a figura 12. 6 ma ; 1 Força à) Força de 20N 10N Figura 12 — Aplicação de torque em um parafuso. Capítulo 1: Conceitos Básicos - 3 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações No exemplo da figura 12, verifica-se que, para um mesmo esforço (torque) no rosqueamento, aplica-se uma força de 10 Newton (10 N) quando a distância entre o punho e o ponto de aplicação (ou seja, a porca) é de 2 metros. Entretanto, se o cabo for seguro a apenas 1 metro de distância, é necessário aplicar uma força de 20N. Desta forma, conclui-se que, quanto maior a distância do ponto de aplicação, menor será a força a ser aplicada para se obter o mesmo valor de torque. Portanto, pode-se afirmar que o torque (M) é o resultado da multiplicação do valor da força aplicada (F) pela distância (d) do ponto de aplicação, ou seja: M=Fxd 2) 5.2 - Conjugado Eletromagnético Se no lugar de apenas um condutor, inserir-se uma espira de cumprimento / percorrida por corrente 7 no interior do campo magnético com fluxo 4, ocorre a situação mostrada na figura 13. AT | xo x Figura 13 - Forças e conjugado em uma espira. Observando-se que surgem forças sobre ambos os lados da espira que, separadas por uma distância (ou passo da espira) d, desenvolvem um conjugado M (e movimento, consequentemente). Assim, considerando-se a expressão (2), o conjugado desenvolvido por uma espira com um condutor apenas é: M=B.Il.d 3) Como, 1. dé a área A da espira, tem-se: M=BA.I (49 Sabe-se, entretanto, que: B=64/4 (5) ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Então: M=4.1 O) Desta forma, pode-se concluir que o conjugado eletromagnético resulta da interação entre Juxo magnético e a corrente da parte que gira. 6.0 - POTÊNCIA MECÂNICA A energia se manifesta sob as mais variadas formas e, por isso, recebe diferentes nomes, tais como: luz (energia luminosa), som (energia sonora), calor (energia calorífica), movimento (energia cinética), entre outras. Observa-se que não é fácil definir o que é energia de maneira simples e precisa, porque ela é um conceito muito abstrato, que abrange fenômenos extremamente diferentes entre si. Intuitivamente, entretanto, pode-se pensar em energia como algo que se transforma continuamente e pode ser utilizado para realizar trabalho. Em qualquer processo, a energia nunca é criada ou destruída, apenas transformada de uma modalidade para outra ou outras. Por outro lado, a “rapidez” que um máquina ou sistema recebe ou fornece energia denomina-se potência. Assim, a potência pode ser definida como a relação entre a energia (E) fornecida (ou recebida) por uma máquina ou sistema em um determinado tempo (D, ou seja: p=— o Para que um corpo gire em uma volta em um movimento circular uniforme, tem-se que o tempo gasto é igual ao período, ou: t=T (8) A energia gasta (ou seja, o trabalho executado) para que o corpo dê uma volta completa é: E-=Fxd (9 Como a distância percorrida é igual ao comprimento da circunferência, tem-se: d=21R (0) Assim: E=Fx2nR (11) Capítulo 1: Conceitos Básicos - 4 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS CAPÍTULO 2: MOTORES ELÉTRICOS RESUMO Esse capítulo apresenta alguns dos aspectos comuns a todos os motores elétricos, bem como relaciona os seus tipos. 1.0- INTRODUÇÃO As máquinas elétricas atuando como motor apresentam sobre os demais tipos de acionadores (ou seja, fonte de energia mecânica para o acionamento) diversas vantagens, ou seja: a) São fabricados para qualquer potência; b) Sua velocidade pode ser controlada dentro de uma ampla faixa; c) Os componentes que fazem este controle, como, por exemplo, relés, contatores, chaves automáticas, inversores e etc., são todos padronizados; d) Permitem um elevado grau de automação dos processos industriais; e) Os controles podem ser feitos junto ao motor ou à distância; e, f) São de fácil manutenção e reposição. Em termos industriais, tais características tornam os motores elétricos o meio mais indicado para a transformação de energia elétrica em mecânica para acionamento das mais variadas cargas, tais como bombas, compressores, sistemas de elevação de peso e outras. Observa-se que existem vários tipos de motores, os quais, entretanto, possuem muitos aspectos comuns, como se analisa a seguir. 2.0- TIPOS DE MOTORES Existe uma ampla variedade de motores elétricos disponíveis comercialmente, os quais podem ser divididos em dois grupos, ou seja, os de corrente contínua e os de corrente alternada, sendo que estes ainda podem ser síncronos ou de indução (assíncronos). Os motores síncronos, por outro lado, são muito aplicados em acionamentos de máquinas que requerem grande potência ou naquelas aplicações em que a velocidade da máquina deve ser mantida constante em qualquer condição de carga. O fato de poderem funcionar superexcitados e, com isto, fornecer energia reativa para a instalação industrial para fins de melhoria do fator de potência, também recomenda sua aplicação em algumas situações. Os motores de indução, principalmente os trifásicos, são os mais utilizados industrialmente e, dentre eles, o de rotor em gaiola, cujo campo de aplicação se estende, praticamente, a todo tipo de acionamento. A sua robustez, baixo custo, simplicidade operacional e de manutenção, o tornam preferido para acionar máquinas de qualquer potência. Sua principal limitação, que residia no fato de ele ser um motor de velocidade praticamente constante, isto é não proporcionar condições de um eficiente controle de velocidade, está sendo hoje superada pelo uso extensivo de inversores estáticos de frequência para fazer este tipo de controle. Um segundo tipo de motor de indução trifásico, o de rotor bobinado ou de anéis, é utilizado em aplicações onde se deseja manter um elevado conjugado de aceleração, como, por exemplo, na operação de pontes rolantes. A figura 1 mostra um quadro sinóptico da aplicação dos motores de indução e síncronos, em função da potência (CV) e velocidade (rpm), onde se pode notar a supremacia absoluta dos motores de indução de qualquer potência para os motores de alta velocidade (2 e 4 pólos em 60 Hz.). 1000 800 cv 200 3600 1200 450 300 rpm Figura 1 - Quadro sinóptico de aplicação de motores de indução e síncronos. Capítulo 2: Motores Elétricos - 7 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações Os motores de corrente continua são empregados em aplicações industriais, nas quais se deseja um controle eficiente de velocidade, principalmente na área de siderurgia e papel. Além disto, são amplamente utilizados em tração elétrica, como, por exemplo, em locomotivas Diesel-elétricas ou totalmente elétricas, metrô, grandes caminhões fora- de-estrada e trolleybus e empilhadeiras. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Qualquer que seja o tipo, os motores de grande potência (acima de 1000 CV) e tensão elevada (acima de 2200 volts) são considerados especiais, isto é, eles só são fabricados sob encomenda e sua potência não é padronizada. A figura 2 apresenta os diversos tipos de motores hoje existentes comercialmente, incluindo os de pequeno porte. MOTORES ELETRICOS CORRENTE CORRENTE ALTERNADA CONTÍNUA o Imã permanente e Campo série « Campo derivação + Campo composto Motores Motores Monofásicos Trifásicos Indução Sincrono Indução Síncrono * Rotor em » Histerese e Rotor em - Imã per- gaiola + Imã per- gaiola manente - Rotor manente * Rotor e Rotor bobinado e Relutância tobinado bobinado » Relutânci Figura 2 —“Famílias” de motores. 3.0 - CARACTERÍSTICA NOMINAL A caracteristica nominal é um conjunto de valores nominais atribuídos às grandezas que definem o funcionamento de um motor, em condições especificadas por norma e que servem de base à garantia de fabricantes e aos ensaios. Deve-se enfatizar que nem sempre tais grandezas definem os limites operacionais da máquina. Normalmente, tais grandezas são fornecidas pelo fabricante em folhas de dados ("data sheets") quando solicitado pelo usuário além disto, constam da placa de identificação dos motores ou em catálogos. Capítulo 2: Motores Elétricos - 8 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações 4.0 - POTÊNCIA Qualquer que seja o tipo de motor, o termo potência se refere àquela disponível em seu eixo. Portanto a potência de um motor é a sua potência mecânica. A unidade de potência no SI é o Watt, podendo, naturalmente, ser empregados os seus múltiplos e submúltiplos. Observa-se, entretanto, que existem outras unidades amplamente utilizadas no meio industrial, tais como o HP (horse power) e o CV (cavalo vapor). As relações aproximadas entre essas unidades são: 1HPS746W e ICVS736W Por outro lado, a potência elétrica deve ser aquela que permita a execução de trabalho e que supra as perdas do processo de conversão de energia elétrica para mecânica (o que produz calor). Desta forma, esta é uma potência elétrica ativa (P.i) e se relaciona com a mecânica (P) através do rendimento, ou seja: n=— q De qualquer modo, a potência nominal pode ser definida como aquela que o motor pode entregar em seu eixo, permanentemente, nas condições nominais, sem que a temperatura dos enrolamentos ultrapasse os limites admissíveis pela sua classe de isolamento, como analisado mais a frente. Observe-se que esta definição indica claramente que a potência disponível em um motor é limitada pelo aquecimento. Assim, nem sempre a potência nominal é o limite que se pode extrair de um motor em condições específicas. 5.0 - CONJUGADO OU TORQUE Como se sabe, o conjugado (ou torque) pode ser definido como o esforço necessário para acionar uma carga em movimento circular. Por outro lado, como: P=2Mn=1,05Mn o 60 O torque pode ser calculado por: G) Nestas condições, se a carga absorve a potência nominal (Pw) à sua velocidade nominal (ny), diz-se que o motor desenvolve o seu torque nominal (My. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Por outro lado, como visto no capítulo anterior, na ação motora, potência elétrica absorvida da rede, convertida em potência mecânica através dos fenômenos eletromagnéticos e transmitida no eixo da máquina, como ilustra a figura 3. Potência elétrica (Pel) Potência mecânica (P) Ef Motor Carga Figura 3 — Ação motora. Considerando-se o sistema ilustrado na figura 3, verifica-se que a velocidade é a mesma, tanto para o motor quanto para a carga, pois seus eixos estão diretamente acoplados. Além disto, sabe-se que: P-P, (1 Onde: P. é a potência mecânica solicitada pela máquina mecânica, a qual se constituí em uma carga para o motor elétrico. Utilizando-se da expressão (2) em (4), resulta: M=M. 6) Onde: M é otorque desenvolvido pelo motor; e, M. é o torque necessário para a carga (máquina mecânica) efetuar seu trabalho. Assim, pelo exposto, conclui-se que o torque ou conjugado pode ser: a) Motor (M), o qual corresponde ao trabalho (ou esforço) efetuado pelo motor elétrico; e, b) Resistente(M), o qual corresponde ao trabalho (ou esforço) efetuado pela carga, ou seja, aquele que a carga apresenta ao motor elétrico. Ressalta-se que a análise da expressão (5) revela um conceito de grande importância, ou seja, o motor sempre fornece o torque solicitado pela carga (se não conseguir, o eixo irá travar). Portanto, a carga é quem determina a atuação do motor. A figura 4 ilustra a transmissão de potência e respectivos torques. Capítulo 2: Motores Elétricos - 9 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações Digito | Descrição Sumária Proteção Dada Nenhuma proteção especial 0 Não protegido Invólucro aberto. Gotas de água caindo da vertical não prejudicam o equipamento (condensação). Protegido contra queda vertical. Protegido contra Gotas de água não tem efeito queda de água com | prejudicial para inclinações de inclinação de 15º. até 15º com a vertical. o Água aspergida de 60º com à Protegido contra água vertical não tem efeitos aspergida prejudiciais, Protegido contra Água projetada de qualquer 4 rojeções de água. direção não tem efeito projeções de águ prejudicial. Protegido contra jatos Agua projetada por bico em 5 é qualquer direção não tem efeitos de água prejudiciais, Protegido contra Água em forma de onda, ou 6 “jatos potentes não tem efeitos ondas do mar prejudiciais, 7 Protegido contra os | Sob certas condições de tempo e efeitos de imersão. pressão. 8 Protegido contra Adequado à submersão continua submersão. sob condições especificas. Tabela 3 — Grau de Proteção - Segundo Dígito. As normas mencionam ainda que, caso haja alguma condição particular na indústria onde o invólucro vai ser instalado e que necessite de proteção especial (que não seja nem poeira nem água), o usuário ao especificar o grau de proteção deve incluir antes dos dois numerais, a letra “W” que indica haver alguma proteção adicional e cujas medidas de proteção são fruto do acordo entre fabricante e usuário. Por exemplo, em locais de atmosfera extremamente salina, é comum especificar-se grau de proteção IPW54. Sendo esse “W” referente à proteção que deve ter o invólucro contra a corrosão causada por atmosfera salina. Note-se que, apesar de que os algarismos indicativos de grau de proteção possam ser combinados de muitas maneiras, apenas alguns deles são empregados nos casos normais, ou seja, IP21, IP22, IP23, IP44 e IP55. Os três primeiros são motores abertos e os dois últimos são motores blindados. Para aplicações especiais mais rigorosas, são comuns também os graus de proteção IPW5S5 (proteção contra intempéries), IP56 (proteção contra água de vagalhões) e IP65 (totalmente protegido contra poeiras). Outros graus de proteção para motores são raramente fabricados, mesmo porque, qualquer grau de proteção atende plenamente aos requisitos dos inferiores (algarismos menores). Assim, por exemplo, um motor IP55S substitui com vantagens os motores IP12, IP22 ou IP23, apresentando maior segurança contra exposição acidental à poeiras e água. Isto ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS permite a padronização da produção em um único tipo que atenda a todos os casos. 8.2 - Utilização de Motores em Áreas Perigosas Áreas onde a presença, certa ou provável, contínua ou intermitente, de substâncias que podem levar a uma explosão ou incêndio, é uma das situações mais relevantes para o a instalação de um motor elétrico. Estas áreas são ditas como classificadas. A norma brasileira que trata dos equipamentos utilizáveis em áreas classificadas é a NBR 5418, abrangendo áreas de divisão 1 e 2. A NBR 5363 trata especificamente de equipamentos à prova de explosão ea NB 169, dos invólucros com sobrepressão interna. A simbologia para equipamentos que sejam adequados para a aplicação em áreas classificadas é composta pela sigla Ex, seguida de uma letra minúscula, com significado particular para cada tipo considerado. Desta forma, tem-se: Ex d: Motor à Prova de Explosão (à prova de chama) É todo equipamento que está encerrado em um invólucro capaz de suportar a pressão de explosão intema e não permitir que esta explosão se propague para o meio ambiente. Cuidados devem ser tomados para manter a temperatura em qualquer ponto baixo da temperatura limite do grupo da área onde será instalado o motor; Ex p: Motor com Ventilação Canalizada (pressurizado) Esta técnica consiste em manter presente, no interior do invólucro uma pressão positiva superior à pressão atmosférica, de modo que se houver presença de mistura inflamável ao redor do equipamento esta não entre em contato com partes que possam causar uma ignição; Ex: Equipamento Elétrico Imerso em óleo Aparelhagem elétrica na qual todas as partes onde fenômenos deflagrantes possam ocorrer estão imersas em óleo e a uma profundidade tal que superficie desde que não seja possível a ignição de um atmosfera explosiva. Não é aplicável a motores, mas sim a capacitores, transformadores e disjuntores. Ex q: Equipamentos Imersos em Areia Tipo de proteção aplicável a equipamentos tendo tensão nominal não superior a 6,6 kV bem como não tendo nenhuma parte móvel que esteja em contato direto com a areia. O invólucro do equipamento elétrico é preenchido com um material de granulometria adequada de modo que em Capítulo 2: Motores Elétricos - 12 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações condições de serviço, não haverá nenhum arco que seja capaz de inflamar a atmosfera ao redor do mesmo. Ex e: Motores Elétricos com Segurança Aumentada É um tipo de proteção aplicável à equipamentos elétricos que por sua própria natureza não produz arcos, centelhas ou alta temperatura em condições normais de operação. Ex i: Equipamentos e Dispositivos de Segurança Intrinseca Um circuito ou parte dele é intrinsecamente seguro quando o mesmo, sob condições de ensaio prescritas, não é capaz de liberar energia elétrica (faísca) ou térmica suficiente para, em condições normais (isto é, abrindo ou fechando o circuito) ou anormais, (por exemplo, curto-circuito ou falta à ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS terra), causar a ignição de uma dada atmosfera explosiva. Exx: Proteção Aumentada Quando nenhuma classificação é integralmente aplicável, por exemplo, para um motor com carcaça “Ex e”, porém com caixa de ligação “Ex d”, o conjunto é classificado como “Ex s”; Exn: Equipamento Elétrico Não Acendível Este tipo de proteção é aplicável a equipamentos elétricos que em condições normais de operação não são capazes de provocar uma ignição de uma atmosfera explosiva de gás, bem como não é provável que ocorra algum defeito que seja capaz de causar a inflamação dessa atmosfera. Capítulo 2: Motores Elétricos - 13 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS CAPÍTULO 3: MOTORES DE INDUÇÃO TRIFASICOS RESUMO Este capítulo apresenta o princípio de funcionamento dos motores de indução trifásicos. 1.0- INTRODUÇÃO Os motores de indução trifásicos (MIT) são amplamente utilizados nas mais variadas aplicações em instalações industriais e comerciais. Eles são adequados para uso em cargas que exigem velocidades constantes ou variáveis (em alguns casos), ou ainda, com as que exigem reversões e várias velocidades. Existem muitos tipos disponíveis, os quais cobrem uma larga faixa de características de conjugado e podem ser projetados para operar em muitos tipos de fontes de alimentações com diferentes combinações e valores de número de fases, frequências e tensões. Além disto, são de construções simples, robusta e exigem manutenção reduzida. Com o barateamento dos semicondutores de potência estes motores tornaram-se uma importante opção aos de corrente contínua em acionamentos com velocidades controlados. As suas principais vantagens, neste caso, entre outras, são: a) menor custo; b) manutenção mais simples e menos frequente; c) menor relação peso/potência: d) potências maiores: e) mais simples de proteger-se em ambientes com risco de explosão; f) inexistência de comutador; e, g) permitem velocidades tangenciais e potências limites superiores ao de corrente contínua. 2.0 - NATUREZA E FORMAÇÃO DOS CAMPOS GIRANTES Para analisar o princípio de funcionamento dos motores de indução trifásicos é necessário compreender como é produzido o campo magnético, o qual permitirá a conversão de energia elétrica em mecânica. Desta forma, lembrando-se que, se a um solenóide como o da figura 1, for aplicada uma tensão alternada senoidal, irá circular por sua bobina uma corrente igualmente senoidal. Figura 1 — Solenóide. Por outro lado, sabe-se, pela lei de Ampére, que a circulação de corrente por um enrolamento produz uma força magnetomotriz, cuja amplitude depende do número de espiras e da intensidade da corrente que o causou. Como a corrente é senoidal, o fluxo também o será e, portanto, para cada valor de corrente corresponderá um determinado fluxo. Adotando-se, a título de exemplo, que no semiciclo positivo de corrente, o fluxo estará no sentido da bobina e no negativo, no sentido contrário, tem-se a situação ilustrada na figura 2. I I a Solenóide t Tó ó Semiciclo Semiciclo positivo negativo Figura 2 — Notação adotada. Se, entretanto, utilizam-se três solenóides idênticos, é possível dispô-los espacialmente a 120º uns dos outros, como mostrado na figura 3. Capítulo 3: Motores de Indução Trifásicos - 14 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações Analisando-se os mesmos instantes mostrados na figura 7 ilustra o exposto, o campo apresenta o comportamento da figura 11. LIA Fluxos individuais NS Resultantes PRO Fluxos individuais 4 Resultantes t t t 4 5 6 Figura 11 — Fluxos resultantes com a inversão de duas fases do alimentador. A análise da figura 11 revela que, neste caso, também há a formação de um campo girante, porém com sentido contrário ao inicial, como ilustrado na figura 12. Figura 12 — Campo girante após a inversão de duas fases do alimentador. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Portanto, o campo gira no sentido contrário ao inicial quando se inverte duas das fases que alimentam as bobinas. Figura 13 — Modelo do campo girante com a inversão de duas fases do alimentador. 4.0 - VELOCIDADE SÍNCRONA Chama-se de velocidade síncrona (ns) à velocidade de rotação do campo giramte, a qual é diretamente proporcional à frequência da rede (f) a qual o motor está ligado e, inversamente, ao número de pares de pólos (p), seguindo a seguinte relação: 607 p (1) Considerando-se (1), as velocidades síncronas mais comuns são aquelas dadas na tabela 1. Número de n, emrpm n, em rpm pares de pólos (f=60 Hz) (£=50 Hz) 1 3600 3000 2 1800 1500 3 1200 1000 4 900 750 Tabela 1 - Velocidade síncrona em rpm. 5.0 - ROTAÇÃO E CAMPO GIRANTE De modo a facilitar a compreensão do princípio de funcionamento dos motores, considere-se a inserção de uma gaiola de cobre entre os solenóides da figura 3, resultando na montagem mostrada na figura 14. Capítulo 3: Motores de Indução Trifásicos - 17 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações Figura 14 — Solenóides e gaiola de cobre. Como visto, ao se fazer circular três correntes alternadas de mesma amplitude, porém defasadas de 120º pelas bobinas desses solenóides, se origina um campo girante. Neste caso, o campo girante ao cruzar as barras da gaiola, pela lei de Faraday, induz tensões. Note-se que a gaiola é um circuito fechado, e, em sendo assim, haverá a circulação de corrente em cada uma de suas barra. Por outro lado, sabe-se, pela lei de Ampére, que cada uma dessas correntes criam um pequeno campo em torno de si. Desta forma, como existem várias barras, os seus campos se compõem e se obtêm um campo resultante (total). Sendo assim, o pólo norte do campo girante atraí o pólo sul do campo resultante da gaiola, enquanto o sul do primeiro o norte do segundo. Como o campo está girando, a gaiola acompanha seu movimento. A figura 15 ilustra o exposto. Giro da gaiola n Campo resultante na gaiola V Campo girante Figura 15 — Campos e gaiola. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Desta forma, esse sistema pode ser imaginado como ilustrado na figura 16. Ns Y Ra irante = Gaiola A Figura 16 — Modelo do campo girante e gaiola. Observe-se que, necessariamente, a velocidade de rotação da gaiola (n) é menor que a do campo girante (15). Se tal situação não ocorrer, não há indução de tensões e correntes nas barras da gaiola e, em consequência, não há um campo resultante, não sendo possível a ela acompanhar o campo girante. 6.0 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO O motor de indução trifásico possui o mesmo principio de funcionamento explanado no item anterior e, para tanto, apresenta duas partes básicas, ou seja, o estator e o rotor. O estator é a parte fixa mais externa da máquina, enquanto o rotor é a girante. O estator possui três conjuntos de bobinas que permitem a criação do campo girante e a existência de um ou mais pares de pólos, o que define a velocidade síncrona. Figura 17 — Estator de um MIT. Capítulo 3: Motores de Indução Trifásicos - 18 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações O rotor, por outro lado, possui uma gaiola (ou enrolamentos, dependendo do tipo) que permite a circulação de corrente e um núcleo de chapas magnéticas, o qual pode ser imantado. Figura 18 — Rotores de um MIT. A figura 19 é uma representação esquemática do rotor e campo girante, a qual permite verificar as semelhanças com o exposto no item anterior. a Campo girante Campo fesultante na gaiola do rotor Figura 19 - Princípio de funcionamento do motor de indução trifásico. Portanto, como o campo criado nas bobinas do estator está girando, o rotor acompanha seu movimento devido à indução de correntes nas barras e o surgimento de um campo resultante correspondente. Observe-se que tal princípio de funcionamento, aliás, é o motivo para que esse tipo de máquina receba o nome de motor de indução. 7.0- ESCORREGAMENTO Como citado, a velocidade de rotação do rotor (n) é menor que a do campo girmte (n,), necessariamente. Esse, inclusive, é o motivo que o motor de indução também é chamado de motor assincrono. A diferença dessas velocidades em relação à velocidade síncrona é denominada escorregamento ou deslizamento, ou seja: ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS 2) Observe que, em função desta definição, no momento da partida do motor, a velocidade do rotor é nula, então: s=1. Por outro lado, quando o motor opera com rotor livre (sem carga), a sua velocidade tende à velocidade síncrona (porém, sempre menor). Assim: s=>0. Em função do exposto, tem-se: 1 (partida) >s > 0 (rotor livre) 8.0 - FREQUÊNCIA DAS GRANDEZAS DO ROTOR A frequência da rede de alimentação (f) e a velocidade síncrona (ns), como se sabe, se relacionam pelo número de pares de pólos (7), ou seja: = Ph, fc 8) Porém, quando o rotor está em movimento, as tensões e correntes serão induzidas devido à diferença de velocidade entre o campo girante e a do próprio rotor, ou seja: ns-n Desta forma, para p pares de pólos, a frequência das grandezas induzidas no rotor é: -P(as-n) 60 (4 Dividindo-se (4) por (3), tem-se: Bem, o fon Ou seja: h=sf (6 Da expressão (6) verifica-se que a frequência da tensão induzida no rotor é igual ao produto entre o escorregamento e a frequência da tensão do estator. Portanto, tem-se: S(partida) >f>0 (rotor livre) Capítulo 3: Motores de Indução Trifásicos - 19 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações 2.0 - PARTES COMPONENTES DO ESTATOR O estator em motores de indução trifásicos é constituído, basicamente, por carcaça, parte ativa (ou seja, núcleo magnético e enrolamentos) e caixa de terminais, como ilustrado na figura 3. Na sequência analise-se cada um destes componentes com maiores detalhes. Enrolamentos do estator Caixa de Olhal ligações no Carcaça Nm Base A Figura 3 — Estator de um MIT. Núcleo 2.1 - Carcaça A carcaça é a estrutura que suporta os demais componentes do estator e compõe o circuito magnético. Contêm a base, o que permite uma fixação rígida, evitando deslocamentos do motor em operação. O material da carcaça é normalmente o ferro ou o aço fundido (máquinas antigas) ou, então, o aço laminado (máquinas modernas). O aço laminado, entretanto, oferece melhores qualidades magnéticas do que o ferro e o aço fundido resultando em menores perdas no circuito magnético, resistência mecânica e uniformidade da estrutura. Figura 4 — Carcaça de um MIT — Exemplo. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS 2.2 — Parte Ativa A pate ativa do estator é composta por núcleo magnético e enrolamentos. É importante ressaltar a sua importância, pois o processo de conversão de energia elétrica em mecânica depende basicamente de seu estado. Enrolamentos Núcleo Figura 5 — Parte ativa. O miícleo do estator propicia um caminho adequado para a circulação do fluxo magnético, sendo constituído de chapas de material com boas características magnéticas e pequena espessura, de modo a diminuir as inevitáveis perdas por histerese e Foucault. As chapas possuem várias ranhuras para acomodar os enrolamentos. Ranhuras Figura 6 — Exemplo de chapa do núcleo e ranhuras. Os emrolamentos são três conjuntos de bobinas geometricamente defasadas entre si de 120º, que podem estar conectados em delta ou estrela, permitindo a condução de corrente. Os condutores das bobinas são recobertos com vemizes isolantes, enquanto todo o conjunto é, geralmente, isolado do núcleo com papel isolante. A figura 7 ilustra o exposto. Capítulo 4: Aspectos Construtivos dos Motores de Indução Trifásicos - 22 Unifei - Universidade Federal de Itajubá É Cenei Grupo de Estudos em Manutenção Eletro-Eletrônica e Instalações Figura 7 — Ranhuras do núcleo para alojamento dos enrolamentos. Uma parte dos enrolamentos fica externa ao núcleo, compondo a chamada cabeça de bobina, exemplificada na figura 8. Passo (8 ranhuras) Cabeça de ES UU] MN Z7 y W Conexão entre Núcleo bobinas Cabeça de bobina of Figura 8 — Cabeça de bobina. Observe-se na figura 8 que os enrolamentos são recobertos por uma resina isolante. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS 2.3 — Caixa de Terminais A caixa de terminais é composta por uma placa de bornes de material isolante e parafusos, sendo colocada na carcaça dos motores para facilitar a instalação dos condutores conectados à rede elétrica. Placa de bornes Figura 10 — Caixa de terminais. 2.4 — Ligações dos Enrolamentos A grande maioria dos motores é fornecida com terminais dos enrolamentos que possibilitam a sua religação em, pelo menos, duas tensões diferentes. Para tanto, estão disponíveis em 3, 6, 9 ou 12 terminais ou pontas externas, conforme a necessidade da planta industrial. 2.4.1 — Tipos de ligações Os principais tipos de ligações, ou religações, de motores de indução trifásicos para operação em mais de uma tensão são: a) ligação estrela-triângulo; b) ligação série-paralela, c) tripla tensão nominal. A ligação estrela-triângulo exige 6 terminais no motor e é aplicável para quaisquer tensões nominais Capítulo 4: Aspectos Construtivos dos Motores de Indução Trifásicos - 23 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações duplas, desde que a segunda seja igual à primeira multiplicada por 3. Nesta situação, se as três fases forem ligadas em triângulo, em cada uma delas será aplicada a tensão da linha como, por exemplo, 220 V. Se, entretanto, o motor for ligado em estrela, pode-se aplicar uma tensão de linha igual a 3a inicial, ou 220x 3=380 Vno exemplo, sem alterar a tensão no enrolamento que continua igual a inicial por fase. Este tipo de ligação é bastante utilizado para partir o motor, ligando-o inicialmente em estrela e, após a aceleração, religando-o em triângulo. 380 V R 1 s Figura 10 — Ligação delta - estrela (6 terminais). Na ligação série-paralela, o enrolamento de cada fase é dividido em duas partes. Ligando-se tais partes em série, cada uma delas ficará submetida à metade da tensão de fase nominal do motor. Por outro lado, ligando-se as duas metades em paralelo, o motor poderá ser alimentado com uma tensão igual à metade da anterior, sem que se altere a aplicada em cada bobina. Este tipo de ligação exige 9 terminais no motor e a tensão nominal (dupla) mais comum é 220/440V, ou seja, o motor pode operar na ligação paralela quando alimentado com 220V e na ligação série quando alimentado em 440V. As figuras 11 e 12 ilustram o exposto para as conexões estrela e delta, respectivamente. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Figura 11 — Ligações série-paralela em estrela (9 terminais). T 220V Figura 12 — Ligações série-paralela em delta (9 terminais). Capítulo 4: Aspectos Construtivos dos Motores de Indução Trifásicos - 24 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações soldada em anéis coletores, de modo que, por meio de escovas fixas na carcaça, pode-se ter acesso ao circuito elétrico do rotor. Desta forma, pode-se inserir resistências externas em série com o rotor, o que possibilita o controle da velocidade do motor. Bobinas Figura 19 — Rotor bobinado. Figura 21 — Escovas e anéis coletores. 3.3 - Eixo O eixo é o elemento mecânico responsável pela sustentação da parte ativa do rotor e também é através dele que se toma possível acoplar o motor à carga a ser acionada. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS 4.0 - OUTROS COMPONENTES Existem muitos outros componentes, sendo os principais analisados a seguir. 4.1 - Mancais Os mancais são elementos mecânicos destinados à fixação do eixo às partes da máquina. Deve-se evitar que ocorra um desgaste excessivo nos mancais, o que pode levar o rotor a tocar as partes fixas na máquina com a consequente destruição da mesma. Além de evitar este problema, o mancal deve ser preciso o bastante para garantir um entreferro uniforme. Em máquinas de pequeno porte, os mancais são de rolamento de esferas ou rolos cilíndricos, lubrificados a graxa ou óleo. Os mancais de rolamentos são utilizados em larga escala São facilmente disponíveis e intemnacionalmente padronizados. A figura 22 apresenta um exemplo para um motor em corte. Figura 22 — Mancal de rolamento — Exemplo. Para níveis de carga ou rotação elevadas e presença de grande força de impacto, entretanto, empregam-se os mancais de deslizamento (buchas radiais). Figura 23 — Mancal de bucha. Capítulo 4: Aspectos Construtivos dos Motores de Indução Trifásicos - 27 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações 4.2 — Sistema de Arrefecimento Como visto anteriormente, a vida útil do motor depende da temperatura, a qual não deve superar os limites estabelecidos para a classe de isolamento. Assim, é necessário empregar-se algum método para o arrefecimento. Para tanto, os motores de indução podem utilizar ventilação interna, externa, trocadores de calor e, ainda, ventilação independente. Para a denominada ventilação interna emprega-se um ventilador (ou ventoinha) fixo ao eixo do motor, junto ao núcleo do rotor. Nessa situação, as pás da ventoinha expulsam o ar quente de dentro do motor e fazendo com que o ar frio penetre em seu interior. Ventoinhas Figura 24 — Ventilação interna. Na ventilação externa, o ventilador é fixado ao eixo do motor, externamente à parte ativa do estator. Desta forma, o rotor, ao girar, provoca o deslocamento de ar quente através das aletas da carcaça, aumentando a área de dissipação. Tampa Ventilador Figura 25 — Ventilação externa. Observe-se que em ambos os sistemas apresentados, sempre que houver uma diminuição da ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS rotação, ocorrerá a queda do fluxo de ar refrigerante. De forma a evitar situações como esta, pode-se empregar ventilação independente, como ilustrado na figura 26. Ventilador 7 independente Figura 26 — Ventilação independente. Por outro lado, muitas vezes é necessário utilizar trocadores de calor (radiadores) para que haja uma dissipação de calor eficiente em grandes motores. Trocador de calor x Figura 27 — Motor de grande porte com trocador de calor. Observe-se que existem motores totalmente blindados, os quais não possibilitam a utilização dos sistemas de arrefecimento descritos. Nesses casos, os motores possuem dimensões maiores que os equivalentes de mesma potência e velocidade. É necessário que haja mais massa para armazenar calor e maior superfície para a troca de calor, de modo que a temperatura não se eleve além do desejável. Capítulo 4: Aspectos Construtivos dos Motores de Indução Trifásicos - 28 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações 4.3 Escovas e Porta-escovas Esses componentes apenas são necessários nos motores de anéis. As escovas são as partes que fazem o contato elétrico entre o rotor e o circuito externo à máquina. O material empregado em sua composição deve ser, além de condutor, macio o suficiente para não desgastar precocemente o anel coletor. Assim, normalmente são fabricadas de carbono, contendo carbono amorfo, carbono grafítico e pó metálico. Misturando-se estas substâncias de formas diferentes têm-se os diversos tipos de composição de escovas. Os porta-escovas são utilizados para manter as escovas na posição adequada e com uma determinada pressão sobre o comutador. São muitas e variadas as formas dos porta-escovas, mas fundamentalmente elas possuem uma caixa de guia onde desliza a escova e uma mola que a pressiona contra o anel coletor. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Porta-escovas Figura 28 — Exemplo de escovas e porta-escovas em MIT com rotor bobinado. Capítulo 4: Aspectos Construtivos dos Motores de Indução Trifásicos - 29 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações —>—— 1H —— 1 s sºs Figura 2 - Característica M = f (n) — Exemplo. Verifica-se na figura 2 que há muitos outros valores de interesse para o conjugado na operação do motor além do nominal, ou seja: M,- Conjugado de partida do motor alimentado com tensão e frequência nominal, Mk:- Conjugado máximo, o qual é o maior conjugado desenvolvido com tensão nominal sem uma mudança abrupta da velocidade Além disto, observa-se que o motor de indução apresenta torque nulo na velocidade síncrona, pois, nesta condição, como se sabe, não há indução de correntes no rotor. A curva ainda permite concluir que, à medida que se aumenta a carga no eixo do motor, a partir da condição de rotor livre, a sua rotação diminui de um valor próximo da síncrona (n,) até o ponto correspondente ao torque máximo (n5). Se houver qualquer acréscimo de carga além desse ponto, a tendência é que a rotação caia bruscamente, podendo em algumas situações travar o rotor. Em função do exposto, tem-se que a região de operação estável do motor é a compreendida entre ny e nç. M Região de — — operação > Figura 3 — Região de operação estável do MIT. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS O ponto de operação em regime permanente, portanto, deve estar na região citada. Como um motor em operação sempre fomece o torque solicitado pela carga, tal ponto corresponde àquele em que as curvas de conjugado de ambos coincidem. Nas figuras 4 a 6, a título de esclarecimento, apresentam-se os pontos de operação quando o motor aciona uma carga com conjugado constante igual (como, por exemplo, o levantamento de peso em uma ponte rolante), menor e maior que o nominal respectivamente. AM Conjugado motor M Ponto de E operação Me My Conjugado da n carga op Figura 4 - Carga com conjugado constante e igual ao nominal do motor. AM Conjugado motor M, Ponto de operação Mt -———— 0. M > O | conjugado da om E carga op Figura 5 - Carga com conjugado constante, menor que o nominal do motor. AM Conjugado motor Ponto de M operação p M My O | conjugado da A a n carga op IN Figura 6 - Carga com conjugado constante, maior que o nominal do motor. Capítulo 5: Características dos Motores de Indução Trifúsicos - 32 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações A velocidade do ponto de operação (np nas figuras 4, 5 e 6) pode ser obtida a partir do escorregamento pela expressão (2). 3.5 - Perdas A conversão de energia elétrica em mecânica é acompanhada de inevitáveis perdas na forma de energia térmica, o que, em consequência, resulta em aquecimento de suas partes componentes. Nos motores de indução trifásicos, as perdas podem ser classificadas em: a) Perdas por efeito Joule nos enrolamentos do estator; b) Perdas por efeito Joule nos enrolamentos dorotor; c) Perdas no núcleo (histerese e Foucault); d) Perdas por atrito e ventilação; e, e) Perdas adicionais. A soma dessas perdas são as perdas totais Per) 3.6- Potências Elétricas O alimentador deve fornecer para um motor em operação, tanto a potência necessária para suprir as perdas, quanto àquela que fornecerá no eixo. Como o valor absorvido será transformado em calor ou trabalho, esta potência é chamada de ativa (Ped). Por outro lado, para se criar o campo girante, é necessário também a absorção de potência, a qual é denominada reativa (O). A potência elétrica total ou aparente (S) absorvida junto ao alimentador, portanto, é composta por essas duas parcelas, ou seja: Sy=4Pe? +0? (9 Nas condições nominais, tem-se: Su =NPel+O, (10) 3.7 - Fator de Potência O fator de potência (cos P) indica o quanto de potência ativa o motor absorve em uma determinada condição relativamente à potência total, ou seja: cos P = g (11) Nas condições nominais, portanto: cos Py= s (12) N ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS 3.8 - Rendimento O rendimento (n) de um motor indica o quanto de potência mecânica que o motor disponibiliza no eixo relativamente à potência elétrica ativa absorvida junto ao alimentador, ou seja: -P 8 TP, (13) Como: P,=P+Pe, (4) Tem-se: as) Se as condições de operação do motor forem as nominais, o rendimento é: Py Ny= (16) Ea E as perdas totais nas condições nominais (Pery) são: Pem=(7—-DAy a7 3.9 — Corrente do Estator O termo corrente (1) refere-se ao valor eficaz daquela absorvida pelo estator para uma determinada situação operacional do motor e pode ser calculada por: P I=->——— N3U ncos q (8) A corrente nominal (In), por outro lado, é aquela absorvida pelo estator junto ao alimentador quando o motor opera com potência, tensão e frequência nominais. Ela pode ser calculada através de: P, N Iv= ED — 19) ” V3Uy Ny Cos &y (9) Capítulo 5: Características dos Motores de Indução Trifúsicos - 33 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações Observe-se que, quando o motor gira sem carga, a corrente absorvida junto à rede é a de rotor livre (Io), também conhecida por corrente em vazio. Embora este último termo seja mais apropriado para corrente absorvida quando o circuito do rotor estivesse aberto, eles são amplamente utilizados como sinônimos, talvez por analogia com os transformadores. Normalmente, os seus valores se situam entre 20 e 40% da corrente nominal. Exercício de fixação Considere-se um motor de indução trifásico com as seguintes características nominais: Py=3 CV; Uy=220 V; ny= 1747 1pm; Ju=60 Hz; Ny =0.82; cos Py= 0,76. Calcular: a) Corrente nominal; b) Torque nominal; c) Rotação síncrona; d) Pares de pólos; e) Escorregamento nominal, e, f) Perdas totais nas condições nominais. Solução: a) Cálculo da corrente nominal: Para calcular a corrente nominal emprega-se a expressão (19) e, assim: 1 — Py ”Y 3Uy Ny Cos Py 3x 736 Iv= 3 x220x0,82x 0,76 1, =93A b) Cálculo do torque nominal: Para calcular o torque nominal emprega- sea expressão (8) e, assim: Py My=9,55 — Ny M.=955 3x 736 vo 1747 Mw= 12 Nm c) Cálculo da rotação síncrona: Como a rotação nominal é de 1747 rpm e frequência de 60 Hz, o valor maior mais próximo de velocidade síncrona é 1800 rpm. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS d) Cálculo do número de pares de pólos: Sendo a velocidade síncrona é de 1800 rpm e a frequência nominal de 60 Hz, calcula-se o número de pares de pólos pela expressão (4), ou seja: 607 6060. Pas 1800 e) Cálculo do escorregamento nominal: Para calcular o escorregamento nominal emprega-se a expressão (5) e, assim: Ag -Ay Exa Ss “1800-1747 “x 1800 sw = 0,0294 4 Cálculo das perdas totais nas condições nominais. Para calcular a perdas totais nas condições nominais emprega-se a expressão (17) e, assim: N 1 Pe (DP, N 1 —o -1)x3x 736 Pena Pery =486 W=0,486kW 3.10 - Fator de Serviço Chama-se fator de serviço (FS) ao multiplicador que, aplicado à potência nominal, indica a carga permissível que pode ser aplicada continuamente ao motor. Note-se que se trata de uma sobrecarga contínua, ou seja, de uma reserva de potência que dá ao motor uma capacidade de suportar o funcionamento em condições desfavoráveis. O fator de serviço não deve ser confundido com a capacidade instantânea de sobrecarga. Em outras palavras, um motor com FS = 1,0 significa que o motor não foi projetado para trabalhar continuamente com potências acima da nominal, mas, deve suportar a sobrecarga de 60% em 15 s, por exemplo. Geralmente fatores de serviço são especificados: Capítulo 5: Características dos Motores de Indução Trifúsicos - 34 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção MIsl — Eletro-Eletrônica e Instalações Exercício de fixação Calcular o fator de desbalanço, se as tensões de linha medidas no alimentador de um motor de indução trifásico são 242, 198 e 222 V. Solução: Considerando: Us 242V,U,c-198V, eUu22V Tem-se: Va tUgctUa U neto = 3 ou: — 242 +198+ 222 U medo = 3 =220,6V Por outro lado: Ui Uso = 24-198=4V Ui Uc-24-2202=0V e Ve Ugo = 02 -198=24V Portanto: Vas=Usas Une =44V Assim: U, 44 fd Yo = 100 = ———100 Dão CT 0,6 fA%=19,94% O valor resultante, neste exemplo, é inadmissível, sendo praticamente certa a “queima” de motores submetidos a estas tensões. 6.0- FALTA DE FASE A falta de uma fase pode ocorrer, por exemplo, devido à queima de um fusível do alimentador de um motor. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Para um motor em operação conectado em delta, a falta de uma fase do alimentador resultará na circulação de correntes com valores de 2 a 2,5 vezes na bobina ligada às fases sãs, como ilustra a figura 9. À — Fase Interrompida Figura 9 — Correntes que circulam nos enrolamentos devido à abertura de fase — motor ligado em delta. Observa-se que, se o motor estiver com uma carga razoável, irá parar (ou ter sua velocidade reduzida de forma drástica e, em consegiência diminuindo a ventilação) e a corrente atingirá 3 a 5 vezes a nominal, podendo causar a queima da bobina da fase sã devido ao sobreaquecimento. No caso da conexão estrela, se houver a queima, ela afetará duas fases, pois essas duas ficarão conectadas em série, conduzindo uma corrente cerca de 1,73 vezes a inicial, como ilustra a figura 10. A Usa Us B Usc c Fase Interrompida Figura 10 — Correntes que circulam nos enrolamentos devido à abertura de fase — motor ligado em estrela. Outro fator importante é que, na falta de uma fase, campo deixa de ser girante, tornando-se pulsante. Nessas condições, se o motor estiver parado, ele não consegue partir, pois não há conjugado suficiente para acelerá-lo. Capítulo 5: Características dos Motores de Indução Trifúsicos - 37 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações 7.0 - FLUTUAÇÕES DE TENSÕES A ocorrência de flutuações de tensões em sistemas industriais é bastante comum, principalmente devido a alimentadores e cablagem mal dimensionados. A norma NBR 7094 [1] estabelece que um motor de indução trifásico deve ser capaz de funcionar satisfatoriamente quando alimentado com tensões até 10% acima ou abaixo da nominal, desde que a frequência permaneça a nominal Se houver, simultaneamente, a variação de tensão e frequência (caso, por exemplo, que pode ocorrer com motores operando em um sistema de geração isolado, ou seja, como capacidade limitada), a tolerância de variação deve ser 10% para a soma das variações individuais. A aplicação de tensões acima ou abaixo da nominal aos motores altera as suas características de ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS desempenho normais, as quais, como se sabe, dependem da carga acoplada em seu eixo. Desta forma, apenas é possível afirmar-se com certeza que, ao se diminuir a tensão aplicada a um motor operando em regime permanente, a sua rotação tende a diminuir e o fator de potência a aumentar. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) - “NBR 7094 — Máquinas Elétricas Girantes — Motores de Indução”. ABNT, dez/81; [2] National Electrical Manufacturers Association (NEMA) — “American Nacional Standard for Motors and Generators - NEMA MG-1”. NEMA, 1978. Capítulo 5: Características dos Motores de Indução Trifúsicos - 38 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS CAPÍTULO 6: PARTIDA DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFAÁSICOS RESUMO Este texto avalia os efeitos da partida de motores de indução trifásicos no sistema elétrico e no motor. Além disto, apresenta os vários métodos de partida. 1.0- INTRODUÇÃO O termo partida de um motor significa levá-lo do estado de repouso até o seu ponto de operação. Para que isto seja possível, o motor deve desenvolver um torque suficiente para prover a carga, vencer a inércia do sistema e acelerar. Em consequência, solicita uma determinada corrente do alimentador. Esta corrente, dependendo do valor que atinge, pode causar vários problemas indesejáveis, levando à necessidade de se empregar algum método para diminuí-la. O texto a seguir analisa esses aspectos. 2.0 - CONJUGADO MOTOR E ACELERADOR 2.1 — Partida com Rotor Livre ou em Vazio Quando o motor parte sem carga, todo o torque desenvolvido é empregado para acelerar o motor do estado de repouso até a operação sem carga no eixo (rotor livre ou em vazio). Nesta situação, como citado no capítulo anterior, o seu comportamento típico em função da velocidade é o mostrado na figura 1. Figura 1 - Característica M = f (n) — Exemplo. Como explanado anteriormente, verifica-se nesta curva que há outros valores de interesse para o conjugado além do nominal, ou seja, o chamado torque (conjugado) de partida (Mp), o torque (conjugado) máximo (M.) e um conjugado nulo na velocidade síncrona. Além desses valores, também se define o conjugado de rotor bloqueado como sendo o menor conjugado desenvolvido para todas as posições angulares do rotor no instante de aplicação da tensão nominal ao estator do motor. Essa grandeza, em geral, também é chamada de conjugado de partida, embora conceitual e numericamente sejam diferentes. O conjugado de partida possui uma definição semelhante, porém se altera com o posicionamento do rotor e, desta forma, o primeiro é um valor constante e o segundo, variável. Como, em geral, o conjugado de partida é de dificil medição, ambos são usados como sinônimos em uma aproximação. Exercício de fixação Sabe-se que um motor de indução trifásico do exercício anterior apresenta os seguintes dados de torque máximo e de partida: Considerando-se o conjugado nominal igual a 12 Nm, calcular ambos os valores de torque. Solução: O torque máximo é dado por: M,=3xM,, M,=3x12 M, =36 Nm O torque de partida é dado por: M, =2,1xM, M, =2,7x12 M,=324Nm Capítulo 6: Partida de Motores de Indução Trifásicos - 39 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações ele ocorre fica inalterada (1%). Portanto, o valor do torque máximo depende da tensão aplicada, mas não o ponto onde ele ocorre. 6.0 - EFEITOS DA RESISTÊNCIA DO ROTOR O efeito mais significativo dos valores da resistência do circuito do rotor é alteração das características de partida. Neste caso, a velocidade onde ocorre o conjugado máximo (nx) diminui com o aumento da resistência do rotor e vice-versa. O torque máximo, entretanto, não se altera. Portanto, o valor do torque máximo não depende da resistência do rotor, mas sim o ponto onde ele ocorre. A figura 8 ilustra o exposto. 0 N n n Figura 8 — Alterações da característica M =f(n) em função da resistência do rotor. Note-se na figura 8 que, quanto maior a resistência do rotor, maior será o conjugado de partida. Por outro lado, baixas resistências rotóricas causam pouca inclinação da curva na região de operação, o que implica na rotação do motor variar muito pouco em relação à nominal, qualquer que seja a carga. 7.0- CATEGORIAS DE DESEMPENHO Baseando-se nas diferentes características do conjugado em relação à velocidade, a norma NBR 7094 [1] classifica os motores de indução trifásicos com rotor em gaiola em três categorias, descritas a seguir: a) Categoria N: Conjugado de partida normal, corrente de partida normal; baixo escorregamento. Constituem a grande maioria dos motores encontrados no mercado, são mais utilizados em acionamentos de cargas normais como bombas e máquinas operatrizes; b) Categoria H: Apresentam conjugado de partida alto, corrente de partida normal e baixo escorregamento. Usados principalmente em cargas que apresentam maior conjugado de partida, ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS como peneiras, transportadores, carregadores, enfim, cargas de alta inércia; c) Categoria D: Apresentam conjugado de partida alto (alta resistência rotórica), corrente de partida normal e alto escorregamento (maior que 5%). Utilizados em cargas que apresentam picos periódicos e que necessitam de alto conjugado com corrente de partida limitada como elevadores e prensas excêntricas. A figura 9 ilustra características M = f (n) típicas para cada caso, bem como, a de um motor com rotor bobinado. Bol 0 n Figura 9 - Categorias de motores de indução. Observe-se nas características da figura 9 que o motor categoria H apresenta um grande torque de partida, indicando alta resistência rotórica, e, também, uma pequena inclinação da curva na região de operação, indicando baixa resistência rotórica. Esta contradição pode ser contornada utilizando-se um rotor com duas gaiolas, sendo uma interna e a outra externa. Gaiola externa Ranhuras Figura 10 — Rotor com dupla gaiola. Capítulo 6: Partida de Motores de Indução Trifásicos - 42 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações Neste caso, a gaiola externa é fabricada com material de elevada resistividade (manganina) e é empregada para a partida. A intemna, entretanto, é composta por cobre eletrolítico (menor resistividade) e utilizada para funcionamento em regime permanente. A frequência da corrente do rotor, como se sabe, varia com o escorregamento e, assim, durante o processo de partida, a indutância da gaiola interna é elevada, enquanto que na extemna prevalece a sua resistência. Como, durante a aceleração, a corrente é maior nesta gaiola, tem-se um alto torque de partida. Por outro lado, quando a frequência diminui, a corrente se distribui de acordo com as resistências das gaiolas, o que resulta em um trecho da curva M=f(n) pouco inclinada na região de operação estável. Outro fato de interesse que se observa nas características da figura 9 é o pequeno torque de partida apresentando pelo motor com rotor bobinado. Isto implica que os enrolamentos do rotor possuem baixa resistência rotórica. Sendo assim, este tipo de motor exige, necessariamente, a inserção de resistências externas para se obter torque maiores na partida. Se utilizada a resistência adequada, o torque de partida pode ser igual ao máximo, como mostrado na figura 8. 8.0- PROBLEMAS CAUSADOS PELA PARTIDA Devido ao valor elevado da corrente de partida dos motores de indução, podem ocorrer alguns problemas tanto em relação ao próprio motor, quanto ao alimentador. Os principais são os analisados a seguir. 8.1 - Motor Na partida, os altos valores de corrente resultam elevadas perdas por efeito Joule e, em ncia, há o aquecimento do motor. Como os tempos envolvidos na partida são pequenos, grande parte do calor gerado é armazenada nas partes e membros estruturais, elevando a temperatura do rotor e do enrolamento do estator. Os efeitos desta elevação de temperatura podem causar no rotor sérios problemas tais como dilatação dos anéis de curto-circuito e deformação das barras da gaiola. No estator, a elevação da temperatura pode atingir valores superiores à classe de isolamento e, com isto, provocar uma rápida deterioração do isolamento. Tais problemas se agravam, se houver várias partidas sucessivas com pequeno intervalo entre elas. Devido a este fato, as diversas normas intemacionais estabelecem um regime de partida mínimo que os motores devem ser capazes de realizar, ou seja: ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS a) duas partidas sucessivas, sendo a primeira feita com o motor frio, isto é, com seus enrolamentos à temperatura ambiente e a segunda logo a seguir, porém após o motor ter desacelerado até o repouso. b) Uma partida com o motor quente, ou seja, com os enrolamentos à temperatura de regime. A primeira condição refere-se à situação em que a primeira partida do motor é malograda, por exemplo, pelo desligamento da proteção, permitindo-se uma segunda tentativa logo a seguir. Na segunda, tem- se o caso de um desligamento acidental do motor em funcionamento normal, por falta de energia na rede, por exemplo, permitindo-se retomar o funcionamento logo após o restabelecimento da energia. Como o aquecimento durante a partida depende da inércia das partes girantes da carga acionada, as normas estabelecem os valores máximos de inércia da carga para os quais o motor deve ser capaz de cumprir as condições acima. Além desses efeitos, correntes elevadas circulando em condutores imersos em um campo magnético resultam em esforços eletrodinâmicos (força de Lorentz) entre espiras das bobinas do enrolamento do estator, nas cabeças das Note-se que, historicamente, a maior quantidade de queimas de motores de grande porte ocorre devido aos movimentos causados pela corrente de partida nas cabeças da bobina. Se o tempo gasto na aceleração for muito longo, também pode ocorrer a atuação indevida de fusíveis ou de relés de proteção contra sobrecarga. 8.2 - Carga e Sistema de Transmissão Devido ao torque desenvolvido na partida, é possível que ocorram choques mecânicos nos componentes do sistema de transmissão, o que pode danificá-los. Naqueles que empregam correias múltiplas e polias pode haver o deslizamento (ou seja, eles podem “patinar”). Além disto, uma aceleração muito rápida pode provocar problemas ao produto. Máquinas têxteis, por exemplo, têm um limite máximo de aceleração, pois esta pode provocar danos aos delicados tecidos e fios. Os elevadores têm também um limite máximo de aceleração, pois, se esta for muito alta, pode acarretar mal estar e desconforto para os usuários. 8.3 - Rede Elétrica e Instalações As altas correntes de partida podem resultar em quedas de tensão significativas nos ramais do alimentador, principalmente nos casos em que a cablagem foi mal dimensionada. Neste sentido, tem-se que: Capítulo 6: Partida de Motores de Indução Trifsicos - 43 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações a) quedas de tensão entre 15 e 20% da tensão nominal poderão abrir contatores; b) como os torques de partida e máximo variam aproximadamente com o quadrado da tensão, se a queda for elevada, o torque de partida poderá ser inferior ao inicial da carga e travar o eixo ou fazer com que o tempo de partida seja muito longo e, como conseqgiência, atuar a proteção; c) há cintilações (flicker) na iluminação; d) se existirem relés de subtensão, eles poderão atuar; e) outros motores já em funcionamento poderão, dependendo da carga que acionam, ter sua velocidade reduzida, um aumento de corrente e, em consequência, sobreaquecimento. Ainda, existe a possibilidade de um eventual travamento de eixo; f) Outras cargas poderão ser afetadas de forma negativa, como, por exemplo, ficarem submetidas a um aumento de corrente que absorvem. 9.0 - MÉTODOS DE PARTIDA A partida direta de motores de indução trifásicos, ou seja, à tensão plena, é o método mais simples, confiável e econômico de colocá-los em operação. Entretanto, como analisado, isto pode se tornar proibitivo em muitos casos. Desta forma, dependendo do sistema, é conveniente utilizar-se de algum método para reduzir a corrente de partida. Observa-se que a escolha do melhor método dependerá da queda de tensão causada pela partida direta e do tipo de carga a acionar. A escolha do melhor método de partida depende da queda de tensão causada pela partida direta e do tipo de carga a acionar. Os métodos mais usuais para a partida são as chaves compensadoras (autotransformadores), chaves estrela-triângulo e, mais recentemente, para grandes motores, chaves estáticas (soft-starters). Todos estes métodos baseiam-se no princípio de se reduzir a tensão do alimentador no instante da partida, mas isto traz como prejuízo uma diminuição do torque de partida, pois, como visto, este varia com o quadrado da tensão. Além disto, apresentam como desvantagens, com exceção dos soft-starters, o fato de que reduzem o nível do pico da corrente de partida sem eliminá-lo e não podem ser aplicados a qualquer tipo de carga (tipo conjugado constante, conjugado variável e de alta inércia). Apesar disto, são os mais empregados onde o conjugado de partida não é crítico. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Por outro lado, quando são necessários altos conjugados de partida e baixas correntes, é comum empregar-se um motor de indução com rotor bobinado. Uma alternativa em casos críticos de queda de tensão, é a partida assistida por capacitor. 9.1 - Partida com Chave Estrela-Triângulo Este método consiste em partir o motor com seus enrolamentos conectados em estrela e, após o motor atingir uma determinada velocidade durante a aceleração, reconectá-los em ligação delta (triângulo) com o auxílio de uma chave manual ou automática. Naturalmente, para que isto seja possível, o motor deve possuir seis terminais. 1 Figura 11 — Princípio básico do método. A figura 12 mostra um exemplo de chave estrela-triângulo automática. Figura 12 — Exemplo de uma chave estrela-triângulo automática. A utilização da ligação estrela na partida é interessante, pois a tensão aplicada a cada um dos enrolamentos do estator (U,) é igual a 1/ 3 da tensão de linha do alimentador (U,), como esclarece a figura 13. Capítulo 6: Partida de Motores de Indução Trifásicos - 44 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações A figura 18 apresenta o comportamento dos torques para a mesma situação. Delta Resultante n Figura 18 — Características M = (n) com comutação da conexão estrela para a triângulo. Pelo exposto, antes de se optar pela partida estrela-triângulo é necessário verificar se o conjugado que a máquina pode oferecer é maior que o da carga, tanto na partida como no instante de comutação da chave. Em resumo e de uma forma geral, o emprego da chave estrela-triângulo apresenta as seguintes vantagens: a) custo reduzido para baixas tensões; b) não possui limite quanto ao número de manobras; c) os seus componentes ocupam pouco espaço; d) a corrente de partida fica reduzida para aproximadamente 1/3. Como desvantagens, tem-se: a) A chave apenas pode ser aplicada a motores com seis pontas ou terminais; b) A tensão da rede deve coincidir com a tensão em triângulo do motor; c) O torque de partida é reduzido em 66,7 % do que ocorreria com o motor ligado em triângulo; d) Caso o motor não atingir pelo menos 90% de sua velocidade nominal, o pico de corrente na comutação de estrela para triângulo será quase como se fosse uma partida direta, o que se toma prejudicial aos contatos dos contatores e não traz nenhuma vantagem para a rede elétrica. 9.2 - Chave Compensadora Uma chave compensadora é formada por um autotransformador que possui tap's (derivações) no secundário e por dispositivos de manobra, os quais permitem que ela seja automática ou manual. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS A figura 19 apresenta um exemplo de um autotransformador, enquanto a figura 20, uma vista de uma chave compensadora completa contendo o autotransformador e os dispositivos de manobra. Figura 19 — Exemplos de autotransformadores em pregados em chaves compensadoras. Figura 20 — Chave compensadora completa. Este método consiste em partir o motor com seus enrolamentos conectados a um dos tap's do autotransformador reduzindo, desta forma, a tensão aplicada ao motor e, a uma certa velocidade, efetuar a comutação para a tensão plena do alimentador com o auxílio dos dispositivos de manobra. Os tap's do autotransformador, em geral, propiciam uma tensão secundária com valores de 65%, 80% e 100% da tensão nominal. Para aplicações em motores de maior porte há, também, o tap 50%. Capítulo 6: Partida de Motores de Indução Trifásicos - 47 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações A figura 21 ilustra o exposto. Figura 21 — Aplicação da chave compensadora, com autotransformador no tap 65 %. Chamando-se de k à relação de transformação do autotransformador tem-se: U, T ee o 2 pt Considerando-se o motor conectado em estrela por facilidade de análise (poderia ser em triângulo que o resultado é o mesmo), tem-se que a corrente de partida para um tap qualquer (1,,) é: U, = Az (10) Mas: (1) Então: U, Ip = (12) ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Desta forma, a corrente de partida em uma fase do alimentador (1,,) é: 1 =p? In (3) Portanto: Tm U, 1,=E=—1— 14) nok 32 (9 Por outro lado, se a partida fosse realizada à tensão plena do alimentador, a corrente de partida (Ip100) seria: U, Too = BZ as) Substituindo-se (15) em (14), resulta: 1 = Tpoo Ta= k as Em outras palavras, quando se emprega uma chave compensadora, a corrente de partida no alimentador é reduzida do quadrado da relação de transformação do tap utilizado em relação à partida direta. Sabendo-se que no: a) tap 50%: MU, U, O5U, b) tap 65% MM ay U, 0,65U, * c) tap 80% MU (os U, 08U, * Tem-se que a corrente de partida será, para o: a) tap 50%: Too — Troo Too = E = 3 =0,257,100 Capítulo 6: Partida de Motores de Indução Trifásicos - 48 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações b) tap 65% 1 1 — fpmoo fpoo Is sq OA25Tyuo c) tap 80% 1 1 — fmo pio T,go - ke - 125º =0,647,100 Um inconveniente deste método é o fato de que o torque de partida diminui na mesma proporção que a corrente, conforme o tap utilizado. Assim: a) tap 50%: Moo Mpo M,so = E = 3 =0,25M po db) tap 65% M M Moo Mo Ms e O Toa? 04225M pa c) tap 80% M M Moo Moo M pão - ke - 125º =0,64M wo Exercício de fixação Calcular a corrente e o torque de partida do motor de indução trifásico com corrente nominal de 9,3 A e torque nominal de 12 Nm, sabendo-se que se emprega uma chave compensadora no tap 65% e que: 1 M 7” 64 e M, =2,1 Solução: A corrente de partida é dada por: Too =6,4x 1 Too =6,4x9,3 Too = 59,52 A Portanto, para o tap 65%, tem-se: ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Los — 0,4225109 ou seja: To =0,4225x 59,52 Então: Ipos 25,15 A Para o torque, tem-se: M po =27xMy M po =2,7x12 M po = 32,4 Nm Como: M pos =0,4225M qo Então, Me =0,4225x32,4 Ou: M pos = 13,7 Nm Observe-se que no tap 65 %, tanto a corrente quanto o torque de partida, assumem valores próximos ao que se obteria com a utilização da chave estrela-triângulo nas mesmas condições. As características 1 =f(n)eM=btfn, considerando-se a partida com tensão plena e a com um tap qualquer, são semelhantes às mostradas na figura 7 e às das figuras 17 e 18 quando ocorre a comutação. As características 1 = fin) e M = fm), considerando-se a partida com tensão plena e a com um tap qualquer, são semelhantes às mostradas na figura 7 e às das figuras 17 e 18 quando ocorre a comutação. Em resumo e de uma forma geral, o emprego da chave compensadora apresenta as seguintes vantagens: a) a própria reatância do autotransformador amortece o degrau da corrente criado pela comutação ao se aplicar a tensão da rede. b) É possível fazer a comutação para de 65 para 80% ou até para 90% da tensão da rede antes de aplicar tensão plena ao motor, de modo que se tenha uma partida suave e satisfatória. Como desvantagens, tem-se: a) Frequência de manobras limitada; Capítulo 6: Partida de Motores de Indução Trifásicos - 49 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS CAPÍTULO 7: IDENTIFICAÇÃO DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS RESUMO O objetivo deste capítulo é o de comentar os dados fomecidos na placa de identificação, em catálogos e folhas de dados ("data sheets") dos motores de indução trifásicos. 1.0- INTRODUÇÃO Como citado anteriormente, a característica nominal é um conjunto de valores nominais atribuídos às grandezas que definem o funcionamento de um motor, em condições especificadas por norma e que servem de base à garantia de fabricantes e aos ensaios. Deve-se enfatizar que nem sempre tais grandezas definem os limites operacionais da máquina. Normalmente, tais grandezas são fornecidas pelo fabricante em folhas de dados ("data sheets") quando solicitado pelo usuário e, além disto, constam da placa de identificação dos motores ou em catálogos. Estas duas últimas formas de apresentar as características nominais suscitam algumas dúvidas quanto às suas validades. Na verdade, é necessário verificar se os dados fomecidos se referem a valores típicos, médios ou garantidos, se as perdas adicionais estão inclusas na sua determinação, qual o método de ensaio utilizado para obtê-los e qual o nível de confiança que o usuário deseja. Adicionalmente, tem- se que a diversidade na qualidade dos materiais empregados e da mão de obra levam a desempenhos distintos para motores com as mesmas características e projetos. Desta forma, há uma grande incerteza no emprego em tais dados, porém, em alguns casos, são as únicas fontes de informações disponíveis. Os resultados fornecidos na folha de dados são estimados, conforme estabelecido pela norma NBR 7094 [1], a menos que haja um acordo entre fornecedor e usuário. Neste caso, pode-se solicitar um relatório de ensaio ("Test Report"). Note-se que tais ensaios são executados em laboratórios e podem seguir várias normas. Entretanto, um mesmo motor ensaiado seguindo normas diferentes, apresenta valores (principalmente, quanto às perdas e rendimentos) fortemente divergentes entre si Observa-se que, mesmo métodos considerados precisos (como o dinamômetro, no caso de rendimento) apresentam diversas fontes de erros. 2.0. - DADOS DE PLACA E DE CATÁLOGOS 2.1. - Dados de Placa A placa de identificação contém símbolos e valores que determinam as características da rede de alimentação e desempenho do motor, apesar das incertezas para a sua plena utilização. Os dados principais, que devem constar na mesma, bem como as abreviações recomendadas, são definidas pela NBR 7094 [1], ou seja: a) Nome do fabricante; b) Tipo de motor; c) Modelo do motor (MOD); d) Número de série (ND); e) Potência nominal (CV ou kW); f) Tensão nominal em que o motor pode operar DV); e) Número de fases; h) Corrente nominal (A); i) Frequência da rede de alimentação (Hz); 5) Velocidade de rotação nominal (rpm); k) Classe de temperatura (ISOL). 1) Categoria de desempenho (CAT); m) Relação entre a corrente do rotor bloqueado e a corrente nominal (1n/1w); n) Número da norma; o) Grau de proteção do motor (IP); p) Regime tipo (REG); q) Fator de serviço (FS); e, 1) Diagrama de ligações para cada tensão de trabalho. Para motores de uso naval são fornecidas as seguintes informações adicionais: Ano de fabricação; Temperatura de serviço (essencial ou não essencial); Tipo de rolamentos utilizados e Peso do motor (Kg). A figura 1 apresenta um exemplo de placa de um motor de indução trifásico. Capítulo 7: Identificação de Motores de Indução Trifásicos- 52 Unifei - Universidade Federal de Itajubá ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO . Grupo de Estudos em Manutenção Z MEÍ — Eletro-Eletrônica e Instalações MOTORES ELETRICOS Frequência Modelo nominal Potência Rotação nominal nominal Tensões nominais 15er Correntes ADDOVTY A80V AMIASVIA a nominais ES 115 ISOL B Tp/ln 8,0 Fator de REG. conimo TATN E serviço Corrente de partida Regime pela nominal tipo Tm Grau de Categoria de proteção desempenho Diagrama de ligações Figura 1 — Exemplo de placa de identificação de um MIT. 2.2 - Dados de Catálogo Os catálogos podem ser considerados como uma espécie de serviço prestado ao consumidor pelo fabricante (além, é claro, de estratégia de marketing); assim, não há qualquer compromisso sobre quais as grandezas a serem fomecidas, o que reforça as restrições ao seu uso expostas no tópico anterior. Infelizmente, em alguns catálogos, a quantidade de informações está abaixo da crítica, mesmo para os padrões nacionais. Porém, em geral, as informações disponíveis em catálogos de motores em gaiola são: a) Potência; b) Tensão (ões) do estator; c) Número de pólos; d) Frequência; e) Rotação nominal e síncrona; f) Corrente nominal do estat( g) Relação entre corrente de partida e a nominal, Conjugado de partida e máximo em relação ao nominal, i) Rendimento, j) Fator de potência; h k) Fator de serviço; 1 Momento de inércia; e, m) Massa. Alguns trazem a indicação do tempo de rotor bloqueado, bem como, o rendimento e fator de potência correspondentes a 50, 75 e 100% da potência nominal. Além disto, estão presentes os dados dimensionais eo tipo de carcaça. Para os motores com rotor bobinado, normalmente, tem-se: a) Potência; b) Tensão do estator; c) Fregiência; d) Corrente do estator; e) Número de pólos; f) Tensão do rotor parado; 8) Corrente rotórica nominal sem resistências externas ao rotor; h) Fator de potência nominal; i) Rendimento nominal; j) Momento de inércia da parte tracionada; e, k) Tempo de rotor bloqueado. Capítulo 7: Identificação de Motores de Indução Trifásicos- 53 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações Como informação adicional, são fornecidas as potências e momento de inércia conforme o regime de trabalho e o grau de intermitência (ou tabelas de fatores multiplicativos). 2.3 - Folha de Dados De acordo com a NBR 7094, os dados mínimos a serem fomecidos são, basicamente, os mesmos que os citados como de catálogo. Observe-se ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS que, salvo acordo em contrário, os dados são "estimados". REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA [1] Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) - “NBR 7094 — Máquinas Elétricas Girantes — Motores de Indução”. ABNT, dez/81. Capítulo 7: Identificação de Motores de Indução Trifásicos- 54 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações razoável supor que ela seja, aproximadamente, 30 % da corrente nominal. Então: 1-0,3x7,=0,3x11,7=351A Sendo a corrente medida: I=10A tem-se de (1): =1.200-(1.200-1.169)( 1251 nO 7.351 ) Portanto: n=1.175,41pm 4.0 — AVALIAÇÃO DO TORQUE - MÉTODO DA LINEARIZAÇÃO DA CURVA M = f(n) O princípio básico deste método é a linearização da curva M = fin), na região de operação do motor , como ilustra a figura 5. Figura 5 — Linearização da curva M =f (n) na região de operação do motor. Considera-se como um ponto da curva o par conjugado e velocidade nominais (My e ny, respectivamente), os quais são supostos como verdadeiros. Assim, a carga no eixo do motor é dada por: My e Nç-Ny Onde: ny velocidade nominal do motor (dado de placa), em rpm; ns— velocidade síncrona, em rpm; ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS n- velocidade correspondente à carga do motor (M) que pode ser medida diretamente no eixo (os resultados serão mais precisos) ou calculada como mostrado no procedimento anterior. O conjugado nominal não é dado de placa, mas, como visto anteriormente, pode ser facilmente calculado através de: Py My =9,55— Q) Ny Se for combinada a expressão (2) com a (1), obtêm-se o valor do torque a parir da medição de corrente, ou seja: 1-1, M=GrMn (4 Onde: I-corrente medida, em A; Iy- corrente nominal (dado de placa), em A; 1L— corrente com o rotor livre, em A. Exercício de fixação Calcular o torque desenvolvido pelo motor, quando a sua rotação é aquela determinada no exercício anterior para uma corrente de 10 A. Solução: Para o motor do exemplo anterior, tem-se: Py My =9,55—— Ny M..=955 5x 736 Nº 1169 My = 30 Nm Assim, -ny - 1.200-1.175,4 1.200-1.169 Ou seja, o conjugado desenvolvido é, aproximadamente, de: M=238 Nm Capítulo 8: Metodologias Práticas Para a Determinação de Caracteristicas Operacionais - - 57 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações O mesmo resultado é obtido empregando-se a expressão (4) para a corrente de 10 A, ou seja: M= 1-1 M My 10-3,51 M=(—— 030 Gr7-35D Ou, aproximadamente: M=23,8 Nm Observe-se que com estes dois resultados é possível calcular-se a potência no eixo, ou seja: P=1,05Mn P=1,05x242x1.175 Ou seja, a potência no eixo é de, aproximadamente: P=2,97kW=4CV 5.0 - CURVAS CARACTERÍSTICAS Em termos práticos, a utilização das curvas características permite a determinação das várias grandezas do motor a partir de uma simples medição de corrente. De modo a esclarecer esse processo, supõe-se a seguir um motor com as curvas características da figura 6. n%, cos q % n% 100 100 os so 96 s4 80 I(A) 40 16 12 20 8 4 o 0 m 4 6 8 10 120 %p Figura 6 — Curvas características de um motor — Exemplo. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Se a corrente absorvida pelo motor é de 8 A (medida, por exemplo, com um amperímetro alicate), a consulta às curvas se dá conforme o ilustrado na figura 7. n% n%, cos q % o 20 49 0 80 100 120 %p N Figura 7 — Utilização das curvas características a partir de uma medição de corrente — Exemplo. Das curvas da figura 7, para uma corrente de 8 A, tem-se: P=90 %(0U2,7 CV);n=0,82 (82 %); e, cos? =0,79 (79 %). A rotação em porcentagem da síncrona é: n%=96,5 % Ou seja: n=0,965 x 1800 = 1.737 rpm. O escorregamento é: - 1.800-1.737 1.800 s=0,035 As perdas totais são: 1 Pe,=(—-DP n Capítulo 8: Metodologias Práticas Para a Determinação de Caracteristicas Operacionais - - 58 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações 1 Pe, (tag Dx0,9x3x736 Pe, =436 W=0,436kW O torque, por outro lado, pode ser calculado por: ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS P M=9,55 — n 0,9x3x 736 1737 M = 10,9 Nm M=9,55 Capítulo 8: Metodologias Práticas Para a Determinação de Caracteristicas Operacionais - - 59 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações no entanto, o fluxo é máximo, porém o torque é milo. Na posição 3, o torque também é máximo, porém aplicado no sentido contrário ao inicial e o fluxo que atravessa a espira também será nulo. Pelo exposto, verifica-se que, embora se atue como um motor, o movimento da espira é oscilatório, ou seja, o torque desenvolvido é alternado, como ilustrado na figura 5. Figura 5 - Característica M= fit). 2.2 — Utilização de Teclas Naturalmente, a característica descrita no item anterior é indesejável, pois há o interesse em que o movimento seja realizado sempre no mesmo sentido e, para tanto, o torque deve ser aplicado igualmente sempre no mesmo sentido. De modo a tomar isto possível, utiliza-se apenas um dos anéis coletores, separado em duas partes (ou teclas) isoladas uma da outra, no lugar dos dois e soldando-se as pontas da espira em cada uma dessas partes. Nesta situação, obrigatoriamente, as escovas terão polaridade independente da posição da espira, como mostrado na figura 6. Figura 6 — Motor elementar com escovas de polaridade fixa. Para esta disposição das escovas e teclas, têm- se as situações operacionais mostradas na figura 7. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS b) Posição 3 — Torque máximo (fluxo nulo). Figura 7 - Situações operacionais com o emprego de teclas. Capítulo 9: Motores de Corrente Contínua - 62 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações Observa-se que o torque, embora se desenvolva no mesmo sentido, é pulsante. 1 2 3 2 1 Figura 8 - Característica M= fit). 2.3 - Atenuação das Oscilações de Torque A oscilação do torque pode ser atenuada inserindo-se uma segunda espira, em cujos terminais estão soldadas duas outras teclas (provenientes de uma nova subdivisão do anel), como mostra a figura 9. Figura 9 — Inserção de mais uma espira e teclas. Observe-se na figura 9, que, considerando-se individualmente cada espira, elas produziram o respectivo torque defasado um do outro. Desta forma, ao girar, as teclas de uma delas finalizam o contato com as escovas, enquanto que as da outra iniciam. Assim, a corrente ora circula por uma delas, ora pela outra, obtendo-se um torque resultante como o da figura 10. Torque resultante Figura 10 - Característica M= fd). ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Naturalmente, quanto mais espiras e respectivas teclas, menos oscilação a característica M = Hit) apresentará. O conjunto de teclas é chamado de comutador, enquanto o de espiras, de armadura. Figura 11 — Comutador — Exemplo. Figura 13 — Armadura e comutador. 2.4 — Aumento dos Valores de Torque Da maneira exposta nos itens anteriores, o maior valor de torque possível de se obter é aquele correspondente ao máximo de uma espira. Para se conseguir resultados maiores, é necessário que hajam mais espiras sofrendo a atuação das forças de Lorentz. Capítulo 9: Motores de Corrente Contínua - 63 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações Uma solução encontrada para tanto foi a de se aproveitar a necessidade de se empregar várias espiras para que o torque se desenvolva sempre no mesmo sentido e a sua oscilação seja atenuada. Conectando-se tais espiras em série, porém mantendo seus terminais soldados àa respectivas teclas, resulta um enrolamento sem fim nem começo. A figura 14 ilustra para apenas duas espiras, mas o princípio é válido para todas elas. Comutador * série Figura 14 — Ligação das espiras em série. Desta forma, as espiras serão percorridas pela mesma corrente e, assim, surgirão as forças de Lorentz com a mesma intensidade sobre os lados de cada uma delas. Como elas estão dispostas em posições distintas em relação ao campo magnético, os valores desenvolvidos de torque em cada uma são diferentes. Assim, eles se somam, resultando em um valor maior que o de apenas uma. A figura 15 esclarece o exposto. Figura 15 — Ligação das espiras em série. 3.0 - TENSÃO INDUZIDA De acordo com o exposto anteriormente, ao se alimentar a espira com uma fonte externa, ela gira. Como ela está imersa em um campo magnético, ocorrerá um movimento relativo entre ambos. Naturalmente, conforme a espira gira, a quantidade de linhas de campo (ou seja, o fluxo magnético) que a cruza se altera para cada posição que assume, como se comprova pelas situações operacionais da figura 14. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS d) Posição 4 — Torque máximo (fluxo nulo). Figura 16 - Situações operacionais. Capítulo 9: Motores de Corrente Continua - 64 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações Note-se que na passagem da posição 1 para 2, a corrente da espira variou e devido à indutância da espira gera-se uma tensão de auto-indução, a qual denomina-se “tensão de reatância”. Além disto, quando a escova possui uma largura superior a de uma tecla, várias seções vizinhas são comutadas simultaneamente, as quais podem estar localizadas na mesma ranhura ou em ranhuras sucessivas. Neste caso, numa seção curto-circuitada, originam-se tensões devido ao fenômeno da indução mútua, cuja tendência é aumentar a tensão de reatância. Devido aos fatos descritos, há a possibilidade de ocorrência de faiscamento sob as escovas, cuja intensidade depende do nível da corrente comutada e da indutância da espira curto-circuitada. 6.0 - LINHA NEUTRA Como visto anteriormente, o fluxo que atravessa uma dada espira é máximo quando esta se encontra em um plano perpendicular ao campo e, sendo assim, não há tensão induzida na espira. Esta posição recebe o nome de plano neutro ou linha neutra. Plano ou linha Figura 25 — Linha ou plano neutro. Note-se que, no momento em que ocorre a comutação, a escova curto-circuito momentaneamente a tecla subsequente. Se no momento em que isto ocorrer existir uma diferença de potencial entre uma tecla e outra, uma corrente elevada circulará através da escova. Quando ela se desconecta da tecla anterior, aparece um arco elétrico, o chamado flashover. Este arco é constante e extremamente prejudicial ao comutador pois o arco elétrico funde o cobre, inutilizando-o rapidamente. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Corrente de Figura 26 — Corrente de circulação. Por este motivo, a comutação sempre deve ser feita sobre a linha neutra, onde tais problemas não ocorrem, pois, nela, a tensão entre teclas adjacentes é nula. Assim, é necessário calar as escovas (ou seja, assentá-las) sobre a linha neutra para evitar faiscamentos. 7.0 - REAÇÃO DE ARMADURA Se um motor for excitado, porém estando o circuito da armadura desemnegizado, ocorra uma situação semelhante à da figura 27. Figura 27 — Representação de um motor excitado com o circuito da armadura desernegizado. Neste caso, a linha neutra está em seu lugar de origem € as escovas devem ser caladas sobre ela. I ==, 90º Linha neutra | Figura 28 — Fluxo e linha neutra um motor excitado com o circuito da armadura desernegizado. Por outro lado, ao energizar o circuito de armadura e com a inserção de carga no eixo, há a circulação de corrente pelo seu enrolamento. Nesta situação, como se sabe, a corrente produzirá um fluxo, o qual é conhecido por “fluxo de reação da armadura”. Capítulo 9: Motores de Corrente Contínua - 67 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações A figura 29 ilustra o fenômeno, desconsiderando-se o campo magnético principal para facilitar a compreensão. « - Corrente saindo — —: da espira na espira X- Corrente entrando Figura 29 — Representação de um motor com circulação de corrente no circuito da armadura. Desta forma, a máquina reage à colocação de carga criando um fluxo diferente e perpendicular ao principal, ou seja, na direção da linha neutra. Pra Linha neutra | Figura 30 - Fluxo de reação da armadura e linha neutra. Considerando-se simultaneamente as duas situações (ou seja, sobrepondo-as) em uma condição real de operação, verifica-se que o fluxo principal e o de reação da armadura se compõem, originando um campo resultante. Linha neutra | original Figura 31 — Fluxo resultante. Naturalmente, o posicionamento do fluxo resultante em relação à linha neutra original, depende da corrente de armadura (ou seja, da carga). Como a linha neutra sempre possuirá uma posição perpendicular ao campo, ela se deslocará de sua posição original, como ilustra a figura 32. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Linha neutra deslocada IN Linha neutra I original N Figura 32 — Deslocamento da linha neutra. A figura 33 ilustra a interação do fluxo principal e o da reação da armadura, onde se observa que o fluxo resultante não está apenas deslocado, mas também distorcido. - «Corrente saindo = — E N, X-Corrente entrando de espira ao R na espira Figura 33 - Interação do fluxo principal e o da reação da armadura para deslocar a linha neutra. Desta forma, como as escovas foram assentadas sobre a linha neutra original, com o deslocamento, elas estarão operando em condições desfavoráveis originando faiscamento (ou centelhamento). 8.0 - PÓLOS AUXILIARES OU DE COMUTAÇÃO (INTERPÓLOS) Para evitar o deslocamento da linha neutra, a solução mais prática é cancelar (mesmo que apenas parcialmente) o fluxo de reação da armadura. Para tanto, é necessário que seja produzido um fluxo magnético adicional com mesma intensidade, porém de sentido oposto, a ele. Pra 4 Duici Linha neutra adicional original —am. | Figura 34 — Fluxo adicional para cancelamento da reação da armadura. Capítulo 9: Motores de Corrente Continua - 68 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações Este fluxo adicional pode ser facilmente obtido pela inserção de pólos auxiliares ou interpólos entre os pólos principais, conforme exemplificado na figura 35. Interpólo Interpólo Figura 35 - Disposição dos pólos principais e dos interpólos. Assim, para um motor, seguindo-se o sentido de giro, a um pólo principal segue-se um interpólo de mesma polaridade. Observe-se que, necessariamente, os enrolamentos de campo dos interpólos deve ser conectados em série com a armadura, de modo que se conserve a proporcionalidade entre a corrente e fluxo produzido. Nas máquinas equipadas com interpólos, as escovas de comutação podem permanecer na linha neutra geométrica qualquer que seja a carga. Esta é a sua principal vantagem e, por isto, as máquinas de corrente contínua de médio e grande porte são equipadas com este dispositivo. Figura 36 — Interpólos e enrolamento de campo — Exemplo. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS 9.0 - ENROLAMENTO DE COMPENSAÇÃO Com os interpólos se melhora apreciavelmente a comutação e se anula a reação da armadura na zona dos pólos auxiliares, mas não se evita completamente a distorção do campo nos pólos principais. Nas máquinas de grande potência, naquelas de elevada velocidade ou nas que apresentam alta tensão entre as teclas do comutador, é difícil e convém suprimir totalmente a reação de armadura em todo o perímetro da armadura. Isto pode ser obtido com o enrolamento de compensação, o qual é constituído por um conjunto de espiras encravadas na sapata dos pólos principais e é conectado em série com o enrolamento da armadura. As correntes que por ele circulam, devem ser de tal maneira que anulem o campo magnético produzido pela armadura. terpólo —""M. Pói og » [pf lucia cle Compensação nadie ia Figura 37 — Enrolamento de compensação — Exemplo. 10.0 - CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES CC Não existe propriamente uma classificação normalizada dos motores de corrente contínua, porém é interessante do ponto de vista técnico agrupá-los como segue: 10.1 - Quanto à Aplicação Os motores podem ser estacionários, como nas aplicações industriais, ou móveis, como os motores de tração. As figuras 38 e 39 mostram um motor de laminador de uma usina siderúrgica e um motor de tração. Capítulo 9: Motores de Corrente Contínua - 69 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS CAPÍTULO 10: ASPECTOS CONSTRUTIVOS DOS MOTORES DE CORRENTE CONTINUA RESUMO Apresenta-se a seguir as partes componentes dos motores de corrente contínua, suas descrições e alguns dos aspectos tecnológicos envolvidos em sua construção. 1.0- INTRODUÇÃO As máquinas de corrente contínua, de uma forma geral, possuem os seguintes componentes básicos: a) Circuito Magnético: o qual é responsável pela condução do fluxo magnético; b) Enrolamento da Armadura (Induzido): local onde são induzidas tensões e circulam correntes que produzem o conjugado; c) Enrolamento de Campo: nos quais circulam correntes que serão responsáveis pela criação do campo magnético; Placa de identificação Eixo Rolamento d) Componentes Mecânicos: os quais podem ser fixos, para suportar e proteger as partes eletromagnéticas, e rotativas, para a transmissão de energia (como o comutador, por exemplo); e) Isolamento Elétrico: composto de isolantes sólidos (como papel e vemizes) e são responsáveis pelo nível de tensão admissível entre as diversas partes da máquina; f) Outros componentes: tais como: interpólos, enrolamentos de compensação, etc. As partes fixas são denominadas genericamente de “estator” e, as móveis, de “rotor”. Nestas máquinas, a armadura é girante obrigatoriamente (para que se possa ter a ação do comutador) e pólos fixos na carcaça. A figura 1 a seguir mostra uma vista em corte de um motor de corrente contínua com a maioria de seus componentes básicos, os quais são analisados nos próximos tópicos, enquanto a figura 2 na próxima página uma vista explodida. Carcaça Pólos Comutador Armadura Figura 1 — Vista em corte de um motor de corrente contínua. Capítulo 10: Aspectos Construtivos dos Motores de Corrente Contínua - 72 AUTOMAÇÃO MOTORES ELETRICOS ECA 34 —-MAQUINAS ELETRICAS PARA Unifei - Universidade Federal de Itajubá - Grupo de Estudos em Manutenção Eletro-Eletrônica e Instalações Es Dener BAOISI SEAOISA-BJIOd OP jouy ojodusju] SEAO9SA-POM odueo op euigog N a sogãebi| ap exied Jopejnuiog einpeuuy BUJSju! eYUIoJusA = ia Wreneósos Jopesb 0921 Figura 2 — Vista explodida de uma máquina de corrente contínua. opôeISBLJSM) JOPeIgusA Capítulo 10: Aspectos Construtivos dos Motores de Corrente Continua - 73 2.0 - PARTES COMPONENTES DO ESTATOR O estator em máquinas de corrente contínua é constituído basicamente por carcaça, pólos principais, interpólos, enrolamentos de campo e, se houver, enrolamentos de compensação, como ilustrado na figura 3. Na sequência analise-se cada um destes componentes com maiores detalhes. Figura 3 - Estatores de motores de corrente contínua. 2.1 - Carcaça A carcaça é a estrutura que suporta os demais componentes do estator e compõe o circuito magnético. As máquinas mais antigas possuem carcaça de formato circular. Entretanto, para tornar a construção mais barata e nas aplicações onde o espaço disponível é limitado, como nos motores de tração, as máquinas atuais possuem formato octogonal. A utilização de acionamentos tiristorizados também é um fator para o ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS novo formato, devido à presença de harmônicos de fluxo circulando pela máquina. O material da carcaça é normalmente o ferro ou o aço fundido (máquinas antigas) ou, então, o aço laminado (máquinas modernas). O aço laminado, entretanto, oferece melhores qualidades magnéticas do que o ferro e o aço fundido resultando em menores perdas no circuito magnético, resistência mecânica e uniformidade da estrutura. Figura 4 — Motores com carcaças octogonais. Figura 5 — Motor com carcaça circular. Capítulo 10: Aspectos Construtivos dos Motores de Corrente Contínua - 74 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações desmontado. Tanto o parafuso quanto o rebite são devidamente isolados do núcleo e das chapas de aperto. As máquinas de média e grande potência possuem o pacote de chapas do núcleo montado sobre uma peça especial denominada aranha. Esta peça possui diversos braços longitudinais e é fixada ao eixo normalmente por uma chaveta. Nestas máquinas o núcleo é composto por diversos pacotes de lâminas, separadas entre si pelos espaçadores, de maneira que se criem canais de ventilação eficientes para retirada de calor da armadura. Os enrolamentos da armadura de máquinas de pequena e média potência são constituídos por bobinas de uma, duas ou mais espiras de fio de seção circular. Os fios são isolados entre si por um verniz especial que lhe confere rigidez mecânica para suportar os esforços eletromagnéticos e mecânicos a que está sujeito. Os enrolamentos das máquinas de grande potência são feitos com bobinas de uma ou duas espiras, de condutores retangulares de grande seção, também isolados e enfaixados. a) Tipo imbricado. b) Tipo ondulado. Figura 14 — Exemplos de bobinas de uma só espira. Depois de montadas, as espiras devem ser fixadas firmemente ao núcleo a fim de que não vibrem ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS ou, mesmo escapem devido à ação da força centrífuga. Alguns procedimentos são tomados, então, para evitar que isto ocorra, ou seja, colocam-se: a) Cunhas: As cunhas são normalmente feitas de fibra de vidro e colocadas no topo da ranhura de modo a prensar a bobina contra a ranhura, fixando-a; Figura 15 — Exemplo de uma cunha instalada. b) Bandagens: Nas máquinas de pequena potência as cabeças das bobinas são deixadas livres, mas nas máquinas de média e grande potência é necessário que se faça uma bandagem fixando-as também. Bandagem Figura 16 — Bandagem (com resina isolante). Capítulo 10: Aspectos Construtivos dos Motores de Corrente Contínua - 77 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações 3.2 - Comutador O conutador é, talvez, o órgão mais importante de uma máquina de corrente contínua, permitindo que o torque se desenvolva sempre no mesmo sentido e retificando a tensão induzida. Figura 17 — Comutador instalado em um motor de corrente contínua. Além do conjunto de teclas de cobre eletricamente isoladas entre si, o comutador possui varais partes, como ilustra a figura 18. Superfície de contato com as escovas Condutores das bobinas Bandeiras da armadura Isolamento de lâminas. de mica PR demica E à “es: E Zarcaça - Pré-cinta de Teflo Isolamento de mica da carcaça Isolamento do cone de mica Figura 18 - Corte parcial do comutador. Como se sabe, a cada tecla se conecta o final de uma bobina e o princípio de outra, de modo que o comutador possua tantas teclas quanto são as bobinas da armadura, conforme ilustrado na figura 19. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Figura 19 - Bobinas ligadas ao comutador. O comutador é preso ao eixo através de dois anéis cônicos ou cubos. Em comutadores maiores, são empregados parafusos com cabeça ou parafusos passantes. Devido ao desgaste natural que sofrem os comutadores e a necessidade de serem eventualmente torneados, os seus diâmetros se reduzem com o tempo. Para que não seja afetada a resistência mecânica, a altura de desgaste não deve passar de uma certa medida. O limite máximo é assinalado por um ressalto ou por pequenos furos nas teclas. 3.3 - Eixos O eixo é o elemento mecânico responsável pela sustentação dos diversos componentes da armadura e também é através dele que é possível acoplar o motor à carga a ser acionada. Note-se na figura 11, por exemplo, que o seu diâmetro é variável, o que é necessário devido à maneira de fixar-se a armadura e o comutador sobre ele. O pacote (ou pacotes) de lâminas é introduzido sob pressão de forma que fique firmemente fixo ao eixo. Deve-se atentar para o fato de que não se deve exercer uma pressão excessiva sobre o pacote a fim de evitar a sua danificação já que o mesmo é feito de um material menos resistente que o eixo. Em máquinas de médio e grande porte, existem também rasgos para colocar as chaves que contribuem para a fixação do pacote do eixo. Em um eixo bem projetado as transições de diâmetro devem ser feitas de maneira a evitar a existência de cantos vivos, os quais são, comprovadamente, pontos de fragilidade da peça. Capítulo 10: Aspectos Construtivos dos Motores de Corrente Contínua - 78 Unifei - Universidade Federal de Itajubá . Grupo de Estudos em Manutenção /MIEÍ | Eletro-Eletrônica e Instalações 4.0- OUTROS COMPONENTES Existem muitos outros componentes, sendo os principais analisados a seguir. 4.1 - Mancais Para os mancais são válidas as mesmas considerações efetuadas para os motores de indução no Capítulo 4. 4.2 — Sistema de Arrefecimento Também para o sistema de arrefecimento são válidas as mesmas considerações efetuadas para os motores de indução no Capítulo 4. 4.3 Escovas As escovas são as partes que fazem o contato elétrico entre a armadura (através do comutador) e o circuito externo à máquina. O material empregado em sua composição deve ser, além de condutor, macio o suficiente para não desgastar precocemente o comutador, e assim, normalmente são feitas de carbono, contendo carbono amorfo, carbono grafítico e pó metálico. Misturando-se estas substâncias de formas diferentes têm-se os diversos tipos de composição de escovas. Nas escovas duras, o conteúdo de carbono é mais elevado, desgastam-se pouco e possuem elevadas perdas por atrito e contato. À medida que se aumenta o conteúdo de carbono grafitico as escovas vão ficando mais macias e se desgastam mais, mas as perdas por atrito são cada vez menores. As mais macias e de menores perdas são as escovas que contém metal (pó de bronze ou cobre) finamente espalhado. Rabicho Figura 20 — Escova. ECA 34 MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Wa Figura 21 — Escovas para aplicações diversas. Figura 22 Escova para tração elétrica. 4.3 - Porta - Escovas Os porta-escovas são utilizados para manter as escovas na posição adequada e com uma determinada pressão sobre o comutador. Eles possuem muitas e variadas formas, mas, fundamentalmente, se constituem em uma caixa de guia onde desliza a escova e uma mola que a pressiona contra o comutador. Figura 23 — Exemplo de uso de porta-escova. Capítulo 10: Aspectos Construtivos dos Motores de Corrente Contínua - 79