Baixe Motores Trifásicos 1 - Ligações Apostila e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity! ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ENERGIA E AUTOMAÇÃO ELETRICAS ESCOLA POLITÉCNICA DA USP PEA - LABORATÓRIO DE INSTALAÇÕES ELÉTRICAS MOTORES - LIGAÇÕES / PARTIDAS E OPERAÇÕES Código: MOT 1 e2 ÍNDICE 1. Apresentação ... 2. Tipos de Motores. 3. Motores Trifásicos de Indução 3.1 Considerações Gerais..... 3.2 Princípio de Funcionament 3.2.1 Campo Girante ... 3.2.2 Velocidade de Sincronismo. 3.2.3 Princípio de Funcionamento. 3.2.4 Escorregamento . 3.3 Detalhes Construtivos . 3.3.1 Introdução. 3.3.2 Estator 3.3.3 Rotor... 3.4 Tipos de Ligação 3.4.1 Considerações Gerais.. 3.4.2 Identificação dos Terminais dos Motores 3.4.3 Ligação de Motores com 12 Terminais Externos. 3.4.4 Motores com 9 Terminais Externos............... 3.4.5 Motor com 6 Terminais Externos 3.5 Conjugado em Função de Rotação. 3.5.1 Considerações Gerais 3.5.2 Conjugado x Rotação 3.5.3 Análise de Curva de Conjugado... 3.5.4 Corrente Absorvida da Rede de Alimentação 3.6 Métodos de Partida ..... 3.6.1 Considerações Gerais 3.6.2 Chave Estrela-Triângul 3.6.3 Resistores de Partida em Motores com Rotor Bobinado 3.6.4 Redução de Tensão Através de Compensadores 3.7 Dados de Placa - Valores Nominais e Rendimento 4. Motores Monofásicos de Corrente Alternada. 4.1 Considerações Gerais 4.2 Motores Monofásicos “Shaded-Pol 4.3 Motores Universais...... 4.3.1 Considerações Gerais. 4.3.2 Aspectos Construtivos. 4.3.3 Princípio de Funcionamento 4.4 Motores Monofásicos com Dois Enrolamentos 4.4.1 Considerações Gerais. 4.4.2 Motor “Split-Phase”... 4.4.3 Motor Monofásico com Capacitor de Partida 4.4.4 Motor Monofásico com Capacitor Permanente 4.4.5 Aplicações................. - motores de C.C. com excitação independente; - motores de C.C. com enrolamento em série; - motores de C.C. com enrolamento em paralelo e - motores de C.C. com enrolamento compostos. Há uma vasta literatura sobre esse assunto, que poderá ser consultada pelo leitor que desejar se aperfeiçoar no tema. b) Motores de Corrente Alternada Esta modalidade de motores é a mais comum, podendo-se estimar que mais de 95% da potência instalada em motores elétricos operam em corrente alternada. Isto se dá pela disponibilidade desse tipo de fonte de alimentação e pela própria simplicidade de operação e construção de certos tipos de motores de corrente alternada, que lhe conferem grande campo de aplicação, e confiabilidade a baixo custo. Como sabemos, as redes públicas disponibilizam energia elétrica sob duas modalidades básicas: - fontes de tensão monofásica; - fontes de tensão trifásica. Assim, os motores de corrente alternada são classificadas em 2 (dois) grupos, conforme opere sob alimentação monofásica ou trifásica. Os motores monofásicos são utilizados para aplicação onde, em primeiro lugar, só se dispõe de fonte monofásica, como por exemplo, na grande maioria das instalações residenciais e pequenos comércios e indústrias e, cujas necessidades de potência sejam relativamente pequenas (usualmente até cerca de 5 HP). Assim, bombas d'água, eletrodomésticos de maior porte (os de menor utilizam um outro tipo de motor que veremos a seguir), aparelhos de ar condicionado, acionamentos industriais de pequeno porte são aplicações típicas de motores monofásicos. Os motores trifásicos são do ponto de vista da engenharia, que apresentam maior importância, por ser aqueles mais frequentes em aplicações de potência. Estes tipo de motores são agrupados em: - motores síncronos, que apresentam rotação rigorosamente constante e, - motores assíncronos, que cuja rotação é função da carga mecânica (conjugado resistente) a que é submetido. Os motores síncronos, pela sua própria característica, requerem cuidados especiais na operação (em potências mais elevadas, devem partir sem carga mecânica), apresentam construção mais elaborada e tem campo de aplicação restrito. A propósito, conceitualmente motores e geradores diferem principalmente, pela natureza da fonte primária de energia: no motor se injeta energia elétrica e o equipamento disponibiliza energia mecânica e, no gerador ocorre o contrário, injeta-se energia mecânica e o equipamento disponibiliza energia elétrica. Assim, todos os geradores de sistemas trifásicos (inclusive os de usinas hidroelétricas) são máquinas síncronas, semelhantes a motores síncronos trifásicos), daí sua grande importância. Por outro lado, os motores assíncronos, também chamados de “motores de indução”, são os realmente mais difundidos e utilizados nas aplicações de engenharia, por sua simplicidade de utilização, versatilidade e custo. A característica básica desse tipo de motores é que apresentam a velocidade variável, em função do valor carga mecânica que os solicita. Os motores assíncronos monofásicos são, usualmente, utilizados quando se requer um potência de até cerca de SHP, sendo que, para potências maiores são utilizados motores trifásicos, embora também haja motores trifásicos desse último tipo, com potências menores do que 5HP. Por esta razão, o foco central desta apostila são os motores trifásicos de indução, cujo princípio de funcionamento, características técnicas e de aplicação serão abordados com maior detalhe nos capítulos seguintes. c) Motores Universais Este tipo de motor pode ser alimentado em corrente alternada ou em corrente contínua, porém, é economicamente viável para pequenas potências (pequenas frações de HP) sendo utilizados em principalmente, em eletrodomésticos de pequeno porte tais como ligiuidificadores, enceradeiras, etc. 3. MOTORES TRIFÁSICOS DE INDUÇÃO 3.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS Neste capítulo, são apresentados os principais elementos referentes a motores de indução trifásicos, quais sejam: a) princípio de funcionamento; b) detalhes construtivos; c) tipos de ligação; d) conjugado e; e) métodos de partida. 3.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 3.2.1 CAMPO GIRANTE Consideramos uma superfície cilíndrica, sobre a qual dispomos de 3 espiras (constituídas por condutores de mesma impedância), cujos eixos de simetria normais à superfície cilíndrica formam ângulos de 120º entre si como mostra a figura 3.1. Figura 3.1 - 3 espiras dispostas sobre uma superfície cilíndrica to & tg Figura 3.3 Campo Girante E é ... eso feado |esTo [rod +. l4.L d hi ga 1 E a 1 a 1 “e “e E so” sor 12 150% qu 1 “TT, I, SM Lam 13 tam | É 1 ADI Tau ” LT Tam PES Tas bs 1 = 88 Tan) ONA Tan) Tama [A Ls “4 STM Eloam PET Ena DE am D & AM ga | MARTA ' LAH | STR by a = aa] Tam am [Tings ] miáuls |Mr2kRçç, | 4/5804 [85 REggs | 0/5 EI, 145 Es 243 Eta 1/5 EI, direção D =204 80" -809 -130% 2809 -1 u Observamos ainda que o campo produzido pelas bobinas pode ser assimilado ao existente no entreferro de um imã permanente que gira com velocidade angular q (fig. 3.4); podendo se imaginar a existência de um polo norte e um polo sul localizados sobre a superfície cilíndrica substituindo as espiras, que se deslocam com velocidade angular w; daí advindo a expressão de campo girante com um par de pólos. Figura 3.4 - Campo Girante produzido por um par de polos Note que se trocássemos a alimentação de 2 bobinas, isto é, alimentássemos a bobina 2 com a corrente que injetamos na bobina 3, e a bobina 3 alimentássemos com a corrente que injetamos na bobina 2, teríamos como resultado a mudança no sentido de rotação do campo girante. 3.2.2 VELOCIDADE DE SINCRONISMO A velocidade de rotação do campo girante é chamada de velocidade de sincronismo ou síncrona. O valor desta velocidade depende da maneira como estão distribuídas e ligadas as bobinas no estator do motor, bem como da frequência da corrente que circula pelo enrolamento estatórico. Prova-se que esta velocidade vale: sor N.= onde, Ns = velocidade do campo girante em rpm. f = frequência da tensão de alimentação (Hz) P = número de pares de pólos Observa-se que: A força longitudinal não nos interessa do ponto de vista do funcionamento do motor, de vez que somente dará esforço de deformação da espira. A primeira, será responsável pelo conjugado motor (Fx x d). Sob a ação deste conjugado, a espira começa girar no mesmo sentido de rotação do campo girante. À medida que a velocidade de rotação da espira aumenta, a velocidade da espira em relação ao campo girante diminui, diminuindo desta maneira, a variação do fluxo através da espira e consequentemente diminuindo a força eletromotriz induzida, a corrente induzida e o conjugado motor criado por esta última. O conjugado motor será reduzido até atingirmos a condição de regime na qual se verifica a igualdade: Crnotor = Cresistente É claro que a velocidade da espira, nunca poderá atingir a velocidade síncrona, de vez que isso ocorrendo, a posição relativa da espira e do campo girante permanece inalterada, não havendo variação de fluxo e consequentemente não havendo geração de correntes induzidas (Cmoor = 0). De quanto exposto, resulta a denominação desta máquina, “motor assíncrono”, que prende-se ao fato desse tipo de máquina nunca atingir a velocidade de sincronismo. 3.2.4 ESCORREGAMENTO Define-se escorregamento como sendo a diferença entre a velocidade síncrona e a parte móvel do motor, denominada rotor, expressa em porcentagem daquela, isto é: onde ws e Ns são respectivamente a velocidade angular do campo girante e a rotação do campo girante e; o e N a velocidade angular e a rotação do rotor. Salientamos que a plena carga, usualmente o escorregamento de um motor quando opera em regime permanente está compreendido entre 3 e 6%; assim, sua velocidade apresenta apenas pequenas variações. EXEMPLO - Um motor trifásico de indução de 4 pólos é alimentado com tensão de 220 V, 60 Hz e gira a 1720 r.p.m. Qual é seu escorregamento? 1. Determinação da velocidade síncrona Ne 60f — 60x60 = 1.800 rpm =p 2 Tp 2. Determinação de s N,-N 1800-1720 = 100= ——>——— x100 = 4,45% N 1800 s EXEMPLO - Um motor de indução trifásico é alimentado com tensão de 220 V - 50 Hz gira em vazio a 995 r.p.m. Pede-se: a) o número de pólos do motor. b) o escorregamento em vazio a) Determinação do número de pólos A determinação do número de pólos é feita por tentativas. Sabemos que em vazio, o motor gira com velocidade muito próxima à de sincronismo, portanto, calcula-se a velocidade síncrona para os vários valores do número de pólos e aquela que mais se aproximar da de vazio nos dá o número de pólos. Assim, para f = 50 Hz temos: Número de pares de pólos | 01 02 03 |/04/05 N, (r.p.m.) 3000 | 1500 | 1000 | 750 [600 portanto, trata-se de motor com 3 pares de pólos. b) Determinação do escorregamento MN (op = 1000-995 100 100 = 0,5% 3.3 DETALHES CONSTRUTIVOS 3.3.1 INTRODUÇÃO Os motores de indução são constituídos dois grupos de enrolamentos montados sob núcleos de materiais ferromagnéticos (bobinas): um imóvel, constituído pelas bobinas que (embora fixas) criam o campo girante, denominado “estator” e, outro grupo móvel (girante), constituído pelas bobinas que sob a ação do campo girante, giram no interior do estator, este é chamado de rotor. O estator também é chamado de “indutor”e o rotor de “induzido”. A necessidade de ambos serem constituídos por núcleos ferromagnéticos se prende ao fato de assim, ser possível obter fluxo de indução a partir de correntes relativamente pequenas. Se o núcleo fosse de ar, seria necessário uma corrente muitas vezes maior para se obter o mesmo fluxo (“Desde que não saturado, a relutância do ferro é muito menor que a do ar”). 3.3.2 ESTATOR a) Núcleo de Ferro O núcleo de material ferromagnético do estator é constituído por um conjunto de lâminas de ferro com o formato de uma coroa circular, justapostas. No diâmetro interno são executados entalhes (fig. 3.8), equidistantes, que no conjunto, irão constituir os “canais” onde se alojarão os condutores. PERFIS PE CANAIS Figura 3.8 - Detalhes Construtivos do Núcleo de Ferro do rotor ser imersa em ar; consequêntemente o valor da corrente também será reduzido. Ao espaço existente entre o rotor e o estator dá-se o nome de “entreferro”. O rotor, tal como o estator, é constituído por um conjunto de lâminas de ferro com baixo teor de silício. As lâminas são coroas circulares com uma série de canais equidistantes situados na circunferência externa (figura3.10). O conjunto de lâminas é mantido comprimido por meio de anéis e é fixado ao eixo por meio de uma chaveta. Existem dois tipos principais de enrolamentos de rotor: “rotor em gaiola” e “rotor bobinado”. No rotor em gaiola, alojam-se nos canais, barras de cobre ou alumínio que são postas em curto circuito nas duas extremidades (fig. 3.11) através de aneis que lhes são solidários. Figura 3.10 - Coroas circulares que constituem o núcleo do rotor 20 Figura 3.11 - Rotor em Gaiola No bobinado empregam-se bobinas usualmente elaboradas por fios de cobre e ligados em estrela, de tal modo que os 3 terminais da ligação sejam conectados a aneis condutores, isolados entre si, montados concentricamente no eixo do rotor. Através de escovas fixas de grafite, que deslizam sobre a superfície dos aneis, é possível se ter acesso ao circuito do rotor. A fig. 3.12 ilustra esse tipo de rotor. Figura 3.12 - Rotor Bobinado 2 3.4 TIPOS DE LIGAÇÃO 3.4.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS Consideremos um motor de indução trifásico de 1 par de pólos, portanto constituído, como vimos, por 3 bobinas, cada uma alimentada por uma fase do sistema trifásico. Como sabemos, uma bobina é um bipólo elétrico (portanto com 2 terminais) constituída, por várias espiras. O dimensionamento do isolamento e da capacidade de corrente que as bobinas podem suportar, determinam a tensão adequada de operação e a potência elétrica do motor, que por sua vez, determinam a potência mecânica que podem fornecer. Assim sendo, se por exemplo tivermos uma bobina dimensionada para operar sob tensão de 220 V e. dispormos de uma fonte trifásica com tensão de linha de 220 V; então deveremos ligar as bobinas do motor em delta, para que se possa operar o motor conforme foi dimensionado e assim obtermos a potência especificada. Porém, se dispusermos de uma fonte trifásica de 380 V, relativamente frequente em instalações industriais, a ligação das bobinas deverá ser a ligação estrela, pois assim cada uma delas ficará submetida à tensão de 380/13, ou seja 220V, operando portanto conforme dimensionada. Note que a potência elétrica ( P=V3VIcos FI) que o motor absorve da rede no caso de ser alimentado por 220V e ligação delta é a mesma que absorve quando alimentado por 380V e ligação estrela. Considerando agora que se possa subdividir cada bobina de cada fase em 2 conjuntos obtem-se, ao invés de 1 bobina/fase, 2 bobinas/fase e, consequentemente 4 terminais por fase, ao invés de 2 terminais/fase. Nesse caso, teremos maior possibilidade de utilizarmos o motor, adequadamente, alimentado por uma maior variedade de tensões. Assim, por exemplo se dispusermos de um motor com bobinas isoladas para tensão de 220 V e dispusermos de uma fonte de 440 V, poderemos opera- lo, adequadamente, se associarmos as bobinas de cada fase em serie e, posteriormente executarmos a ligação delta. Assim, cada bobina ficará submetida a tensão de 220 V. Agora, se dispusermos de uma fonte de 760 V, devemos associar as bobinas em serie e utilizar a ligação estrela (verifique!). 22 A seguir numeram-se os terminais de saída desses mesmas bobinas com os números 4, 5 e 6 (com as letras: X, Y e Z). c) Repete-se o procedimento até a numeração de todos os terminais. Figura 3.14 - Esquema para a numeração dos terminais das bobinas. 34.3 LIGAÇÃO DE MOTORES COM 12 TERMINAIS EXTERNOS Os tipos de ligação de um motor com 12 terminais externos estão esquematizados na figura 3.15. Admitimos que cada bobina é dimensionada para trabalhar com tensão V e frequência f, resultando para as tensões de linha os valores apresentados. a) Ligação A b) Ligação AA Tensão de linha 2V(440V) Tensão de linha V(220V) 25 c) Ligação À d) Ligação AA Tensão de linha 23 V(760V) Tensão de linha 3 V(380V) Figura 3.15 - Motor com 12 terminais. 3.4.4 MOTORES COM 9 TERMINAIS EXTERNOS 26 a) Ligação triângulo/duplo-triângulo (A/AA) Nos motores de 9 terminais externos com ligação triângulo/duplo- triângulo, o fabricante interliga internamente os terminais 1 com 12, 2 com 10 e 3 com 11, que recebem os números 1, 2, 3, respectivamente (fig. 3.16 (a) e (b)). E 2r É Ç a) Ligação A (Viinha=2 V=440V) b) Ligação AA (Viinh=220V) Figura 3.16 - Motor com 9 terminais (A/AA) b) Ligação estrela/dupla-estrela (A/AA) Este tipo de ligação é obtido interligando-se internamente os terminais 10-11 e 12 (fig. 3.15 (c) e (d)). Evidentemente a ligação dupla-estrela é obtida ligando-se as bobinas de cada fase em paralelo, porém, como o centro estrela constituído pelos terminais 10, 11 e 12 não é acessível, resultarão dois centros de estrelas (10-11-12 e 4-5-6), fato este que em nada afetará o funcionamento do motor, pois, os dois centros de estrela estão ao mesmo potencial, uma vez que as impedâncias das seis bobinas são iguais. 21 b) Se o; * or 4 é variável no tempo havendo portanto uma f.e.m. induzida na espira dada pela Lei de Lenz, expressa por (IN); AD eD=- AQUI = Quax (O 0) sen [(0-0)t+ 0] Wit+0O | 90º[(ws-wit +O t=0 t=t Figura 3.19 - Posição relativa do campo girante e bobina c) Como a bobina está em curto circuito esta f.e.m. provocará a circulação de uma corrente i(t) na bobina, expressa por (Il), onde Z é a impedância da espira e q é a defasagem entre tensão e corrente na bobina (num circuito indutivo a corrente está atrasada em relação à tensão, ver Nota (1)). ID iO= O. (amoo sen [(0, - 0,5) t+ 0] onde: 6º =0-q q é a defasagem entre tensão e corrente da bobina ou a “fase da impedância Z”. 5 d) Ora, uma corrente i(t) imersa em um campo de indução B está sujeita a uma força, cuja direção e sentido são dados pela “regra da mão esquerda”) e, expressa por (TV). 30 (IV) |Fl=|B| i(t) 1, onde 1 é o comprimento da bobina F=B.l DA sendo, - 0) t+07] NOTA (1): Num circuito de corrente alternada as correntes e tensões são expressas por funções senoidais do tipo v(t) = Vmax (sen wt+ at) (O = Imax (sen wt+ a.- q) onde a velocidade angular q é propocional a frequência (GD = 27f) da rede, sendo no caso brasileiro igual a 377 rd/s (ou seja, 2 x 3,1416 x 60 Hz) e, a é a fase inicial da tensão e q é a defasagem entre tensão e corrente. A figura abaixo ilustra a tensão e a corrente de um circuito indutivo, onde a corrente esta atrasada em relação a tensão, ou seja, primeiro ocorre o máximo de tensão e depois de q/60) segundos ocorre o máximo de corrente. Diz-se nessas condições que a corrente está atrasada de um ângulo de q radianos em relação à tensão. No caso que estamos analisando, a fase da tensão induzida na bobina é: ((D, - Ort + O, pois a fregiiência de tensão induzida é a diferença entre fregiiência síncrona (do estator) e a fregiiência (rotação) do rotor. (Para visualizar este fato, basta considerar o caso onde a espira está parada em relação ao estator (a fregiiência seria «o, ou está a girando com rotação igual ao do campo girante que é a fregiiência síncrona (a fregiiência séria 0). Considerando que o circuito é indutivo e a defasagem seja q: a fase de corrente será: (o, - 0) t+6- q] ou [(o, -m) +67] Lembramos que a impedância Z de um circuito de uma bobina real (ou seja, que alem da indutância também encerra a resistência do condutor que a constitui) é dada por Z = R + j w L, cujo módulo é [Z] =1 Rº +(oL) ea defasagem q entre a tensão e a corrente nesse bipolo é a fase do vetor Z, ou seja, tg p= WL/R. No caso da nossa bobina em que a fregiiência é (co, - 0x, fica: Z=VR+( oL onde Ré a resistência do condutor que constitue o rotor e L é a indutância do rotor e, tg p = (0,- o)L/R. e) Evidentemente a componente dessa força que nos interessa (que realiza trabalho) é a projeção normal ao plano da bobina, Fw, pois aquela 31 pertencente a esse plano, só tende deformar a espira. O módulo de Fy é expresso por (V) e o conjugado dela resultante por (V]). (V) Fx=F sen [(0,- 05) t+ 0] C=2R.Fy, onde R é a metade da largura da espira C=2RBI. (0-0) fuax/Z (sen [(0-m,) t+ 0]. sen [(0,-mr) t+ 0]) como: seno sen B= [cos (a - B)-cos(a+PB)] e 2RBI=qmax (VD C= [duax/Z] (D-Wr) [cos (9 - 6º - cos [2(w,-or) t+ O + 07] f) Note que há 2 parcelas que constituem a expressão do conjugado, sendo que uma é pulsante, portanto com valor médio nulo, não contribuindo para o valor do conjugado médio que realiza trabalho, portanto a expressão do conjugado fica: C= (max/Z (00, - O) cos (0 - 07) como: p= 60 - 6º : defasagem entre tensão e corrente do rotor O =s Q,: onde s é o escorregamento do rotor em relação ao campo girante Z=VRº4+s.w.L: onde Z, R e L são respectivamente a impedância, a resistência e a indutância do rotor, vem que: onde X= wo, L R cos p= . sR então: C = 0, Pina = R+sX e ainda como max, que é o fluxo máximo criado pelo estator, é proporcional ao quadrado da tensão de alimentação V? (ver NOTA (2) C=kv o R+Sx? NOTA (2): Considere uma bobina com N espiras, sujeita a um fluxo concatenado 4, que varia com o tempo. A tensão induzida será: V = N (dg/dt) ou 4 = 1/N fvdt = 1/NÍ Vmax cos ot dt 4 = 1/00N Í Vax cos O a (Do $=-1/0N Vyax Sen ot= max sen ot onde Quax = 1/0N Vmax ou Quax=K Vmax 32 NGpm) Ns 0 Figura 3.20 - Assíntotas da Curva Conjugado x Rotação f) nas vizinhanças de s = O (velocidade síncrona), a fregiência da indução resultante do fluxo concatenado do campo girante é praticamente zero, pois o rotor gira à mesma rotação que o campo girante. Nessas condições, a indutância é praticamente nula, havendo portanto a situação dual do item anterior, ou seja, é possível desprezar o termo 242 ã : 2 - s“X”, da expressão do conjugado, face ao termo Rº. Assim sendo, a assíntota à curva do conjugado nesse ponto, será: que é uma reta em s, conforme mostra a figura 3.20. Note que para s = 2 , . . Ses C =KV/X, portanto o mesmo valor da assíntota do item anterior. A figura 3.20 apresenta a forma da curva do conjugado, uma vez que as condições de contorno calculadas devem ser respeitadas: - domínio da variável independente s: 0 a 1 - valores do conjugado paras=0es=1 - valor do conjugado máximo - assíntotas no ponto s = O e no ponto s = 1 Note que, usualmente a curva é apresentada com a rotação N crescendo da esquerda para a direita e, o escorregamento s decrescendo, como na figura 3.21. 35 b) Regime de Operação Estável e Instável A rotação crítica Nc, que corresponde ao escorregamento crítico sc, determina duas regiões de operação, conforme ilustrado na figura 3.21: - a região que o motor opera com rotação entre a velocidade crítica e a velocidade síncrona: Suponhamos que o motor esteja operando com Ng rotações e conjugado Ck, no ponto E, havendo equilíbrio entre o conjugado resistente Cr e o conjugado motor Cp. Qualquer pequeno aumento (ou diminuição) do conjugado resistente, resultará no primeiro momento, em uma frenagem (ou aceleração) do motor, fato que corresponderá a um aumento (ou diminuição) do conjugado motor Cx, que por sua vez, provocará uma aceleração (ou frenagem) que se contraporá à frenagem (ou aceleração) que houve, restabelecendo novamente o equilíbrio. Há portanto um regime estável de operação. - a região que o motor opera entre o repouso e a velocidade crítica: Suponhamos que o motor esteja operando com Ni rotações e conjugado Ci no ponto I, havendo equilíbrio entre o conjugado resistente Cr e o conjugado motor Ci. Qualquer pequeno aumento (ou diminuição) do conjugado resistente, resultará no primeiro momento, em correspondente frenagem (ou aceleração), fato que corresponderá a uma diminuição (ou aumento) do conjugado motor Ci, que por sua vez provocará uma nova frenagem (ou aceleração) e assim sucessivamente, levando a rotação a zero (ou ao valor correspondente ao conjugado resistente, porém na região estável). Portanto qualquer perturbação no regime de operação desloca o ponto de trabalho, para a completa parada do motor ou para outro ponto de trabalho completamente diferente. Fica assim caracterizada a operação em um regime instável. 36 região estável região instável —— TN =" Ne Figura 3.21 - Regiões de Operação c) Influência de Resistência do Rotor Consideremos a rotação crítica, onde o conjugado é máximo e o escorregamento é dado por ser sc = R/X, conforme visto anteriormente, sendo R e X a resistência e a reatância do rotor. Quando o R aumenta, o valor de sc, também aumenta proporcionalmente, deslocando a ocorrência do conjugado máximo para rotações menores (lembre que, quando s aumenta N diminue). Note o valor do conjugado máximo não é função da resistência do rotor, portanto permanecendo constante quando se altera o valor de R. A figura 3.22 ilustra esse fenômeno. AUMENTO DE R Figura 3.22 - Influência da Resistência do Rotor 37 onde: Cm = max (Os-Or) = Qmax + S Os e S Os = Os- Or Note que (1) expressa o valor da corrente do rotor,em função do tempo, mas como se trata de uma grandeza senoidal podemos exprimi-la através de seu valor eficaz (lembre que Verica = Vpico/ 2). Assim: Ônas. O, 1 aD irotor(eficaz) = = TSE 2 JR+9xX? Como o fluxo concatenado entre o estator e o rotor é o mesmo, vale dizer que: (ver NOTA (4)) (IN) dm = 2 Vouun(eficaz) CN. o onde: - N é o número de espiras do estator e, - V é a tensão que alimenta o estator. Substituindo (III) em (TI) é possível relacionar a tensão do estator, com a corrente do rotor. 2 V. 1 > ou . Ss. Irotor(eficaz) = DD TE = = Noir 0 2 VR + 2 Lrotor(eficaz) = Como estamos considerando que o estator tem N espiras e o rotor 1 espira e, o fluxo concatenado é o mesmo, vale dizer que: (Note que estamos utilizando o princípio de funcionamento dos transformadores, onde a relação entre as tensões do primário e secundário é diretamente proporcional a relação entre o número de espiras do primário e do secundário e, a relação entre as correntes é inversamente proporcional a relação do número de espiras). Irotor(eficaz) = E» VRê+sX onde E; é a tensão eficaz induzida no rotor, o que sugere o seguinte circuito equivalente: NOTA (3): como X=s «w,L, quando a fregiiência é (05, - 0) ou seja s (9,, a indutância deve ser X'=s cosL ou X'=sX. irotor (65 E2 R/s Figura 3.25 - Circuito Equivalente do Rotor Considerando que a relação entre a corrente absorvida da rede pelo estator (Tabs) €, a corrente do rotor é inversamente proporcional à relação de espiras, vem: irotor Ess Cs EN NO NR 49X? NVR+SX? Ls = sV VR 4 sx? ou Lys=K Note que a expressão da corrente absorvida sugere o seguinte circuito equivalente do motor: NOTA (4): Consideremos que N espiras do estator criam um fluxo concatenado com 1 espira do rotor com fregiiência q. Conforme a Lei de Lenz, a tensão v(t) do estator será: dt) 1 (0=N então A(t)= —Vmucos otd (ot v dt 1) aN (ax) 1 Voar HD) = —— Vmax sen ot com qmax =— asN oN SD = Omax SEN OL ou Ou = NET oN 41 Trotor Tabsorvida Figura 3.26 - Circuito Equivalente do Motor b) Corrente de Partida e de Regime A análise de expressão da corrente absorvida indica que no instante de partida (s = 1) a corrente é bastante elevada, valendo: À medida que o motor vai acelerando, o escorregamento s vai assumindo valores decrescentes, tendendo a zero e, a corrente absorvida também vai decrescendo, tendendo a zero (figura 3.27). Verifica-se na prática, que o valor da corrente de partida é de 6 a 12 vezes o valor de corrente de carga nominal, que por sua vez, corresponde a um escorregamento de cerca de 4% a 6% (s = 0,04 a s = 0,06). Aliás, este problema do elevado valor das correntes de partida é tratado em item posterior, neste mesmo texto, em que são estudados métodos de partida de motores. I partida Figura 3.27 - Correntes de Partida c) Influência da resistência do Rotor e da Tensão 42 A tensão aplicada no motor durante a partida tem o valor reduzido em relação a tensão de operação em regimen permanente. O valor da tensão durante a partida é igual a tensão de fase do sistema trifásico de alimentação e, depois de transcorrido o periodo de partida é aplicada a tensão plena, que é a tensão de linha do sistema trifásico de alimentação. Isto é facilmente obtido através da utilização de uma chave trifásica que comuta os dois tipos de alimentação, conforme mostra a figura 3.29. Figura 3.29 - Ligação da Chave Estrela-Triângulo Note que a tensão aplicada no estator do motor durante a partida, quando a chave está na posição I, é igual a VA, passando a ser V, quando o motor já superou a fase de partida e a posição da chave passa a ser II. A figura 3.30 apresenta o funcionamento da operação do motor utilizando-se uma chave estrela-triangulo, considerando-se uma carga que apresenta a curva de conjugado resistente Cr. Nessa figura, observa-se que: - A curva de conjugado do motor, durante o periodo de partida é 3 vezes menor que aquela que o motor apresenta durante a operação em regime permenente, pois durante a partida a tensão aplicada é '3 menor e, como o conjugado é proporcional ao quadrado da 45 tensão, o conjugado motor será reduzido a um terço do valor durante esse período. A corrente absorvida da rede de alimentação, durante a partida, também é um terço da corrente em regime permanente. Isto porque a corrente absorvida da rede é igual a corrente que percorre o estator (pois a ligação durante a partida é estrela), que por sua vez é proporcional a tensão que é aplicada ao estator, que é "3 vezes menor do que a tensão plena. Note que em regime permanente, além da tensão aplicada no estator ser a tensão plena (portanto "3 maior do que aquela aplicada durante a partida), resultando portanto em corrente no estator N3 vezes maior, a ligação em triângulo que permanece na operação de regime, determina que a corrente absorvida da rede seja 3 vezes maior do que aquela que percorre a fase (o estator). Vale dizer então, que a corrente absorvida da rede durante a partida é: I abs(partida) = Tostator(em estrela) = (V 3) /Z > onde Z é a impedância do motor e, a corrente absorvida da rede em regime permanente é: E abstregime) = V3 Lestatotem triângulo) = V3 (V/ Z); portanto: Eabstregimo / Tabsípartida, = (3 (VIZD MV 3) /7)=3 - Considerando que a chave é comutada da posição correspondente a ligação estrela para a ligação triângulo, no ponto P”, quando o motor já atingiu velocidade de cerca de 60% da velocidade síncrona, a corrente na rede de alimentação será determinada pela curva de corrente reduzida até esse ponto, passando, a partir daí para a outra curva de corrente superior, mas que já apresenta valores bem menores do que aqueles correspondentes a escorregamentos maiores (partida); Este método de partida pode ser aplicado a qualquer tipo de motor de indução trifásico, quer seja de rotor em gaiola ou bobinado. Usualmente se utiliza contatores para a comutação das ligações estrela triângulo. 46 e et A, EN. Bco o | | Soo Jovi me Já N Ned Ti F o ao se és fo so Figura 3.30 - Curva de Conjugado e Corrente Absorvida da Rede Utilizando-se Chave Estrela-Triângulo 3.6.3 Resistores de Partida em Motores com Rotor Bobinado Os motores com rotor bobinado permitem que se tenha acesso aos enrolamentos do rotor através de escovas fixas que deslizam sobre anéis solidários ao eixo, conectados eletricamente aos enrolamentos. Quando os terminais externos dessas escovas estão em curto circuito, a impedância dos enrolamentos do rotor é determinada pela resistência e pela indutância do rotor, porém ao abrimos o circuito desses terminais, podemos introduzir uma impedância no rotor, conforme mostra a figura 331. 4 Os motores de indução trifásicos são dimensionados para operarem segundo determinadas condições de alimentação e aplicação. As condições de alimentação dizem respeito a tensão e frequencia do sistema trifásico que cede energia elétrica para o funcionamento e as condições de aplicação se referem à carga mecânica que o motor suporta. A especificação dos parametros que caracterizam a alimentação e a aplicação são apresentados nos “Dados de Placa”, que se apresentam impressos em uma placa solidária ao corpo do motor. Os dados de placa são valores nominais, isto é, valores para os quais o motor foi dimensionado para operar, sem que haja prejuizo de sua vida útil. Isto não significa que o motor não opere fora dos valores nominais, porém quando isto acontece, ou estaremos forçando o motor funcionar em uma situação de sobrecarga ou não estaremos utilizando toda a potencialidade do motor, em outras palavras: estaremos sobre utilizando ou sub utilizando o motor. No que se refere à alimentação, os dados de placa trazem: - tensão nominal da fonte trifásica (por ex.: 220 V); - frequencia da fonte de alimentação (por ex.: 60 Hz); - tipo de ligação que deve ser utilizada (por ex.: delta/delta). Em geral nos dados de placa há a indicação da tensão de alimentação que deve ser utilizada para cada tipo de ligação, então por exemplo, se a ligação duplo delta deve ser utilizada com tensão de 220 V, a ligação dupla estrela deve ser utilizada com tensão de 380 V; No que se refere à aplicação, os dados de placa trazem: - potência nominal do motor (por ex.: 3 HP) que exprime a potência mecânica que o motor pode ceder sem que haja prejuizo em sua vida útil, desde esteja sendo alimentado conforme os parametros nominais; - rotação nominal do motor (por ex.: 1720 rpm) que é a rotação que o motor apresenta quando operando em condição nominal; - fator de potência nominal (por ex.: 0,85) que é o fator de potência que o motor apresenta, diante da rede de alimentação, quando operando em condição nominal; - corrente nominal do motor (por ex.: 3 A) que é a corrente que o motor apresenta quando operando em condição nominal; 50 - rendimento nominal (por ex.: 92%) que é a relação entre a potência mecânica que o motor cede à carga e, a potência elétrica que absorve da rede absorve da rede, quando operando em condição nominal; 4. MOTORES MONOFÁSICOS DE CORRENTE ALTERNADA 4.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS Os motores trifásicos de indução, apesar de serem eficientes para aplicações industriais, não apresentam utilidade nas aplicações residenciais visto que as residências não são alimentadas por um sistema trifásico de tensões, como discutido em capítulos anteriores. No entanto, uma vasta gama de eletrodomésticos utilizam-se de motores para os seus acionamentos, de modo que os motores de corrente alternada monofásicos apresentam uma utilidade muito grande na vida moderna. São vários os tipos de motores monofásicos, e suas aplicações dependem basicamente do tipo de eletrodoméstico que o utiliza. Para os eletrodomésticos mais potentes, tais como: geladeiras, freezers, máquinas de lavar roupa, etc., o motor monofásico mais utilizado é o motor monofásico com capacitor, ao passo que nos liquidificadores, ventiladores, etc., que são equipamentos mais leves, os motores mais utilizados são do tipo “shaded-pole”ou universal. Neste capítulo, discutiremos os princípios de funcionamento destes tipos de motores, que apesar de possuírem um desempenho “pobre”, sob o ponto de vista de rendimento, são os motores mais fabricados atualmente, com uma produção diária que atinge valores elevadíssimos. 4.2 MOTORES MONOFÁSICOS “SHADED-POLE” Os motores monofásicos “shaded-pole”, também conhecidos por motores de polos sombreados, utlizam-se do fenômeno da indução eletromagnética para seu funcionamento. 51 Para introduzir os aspectos importantes deste fenômeno, vamos de início analisar o circuito magnético simples mostrado na Figura 4.1, que é muito utilizado na confecção dos eletroimãs de corrente alternada. 10 | 4) lá L a Pd ii(t) = Iicoswt ix(t) = Doos(wt— a) ix(t) = corrente induzida Figura 4.1 - Princípio dos polos sombreados Este circuito magnético é constituido de 2 bobinas assim construídas: a bobina 1 é feita de fios de cobre esmaltados, contendo um número elevado de espiras a qual é alimentada por uma fonte de corrente alternada que injeta nesta bobina uma corrente elétrica variável senoidalmente no tempo; a bobina 2 é constituída por uma única espira de cobre, alojada em ranhuras e com suas extremidades curto-circuitadas. A circulação de corrente senoidal na bobina 1, produz no núcleo ferromagnético um fluxo magnético variável também senoidalmente no tempo, seja 41 este fluxo. Este fluxo GI se divide em $2 e $3, sendo que 42é a parcela do fluxo que se concatena com a bobina 2 e $3é a outra parcela. 52 PCUSER DATE 03/31/97 Phase CAO-BIBS FLUX2O 7.11 | Figura 4.4 - Distribuição de campo magnético - Motor “Shaded- Pole” Para o entender o funcionamento deste dispositivo, o leitor poderá determinar o sentido do torque analisando o formato das linhas de campo magnético, para tal, basta supor que as linhas de campo são “elásticos” estendidos que tendem à posição de repouso. 4.3 MOTORES UNIVERSAIS 4.3.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS Da mesma forma que o motor “shaded pole”, o motor universal possui também uma vasta aplicação em acionamentos de pequenos eletrodomésticos. A escolha entre um tipo ou outro depende do controle de velocidade exigido. Como exemplo, os ventiladores giram a rotação constante, neste caso o “shaded pole” é adequado, pois é um motor de rotação (praticamente) constante como todos os motores de indução; ao passo que em um liquidificador, em que se exige um controle da velocidade, o motor universal é mais adequado, pois sua rotação pode ser controlada. 55 4.3.2 ASPECTOS CONSTRUTIVOS A seção transversal de um motor universal está mostrada na Figura 4.5 que se segue, PCUSER cháten SCALE CAO-BIBS FLUX2D 7.11 Figura 4.5 - Motor Universal Nesta figura podemos identificar: Estator: Parte fixa do motor, constituída de chapas de aço magnético e com peças polares (2 polos no exemplo) nas quais estão presentes as bobinas de campo. Rotor: Parte móvel do motor, também denominada de armadura, que é constituída de chapas de aço magnético, com ranhuras uniformemente espaçadas nas quais são alojados os condutores de um enrolamento idêntico ao enrolamento da máquina de corrente contínua. No eixo deste rotor é colocado um dispositivo, denominado coletor, que consiste de 56 lâminas de cobre em formato cilíndrico, sobre as quais é colocada escovas de grafite para contato elétrico. 4.3.3 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO O enrolamento da armadura, cujas extremidades são as escovas de grafite assentadas no coletor, é associado em série com o enrolamento do estator. Esta associação série dos enrolamentos é alimentada pela fonte de corrente alternada, que no caso das residências é de 110V ou 220V, de modo que a mesma corrente circula por ambos enrolamentos. Aplicando-se a regra da mão direita, a circulação de corrente nos enrolamentos do estator produz um campo magnético pulsante alinhado com o eixo do enrolamento, linha A indicada na Figura 4.6. PCUSER DATE 04/01/37 ES Figura 4.6 - Campo Magnético produzido pelo estator 57 de energia, poderão, no futuro, condenar este motor nos acionamentos de eletrodomésticos. Para o entender o funcionamento deste dispositivo, o leitor poderá determinar o sentido do torque analisando o formato das linhas de campo magnético como foi discutido no caso dos motores “shaded pole”. 4.4 MOTORES MONOFÁSICOS COM DOIS ENROLAMENTOS 4.4.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS Os motores monofásicos possuem também uma vasta aplicação industrial, sobretudo no acionamento de pequenas ferramentas. Compressores, esmeril, furadeiras, etc., são alguns exemplos nos quais os motores monofásicos são muito utilizados na industria. Sua construção é muito semelhante a do motor trifásico. O estator, construído com chapas de aço magnético, possui ranhuras nas quais são alojados dois enrolamentos (no caso do motor trifásico são três), separados de 90 graus um do outro (120 graus para o motor trifásico), Figura 4.9. PRINCIPAL E AN Lageinio ê Figura 4.9 - Estator do motor monofásico com 2 enrolamentos a 90 graus O rotor, por outro lado, é um rotor a gaiola de esquilo, idêntico portanto ao do motor trifásico a gaiola. 4.4.2 MOTOR “SPLIT-PHASE” No motor “Split-Phase”, estes dois enrolamentos são diferentes, isto é, possuem número de espiras e espessura do fio diferentes. Um dos enrolamentos, denominado de enrolamento principal, possui fio mais grosso e é o responsável pelo desenvolvimento da maior parte da potência do motor; o outro enrolamento, confeccionado de fio mais fino e com maior número de espiras, é denominado enrolamento auxiliar. ITED Bus L AR Figura 4.10 - Motor “Split-Phase” Estes dois enrolamentos são associados em paralelo, Figura 4.10, e como possuem impedâncias diferentes, os mesmos são percorridos por correntes diferentes em módulo e fase. Esta defasagem entre as correntes dos enrolamentos produz um campo magnético rotativo, não tão eficiente como nos motores trifásicos, mas o suficiente para a produção de um torque responsável por sua rotação. Esta deficiência do campo rotativo, resulta em um baixo rendimento desta máquina. Como principais aplicações do “split-phase” destacam-se: ventiladores de teto, esmeril e pequenas lixadeiras. 4.4.3 MOTOR MONOFÁSICO COM CAPACITOR DE PARTIDA 61 O motor monofásico com capacitor de partida diferencia-se do “split- phase” através da utilização de um capacitor que é colocado em série com o enrolamento auxiliar, como mostra a Figura 4.11. A função deste capacitor consiste, através de uma combinação entre a sua impedância e a impedância do enrolamento auxiliar, de defasar em (aproximadamente) 90 graus a corrente do enrolamento principal da corrente do enrolamento auxiliar na partida, produzindo um campo girante (praticamente) ideal para produção de torque elevado. cante fuge c nave puxiLd fe Figura 4.11- Motor monofásico com capacitor de partida Este capacitor é desconectado através de um contato elétrico acionado por um dispositivo centrífugo presente no eixo do motor, isto é, o contato é aberto quando o motor adquire uma determinada velocidade, normalmente próxima a rotação nominal do motor. Desconectando-se este capacitor, o enrolamento auxiliar fica inativo e apenas o enrolamento principal permanece energizado. Como um único enrolamento não produz um campo girante, a questão que se apresenta é: como o motor monofásico funciona após a retirada do capacitor? 62 runo 7m rotação Sem capacitor .... Com capacitor resultante Observação : o capacitor é desconectado quando atinge a rotação nl Figura 4.14 - Característica Torque x Rotação - Com capacitor 4.4.4 MOTOR MONOFÁSICO COM CAPACITOR PERMANENTE O motor monofásico com capacitor permanente é idêntico ao motor monofásico com capacitor de partida, diferenciando-se deste apenas pela ausência do contato centrífugo. Este motor é mais eficiente que o anterior, visto que o campo magnético produzido é rotativo e não pulsante, como naquele caso, pois os campos magnéticos rotativos implicam em melhor rendimento das máquinas de corrente alternada. Face ao fato do capacitor permanecer permanentemente conectado, o capacitor deste motor é de melhor qualidade, portanto mais caro, que o capacitor utilizado apenas na partida. Nos motores monofásicos com capacitor de partida utiliza-se capacitores eletrolíticos bipolares (dois capacitores eletrolíticos em paralelo com polaridades invertidas), os quais são mais baratos que o capacitor a óleo ou de polipropileno utilizados no motores monofásicos com capacitor permanente (ver figura 4.15). 65 torque rotação Figura 4.15 - Característica Torque x Rotação - Com capacitor permanente 4.4.5. APLICAÇÕES Os motores “split-phase”, como já foi discutido, são utilizados em ventiladores de teto, esmeril, bombas d'água de pequena potência, etc., e são fabricados com potência fracionária, ou seja, menores que 1CV. Os motores monofásicos com capacitor de partida e com capacitor permanente são utilizados em acionamentos mais pesados, como compressores, geladeiras, máquinas de lavar roupa, etc., e são fabricados com potências que variam de 1/4CV a 10CV. É possível ainda encontrarmos motores monofásicos com um único enrolamento em pequenas lixadeiras. Como estes motores não apresentam torque de partida, o usuário deve, manualmente, impulsioná-lo em uma dada direção para vê-lo funcionar. 66