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D-3 ESPECIFICA˙ˆO

1.1 Motores elØtricos

Motor elØtrico Ø a mÆquina destinada a transformar energia elØtrica em energia mecânica. O motor de induçªo Ø o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da utilizaçªo de energia elØtrica - baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando - com sua construçªo simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptaçªo às cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos. Os tipos mais comuns de motores elØtricos sªo:

a) Motores de corrente contínua Sªo motores de custo mais elevado e, alØm disso, precisam de uma fonte de corrente contínua, ou de um dispositivo que converta a corrente alternada

1. Noçıes fundamentaiscomum em contínua. Podem funcionar com velocidade ajustÆvel entre amplos limites e se prestam a controles de grande flexibilidade e precisªo. Por isso, seu uso Ø restrito a casos especiais em que estas exigŒncias compensam o custo muito mais alto da instalaçªo.

b) Motores de corrente alternada Sªo os mais utilizados, porque a distribuiçªo de energia elØtrica Ø feita normalmente em corrente alternada. Os principais tipos sªo: - Motor síncrono: Funciona com velocidade fixa; utilizado somente para grandes potŒncias (devido ao seu alto custo em tamanhos menores) ou quando se necessita de velocidade invariÆvel. - Motor de induçªo: Funciona normalmente com uma velocidade constante, que varia ligeiramente com a carga mecânica aplicada ao eixo. Devido a sua grande simplicidade, robustez e baixo custo, Ø o motor mais utilizado de todos, sendo adequado para quase todos os tipos de mÆquinas acionadas, encontradas na prÆtica. Atualmente Ø possível controlarmos a velocidade dos motores de induçªo com o auxílio de inversores de freqüŒncia.

Tabela 1.1

D-4 ESPECIFICA˙ˆO

1.2 Conceitos bÆsicos Sªo apresentados a seguir os conceitos de algumas grandezas bÆsicas, cuja compreensªo Ø necessÆria para melhor acompanhar as explicaçıes das outras partes deste manual.

1.2.1 Conjugado O conjugado (tambØm chamado torque, momento ou binÆrio) Ø a medida do esforço necessÆrio para girar um eixo. É sabido, pela experiŒncia prÆtica que, para levantar um peso por um processo semelhante ao usado em poços - ver figura 1.1 - a força F que Ø preciso aplicar à manivela depende do comprimento l da manivela. Quanto maior for a manivela, menor serÆ a força necessÆria. Se dobrarmos o tamanho l da manivela, a força F necessÆria serÆ diminuída à metade. No exemplo da figura 1.1, se o balde pesa 20N e o diâmetro do tambor Ø 0,20m, a corda transmitirÆ uma força de 20N na superfície do tambor, isto Ø, a 0,10m do centro do eixo. Para contrabalançar esta força, precisam de 10N na manivela, se o comprimento l for de 0,20m. Se l for o dobro, isto Ø, 0,40m, a força F serÆ a metade, ou seja 5N. Como vemos, para medir o esforço necessÆrio para girar o eixo nªo basta definir a força empregada: Ø preciso tambØm dizer a que distância do eixo a força Ø aplicada. O esforço Ø medido pelo conjugado, que Ø o produto da força pela distância, F x l. No exemplo citado, o conjugado vale: C = 20N x 0,10m = 10N x 0,20m = 5N x 0,40m = 2,0N.m.

C = F . l( N . m )

Figura 1.1

1.2.2 Energia e potŒncia mecânica A potŒncia mede a velocidade com que a energia Ø aplicada ou consumida. No exemplo anterior, se o poço tem 24,5 metros de profundidade, a energia gasta, ou trabalho realizado para trazer o balde do fundo atØ a boca do poço Ø sempre a mesma, valendo 20N x 24,5m = 490Nm (note que a unidade de medida de energia mecânica, Nm, Ø a mesma que usamos para o conjugado - trata-se, no entanto, de grandezas de naturezas diferentes, que nªo devem ser confundidas).

W = F . d( N . m )

OBS.: 1Nm = 1J = W . D t

A potŒncia exprime a rapidez com que esta energia Ø aplicada e se calcula dividindo a energia ou trabalho total pelo tempo gasto em realizÆ-lo. Assim, se usarmos um motor elØtrico capaz de erguer o balde de Ægua em 2,0 segundos, a potŒncia necessÆria serÆ:

Se usarmos um motor mais potente, com capacidade de realizar o trabalho em 1,3 segundos, a potŒncia necessÆria serÆ:

A unidade mais usual para medida de potŒncia mecânica Ø o cv (cavalovapor), equivalente a 736W. Entªo as potŒncias dos dois motores acima serªo:

F . d

como, 1cv = 736Wentªo,

F . d

C = F . r( N.m )

Para movimentos circulares

v=—( m/s )

F . d

P (kW) = 0,736 . P (cv)ou

Relaçªo entre unidades de potŒncia P (cv) = 1,359 P (kW)

1.2.3 Energia e potŒncia elØtrica Embora a energia seja uma coisa só, ela pode se apresentar de formas diferentes. Se ligarmos uma resistŒncia a uma rede elØtrica com tensªo, passarÆ uma corrente elØtrica que irÆ aquecer a resistŒncia. A resistŒncia absorve energia elØtrica e a transforma em calor, que tambØm Ø uma forma de energia. Um motor elØtrico absorve energia elØtrica da rede e a transforma em energia mecânica disponível na ponta do eixo.

Circuitos de corrente contínua A potŒncia elØtrica , em circuitos de corrente contínua, pode ser obtida atravØs da relaçªo da tensªo ( U ), corrente ( I ) e resistŒncia ( R ) envolvidas no circuito, ou seja:

P = U . I( W )
ou,
ou,
P = RI2( W)

Onde:U=tensªo em volt

Circuitos de corrente alternada a) ResistŒncia

D-5 ESPECIFICA˙ˆO

No caso de resistŒncias , quanto maior a tensªo da rede, maior serÆ a corrente e mais depressa a resistŒncia irÆ se aquecer. Isto quer dizer que a potŒncia elØtrica serÆ maior. A potŒncia elØtrica absorvida da rede, no caso da resistŒncia, Ø calculada multiplicando-se a tensªo da rede pela corrente, se a resistŒncia (carga), for monofÆsica.

P = U x I( W )

No sistema trifÆsico a potŒncia em cada fase da carga serÆ Pf = Uf x If, como se fosse um sistema monofÆsico independente. A potŒncia total serÆ a soma das potŒncias das trŒs fases, ou seja:

P = 3Pf = 3 x Uf x If

Lembrando que o sistema trifÆsico Ø ligado em estrela ou triângulo, temos as seguintes relaçıes:

Ligaçªo estrela: U = Ö3 Ufe I = If
Ligaçªo triângulo: U = Ufe I = Ö3 . If

Assim, a potŒncia total, para ambas as ligaçıes, serÆ:

P = Ö3 . U . I( W )

OBS.: Esta expressªo vale para a carga formada por resistŒncias, onde nªo hÆ defasagem da corrente.

b) Cargas reativas Para as cargas reativas , ou seja, onde existe defasagem, como Ø o caso dos motores de induçªo, esta defasagem tem que ser levada em conta e a expressªo fica:

P = Ö3 x U x I x cos j( W )

A unidade de medida usual para potŒncia elØtrica Ø o watt (W), correspondente a 1 volt x 1 ampŁre, ou seu mœltiplo, o quilowatt = 1.0 watts. Esta unidade tambØm Ø usada para medida de potŒncia mecânica. A unidade de medida usual para energia elØtrica Ø o quilo-watt-hora (kWh) correspondente à energia fornecida por uma potŒncia de 1kW funcionando durante uma hora - Ø a unidade que aparece, para cobrança, nas contas de luz.

1.2.4 PotŒncias aparente, ativa e reativa

PotŒncia aparente ( S ) É o resultado da multiplicaçªo da tensªo pela corrente ( S = U x I para sistemas monofÆsicos e S = Ö3 x U x I, para sistemas trifÆsicos ). Corresponde à potŒncia que existiria se nªo houvesse defasagem da corrente, ou seja, se a carga fosse formada por resistŒncias. Entªo,

Evidentemente, para as cargas resistivas, cos j = 1 e a potŒncia ativa se confunde com a potŒncia aparente. A unidade de medidas para potŒncia aparente Ø o volt-ampØre (VA) ou seu mœltiplo, o quilo-volt-ampŁre (kVA).

PotŒncia ativa ( P ) É a parcela da potŒncia aparente que realiza trabalho, ou seja, que Ø transformada em energia.

P = Ö3 x U x I x cos j( W )
P = S . cos j( W )

ou,

Q = Ö3 . U. I sen j( V Ar )
Q = S . sen j( V Ar )

PotŒncia reativa ( Q ) É a parcela da potŒncia aparente que nªo realiza trabalho. Apenas Ø transferida e armazenada nos elementos passivos (capacitores e indutores) do circuito. ou,

Triângulo de potŒncias

Figura 1.2 - Triângulo de potŒncias (carga indutiva)

1.2.5 Fator de potŒncia O fator de potŒncia, indicado por cos j, onde j Ø o ângulo de defasagem da tensªo em relaçªo à corrente, Ø a relaçªo entre a potŒncia real (ativa) P e a potŒncia aparente S (figura 1.2).

Assim, - Carga Resistiva: cos j = 1

- Carga Indutiva: cos j atrasado

- Carga Capacitiva: cos j adiantado Os termos, atrasado e adiantado, referem-se à fase da corrente em relaçªo à fase da tensªo. Um motor nªo consome apenas potŒncia ativa que Ø depois convertida em trabalho mecânico, mas tambØm potŒncia reativa, necessÆria para magnetizaçªo, mas que nªo produz trabalho. No diagrama da figura 1.3, o vetor P representa a potŒncia ativa e o Q a potŒncia reativa, que somadas resultam na potŒncia aparente S. A relaçªo entre potŒncia ativa, medida em kW e a potŒncia aparente medida em kVA, chama-se fator de potŒncia.

Figura 1.3-O fator de potŒncia Ø determinado medindo-se a potŒncia de entrada, a tensªo e a corrente de carga nominal

Importância do fator de potŒncia

Visando otimizar o aproveitamento do sistema elØtrico brasileiro, reduzindo o trânsito de energia reativa nas linhas de transmissªo, subtransmissªo e distribuiçªo, a portaria do DNAEE nœmero 85, de 25 de março de 1992, determina que o fator de potŒncia de referŒncia das cargas passasse dos entªo atuais 0,85 para 0,92. A mudança do fator de potŒncia, dÆ maior disponibilidade de potŒncia ativa no sistema, jÆ que a energia reativa limita a capacidade de transporte de energia œtil. O motor elØtrico Ø uma peça fundamental, pois dentro das indœstrias, representa mais de 60% do consumo de energia. Logo, Ø imprescindível a utilizaçªo de motores com potŒncia e características bem adequadas à sua funçªo. O fator de potŒncia varia com a carga do motor. Os catÆlogos WEG indicam os valores típicos desta variaçªo.

Correçªo do fator de potŒncia O aumento do fator de potŒncia Ø realizado, com a ligaçªo de uma carga capacitiva, em geral, um capacitor ou motor síncrono super excitado, em paralelo com a carga.

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