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Notas de Aula de Introdução à Máquina de Indução

Prof. Rubens Selinke, M.E.E. ULBRA

DISCIPLINA DE ELETROTÉCNICA 2007-1

Introdução à Máquina de Indução

1. Introdução

Neste trabalho serão apresentados os aspectos básicos das máquinas de indução de forma a possibilitar ao aluno uma visão geral dos princípios de funcionamento.

A máquina de indução ou máquina assíncrona é a máquina elétrica mais amplamente utilizada indústria, normalmente operando sob a condição de motor. Sua performance como gerador deixa muita a desejar, limitando em muito o empregado da máquina assíncrona nesta condição.

aplicações navais, etc

Pelo fato acima exposto a máquina assíncrona é conhecida como motor de indução, ou ainda motor assíncrono. O seu largo emprego se justifica pela sua robustez, pois não existe partes que se desgastam facilmente, tais como: comutador e escova, pelo seu baixo custo, pouca necessidade de manutenção e possibilidade de emprego em praticamente qualquer aplicação, incluindo ambientes hostis, ambientes explosivos, ambientes com poeiras,

Nos dias de hoje a variação e controle da sua velocidade são tão fáceis como no caso do motor de corrente contínua. Os métodos clássicos de controle de velocidade - variação da tensão estatórica, comutação de enrolamento, variação da resistência rotórica no caso de motores de anéis, etc...- são em geral pouco eficientes e apresentam baixos rendimentos, o que na atualidade representa uma séria desvantagem. Sistemas mais modernos empregam conversores estáticos para a variação da velocidade, sendo que estes permitem a variação simultânea da tensão e da freqüência que são aplicadas ao estator ou ao rotor da máquina.

Figura 01 – Sistema de controle de velocidade da Máquina de Indução.

Estes métodos são, assim, mais eficientes e convenientes substituindo os métodos clássicos, podendo-se observar uma tendência decrescente no custo, motivo pelo qual o seu uso já é bastante difundido na prática. Desta forma, portanto, os motores de indução ou síncronos acionados por conversor deverão substituir quase que totalmente os tradicionais motores de corrente contínua.

2 Partes Construtivas Principais da Máquina de Indução

É a estrutura que suporta as demais tais como tampas, caixa de ligação, etcEm geral é

2.1 Carcaça feita de ferro fundido e dotada de aletas para melhorar a capacidade de dissipação de calor.

Figura 02 – Máquina de Indução, vista em corte. 2.2 Estator

É formado de um núcleo de chapas magnéticas (também chamado de pacote), o qual possui ranhuras axiais para alojar o enrolamento do estator.

O uso de chapas magnéticas é justificado pela redução de perdas e melhora do rendimento. O uso de ranhuras além de diminuir o entreferro efetivo e a corrente de magnetização, também é um meio bastante eficiente de transmissão do calor para o exterior.

O estator também aloja as bobinas do enrolamento estatórico que pode ser tanto trifásico como monofásico. Entre as chapas e as bobinas do enrolamento existe elementos de isolação, cuja função é evitar colocar a carcaça e o pacote de chapas sob tensão.

2.3 Rotor É igualmente composto de um núcleo de chapas magnéticas, também dotadas de ranhuras axiais, onde o enrolamento do rotor é alojado. Os enrolamento são de dois tipos:

• enrolamento em curto-circuito (rotor em gaiola de esquilo, rotor em curtocircuito), formado de barras de alumínio conectadas por anel em ambas as extremidades do pacote de chapas. Este enrolamento não é acessível, ou seja não existe nenhum terminal acessível que permita acessá-lo.

A gaiola é injetada sob alta pressão e temperatura não havendo isolação entre as barras e o pacote de chapas. Os anéis nas extremidades axiais tem também a função de garantir uma rigidez mecânica ao pacote de chapas. A forma das ranhuras do rotor influencia o desempenho do motor, especialmente a curva de torque.

• Enrolamento de bobinas (rotor bobinado) feitas em geral de cobre. Trata-se de um enrolamento semelhante ao enrolamento do estator, em geral trifásico. Os seus terminais são conectados a anéis coletores e escovas, os quais podem ser acessados externamente. Este tipo de enrolamento é usado quando se deseja um controle das características de torque e velocidade da máquina. É menos freqüente que o enrolamento em gaiola, uma vez que é mais caro e menos robusto.

• Existem máquinas de CA (em geral máquinas síncronas) em que não existe ranhuras, sendo que a superfície interna do rotor é lisa, conhecidas como slotless machine. Trata-se no entanto de máquinas de uso restrito,sendo a configuração com ranhuras a mais comum no caso de máquinas elétricas.

A escolha de um motor com rotor bobinado também pode ser requerida devida ao processo de partida do motor, uma vez que este tipo de motor pode fornecer um torque mais elevado na partida.

2. Principio de Funcionamento

Conforme já foi visto anteriormente, sempre que houver uma variação do fluxo sobre uma espira (ou um conjunto de espiras formando uma bobina) surge nesta uma tensão induzida, a qual é proporcional à taxa de variação do fluxo.

Numa máquina de indução o fluxo tem uma distribuição espacial aproximadamente senoidal e é criado inicialmente pelo enrolamento do estator.

Sobre o enrolamento do rotor existe assim um fluxo alternado produzindo neste, tensões induzidas, as quais por sua vez produzirão correntes induzidas sempre que o enrolamento do rotor se encontrar fechado.

O campo magnético criado pelas correntes do rotor cria, por sua vez, um outro campo magnético também senoidalmente distribuído que é atraído pelo campo do estator, à semelhança do que ocorre com os pólos de dois imãs.

A força de atração se traduz num torque que atua sobre o eixo do rotor, fazendo-o girar. Quando ao rotor estiver acoplada a uma carga mecânica, o torque e a velocidade transmitirão uma potência mecânica para a carga.

O princípio de funcionamento da máquina de indução pode ser melhor entendido analisandose o arranjo simplificado de uma máquina trifásica de 2 pólos mostrada na figura 3.

Figura 03 – Campo Girante de uma máquina de dois pólos.

Os eixos magnéticos dos enrolamentos do estator estão defasados espacialmente de 120 graus. Além disso, eles estão ligados a um sistema de tensões trifásicas defasadas de 120 graus elétricos, criando um conjunto de correntes igualmente defasadas de 120 graus elétricos entre si.

Cada uma destas correntes cria por sua vez um campo magnético no interior da máquina, que se concentra principalmente no entreferro. Uma análise detalhada da superposição dos campos criados pelas três fases mostra que elas criam conjuntamente um campo com uma distribuição espacial fixa e muito próxima de uma senóide e que gira, sendo assim semelhante a uma onda, conforme mostra a figura 3 para três instantes de tempo.

O campo criado é por isso chamado de campo girante. A natureza do campo girante faz com que o fluxo sobre os enrolamentos do rotor varie temporalmente induzindo neste tensões. As tensões induzidas no enrolamentos do rotor são igualmente tensões senoidais, as quais por sua vez fazem com que correntes senoidais circulem nos enrolamentos do rotor, criando um campo de reação semelhante ao campo criado pelo estator, mas defasado em relação a este.

A força de atração dos campos do estator e do rotor faz com que surja um torque no eixo do rotor e o mesmo gire. Observa-se que, com o rotor parado, a freqüência das correntes do rotor é idêntica à freqüência do estator. Conforme o rotor vai acelerando a freqüência das correntes do rotor diminui, de tal forma que sob condições de carga nominal ela é de apenas uma pequena parcela da freqüência do estator (tipicamente de 3 a 10%). Por outro lado, a rotação mecânica é muito próxima da velocidade com que o campo magnético do estator gira, chamada de velocidade síncrona , a qual é dada por :

f - freqüência (Hz) da rede de alimentação onde o motor está ligado. p - número de pares pólos da máquina, determinado pelo forma com que o enrolamento foi construído (bobinagem do estator).

Por exemplo, um motor de 2 polos (2 pares de pólos) ligado a uma rede de 60 Hz possui uma velocidade síncrona dada por:

motor com número de pares de pólos ímpar (3, 5, 7,).

Salienta-se que o número de pares de pólos do motor é sempre par, não existindo portanto

O motor de indução trabalha numa rotação mecânica um pouco inferior à rotação síncrona, sendo que existe pouca variação da velocidade em função da carga mecânica acoplada ao eixo.

A diferença entre a velocidade do motor n e a velocidade síncrona é chamada de escorregamento s, que em geral é expresso como um percentual da velocidade síncrona:

Em geral, o escorregamento não é maior que 10% em motores normais. Pode-se também expressar a velocidade mecânica do motor em função do escorregamento e da velocidade síncrona:

Tomando-se, por exemplo, um motor com velocidade síncrona de 1200 rpm e escorregamento de 5% obtém-se a seguinte velocidade mecânica:

O nome máquina assíncrona resulta do fato de que a rotação mecânica difere da rotação síncrona, considerando-se que a máquina trabalhe em regime permanente.

Na velocidade síncrona o fluxo concatenado com o rotor é constante (não varia), o que explica porque a tensão induzida e conseqüentemente a corrente e o torque possuem valor nulo.

O torque da máquina assíncrona é zero na velocidade síncrona, uma vez que a tensão induzida é igualmente zero nesta condição particular; ela não pode assim funcionar na velocidade síncrona, uma vez que o torque eletromagnético desenvolvido é zero.

Observa-se que na prática quando a máquina opera a vazio o escorregamento é muito baixo, fazendo com que as tensões induzidas no rotor sejam igualmente baixas. Assim, a corrente do rotor é reduzida, mantendo-se em um valor suficiente apenas para produzir o torque necessário a vazio, o qual equivale é necessário para vencer as perdas rotacionais a vazio.

O fator de potência é extremamente baixo e em atraso, entorno de 0.2-0.3 ou menor, pois a corrente que circula pelo motor é utilizada apenas para suprir as perdas no ferro, as perdas no cobre e para a criação do campo magnético necessário para que ocorra conversão eletromecânica de energia.

Quando uma carga mecânica é aplicada ao rotor, o mesmo tende a desacelerar, fazendo com que a velocidade diminua. O decréscimo na velocidade causa um aumento no escorregamento e da freqüência rotórica, fazendo com que a tensão induzida aumente.

Como conseqüência, ocorre um aumento da corrente induzida no rotor. Por sua vez a corrente do rotor tende a desmagnetizar a máquina. Como a tensão aplicada é constante, o fluxo resultante na máquina deve também permanecer (aproximadamente) constante.

Assim, a corrente do estator terá de aumentar a fim de compensar o efeito da maior corrente do rotor. Portanto, um aumento da corrente do rotor reflete-se num aumento da componente ativa da corrente do estator (componente em fase com a tensão e que produz potência). Desta forma a rede fornecerá mais potência para o estator, a qual será convertida em trabalho mecânico.

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