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ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO Motores Elétricos (Edição Preliminar) Antonio Tadeu Lyrio de Almeida - Agosto de 2004 - ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO 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 contínua e os de corrente alternada, sendo que estes ainda podem ser síncronos ou de indução (assíncronos). 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 contínua, 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 síncrono) 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. ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS ÍNDICE CAPÍTULO 1: CONCEITOS BÁSICOS _____________________________________________ 1 RESUMO __________________________________________________________________________ 1 1.0 - INTRODUÇÃO _________________________________________________________________ 1 2.0 – CAMPO MAGNÉTICO CRIADO POR CORRENTE _________________________________ 1 3.0 –TENSÃO INDUZIDA ____________________________________________________________ 2 4.0 - FORÇA DE LORENTZ __________________________________________________________ 3 5.0 - CONJUGADO OU TORQUE _____________________________________________________ 3 5.1 – Conceito de Conjugado _________________________________________________________________ 3 5.2 - Conjugado Eletromagnético ______________________________________________________________ 4 6.0 – POTÊNCIA MECÂNICA ________________________________________________________ 4 7.0 - AÇÕES MOTORA E GERADORA ________________________________________________ 5 CAPÍTULO 2: MOTORES ELÉTRICOS ____________________________________________ 7 RESUMO __________________________________________________________________________ 7 1.0 - INTRODUÇÃO _________________________________________________________________ 7 2.0 – TIPOS DE MOTORES___________________________________________________________ 7 3.0 – CARACTERÍSTICA NOMINAL __________________________________________________ 8 4.0 – POTÊNCIA ____________________________________________________________________ 9 5.0 – CONJUGADO OU TORQUE _____________________________________________________ 9 6.0 - VIDA ÚTIL DE MOTORES ELÉTRICOS _________________________________________ 10 7.0. - CLASSE DE ISOLAMENTO ____________________________________________________ 10 8.0 – GRAUS DE PROTEÇÃO MECÂNICA DOS INVÓLUCROS DOS MOTORES __________ 11 8.1 – Graus de proteção_____________________________________________________________________ 11 8.2 - Utilização de Motores em Áreas Perigosas__________________________________________________ 12 ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS CAPÍTULO 3: MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS _____________________________ 14 RESUMO _________________________________________________________________________ 14 1.0 - INTRODUÇÃO ________________________________________________________________ 14 2.0 - NATUREZA E FORMAÇÃO DOS CAMPOS GIRANTES ____________________________ 14 3.0 – INVERSÃO DE DUAS FASES ___________________________________________________ 16 4.0 - VELOCIDADE SÍNCRONA _____________________________________________________ 17 5.0 – ROTAÇÃO E CAMPO GIRANTE ________________________________________________ 17 6.0 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO _____________________________________________ 18 7.0 - ESCORREGAMENTO __________________________________________________________ 19 8.0 - FREQÜÊNCIA DAS GRANDEZAS DO ROTOR____________________________________ 19 CAPÍTULO 4: ASPECTOS CONSTRUTIVOS DOS MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS _____________________________________________________________________________ 20 RESUMO _________________________________________________________________________ 20 1.0 - INTRODUÇÃO ________________________________________________________________ 20 2.0 - PARTES COMPONENTES DO ESTATOR ________________________________________ 22 2.1 - Carcaça _____________________________________________________________________________ 22 2.2 – Parte Ativa __________________________________________________________________________ 22 2.3 – Caixa de Terminais ___________________________________________________________________ 23 2.4 – Ligações dos Enrolamentos _____________________________________________________________ 23 2.4.1 – Tipos de ligações____________________________________________________________________ 23 2.4.2 – Marcação de terminais dos motores _____________________________________________________ 25 3.0 - PARTES COMPONENTES DO ROTOR___________________________________________ 26 3.1 – Núcleo do Rotor ______________________________________________________________________ 26 3.2 – Enrolamentos ________________________________________________________________________ 26 3.2.1 – Rotor gaiola________________________________________________________________________ 26 3.2.2 – Rotor bobinado _____________________________________________________________________ 26 3.3 - Eixo________________________________________________________________________________ 27 4.0 - OUTROS COMPONENTES _____________________________________________________ 27 4.1 - Mancais_____________________________________________________________________________ 27 4.2 – Sistema de Arrefecimento ______________________________________________________________ 28 4.3 – Escovas e Porta-escovas________________________________________________________________ 29 CAPÍTULO 5: CARACTERÍSTICAS DOS MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS ______ 30 RESUMO _________________________________________________________________________ 30 1.0 - INTRODUÇÃO ________________________________________________________________ 30 ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS 2.0 – OPERAÇÃO EM CARGA DE UM MIT ___________________________________________ 30 3.0 – GRANDEZAS CARACTERÍSTICAS _____________________________________________ 31 3.1 - Potência_____________________________________________________________________________ 31 3.2 - Tensões _____________________________________________________________________________ 31 3.3 – Velocidade __________________________________________________________________________ 31 3.4 – Torque ou Conjugado__________________________________________________________________ 31 3.5 – Perdas______________________________________________________________________________ 33 3.6 – Potências Elétricas ____________________________________________________________________ 33 3.7 – Fator de Potência _____________________________________________________________________33 3.8 - Rendimento__________________________________________________________________________ 33 3.9 – Corrente do Estator ___________________________________________________________________ 33 Exercício de fixação _______________________________________________________________________ 34 3.10 - Fator de Serviço _____________________________________________________________________ 34 4.0 – CURVAS CARACTERÍSTICAS__________________________________________________ 35 5.0 - EFEITOS DOS DESBALANÇOS DE TENSÕES ____________________________________ 36 Exercício de fixação _______________________________________________________________________ 37 6.0 – FALTA DE FASE ______________________________________________________________ 37 7.0 - FLUTUAÇÕES DE TENSÕES ___________________________________________________ 38 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS __________________________________________________ 38 CAPÍTULO 6: PARTIDA DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS _________________ 39 RESUMO _________________________________________________________________________ 39 1.0 - INTRODUÇÃO ________________________________________________________________ 39 2.0 – CONJUGADO MOTOR E ACELERADOR ________________________________________ 39 2.1 – Partida com Rotor Livre ou em Vazio _____________________________________________________ 39 Exercício de fixação _______________________________________________________________________ 39 2.2 – Partida com Carga ____________________________________________________________________ 40 3.0 – CORRENTE NA PARTIDA _____________________________________________________ 40 Exercício de fixação _______________________________________________________________________ 41 5.0 – EFEITOS DA VARIAÇÃO DA TENSÃO __________________________________________ 41 6.0 – EFEITOS DA RESISTÊNCIA DO ROTOR ________________________________________ 42 7.0 – CATEGORIAS DE DESEMPENHO ______________________________________________ 42 8.0 – PROBLEMAS CAUSADOS PELA PARTIDA ______________________________________ 43 8.1 – Motor ________________________________________________________________________ 43 8.2 – Carga e Sistema de Transmissão _________________________________________________________ 43 8.3 – Rede Elétrica e Instalações______________________________________________________________ 43 9.0 - MÉTODOS DE PARTIDA _______________________________________________________ 44 9.1 - Partida com Chave Estrela-Triângulo ______________________________________________________ 44 Exercício de fixação _______________________________________________________________________ 46 9.2 - Chave Compensadora __________________________________________________________________ 47 ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS 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 ________________________________________________________________ 55 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 _________________________________________________________________________ 60 1.0 - INTRODUÇÃO ________________________________________________________________ 60 2.0 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO _____________________________________________ 60 2.1 – Motor Elementar _____________________________________________________________________ 60 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__________________________________________________________________ 65 ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS 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 __________________________________________ 69 10.0 - CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES CC __________________________________________ 69 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 2.2 - Pólos Principais_______________________________________________________________________ 75 2.3 - 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 _________________________________________________________ 80 ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS “A máquina, que produz abundância, tem-nos deixado em penúria. Nossos conhecimentos fizeram-nos céticos; nossa inteligência, empedernidos e cruéis. Pensamos em demasia e sentimos bem pouco. Mais do que de máquinas, precisamos de humanidade. Mais do que de inteligência, precisamos de afeição e doçura. Sem essas virtudes, a vida será de violência e tudo será perdido”. Charles Spencer Chaplin (1889 – 1977) Considerado um dos maiores gênios do cinema, ganhador de três prêmios Oscar e criador de Carlitos, o imortal e impagável vagabundo. A citação acima foi retirada do “Último Discurso” do filme “O Grande Ditador”, uma de suas obras primas, onde ridiculariza Adolf Hitler e o nazismo. ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS CAPÍTULO 1: CONCEITOS BÁSICOS O campo magnético envolve o condutor como mostrado na figura 1. RESUMO Este capítulo apresenta os conceitos básicos e os aspectos fundamentais relativos ao princípio de funcionamento e utilização das máquinas elétricas. 1.0 - INTRODUÇÃO As máquinas elétricas são conversores rotativos que transformam energia elétrica contínua em energia mecânica, ou vice-versa, utilizando-se dos fenômenos da indução e conjugados eletromagnéticos. Sendo assim, podem exercer uma ação geradora ou motora. Figura 1 – Campo magnético em um condutor. O sentido do campo magnético criado pela corrente, por outro lado, pode ser determinado pela regra de Ampère (também conhecida como regra da mão direita) como ilustra a figura 2. Um motor elétrico apresenta aspectos construtivos similares ao do gerador e, desta forma, diferem apenas na forma de serem empregados. A máquina atuando como motor, absorve energia elétrica de uma fonte de energia elétrica para desenvolver um conjugado que poderá acionar uma carga mecânica em seu eixo. Por outro lado, o gerador tem a velocidade de seu eixo estabelecida por uma máquina primária, fornecendo energia elétrica como produto final. Observe-se que as máquinas elétricas, de uma forma geral, são reversíveis, ou seja, um motor em determinadas situações pode agir como gerador ou vice-versa. Todas as máquinas elétricas apresentam seu princípio de funcionamento baseado nas leis da indução e conjugado eletromagnético. Figura 2 – Regra de Ampère ou da mão direita. 2.0 – CAMPO MAGNÉTICO CRIADO POR CORRENTE Observe-se que, ao fazer circular uma determinada corrente por um condutor enrolado em torno de um material magnético (espiras), é possível imantá-lo, obtendo-se um imã artificial (eletroímã ou solenóide). Em 1820, o físico dinamarquês Hans Christian Oersted divulgou que havia descoberto que uma corrente elétrica circulando por um condutor produz um campo magnético. Tal descoberta foi revolucionária, pois associou a eletricidade e o magnetismo que se supunha fenômenos distintos e sem relação. O francês André Marie Ampère, depois de conhecer os resultados experimentais de Oersted, formulou uma lei que permite quantificar a indução magnética ou a densidade do campo magnético em função da intensidade da corrente. ________________________________________________________________________________________________ Capítulo 1: Conceitos Básicos - 1 Figura 3 – Eletroímã ou solenóide. 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. 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 Ampère, o fluxo magnético no eletroímã 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). Figura 6 – Deslocamento da agulha da bússola. Logo em seguida, a agulha volta a sua posição original, como na figura 7. Figura 4 – Exemplo de curva de saturação. 3.0 –TENSÃO INDUZIDA Figura 7 – Retorno da agulha da bússola à posição original. Coube ao inglês Michael Faraday, onze anos depois de Oersted e Ampère, descobrir como se obter eletricidade a partir do magnetismo. 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. 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. 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. ________________________________________________________________________________________________ Capítulo 1: Conceitos Básicos - 2 Figura 8 – Indução de tensão em bobina. Figura 5 – Experimento de Faraday. ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS 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 o 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 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. Figura 9 – Deflexão do galvanômetro. 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. O cientistarusso 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 I fica submetido a uma força F de origem eletromagnética, cujo valor máximo é: 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. F = B . I . l (1) Onde: l 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. ________________________________________________________________________________________________ Capítulo 1: Conceitos Básicos - 3 Figura 12 – Aplicação de torque em um parafuso. ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS 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 20 N. Então: M = . I (6) Desta forma, pode-se concluir que o conjugado eletromagnético resulta da interação entre fluxo magnético e a corrente da parte que gira. 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: 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. M = (2) dF x 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. 5.2 - Conjugado Eletromagnético Se no lugar de apenas um condutor, inserir-se uma espira de cumprimento l percorrida por corrente I no interior do campo magnético com fluxo , ocorre a situação mostrada na figura 13. 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 (t), ou seja: P = t E (7) Figura 13 - Forças e conjugado em uma espira. Para que um corpo gire em uma volta em um movimento circular uniforme, tem-se que o tempo gasto é igual ao período, ou: 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, conseqüentemente). t = T (8) Assim, considerando-se a expressão (2), o conjugado desenvolvido por uma espira com um condutor apenas é: A energia gasta (ou seja, o trabalho executado) para que o corpo dê uma volta completa é: E = F x d (9) M = B . I . l . d (3) Como a distância percorrida é igual ao comprimento da circunferência, tem-se: Como, l . d é a área A da espira, tem-se: M = B. A . I (4) d = 2 R (10) Sabe-se, entretanto, que: Assim: ________________________________________________________________________________________________ Capítulo 1: Conceitos Básicos - 4 E = F x 2 R (11) B = /A (5) ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS e: P = t E = F x 2 R T 1 = F x R x 2 f (12) Ou: P = M w (13) Ou, ainda: P = M n (14) 7.0 - AÇÕES MOTORA E GERADORA Note-se um fato importante no caso mostrado na figura 13, ou seja, além do surgimento do conjugado eletromagnético pela circulação de corrente, a espira ao girar induz uma tensão em seus terminais. Ela é denominada força contra eletromotriz (f.c.e.m.), pois o seu sentido se opõe à variação de fluxo de acordo, com a lei de Lenz. Por outro lado, como visto anteriormente, ao se induzirem tensões em uma espira em um circuito fechado, ocorrerá a circulação de corrente. Essa corrente ao circular na espira também resultará em um conjugado eletromagnético. Desta forma, é possível concluir que quando ocorre uma: a) ação geradora há a indução de tensão e, ocorrendo a circulação de corrente, o surgimento de um conjugado contrário ao de giro da espira; b) ação motora há o fornecimento de conjugado no eixo da espira e indução de tensão nos terminais da espira (f.c.e.m.). Aplicados estes conceitos às máquinas elétricas, verifica-se que as ações geradora e motora diferenciam-se pelo sentido de transferência de potência, ou seja: a) Ação Motora: potência elétrica absorvida da rede, convertida em potência mecânica através dos fenômenos eletromagnéticos e transmitida no eixo da máquina; Figura 14 – Ação motora. b) Ação Geradora: potência elétrica fornecida à rede, convertida através dos fenômenos eletromagnéticos da potência mecânica, a qual é transmitida de uma máquina primária acoplada no eixo. Figura 15 – Ação geradora. Considerando-se a potência mecânica fornecida por uma máquina elétrica como positiva e a recebida como negativa, tem-se: a) Motor: P > 0; b) Gerador: P < 0. Por outro lado, sabe-se das expressões (13) e (14) que: P = M n = M w (15) Adotando-se para o giro, o sentido horário como positivo, tanto para o conjugado, quanto para a velocidade angular, tem-se: M > 0 (horário) ou M < 0 (anti –horário) e w > 0 (horário) ou w < 0 (anti –horário). Desta forma, resultam as seguintes situações operacionais: a) M > 0 e w > 0; então P > 0, ação motora; b) M < 0 e w > 0; então P < 0, ação geradora; c) M < 0 e w < 0; então P > 0, ação motora; d) M > 0 e w < 0; então P < 0, ação geradora. A figura 16 esclarece o exposto. ________________________________________________________________________________________________Capítulo 1: Conceitos Básicos - 5 ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Figura 16 - Situações operacionais para as máquinas elétricas. Como citado anteriormente, toda máquina elétrica é reversível, ou seja, em determinadas condições podem agir como motor ou como gerador. Observa-se que, para obter uma ou outra situação, basta inverter o sentido do torque. Outro aspecto importante é a constatação de que toda ação geradora também o é de frenagem. Assim, para frear eletricamente uma máquina agindo como motor, basta inverter o sentido do torque eletromagnético. ________________________________________________________________________________________________ Capítulo 1: Conceitos Básicos - 6 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 freqüência 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.). Figura 1 - Quadro sinóptico de aplicação de motores de indução e síncronos. ________________________________________________________________________________________________ Capítulo 2: Motores Elétricos - 7 ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Os motores de corrente contínua 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. 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. Figura 2 – “Famílias” de motores. 3.0 – CARACTERÍSTICA NOMINAL 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 além disto, constam da placa de identificação dos motores ou em catálogos. ________________________________________________________________________________________________ Capítulo 2: Motores Elétricos - 8 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. 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: 1 HP 746 W e 1 C.V 736 W 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 (Pel) e se relaciona com a mecânica (P) através do rendimento, ou seja: = elP P (1) 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, nemsempre 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 = M n= 1,05 M n (2) O torque pode ser calculado por: M = n P = 9,55 n P (3) Nestas condições, se a carga absorve a potência nominal (PN) à sua velocidade nominal (nN), diz-se que o motor desenvolve o seu torque nominal (MN). 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 = Pc (4) Onde: Pc 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 = Mc (5) Onde: M é o torque desenvolvido pelo motor; e, Mc 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(Mc), 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 ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS 6.0 - VIDA ÚTIL DE MOTORES ELÉTRICOS Figura 4 – Transmissão de potência. Se, entretanto, emprega-se algum elemento de transmissão (correias, correntes e engrenagens, por exemplo) que permita que a rotação (nc) da carga seja diferente da rotação (n) do motor elétrico, tem-se: P = (6) Então: M n = x nc (7) De onde: M = x n nc (8) Onde: é o rendimento da transmissão. Quanto às unidades, existem várias delas para o torque, tais como: a) quilograma-força x metro (kgfm ou kgm); b) Newton x metro (Nm); c) libra-força x pé (lbf ft); d) libra-força x polegada (lbf in). As relações aproximadas entre tais unidades são: 1 kgm = 9,81 Nm = 7,23 lb ft = 86,8 lf in e 1 lbf ft = 12 lbf in Observa-se que a relação entre kgm e Nm é igual numericamente à aceleração da gravidade e, por facilidade de conversão entre unidades, é aproximado para 10. Desta forma, é usual empregar-se: 1 kgm 10 Nm A isolação é um dos principais componentes dos motores, pois permite isolar eletricamente as várias partes das máquinas, que estão em potenciais diferentes, uma das outras. Dessa forma, a sua vida útil é considerada como a do próprio motor e deve ser motivo de constante atenção. A vida útil da isolação é compreendida como o tempo necessário para que os seus elementos constituintes falhem, ou seja, que a sua força de tração reduza-se a determinados percentuais da original. Em outras palavras, ela se refere ao envelhecimento gradual do isolante, que vai se tornando ressecado, perdendo o poder isolante, até que não suporte mais a tensão aplicada e produza o curto-circuito. Observe-se que muitos fatores a afetam, tais como umidade, esforços dielétricos excessivos e danos mecânicos, entre outros. Entretanto, a maior causa de envelhecimento é o sobreaquecimento. O efeito da temperatura sobre a vida útil da isolação tem sido objeto de repetidos estudos e, mesmo sob condições de controle excepcionais, não foi possível determinar-se com precisão uma relação entre ambos. Assim, ainda hoje, é aceita a chamada lei de Montsinger, ou seja, que se a isolação operar com 8 a 10 C acima de uma determinada temperatura limite, a sua vida útil se reduz pela metade. Por outro lado, a experiência mostra que, em caso contrário, a sua duração praticamente ilimitada. Este limite de temperatura é muito mais baixo que a temperatura de “queima” do isolante e depende do tipo de material empregado. Na realidade, tal limitação se refere ao ponto mais quente da isolação e não, necessariamente, ao enrolamento todo. Evidentemente, basta um “ponto fraco” no interior de uma bobina para que o enrolamento fique inutilizado. 7.0. - CLASSE DE ISOLAMENTO Para fins de normalização, os materiais isolantes e os sistemas de isolamento (cada um formado pela combinação de vários materiais) são agrupados em classes de isolamento, cada qual definida pelo respectivo limite de temperatura, ou seja, pela maior temperatura que o material pode suportar continuamente sem que seja afetada sua vida útil. Os materiais que compõem as diversas classes são: a) Classe Y: abrange materiais fibrosos, à base de celulose ou seda, não imersos em líquidos isolantes e outros materiais similares; b) Classe A: abrange materiais fibrosos, à base de celulose ou seda (tipicamente) impregnados com líquidos isolantes e outros materiais similares; ________________________________________________________________________________________________ Capítulo 2: Motores Elétricos - 10 ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS c) Classe E: abrange algumas fibras orgânicas sintéticas e outros materiais; d) Classe B: abrange materiais à base de poliéster e poli-imídicos aglutinados com materiais orgânicos ou impregnados com estes; e) Classe F: abrange materiais à base de mica, amianto ou fibra de vidro aglutinados com materiais sintéticos, usualmente silicones, poliésteres ou epóxis; f) Classe H: abrange materiais à base de mica, asbestos ou fibra de vidro aglutinados tipicamente com silicones de alta estabilidade térmica; g) Classe C: inclui mica, vidro, cerâmica e quartzo sem aglutinantes. Figura 5 - Vida estimada do motor em função da temperatura para as classes B e F. Usualmente, os motores de indução disponíveis no mercado são construídos com material isolante classe B ou F. Os de classe H restringem-se a motores de corrente contínua, onde a redução obtida em sua massa apresenta vantagens de custo. 8.0 – GRAUS DE PROTEÇÃO MECÂNICA DOS INVÓLUCROS DOS MOTORES No caso da classe B, por exemplo, admite-se uma elevação de 80 0C a partir de uma temperatura ambiente referência, que normalmente é de 40 0C . Isto significa que o isolante do motor pode operar a uma temperatura máxima de 130 0C, considerando-se uma reserva de 10 0C. 8.1 – Graus de proteção Os invólucros dos motores são designados por uma código que é composto de uma sigla IP, seguida de dois dígitos, como, por exemplo, IP55. O primeiro algarismo indica o grau de proteção contra contatos acidentais nas partes ativas e a penetração de corpos (sólidos) estranhos e, o segundo, indica o grau de proteção contra a entradade líquidos, conforme mostrado nas tabelas 2 e 3, respectivamente. Observe-se, entretanto, que este é um valor médio, resultante da forma de se medir a temperatura através da variação das resistências dos enrolamentos do motor a quente e a frio. Naturalmente, existirão pontos nos enrolamentos que estarão a uma temperatura mais elevada que o valor médio encontrado. Dígito Descrição Sumária Corpos que Não Devem Penetrar 0 Não protegido Sem proteção especial 1 Protegido contra objetos sólidos de dimensão maior do que 50 mm. Grande superfície do corpo humano como a mão. Nenhuma proteção contra penetração lateral. 2 Protegido contra objetos sólidos de dimensão maior do que 12 mm. Dedos ou objetos de comprimento maior do que 80 mm cuja menor dimensão seja > 12 mm. 3 Protegido contra objetos sólidos de dimensão maior do que 2,5 mm. Ferramentas, fios, etc. cuja menor dimensão > 2,5 mm e diâmetro e/ou espessura maiores do que 2,5 mm. 4 Protegido contra objetos sólidos de dimensão maior do que 1,0 mm. Fios, fitas de largura maior do que 1,0 mm, objetos cuja menor dimensão seja maior do que 1,0 mm. 5 Protegido contra poeira e contato a partes internas do invólucro. Totalmente vedado contra poeira, mas se penetrar, não prejudica a operação do equipamento. 6 Totalmente protegido contra poeira e contato a parte interna. Não é esperada nenhuma penetração de poeira no interior do invólucro. A tabela 1 fornece as temperaturas limites correspondentes às classes de isolamento padronizadas. CLASSE DE ISOLAMENTO A E B F H Elevação de temperatura média admissível, calculada pelo método da resistência ( C) 60 75 80 100 125 Diferença de temperatura entre o ponto mais quente e a temperatura média ( C) 5 5 10 15 15 Temperatura ambiente ( C) 40 40 40 40 40 Temperatura admissível do ponto mais quente ( C) 105 120 130 155 180 Tabela 1 - Temperaturas admissíveis para os enrolamentos em função da classe de isolamento. Observa-se que, baseando-se no exposto, a vida estimada em função da temperatura pode ter o comportamento dado na figura 3, para as classes B e F. ________________________________________________________________________________________________ Capítulo 2: Motores Elétricos - 11 Tabela 2 – Grau de Proteção - Primeiro Dígito. ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Dígito Descrição Sumária Proteção Dada 0 Não protegido Nenhuma proteção especial . Invólucro aberto. 1 Protegido contra queda vertical. Gotas de água caindo da vertical não prejudicam o equipamento (condensação). 2 Protegido contra queda de água com inclinação de 15o. Gotas de água não tem efeito prejudicial para inclinações de até 15o com a vertical. 3 Protegido contra água aspergida. Água aspergida de 60o com a vertical não tem efeitos prejudiciais. 4 Protegido contra projeções de água. Água projetada de qualquer direção não tem efeito prejudicial. 5 Protegido contra jatos de água. Água projetada por bico em qualquer direção não tem efeitos prejudiciais. 6 Protegido contra ondas do mar. Água em forma de onda, ou jatos potentes não tem efeitos prejudiciais. 7 Protegido contra os efeitos de imersão. Sob certas condições de tempo e pressão. 8 Protegido contra submersão. Adequado à submersão contínua 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 IPW55 (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 IP55 substitui com vantagens os motores IP12, IP22 ou IP23, apresentando maior segurança contra exposição acidental à poeiras e água. Isto 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 e a 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 interna 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 o: 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 superfície 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 ________________________________________________________________________________________________ Capítulo 2: Motores Elétricos - 12 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 ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃOMOTORES ELÉTRICOS 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 á 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 Intrínseca 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 terra), causar a ignição de uma dada atmosfera explosiva. Ex x: 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”; Ex n: 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 ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS ________________________________________________________________________________________________ Capítulo 3: Motores de Indução Trifásicos - 14 CAPÍTULO 3: MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS 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, freqüências 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 freqüente; 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 Ampère, 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. Figura 2 – Notação adotada. Se, entretanto, utilizam-se três solenóides idênticos, é possível dispô-los espacialmente a 1200 uns dos outros, como mostrado na figura 3. ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS ________________________________________________________________________________________________ Capítulo 3: Motores de Indução Trifásicos - 15 Figura 3 – Disposição espacial dos solenóides. A figura 4 representa a disposição física desses solenóides de modo esquemático. Figura 4 – Representação esquemática da disposição espacial dos solenóides. Ao se efetuar uma conexão trifásica (estrela ou delta, indiferentemente) das três bobinas e aplicando-se aos seus terminais três tensões alternadas senoidais com mesma amplitude e defasadas de 1200 umas das outras, ocorrerá a circulação de correntes igualmente defasadas em 1200 no tempo em cada uma dessas bobinas. Como a circulação das correntes se dá pelas bobinas defasadas em 1200 no espaço, cada uma delas produzirá um fluxo, cujo sentido e intensidade depende da corrente e direção definida pela localização física da bobina. A figura 5, a seguir, ilustra o exposto, considerando-se para a análise nas formas de onda de corrente, um instante genérico t1. Figura 5 – Fluxos produzidos em cada bobina no instante t1. Como os três fluxos atuam na mesma região do espaço, a sua composição originará um fluxo resultante ou total, como mostra a figura 6. Figura 6 – Fluxo resultante. A figura 7 ilustra o exposto, considerando vários instantes ao longo de um ciclo completo da onda de corrente de uma fase. ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS ________________________________________________________________________________________________ Capítulo 3: Motores de Indução Trifásicos - 16 a) Ondas de corrente e instantes adotados. b) Fluxos individuais e resultantes em cada instante. Figura 7 – Fluxos resultantes. Pode ser demonstrado que a intensidade do fluxo resultante neste caso é constante e igual a 1,5 vezes o máximo produzido por qualquer uma das bobinas. Por outro lado, analisando-se a figura 7, verifica-se que o campo resultante ocupa uma posição distinta no espaço a cada instante. Como sua amplitude é constante, o lugar geométrico descrito pelas resultantes é a cada ciclo. Assim, tem-se o campo girante. Figura 8 – Campo girante. Em função do exposto, pode-se imaginar que o campo girante é equivalente àquele que existiria entre dois pólos que giram, como representado na figura 9. Figura 9 – Modelo do campo girante. 3.0 – INVERSÃO DE DUAS FASES Alimentando dois solenóides quaisquer com duas fases trocadas em relação ao mostrado na figura 6, também se obtêm um fluxo resultante como o da figura 10. Figura 10 – Fluxo resultante. ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS ________________________________________________________________________________________________ Capítulo 3: Motores de Indução Trifásicos - 17Analisando-se os mesmos instantes mostrados na figura 7 ilustra o exposto, o campo apresenta o comportamento da figura 11. 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. 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 girante, a qual é diretamente proporcional à freqüência da rede (f) a qual o motor está ligado e, inversamente, ao número de pares de pólos (p), seguindo a seguinte relação: p f ns 60 = (1) Considerando-se (1), as velocidades síncronas mais comuns são aquelas dadas na tabela 1. Número de pares de pólos ns em rpm (f = 60 Hz) ns em rpm (f = 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. ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS ________________________________________________________________________________________________ Capítulo 3: Motores de Indução Trifásicos - 18 Figura 14 – Solenóides e gaiola de cobre. Como visto, ao se fazer circular três correntes alternadas de mesma amplitude, porém defasadas de 1200 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 Ampère, 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. Figura 15 – Campos e gaiola. Desta forma, esse sistema pode ser imaginado como ilustrado na figura 16. 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 (ns). Se tal situação não ocorrer, não há indução de tensões e correntes nas barras da gaiola e, em conseqüência, 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. ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS ________________________________________________________________________________________________ Capítulo 3: Motores de Indução Trifásicos - 19 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. 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 girante (ns), necessariamente. Esse, inclusive, é o motivo que o motor de indução também é chamado de motor assíncrono. A diferença dessas velocidades em relação à velocidade síncrona é denominada escorregamento ou deslizamento, ou seja: s s n nn s - = (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 - FREQÜÊNCIA DAS GRANDEZAS DO ROTOR A freqüência da rede de alimentação (f) e a velocidade síncrona (nS), como se sabe, se relacionam pelo número de pares de pólos (p), ou seja: 60 = s np f (3) 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 freqüência das grandezas induzidas no rotor é: 60 )-( =2 nnp f S (4) Dividindo-se (4) por (3), tem-se: s n nn f f s S = )-( =2 (5) Ou seja: sff =2 (6) Da expressão (6) verifica-se que a freqüência da tensão induzida no rotor é igual ao produto entre o escorregamento e a freqüência da tensão do estator. Portanto, tem-se: f (partida) > f > 0 (rotor livre) ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS CAPÍTULO 4: ASPECTOS CONSTRUTIVOS DOS MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS RESUMO Apresentam-se a seguir as partes componentes dos motores de indução trifásicos, suas descrições e alguns dos aspectos tecnológicos envolvidos em sua construção. 1.0 - INTRODUÇÃO Os motores de indução trifásicos (MIT), de uma forma geral, possuem 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. 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. Nele será produzido o torque motor. A figura 1 a seguir mostra uma vista em corte de um motor de indução trifásico com todos os seus componentes básicos, os quais são analisados nos próximos tópicos, enquanto a figura 2 na próxima página uma vista explodida de um motor de grandeporte. Figura 1 – Vista em corte de um motor de indução trifásico. ________________________________________________________________________________________________ Capítulo 4: Aspectos Construtivos dos Motores de Indução Trifásicos - 20 ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS ________________________________________________________________________________________________ Capítulo 4: Aspectos Construtivos dos Motores de Indução Trifásicos - 21 Figura 2 – Vista explodida de um motor de indução trifásico. ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS 2.0 - PARTES COMPONENTES DO ESTATOR 2.2 – Parte Ativa 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 seqüência analise-se cada um destes componentes com maiores detalhes. A parte 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. Figura 5 – Parte ativa. O núcleo 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. Figura 3 – Estator de um MIT. 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 6 – Exemplo de chapa do núcleo e ranhuras. Os enrolamentos são três conjuntos de bobinas geometricamente defasadas entre si de 1200, que podem estar conectados em delta ou estrela, permitindo a condução de corrente. Os condutores das bobinas são recobertos com vernizes isolantes, enquanto todo o conjunto é, geralmente, isolado do núcleo com papel isolante. ________________________________________________________________________________________________ Capítulo 4: Aspectos Construtivos dos Motores de Indução Trifásicos - 22 A figura 7 ilustra o exposto. Figura 4 – Carcaça de um MIT – Exemplo. 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. 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. 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. Figura 8 – Cabeça de bobina. ________________________________________________________________________________________________ Capítulo 4: Aspectos Construtivos dos Motores de Indução Trifásicos - 23 A ligação estrela-triângulo exige 6 terminais no motor e é aplicável para quaisquer tensões nominais Observe-se na figura 8 que os enrolamentos são recobertos por uma resina isolante. ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS 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 3 a inicial, ou 220 x 3 = 380 V no 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. Figura 11 – Ligações série-paralela em estrela (9 terminais). 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. ________________________________________________________________________________________________ Capítulo 4: Aspectos Construtivos dos Motores de Indução Trifásicos - 24 Figura 12 – Ligações série-paralela em delta (9 terminais). As figuras 11 e 12 ilustram o exposto para as conexões estrela e delta, respectivamente. ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO MOTORES ELÉTRICOS Observe-se que, como o número de pólos é sempre par, este tipo de ligação é sempre possível e, além disto, ela é aplicável para quaisquer outras duas tensões, desde que uma seja o dobro da outra como, por exemplo, 230/460V. 2.4.2 – Marcação de terminais dos motores Os terminais (ou pontas) dos motores brasileiros são numerados seqüencialmente. Considerando-se o motor com maior número de terminais, ou seja, 12, a numeração padronizada é a mostrada na figura 14. Ainda é possível combinar os dois casos anteriores. Nesta situação, o enrolamento de cada fase é dividido em duas partes para ligação série-paralela. Além disso, todos os terminais são acessíveis para possibilitar ligar as três fases em estrela ou triângulo. Deste modo, existem quatro combinações possíveis, ou seja: a) a primeira tensão nominal corresponde à ligação triângulo paralelo; b) a segunda, à estrela paralela, sendo igual a 3 vezes a primeira; c) a terceira corresponde à ligação triângulo série, valendo o dobro da primeira; d) a quarta é correspondente à ligação estrela série, valendo 3 vezes a terceira. Esta tensão é maior que 600 V e, portanto, é indicada apenas como referência
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