Maquinas de indução

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Máquinas Elétricas
Eletrotécnica
Definições
• Máquinas elétricas são dispositivos
capazes de converter energia elétrica em
energia mecânica e vice-versa.
• Geradores: convertem energia mecânica
em elétrica.
• Motores: convertem energia elétrica em
mecânica.
Motores Elétricos
Motor de Indução
Motor de indução
Máquina Assíncrona
Enrolamento de estator trifásico
Rotor tipo gaiola de esquilo
Rotor gaiola de esquilo
Rotor tipo bobinado
Pacote magnético do estator
• A máquina de indução é, dentre as
máquinas elétricas, a mais utilizada na
indústria.
Máquina Assíncrona
• Na máquina assíncrona tanto o rotor
quanto o estator conduzem corrente
alternada.
• A corrente que circula pelo rotor é uma
corrente induzida devido a um campo
variável devido à diferença de velocidade
de rotação do rotor e do campo girante.
• Por isso a nomenclatura máquina de
indução.
Máquina Assíncrona
Campo magnético girante
• Os enrolamentos trifásicos localizados no estator e
representados pelos enrolamentos aa’, bb’ e cc’ estão
deslocados de 120 graus entre si. Quando uma corrente
alternada senoidal circula por um enrolamento ela
produz uma força magneto motriz senoidal centrada no
eixo do enrolamento.
• A força magneto motriz resultante é a
composição vetorial das três componentes de
força magneto motriz.
Campo magnético girante
• Devido a corrente na fase A está em um instante
de máximo, a força magneto motriz produzida
por este enrolamento é máxima.
• O vetor resultante força magneto motriz F possui
a mesma amplitude em todos os instantes de
tempo, girando em sentido anti-horário.
No instante de
tempo to, a corrente
na fase A passa por
um máximo positivo
e as corrente nas
fases B e C por
metade da
amplitude máxima
negativa.
Campo magnético girante
Princípio de funcionamento
Tensões induzidas
• O campo magnético girante induz tensões
nas fases do estator. As expressões para
as tensões induzidas podem ser obtidas
utilizando a lei de Faraday
wp KNfE ⋅⋅⋅⋅= ϕ11 44,4
Escorregamento
• É óbvio que a velocidade do rotor não pode ser
igual à velocidade síncrona, pois assim,
nenhuma corrente seria induzida no
enrolamento do rotor e consequentemente
nenhum torque seria produzido.
s
s
n
nn
s
−
=
Circuito do rotor
wp KNfE ⋅⋅⋅⋅= ϕ212 44,4 Rotor parado
22 EsE s ⋅= Rotor girando
snsn ⋅−= )1(
Freqüência da corrente 
induzida no Rotor12
fsf ⋅=
Velocidade do Rotor
Circuito equivalente
• O circuito equivalente pode ser utilizado
para estudar e antecipar o desempenho
da máquina de indução com apreciável
proximidade da realidade.
Ensaio a vazio
Ensaio com rotor bloqueado
Equações para determinação dos 
parâmetros
sc
asemcfase
sc
I
V
Z
)arg(=
2
3 sc
sc
sc
I
P
R
⋅
= 22
scscsc RZX −=
2
3 rb
rb
rb
I
P
R
⋅
=
rb
bloqueadorotorfase
rb
I
V
Z
)_(=
22
rbrbrb RZX −=msc XXX += 1
21 XXX rb +≅
2
21
rbXXX ==
Curva conjugado x rotação para 
o motor assíncrono
Classificação por categorias
• São caracterizados por possuírem um
conjugado de partida normal, corrente de
partida normal e pequeno valor de
escorregamento em regime permanente.
• Constituem a maioria dos motores
encontrados no mercado e prestam-se ao
acionamento de cargas normais, com
baixo conjugado de partida como: bombas
e máquinas operatrizes.
Categoria N
• Os motores dessa categoria são
caracterizados por possuírem um
conjugado de partida elevado, corrente de
partida normal e baixo valor para o
escorregamento em regime permanente.
• Esta categoria de motores é utilizada para
acionamento de cargas que exigem maior
conjugado de partida, como peneiras,
transportadores carregados, cargas com
alta inércia, etc.
Categoria H
• São caracterizados por conjugado de
partida elevado, corrente de partida
normal e alto escorregamento.
• Utilizados para acionamento de cargas
como: prensas excêntricas e máquinas
semelhantes, em que a carga apresenta
picos periódicos e cargas que necessitam
de conjugado de partida elevado e
corrente de partida limitada.
Categoria D
Controle de velocidade
• Um motor de indução possui velocidade
aproximadamente constante quando
conectado a uma fonte de tensão
constante com uma frequência fixa.
• A velocidade em regime permanente é
muito próxima da velocidade síncrona.
Quando o torque solicitado aumenta, a
velocidade diminui.
Variação da velocidade em 
função da carga
• Em muitas aplicações industriais,
velocidades variáveis ou continuamente
ajustáveis são necessárias.
Controle de velocidade
• Tradicionalmente, motores de corrente
contínua sempre foram utilizados em
aplicações onde era necessário variar a
velocidade da máquina.
• Entretanto, motores de corrente contínua
são caros, requerem manutenção das
escovas e dos comutadores e são
proibitivos em ambientes agressivos.
Controle de velocidade
• Em contrapartida, motores de indução são
baratos, não requerem manutenção, estão
aptos a funcionar em ambientes
agressivos e estão disponíveis para
velocidades elevadas.
Controle de velocidade através 
da variação da freqüência.
Métodos de partida dos motores 
de indução
• Além de causar uma queda de tensão
apreciável, pode afetar outras cargas
conectadas à rede de alimentação.
• Além disso, se uma corrente elevada circular no
motor por um longo intervalo de tempo, poderá
aquecê-lo, danificando o isolamento do
enrolamento.
• Uma corrente de partida de 500 a 800 %
maior que a corrente nominal pode
circular pela rede de alimentação.
Autotransformador abaixador
Partida estrela-triângulo
Fase dividida
Conversor de estado sólido
• É importante ressaltar que embora
tensões menores reduzam a corrente
durante a partida dos motores, o torque de
partida decresce porque o torque é
proporcional ao quadrado da tensão
aplicada.
Métodos de partida dos 
motores de indução
Influência da rede elétrica na 
operação do MIT
• A operação eficiente dos motores de
indução trifásicos depende, entre outras
coisas, da qualidade da rede elétrica de
alimentação.
• O ideal é que esta rede seja equilibrada e
com suas tensões apresentando
amplitudes e frequência constantes.
• A eficiência e o fator de potência dos motores de
indução trifásicos variam segundo o valor da
tensão de alimentação. Estes motores são
projetados para suportarem variações de ±10%
da tensão nominal.
• Os motores devem suportar variações de
frequência de -5% a até +3%. Uma variação
simultânea da amplitude e da frequência pode
ser prejudicial para o motor.
Influência da rede elétrica na 
operação do MIT
• Uma tensão de alimentação abaixo do
valor nominal do motor provoca aumento
da corrente e da temperatura e ainda
redução dos torques de partida e de
regime.
• Por outro lado, um valor de tensão acima
do nominal acarreta redução do fator de
potência e aumento da corrente de
partida.
Influência da rede elétrica na 
operação do MIT
Influência da carga mecânica na 
operação do MIT
• As principais consequências do
superdimensionamento são:
• Maior custo, volume e peso do motor.
• Redução do fator de potência.
• Redução da eficiência, embora muito motores
apresentem sua eficiência máxima a,
aproximadamente, 75% da sua carga nominal.
• Maior corrente de partida, acarretando maior
custo da instalação e proteção.
Fator de serviço
• A norma ABNT NBR 7094/1996, define fator de
serviço como um multiplicador que, quando
aplicado à potência nominal do motor, indica a
carga que pode ser acionada continuamente
sob tensãoe frequência nominais.
• Entretanto, a utilização do fator de serviço
implica em vida útil inferior àquela do motor com
carga nominal.
Influência do ambiente na 
operação do MIT
• As condições ambientais onde está instalado
um motor têm influência na sua operação.
Poeiras que se depositam na sua carcaça, ao
absorverem umidade ou partículas de óleo,
formam uma crosta que dificulta a liberação do
calor.
• Por causa disso, a temperatura interna do motor
se eleva. Uma das consequências é aumentar o
valor da resistência do enrolamento e diminuir a
eficiência do motor.
Grau de proteção - IP
• Motores que trabalham em ambientes
desfavoráveis ou mesmo agressivos devem ser
providos de um grau de proteção.
• A norma brasileira NBR 6146 define os vários
graus de proteção que os motores elétricos
podem apresentar, por meio das letras
características IP, seguida por dois algarismos.
As tabelas 2.1 e 2.2 apresentam os critérios de
proteção.
Tabela 2.1 – Indica grau de proteção contra penetração 
de corpos sólidos estranhos e contato acidental.
1oAlgarismo
Algarismo Indicação
0 Sem proteção
1 Corpos estranhos acima de 50mm
2 Corpos estranhos acima de 12mm
3 Corpos estranhos acima de 2,5mm
4 Corpos estranhos acima de 1,0mm
5 Proteção contra acúmulo de poeiras prejudiciais ao
motor.
6 Totalmente protegido contra poeira.
Tabela 2.2 – Indica grau de proteção contra penetração
de água no interior do motor.
2oAlgarismo
Algarismo Indicação
0 Sem proteção
1 Pingos de água na vertical.
2 Pingos de água até a inclinação de 15o com a vertical.
3 Pingos de água até a inclinação de 60o com a vertical.
4 Respingos em todas as direções.
5 Jatos de água em todas as direções.
6 Água de vagalhões.
7 Imersão temporária.
8 Imersão permanente.
Classes de Isolação
• Classe A – 105 graus
• Classe E – 120 graus
• Classe B – 130 graus
• Classe F – 155 graus
• Classe H – 180 graus
Motor de alto rendimento
Motores de alto 
rendimento => custo de 
aquisição inicial maior 
Entretanto, sua 
utilização pode trazer 
grande economia em um 
curto prazo.
Especificação de motores
motorac
acac
motor
n
Cn
C
⋅
⋅
=
η
argarg
motormotormotor CnP ⋅⋅⋅= π2
Relação de transmissão
motor
ac
n
n
R
arg=
Inércia da carga referida ao eixo 
do motor
2
arg RJJ ace ⋅=
Conjugado motor médio
81,945,0 max ⋅⋅





+⋅= n
nn
p
mmed C
C
C
C
C
C
Conjugado resistente médio
cmedrmed CRC ⋅=
Tempo de aceleração
• É necessário que o tempo de aceleração
do motor seja menor que 80% do tempo
de rotor bloqueado






−
+
⋅⋅⋅=
rmedmmed
m
a
CC
JeJ
nt π2
Exemplo: Considere o sistema abaixo utilizado para
levantamento de peso com capacidade para levantamento
de 50kg, com uma velocidade de içamento igual a 0,5m/s.
Se o raio da polia é igual a 90mm, a redução de 1:32, o
rendimento da talha é igual a 97%, a inércia das partes
girantes é igual a 0,0005Kgm2.
W
vgm
P
talha
252
97,0
5,081,950
=
⋅⋅
=
⋅⋅
=
η
mN
R
v
PP
C
polia
cc
c ⋅==== 36,45
09,0
5,0
252
ω
rpmrps
R
n
n
ac
motor 16993,28
32
1
09,02
5,0
arg ==
⋅
==
π
Tipo do motor Motor de alto rendimento plus
Potência 0,5 CV
Número de pólos 4 pólos
Rotação 1720 rpm
Conjugado nominal (Cn) 0,21 Kgfm
Cp/Cn 2,7
Cmax/Cn 3
J 0,00079
Tempo de rotor bloqueado 10 s
In 2,07 A
23
2
2
_ 10395,0
32
1
09,050 KgmJ emassa
−⋅=




⋅⋅=
26
2
_ 10488,
32
1
0005,0 KgmJ ePG
−⋅=




⋅=
23
__ 10395,0 KgmJJJ ePGemassae
−⋅=+=
NmCrmed 42,136,45
32
1
=⋅=
( ) NmCmmed 28,581,921,037,245,0 =⋅⋅+⋅=
msta 55
42,128,5
10395,000079,0
60
1720
2
3
=





−
⋅+
⋅⋅⋅=
−
π
Gerador Assíncrono
• O escorregamento
no gerador
assíncrono é
negativo:
• O gerador de
indução é acionado
a uma velocidade
maior do que a
velocidade
síncrona.
s
s
n
nn
s
−
=
Corrente de excitação
• Uma corrente de 
excitação deve ser 
fornecida ao 
enrolamento de 
armadura para 
indução no rotor. 
• A amplitude da 
corrente de 
excitação irá 
determinar a 
amplitude da tensão 
nos terminais do 
gerador.
Gerador assíncrono com capacitor 
para excitação da máquina
• Nesta configuração é 
necessário utilizar 
capacitores para 
fornecer os reativos 
de que a máquina 
necessita.
Gerador assíncrono com conversor 
para excitação da máquina
• Nesta configuração não
é necessário utilizar
capacitores pois a
demanda de reativos de
que a máquina
necessita é fornecida
pelo conversor.
• O conversor onera o
sistema uma vez que toda
a potência gerada circula
através do mesmo.
Gerador assíncrono alimentado 
através de escovas
• Nesta configuração a
excitação é proveniente da
rede, através de um
conversor, que é
conectado ao enrolamento
do rotor através de anéis
coletores e de escovas.
• A vantagem é que o
conversor não necessita
processar a potência
nominal do gerador.
Gerador assíncrono duplamente 
alimentado sem escovas (GATDASE)
• Nesta configuração a
máquina possui dois
enrolamentos no estator, um
principal, de potência, e um
auxiliar.
• O enrolamento auxiliar, ou de
controle, é ligado à rede
através de um conversor que
permite controlar o torque, a
velocidade e o fator de
potência da máquina.
Curva Torque x velocidade
Curva Torque x velocidade
Motor
Gerador