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Máquinas Elétricas – Prof. José Valderi Cavalcante Silva -2020.1 Nadja Sthephanie Rocha Lima Freire Barreto- 2ª unidade 1 MOTOR INDUÇÃO TRIFÁSICO – MIT BARRETO,Nadja Sthephanie Rocha Lima Freire; SILVA, José Valderi Cavalcante Faculdade Independente do Nordeste - FAINOR Avenida Luis Eduardo Magalhães, 1305 – CEP 45028-440 – Vitória da Conquista, BA tuche10@hotmail.com; josevalderi@fainor.com.br Resumo: Este artigo é apresentado ao Colegiado de Engenharia Elétrica, para a disciplina de Máquinas Elétricas do docente José Valderi Cavalcante Silva, da Faculdade Independente do Nordeste – FAINOR, como complemento para nota da 2ª unidade . Motores elétricos são dispositivos que convertem energia elétrica em energia mecânica, geralmente operando de maneira eletromagnética. De maneira geral, os motores elétricos são divididos em duas grandes classes: – Motores de Corrente Contínua (DC) e Motores de Corrente Alternada (AC). O artigo consiste em motores de Indução trifásica - MIT, onde será demostrado os tipos e seu funcionamento dentre suas características e qualidades. Palavras-chave: Motores elétricos, Indução, funcionamento, MIT. 1. INTRODUÇÃO Descoberto por Michael Faraday e James Clerk Maxwell que já conheciam o princípio do campo girante por volta de 1820. Em 1888 - Nikola Tesla patenteia o motor de indução bifásico. Em 1890 – Michael von Dolivo- Dobrowlsky inventa o motor trifásico de gaiola. O MIT foi a primeira carga exclusivamente AC e deu origem à Segunda Revolução Industrial. Uma questão fundamental em todo tipo de motor elétrico é entender como se produz o movimento rotatório de um eixo (energia mecânica) a partir de corrente elétrica (energia elétrica). Tecnicamente falando, como se produz um torque eletromecânico no rotor. Como sabemos, torque (ou conjugado) é definido pelo produto de uma força por uma distância, sendo medido em Newton-metro (N.m) no sistema SI (Sistema Internacional). No motor de indução, a criação do torque no rotor baseia-se na lei de indução de Faraday e na lei de Lenz. O princípio de funcionamento de um motor de indução, será melhor compreendido com a figura a seguir, onde existe um imã permanente no formato de ferradura que se encontra suspenso, seguro por um fio, diante de um leve disco metálico que gira facilmente em torno de seu eixo completo, justamente por existir uma suspensão cônica apoiada a uma base fixa. Explicando melhor a figura acima, o imã permanente começa a girar em torno de seu eixo, por exemplo torcendo-se o fio, enquanto o disco está parado. O fluxo magnético NS produzido pelo imã começa a varrer a superfície do disco, caracterizando um fluxo variável ao longo do tempo. Essa variação produz a indução de uma tensão no disco, pela lei de Faraday, e consequentemente a circulação de correntes, pois o disco é metálico. Essas correntes induzidas têm sentido de mailto:tuche10@hotmail.com Máquinas Elétricas – Prof. José Valderi Cavalcante Silva -2020.1 Nadja Sthephanie Rocha Lima Freire Barreto- 2ª unidade 2 circulação determinados pela lei de Lenz (o fluxo criado por elas deve se opor à variação do fluxo), de tal modo que criam no disco polaridades magnéticas opostas aos polos do imã permanente. Sob o polo norte do imã cria- se um polo sul no disco, que se atraem. No outro polo acontece a mesma coisa. Em consequência, o disco gira no mesmo sentido do movimento do imã. Se o sentido de rotação do imã permanente for invertido, também se inverte o sentido de giro do disco. Essa imagem acima apenas descreve o princípio de funcionamento, sendo que em um motor de indução real, o imã permanente girando é substituído por um campo girante criado por três bobinas fixas no estator, nas quais circulam correntes alternadas defasadas de 120 graus, e o disco metálico é substituído por um rotor cilíndrico na forma de uma gaiola metálica, como ilustrado na figura abaixo. Note que a gaiola possui aros metálicos na tampa e na base, de tal modo a curto-circuitar as varetas e permitir a circulação de correntes por elas. 2. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSIO O princípio de funcionamento do motor de indução trifásico é o mesmo de todos os motores elétricos, portanto, baseia-se na iteração do fluxo magnético com uma corrente em um condutor, resultando numa força no condutor. Esta força é proporcional às intensidades de fluxo e de corrente. O estator está ligado à fonte de alimentação CA. O rotor não está ligado eletricamente a nenhuma fonte de alimentação. Quando o enrolamento do estator é energizado através de uma alimentação trifásica, cria-se um campo magnético girante. À medida que o campo varre os condutores do rotor, é induzida uma fem nesses condutores ocasionando o aparecimento de uma corrente elétrica nos condutores. Os condutores do rotor, percorridos por corrente elétrica, interagem com o campo magnético girante do estator para produzir um torque eletromagnético que atua sobre os condutores do rotor fazendo-o girar. Entretanto, como o campo do estator gira continuamente, o rotor não consegue se alinhar com ele. A velocidade do rotor é sempre menor que a velocidade síncrona (velocidade do campo girante). 2.1. LEI DE FARADAY “Sempre através da superfície abraçada por um circuito tiver lugar uma variação de fluxo, gera-se nesse circuito uma força eletromotriz induzida. Seu circuito é fechado será percorrido por uma corrente induzida. ” 2.2. LEI DE LENZ O sentido da corrente induzida é tal que esta pelas suas ações magnéticas tende sempre a impor-se a causa que lhe deu origem De acordo com a Lei de Lenz, qualquer corrente induzida tende a se opor às variações do campo que a produziu. No caso de um motor de indução, a variação é a rotação do campo do estator, e a força exercida sobre o rotor pela reação entre o rotor e o campo do estator é tal que tenta cancelar o movimento contínuo do campo do estator. Esta é a razão pela qual o rotor acompanha o campo do estator, tão próximo quanto permitam o seu peso e a carga. O motor de indução tem corrente no rotor por indução, e é semelhante a um transformador com secundário girante. É impossível para o rotor de um motor de indução girar com a mesma velocidade do campo magnético girante. Se as Máquinas Elétricas – Prof. José Valderi Cavalcante Silva -2020.1 Nadja Sthephanie Rocha Lima Freire Barreto- 2ª unidade 3 velocidades fossem iguais, não haveria movimento relativo entre eles e, em consequência, não haveria fem( força eletromotriz) induzida no rotor. Sem tensão induzida não há conjugado (torque) agindo sobre o rotor. A diferença percentual entre as velocidades do campo girante e do rotor é chamada de deslizamento (S de “slip”). O deslizamento também é comumente chamado de escorregamento. Quanto menor for o escorregamento, mais se aproximarão as velocidades do rotor e do campo girante (velocidade síncrona). A velocidade do motor de indução cai, com cargas pesadas. 2.3. EXISTEM DOIS TIPOS DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS: 2.3.1. ROTOR EM GAIOLA A gaiola possui anéis metálicos na tampa e na base, de tal modo a curtocircuitar as barras e permitir a circulação de correntes por elas. O rotor em gaiola de esquilo é constituído por um núcleo de chapas ferromagnéticas, isoladas entre si, sobre o qual são inseridas barras de cobre, dispostas paralelamente entre si e unidas nas suas extremidades por dois anéis condutores, que curto-circuitam as barras. As barras da gaiola de esquilo podem ainda ser fabricadas de alumínio injetado ou liga de latão. As barras do rotor tipo gaiola de esquilo nem sempre são paralelas ao eixo do rotor. As mesmas podem serdeslocadas ou colocadas segundo um pequeno ângulo em relação a ele, para produzir um torque mais uniforme e para reduzir o ruído magnético durante a operação do motor. O motor com rotor em gaiola de esquilo (squirrel cage) é o mais comum e mais robusto dos motores de indução para potências até 500 HP (373 kW). A ausência de contato elétrico entre o rotor e o exterior torna este motor bastante econômico e de baixa manutenção. A maior desvantagem é a dificuldade do controle de velocidade sem uso de dispositivos eletrônicos (inversores). O estator do motor é também constituído por um núcleo ferromagnético laminado, nas cavas do qual são colocados os enrolamentos alimentados pela rede de corrente alternada trifásica. A gaiola é um conjunto de barras curto- circuitadas por anéis. Não há contato elétrico com o exterior. A gaiola pode ser construída em alumínio, cobre ou liga de cobre. O núcleo do rotor é formado por lâminas de aço silício Máquinas Elétricas – Prof. José Valderi Cavalcante Silva -2020.1 Nadja Sthephanie Rocha Lima Freire Barreto- 2ª unidade 4 CORTE DE ROTOR EM GAIOLA Fonte: The University of Western Australia Motor em Gaiola – Vista em Corte Fonte: The University of Western Australia GAIOLA DE ALUMÍNIO A gaiola em alumínio injetado é usada desde a década de 1930, tendo atingido grande desenvolvimento na década de 1960, com a linha de motores Custom 8000, da GE, e é usada em motores de aplicação geral entre 1 e 250 HP. O alumínio se funde a 650°C. Quando se solidifica, comprime o pacote de lâminas. As barras são soldadas aos anéis usandose solda MIG (Metal Inert Gas). Fonte: www.copper.org VANTAGENS DA GAIOLA DE ALUMÍNIO Segundo a GE, a gaiola de alumínio apresenta as seguintes vantagens: • A tensão das barras mantém a compressão do pacote de lâminas. • O movimento da gaiola é eliminado. • As barras podem ser dimensionadas livremente. • O peso e a inércia do rotor são reduzidos. • A resistência elétrica do rotor é maior, mas o custo é menor do que o de rotores de cobre. http://www.copper.org/ Máquinas Elétricas – Prof. José Valderi Cavalcante Silva -2020.1 Nadja Sthephanie Rocha Lima Freire Barreto- 2ª unidade 5 CONSTRUÇÃO DO MOTOR GAIOLA Fonte: The University of Western Australia MOTOR EM GAIOLA DE ALUMÍNIO Fonte: www.copper.org ROTOR EM GAIOLA -1.000 HP Fonte: www.copper.org GAIOLA DE COBRE Motores com gaiola de cobre existem desde a década de 1930, mas a tecnologia de gaiola de cobre injetado só foi desenvolvida no início do século XXI. As maiores barreiras dizem respeito à necessidade de cobre de elevada pureza e à dificuldade em se evitar a fratura dos moldes, devido ao elevado ponto de fusão do cobre (1100 °C). Fonte: www.copper.org http://www.copper.org/ http://www.copper.org/ http://www.copper.org/ Máquinas Elétricas – Prof. José Valderi Cavalcante Silva -2020.1 Nadja Sthephanie Rocha Lima Freire Barreto- 2ª unidade 6 VANTAGENS DA GAIOLA DE COBRE Testes indicam que a gaiola de cobre reduz as perdas no rotor entre 14% e 20% . A temperatura de trabalho do motor é reduzida, facilitando a ventilação. O rendimento pode ser elevado entre 1% e 3%, mas estima-se que rendimentos ainda maiores possam ser obtidos com projetos adequados das barras do rotor. Fonte: www.copper.org ROTORES COM GAIOLA DE COBRE Fonte: Teco-Westinghouse FABRICAÇÃO D FABRICAÇÃO DE ROTOR DE COBRE Fonte: Teco-Westinghouse 2.3.2. ROTOR BOBINADO (EM ANÉIS). O motor de anéis ou motor bobinado (em Portugal, “motor enrolado”) é mais usado em potências elevadas (P>500 HP) ou quando se exige elevado torque de partida. O motor de anéis foi, durante muito tempo, a única forma de se controlar a velocidade de um MIT. Os anéis, posicionados no rotor, permitem o controle da corrente de rotor por meio de um reostato externo. O motor de indução de rotor bobinado difere do motor de rotor em gaiola de esquilo apenas quanto ao rotor. O rotor é constituído por um núcleo ferromagnético laminado sobre o qual são alojadas as espiras que constituem o enrolamento trifásico, geralmente em estrela. Os três terminais livres de cada uma das bobinas do enrolamento trifásico são ligados a três anéis coletores. Estes três anéis ligam-se externamente a um reostato de partida, constituído por resistências variáveis, ligadas também em estrela. Deste modo os enrolamentos do rotor também ficam em circuito fechado. A função do reostato de partida, ligado aos enrolamentos do rotor, é a de reduzir as correntes de partida elevadas e ao mesmo tempo elevar o torque, possibilitando a http://www.copper.org/ Máquinas Elétricas – Prof. José Valderi Cavalcante Silva -2020.1 Nadja Sthephanie Rocha Lima Freire Barreto- 2ª unidade 7 partida de cargas pesadas, no caso de motores de elevada potência. Fonte: Data Engenharia MONTAGEM DOS ANÉIS E ESCOVAS Fonte:ABB Máquinas Elétricas – Prof. José Valderi Cavalcante Silva -2020.1 Nadja Sthephanie Rocha Lima Freire Barreto- 2ª unidade 8 MONTAGEM DE MOTOR DE ANÉIS Fonte: Data Engenharia FABRICAÇÃO DOS ANÉIS Fonte: Data Engenharia ROTOR DE ANÉIS - ¼ HP Fonte: McMaster University ESTATOR DE UM MIT Fonte: Wikipedia GNU DENTES DE UM ESTATOR Fonte: Wikipedia GNU 2.4 CAMPO MAGNÉTICO GIRANTE Este princípio do eletromagnetismo clássico é extremamente interessante e sua descoberta possibilitou o desenvolvimento dos modernos motores de corrente alternada, em particular os motores de indução. De modo sintético, seu enunciado é: “Três correntes alternadas senoidais, com mesma amplitude e defasadas de 120º, circulando por três bobinas fixas, cujos eixos magnéticos distam 120º entre si, produzem um campo magnético girante de intensidade constante. ” A invenção desta engenhosa maneira de criar este campo se deve Máquinas Elétricas – Prof. José Valderi Cavalcante Silva -2020.1 Nadja Sthephanie Rocha Lima Freire Barreto- 2ª unidade 9 a um brilhante engenheiro croata, Nikola Tesla (1856-1943). 2.4.1. VELOCIDADE DO CAMPO GIRANTE A velocidade do campo girante em um motor de indução é chamada velocidade síncrona. Como já mencionado, essa velocidade depende da frequência da tensão trifásica de alimentação do motor. Quanto maior a frequência, maior a velocidade. Porém, os motores de indução podem ser construídos com número de polos diferentes de dois e, nesse caso, o número de polos precisa ser levado em conta. Para motores de indução, a relação entre velocidade do campo girante, frequência da tensão e número de polos é a mesma deduzida anteriormente para os alternadores, ou seja: 𝑛𝑠 = 120. 𝑓 𝑝 (𝑟𝑝𝑚) Em que ns é a velocidade do campo girante (síncrona) em rpm, o número de polos é p e f é a frequência expressa em Hz. 2.4.2. VELOCIDADE DO ROTOR Em qualquer motor de indução, a velocidade do rotor (que é a mesma do eixo) é sempre menor que a velocidade síncrona (do campo girante). Se, por hipótese, o rotor conseguisse alcançar a velocidade síncrona, então o campo girante e o rotor gaiola estariam efetivamente parados (um em relação ao outro), não haveria variação relativa de fluxo e, portanto, indução. Em regime permanente, a velocidade do rotor depende da diferença relativa das frequências da tensão de alimentação e da tensão induzida no rotor, da seguinte forma: 𝑛𝑟 = 120(𝑓 − 𝑓𝑟) 𝑝 Em que nr é a velocidade do rotor e fr é a frequênciada tensão induzida no rotor, em Hz. 2.5. ESCORREGAMENTO A diferença relativa entre a velocidade do rotor e a velocidade síncrona em um motor de indução é expressa através de um parâmetro Máquinas Elétricas – Prof. José Valderi Cavalcante Silva -2020.1 Nadja Sthephanie Rocha Lima Freire Barreto- 2ª unidade 10 chamado escorregamento, símbolo s, definido da seguinte maneira: 𝑆 = 𝑛𝑠 − 𝑛𝑟 𝑛𝑠 % Por ser uma grandeza adimensional e menor que um, o escorregamento é expresso normalmente em porcentagem. Para compreender melhor o significado do escorregamento, considere, por exemplo, um motor de indução trifásico de 4 polos sendo alimentado por uma rede de 60 Hz. A velocidade do campo girante (síncrona) desse motor é: 𝑛𝑠 = 120. 𝑓 𝑝 (𝑟𝑝𝑚) 𝑛𝑠 = 120.60 4 (𝑟𝑝𝑚) 𝑛𝑠 = 7200 4 = 1800 𝑟𝑝𝑚 Se a velocidade do rotor do motor em vazio (sem carga) é 1780 rpm, o escorregamento nessa situação será: 𝑆 = 𝑛𝑠 − 𝑛𝑟 𝑛𝑠 % 𝑆 = 1800 − 1780 1800 % 𝑆 = 20 1800 ∗ 100% 𝑆 = 0,0111111 ∗ 100% 𝑆 = 1,1% Por outro lado, se a velocidade do motor quando em plena carga (nominal) é 1200 rpm, então o escorregamento será: 𝑆 = 𝑛𝑠 − 𝑛𝑟 𝑛𝑠 % 𝑆 = 1800 − 1200 1800 % 𝑆 = 600 1800 % 𝑆 = 0,33333333 ∗ 100 % 𝑆 = 33,33 % Portanto, observamos que o escorregamento vai aumentando à medida que a carga mecânica exigida do motor aumenta, pois, o rotor vai se atrasando para permitir uma maior indução e aumentar o torque. 2.6. CURVA TORQUE- ESCORREGAMENTO A curva torque versus escorregamento, em regime permanente, de um motor de indução típico é mostrada na figura abaixo: Note, antes de tudo, que o escorregamento s é plotado do maior valor (100 %) para o menor valor (0 %), correspondendo aos valores de velocidade do rotor nula (motor parado) e igual à velocidade síncrona (impossível), respectivamente. O valor de torque nominal, Tn corresponde ao ponto de operação normal para o qual o motor foi projetado, sendo que o Máquinas Elétricas – Prof. José Valderi Cavalcante Silva -2020.1 Nadja Sthephanie Rocha Lima Freire Barreto- 2ª unidade 11 respectivo escorregamento é o escorregamento nominal. Geralmente, os motores de indução operam em velocidades próximas à velocidade síncrona, vale dizer, com escorregamentos bem pequenos. Outros pontos notáveis na curva são: Tp - torque de partida (deve ser maior que o torque de carga nominal, senão o motor não parte; Tmax e Tmin) - torque máximo e mínimo, respectivamente. 2.7. VANTAGENS E DESVANTAGENS Este tipo de motor se apresenta como uma boa opção para acionamentos controlados, pois possui vantagens sobre o motor de corrente contínua (CC), pois não existe o comutador. Há inúmeras vantagens neste tipo de motor, pode- se citar: • A manutenção simples e menos onerosa; • Construção simples e custo reduzido; • Grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos • Limpeza e simplicidade de comando; • Menor que o motor de CC de mesma potência; • O consumo de energia nos processos de aceleração e frenagem é menor; •. Pode obter velocidades maiores, o que implica em potências maiores; • Baixo custo de aquisição • Baixo custo de manutenção • Torque de partida não nulo • Robustez • Disponível em potências de ¼ HP a mais de 30.000 HP Simplificando, normalmente o motor de indução trifásico opera com uma velocidade constante que varia ligeiramente com a carga mecânica aplicada ao eixo, devido a sua simplicidade e robustez é um motor muito utilizado e adequado para quase todos os tipos de máquinas acionadas. E quando se compara os motores com rotor de gaiola e rotor bobinado, se vê que os motores com rotor de gaiola resultam em uma construção do induzido mais rápida, mais prática e mais barata. Trata-se de um motor robusto, barato, de rápida produção, não exigindo coletor, reduzindo, portanto a quantidade de componentes no motor e consequentemente simplificando sua manutenção, além de se ser uma máquina de rápida ligação à rede. As suas desvantagens são: • Controle de velocidade difícil; • Corrente de partida elevada; • Fator de potência baixo e sempre indutivo; porém, quando se fala em desvantagem, essa por sua vez reside na dependência entre fluxo e a tensão do estator, o que não ocorre nos motores de corrente continua (CC) com excitação independente. Este fato limita a faixa de variação de velocidade do motor, quando controlado por variação da tensão do estator. Porém, como houve uma evolução em sistemas eletrônicos que permitem o controle do motor por variação simultânea da tensão e frequência do estator, esta desvantagem acaba desaparecendo. Efeito da Saturação A vazio Rotor bloqueado Simulação numérica de um MIT tetrapolar em gaiola A VAZIO Máquinas Elétricas – Prof. José Valderi Cavalcante Silva -2020.1 Nadja Sthephanie Rocha Lima Freire Barreto- 2ª unidade 12 ROTOR BLOQUEADO 3. DADOS DA PLACA DO MOTOR (MOTORES TRIFÁSICO) Placa de Identificação A fim de evitar ligações elétricas erradas, é extremamente importante que o instalador saiba identificar o tipo de motor e sua forma de ligação, dados que estão descritos na placa de identificação, a figura a seguir é um modelo mais antigo: Máquinas Elétricas – Prof. José Valderi Cavalcante Silva -2020.1 Nadja Sthephanie Rocha Lima Freire Barreto- 2ª unidade 13 EVOLUÇÃO TECNOLÓGICA DOS MOTORES: 4. CONCLUSÃO Todo motor elétrico converte energia elétrica em energia mecânica. O processo de conversão de energia dos motores de indução baseia-se na lei de indução de Faraday e na lei de Lenz, daí derivando seu nome. Um motor de indução é um motor elétrico que funciona somente em corrente alternada - assim como os transformadores - o que ficará claro quando se estudar o seu princípio de funcionamento. O motor de indução é o tipo de motor elétrico mais utilizado em geral, sendo largamente usado em instalações industriais devido à sua simplicidade, robustez, durabilidade e pequena necessidade de manutenção. Normalmente, cerca de 60 % da carga de uma instalação industrial é constituída por motores de indução, enquanto que, considerando a carga total em regiões industrializadas, os motores de indução são responsáveis por cerca de 40 % dessa carga. Por essa razão, os motores de indução são também chamados motores industriais. Máquinas Elétricas – Prof. José Valderi Cavalcante Silva -2020.1 Nadja Sthephanie Rocha Lima Freire Barreto- 2ª unidade 14 5. REFERÊNCIAS ➔ A. E. FITZGERALD, C. KINGSLEY, S. D. UMANS, Máquinas Elétricas, 5a edição, Bookman. ➔ CHAPMAN, Stephen J. Fundamentos de máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley . 3ª edição. ➔ CHAPMAN, Stephen J. Fundamentos de máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley . 5ª edição.MC GRAW HILL ➔ Del Toro, V.; Electromechanical Devices for Energy Conversion and Control Systems. New Jersey (USA), Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, 1968. ➔ Kosow, Irving Lionel, 1919-. Maquinas elétricas e transformadores por Irving L. Kosow; tradução de Feline luis Daiello e Percy Antônio. Soares. Porto Alegre ➔ http://resumosparaengenheiros.blogspot.com/2 017/12/dados-da-placa-do-motor-motores.html ➔ https://daelt.ct.utfpr.edu.br/professores/alvaug/ MAQ2/motores_inducao_construcao.pdf ➔ P. C. Sen. Principles of Electric Machines and Power Electronics. John Wiley & Sons, Inc. 2nd. 1997. http://resumosparaengenheiros.blogspot.com/2017/12/dados-da-placa-do-motor-motores.htmlhttp://resumosparaengenheiros.blogspot.com/2017/12/dados-da-placa-do-motor-motores.html https://daelt.ct.utfpr.edu.br/professores/alvaug/MAQ2/motores_inducao_construcao.pdf https://daelt.ct.utfpr.edu.br/professores/alvaug/MAQ2/motores_inducao_construcao.pdf
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