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UNIVERSIDADE FEDERAL DO OESTE DO PARÁ INSTITUTO DE ENGENHARIA E GEOCIÊNCIAS PROGRAMA CIÊNCIA E TECNOLOGIA ENGENHARIA FÍSICA CURVA DE CONJUGADO VERSUS VELOCIDADE EM MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICA (MIT) Santarém – Pará Setembro – 2017 Ana Karina Monteiro Bentes Emanuel dos Santos Ferreira Curva de Conjugado versus Velocidade em Motores de Indução Trifásica (MIT) Santarém – Pará Setembro – 2017 Trabalho apresentado como requisito parcial para aprovação na disciplina Máquinas Elétrica ministrada pelo Prof. Luciano Colares Magalhães. . CURVA DE CONJUGADO VERSUS VELOCIDADE EM MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICA (MIT) Ana Karina M. Bentes – ana.engfisica@gmail.com Emanuel dos Santos Ferreira – manu192011@gmail.com Universidade Federal do Oeste do Pará - UFOPA CEP: 68.040-050 – Santarém – Pará Resumo: Os motores de indução trifásicos são os meios responsáveis pela conversão eletromecânica de energia mais aplicada em ambiente industrial. O presente trabalho foi desenvolvido com base nos valores nominais obtidos por meio de uma placa nominal de uma máquina de indução trifásica. Foram aplicados os cálculos para os ensaios de circuito aberto e rotor bloqueado e a partir dos valores obtidos, foi possível realizar uma análise através de um código do software Matlab os parâmetros para então gerar a curva do conjugado x velocidade. Palavras-Chaves: MIT; curvas de conjugado; ensaio de rotor bloqueado; ensaio circuito aberto; parâmetros MIT. 1. INTRODUÇÃO As máquinas elétricas rotativas conquistaram um papel extremamente importante na vida moderna, não só nas indústrias como também dentro das residências. Assumiram tamanhos e potências diversos e podem ser encontradas em funções independentes ou como parte fundamental de processos altamente complexos. O que se espera é que tais máquinas tenham alta confiabilidade, vida útil longa e o mínimo de tempo reservado às manutenções. Os motores elétricos são utilizados no acionamento de cargas mecânicas por serem capazes de promover a transformação de energia elétrica em energia mecânica com pequenas perdas, o que os tornam máquinas com rendimento energético elevado. Entre os diversos tipos existentes no mercado, o motor elétrico de indução, também conhecido como motor assíncrono destaca-se por apresentar um princípio de funcionamento simples, construção robusta, pouca necessidade de manutenção, baixo custo e possibilidade de emprego em praticamente qualquer aplicação, incluindo ambientes hostis, explosivos, com poeiras, aplicações navais, etc. (PINHEIRO, 2011 apud GUEDES, 1994). Sendo cada vez maior o interesse na aplicação do MIT, é necessária a análise mais cuidadosa do comportamento e desempenho desse tipo de motor (ASSUNÇÃO, 1990, SHINDO, 2003), evitando assim motores sobredimensionados, que provocam uma considerável perda de energia. Atualmente, devido à grande capacidade computacional disponível, são implementados algoritmos de identificação de parâmetros mais precisos e confiáveis (AGUIRRE, 2000). Este trabalho será desenvolvido a partir da análise de uma placa nominal de uma máquina de indução trifásica (valores nominais) e através dos cálculos para ensaios de rotor bloqueado e circuito aberto, obter os parâmetros equivalentes elétricos, implementá-los em um código do software Matlab para gerar a curva de conjugado em relação à velocidade. mailto:ana.engfisica@gmail.com mailto:manu192011@gmail.com 1.1 MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS O motor elétrico atua basicamente como um conversor de energia, convertendo energia elétrica em energia mecânica. Possui seu funcionamento fundamentado nos princípios do eletromagnetismo, onde a força de torque age sobre fios condutores de corrente elétrica, imersos em um campo magnético. Há diversos tipos de motores elétricos, entre os mais comuns estão os de corrente contínua e os de corrente alternada (MENEGAT, 2014). Fig. 1 – Tipos de motores elétricos (WEG, 2014). Motores de indução possuem custo mais reduzido e maior robustez quando comparados a outros motores elétricos na mesma faixa de potência nominal. Estes partem através de alimentação direta dos terminais. O fato de não haver alimentação no rotor, evita a necessidade do uso de equipamentos que demandam manutenção constante, como anéis e escovas, ou de materiais caros, como ímãs permanentes. Alguns pontos desfavoráveis quando se utiliza motores de indução trifásicos, é a necessidade de rede de alimentação trifásica, o alto valor da corrente de partida e aspectos ligados ao controle de velocidade. O motor de indução trifásico pode ser visto com um transformador generalizado, onde existe transformação de potência elétrica entre o rotor e o estator, ocorrendo mudança de frequência e o aparecimento de uma potência de uma potência mecânica (FITZGERALD, 2006). Para que se tenha no eixo do MIT a potência mecânica pretendida, é necessário que as perdas internas sejam vencidas. A análise é feita através do circuito equivalente mostrado na figura 2. Através da análise do circuito é possível definir as características eletromecânicas do MIT. Fig. 2 – Circuito equivalente MIT. Os parâmetros do circuito são definidos da seguinte forma: R1: Resistência efetiva do estator; X1: Reatância de dispersão do estator; Rm: Resistência de perdas no núcleo; Xm: Reatância de magnetização; R2: Resistência do rotor; X2: Reatância de dispersão do rotor. A determinação dos valores dos parâmetros do circuito equivalente de um motor de indução trifásico pode ser feita através dos ensaios: de corrente contínua, a vazio ou circuito aberto e de rotor bloqueado. Para este trabalho, serão abordados os ensaios a vazio e rotor bloqueado. 1.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 1.2.1. CAMPO GIRANTE Motores de indução trifásicos funcionam a partir do campo girante do estator. As correntes alternadas que passam pelas bobinas do motor criam um campo magnético que varia proporcionalmente à corrente. Um motor trifásico, alimentado por correntes trifásicas, equilibradas e defasadas de 120º elétricos, com bobinas igualmente defasadas no espaço, possui um campo resultante de intensidade e velocidade de rotação constante. Chama-se velocidade síncrona a velocidade do campo girante, calculada pela equação (1). 𝑛𝑠 = 120 𝑓 𝑝 (1) Onde que: ns é a velocidade síncrona em RPM; f é a frequência de alimentação em Hz; p é o número de polos. 1.2.2. INDUÇÃO O rotor percebe o campo girante como uma variação de campo, o que induz uma tensão em seus condutores, descrita a seguir pela equação (2). Essa tensão gera correntes que circulam pelos condutores do rotor, criando um campo magnético resultante próprio, que interage magneticamente com o campo girante do estator. 𝐸𝑖𝑛𝑑 = (𝑣 × 𝐵). 𝑙 (2) Onde: Eind é a tensão induzida; v é a velocidade entre o rotor e a velocidade do campo girante; B é o vetor densidade de fluxo magnético e l é o comprimento dos condutores sob o campo magnético. Como o motor se encontra em repouso, a tensão induzida possui um valor elevado, devido à proporcionalidade desde a velocidade relativa entre campo girante e o rotor. Isto implica em correntes induzidas no rotor de maior intensidade, visto que condutores de baixa resistência compõem o rotor, tendo assim torque suficiente para a partida do motor. Na medida em que a velocidade do rotor se aproxima da velocidade síncrona, a variação do campo diminuiaté se atingir a velocidade síncrona, em que se tem torque nulo. 1.2.3. ESCORREGAMENTO Este rotor em movimento não atinge a velocidade síncrona, porque um rotor girando nesta velocidade não percebe a variação de campo. Assim, não há tensão induzida para gerar torque suficiente para manter o rotor girando. Neste aspecto, o rotor sempre está a uma velocidade abaixo da síncrona, por este efeito, recebe o nome de motor assíncrono. Denomina-se escorregamento (s) o percentual da diferença de velocidade do motor (wr) em relação à síncrona (ws), como mostrado na equação (3). 𝑠 = 𝑤𝑠 − 𝑤𝑟 𝑤𝑠 = 𝑛𝑠 − 𝑛𝑟 𝑛𝑠 (3) Onde podemos concluir a equação (4) da velocidade do rotor de um motor de indução. 𝑛𝑠 = (1 − 𝑠)𝑛𝑠 = (1 − 𝑠)120 𝑓 𝑝 (4) 1.3. MÉTODOS DE DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS DO MOTOR O modelo de um motor de indução trifásico é definido a partir de seus parâmetros. Os valores destes parâmetros são estimados através da realização de três ensaios: corrente contínua, a vazio e de rotor bloqueado (CHAPMAN, 2004). Cada um destes se responsabiliza pela definição de diferentes parâmetros, o que implica que apenas a realização dos três ensaios possibilita a modelagem total do motor. 1.3.1. ENSAIO DE CIRCUITO ABERTO OU A VAZIO Por meio deste ensaio são definidos os valores das perdas mecânicas e por histerese e Foucault do motor e se obtém dados sobre a corrente de magnetização. Sua realização necessita de um voltímetro, dois wattímetros e um amperímetro por fase, e seu esquema é como o ilustrado na figura 3. Fig. 3 – Esquema para ensaio a vazio de motores de indução. Denomina-se ensaio a vazio ou circuito aberto pelo fato de que não há carga aplicada ao rotor do motor. Neste caso o escorregamento tende à zero, o que admite definir que as perdas consomem toda a potência de entrada do motor. Neste ensaio, são desconsideradas as perdas ôhmicas do rotor, pois a resistência R2/s possui um valor muito elevado para escorregamento nulo, o que resulta em uma corrente no rotor aproximadamente nula. Neste caso, considera-se a corrente de magnetização igual a corrente do estator. Logo, o modelo simplifica-se de acordo com a figura 4 e é definida a equação (5). Fig. 4 – Modelo simplificado para ensaio a vazio. 𝑋1 + 𝑋𝑚 = 𝑉𝑡 𝐼1 (5) A resistência R1 não aparece na equação, pois este possui valor muito inferior em relação às indutâncias. Assim sendo, chegamos à equação (6). 𝑃𝑖𝑛 = 𝑃𝑜𝑠 + 𝑃ℎ𝑓 + 𝑃𝑎𝑣 (6) Desse modo, pode-se calcular um valor constante para o somatório das perdas mecânicas e por histereses Foucault. Perdas mecânicas possuem uma pequena variação de acordo com a Motor de Indução velocidade que se encontra o motor, porém considera-se constante para simplificar os cálculos. 1.3.2. ENSAIO DE ROTOR BLOQUEADO O intuito deste ensaio é determinar os valores da resistência rotórica e das indutâncias do rotor, do estator e de magnetização. Para se realizar o teste, é necessário um voltímetro, dois wattímetros e um amperímetro por fase. Seu esquema é representado na figura 5. Fig. 5 – Esquema para ensaio de rotor quebrado. Ao contrário do ensaio a vazio, bloqueia-se o rotor mecanicamente e assim tem-se escorregamento unitário, pois se tem velocidade rotórica nula. Neste caso a resistência e a impedância do estator possuem valores significantemente inferiores à indutância de magnetização, tendo assim a corrente do rotor aproximadamente igual à do estator. Fig. 6 – Modelo simplificado para ensaio de rotor bloqueado. O fator de potência é calculado por meio dos valores de potência, tensão e corrente. Juntamente com a impedância equivalente (Zeq) possibilitam determinar os parâmetros R2, X1 e X2. |𝑍𝑒𝑞| = 𝑉𝑡 𝐼1 (7) 𝑍𝑒𝑞 = 𝑅𝑒𝑞 + 𝑗𝑋𝑒𝑞 (8) 𝑍𝑒𝑞 = |𝑍𝑒𝑞|𝑐𝑜𝑠𝜃 + 𝑗 |𝑍𝑒𝑞|𝑠𝑒𝑛𝜃 (9) Em que: 𝑅𝑒𝑞 = 𝑅1 + 𝑅2 (10) Motor de Indução 𝑋𝑒𝑞 = 𝑋1 + 𝑋2 (11) Entretanto, este teste apresenta uma dificuldade em sua execução. A frequência do rotor em operação normal varia entre 2% e 4% da frequência de alimentação do estator. No caso que se tem escorregamento unitário, a frequência do rotor se iguala a do estator. Logo, os valores obtidos não são tão próximos da realidade, pois não representa uma situação real de operação. Para reduzir erros de ensaios, se prevê a sua realização com uma frequência de alimentação (fteste) igual ou inferior a 25% da frequência nominal (fnominal). Então, o cálculo para Xeq é dado na equação (12). 𝑋𝑒𝑞 = 𝑓𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑓𝑡𝑒𝑠𝑡𝑒 𝑋𝑒𝑞𝑡𝑒𝑠𝑡𝑒 (12) 1.3.3. CURVAS NORMALIZADAS Na curva da figura 7 estão destacados alguns pontos relevantes da curva de um motor de indução. Esta curva é definida pela norma NBR 7094 da ABNT (substituída em 15 de setembro de 2008 pelas normas NBR 15626-1, para motores trifásicos, e NBR 15626-2, para motores monofásicos). Fig. 7 – Curva T x w típica de um MIT. Conjugado nominal ou de plena carga (TN): é o conjugado desenvolvido pelo motor à potência nominal, sobtensão e frequências nominais. Conjugado com rotor bloqueado (TP): é o conjugado mínimo desenvolvido pelo motor com o rotor bloqueado, sobtensão e frequências nominais. Conjugado mínimo (Tmin): é o menor conjugado desenvolvido pelo motor ao acelerar desde a velocidade zero até a velocidade correspondente ao conjugado máximo. Na prática, este valor não deve ser muito baixo, isto é, a curva não deve apresentar uma depressão acentuada na aceleração, para que a partida não seja muito demorada, sobreaquecendo o motor, especialmente nas situações de alta inércia ou partida com tensão reduzida. Conjugado máximo (TM): é o maior conjugado desenvolvido pelo motor sobtensão e frequências nominais, sem queda brusca de velocidade. É a máxima sobrecarga que o motor suporta quando este está trabalhando nas condições nominais. Na prática, o conjugado máximo deve ser o mais alto possível, por duas razões: o motor deve ser capaz de vencer, sem grandes dificuldades, eventuais picos de carga, como pode ocorrer em certas aplicações (como em britadores, calandras e outras); o motor não deve arriar, isto é, perder bruscamente a velocidade, quando ocorrem quedas de tensão, momentaneamente excessiva. Fig. 8 – Curvas típicas do MIT e da carga. Na figura 8, juntamente com a curva típica de um motor de indução trifásico está à curva de uma carga genérica. O ponto c é o ponto de equilíbrio entre o torque motriz e o torque resistente. Neste caso, o motor opera com torque e velocidade nominais (com carga nominal).O trecho ab deve ser o mais reto e vertical possível, para que o motor tenha alto rendimento e baixa variação de velocidade com variação de carga. O torque Ta é chamado de torque acelerante e representa a diferença entre o torque do motor e o torque da carga (no ponto c, Ta = 0). As curvas Conjugado x Rotação dos motores de indução são classificadas pela norma em categorias, como ilustra a figura 9, apropriadas para cada tipo de carga. Categoria N: conjugado de partida normal, corrente de partida normal e baixo escorregamento. Constituem a maioria dos motores encontrados no mercado e prestam-se ao acionamento de cargas normais, como bombas, máquinas operatrizes, ventiladores, etc. Categoria H: conjugado de partida alta, corrente de partida normal e baixo escorregamento. Utilizadas para cargas que exigem maior conjugado na partida, como peneiras, transportadores, carregadores, cargas de alta inércia, etc. Categoria D: conjugado de partida alta, corrente de partida normal e alto escorregamento (maior que 5%). Usados em situações que necessitam de conjugado de partida muito alta e corrente de partida limitada. Fig. 9 – Curvas normalizadas – Categorias N, H e D. 2. METODOLOGIA O motor de indução utilizado na análise possui as seguintes especificações: Tabela 1 – Dados da placa nominal do motor de indução trifásico. Fabricante: WEG Frequência: 60 Hz Potência: 3 CV (2,2 KW) Velocidade: 3450 RPM Tensão nominal: 220/380 V Corrente nominal: 8,39/4,86 A Rendimento: 81,9% Fator de potência: 0,84 Categoria: N Com os dados da placa nominal, foi implementado o algoritmo para calcular os parâmetros desejados. Inicialmente foi implementado o algoritmo do cálculo dos parâmetros do motor para operação na região de trabalho do motor, isto é, operação com escorregamento próximo ao valor nominal. Em seguida foram feitos os cálculos da corrente de estator e do rotor, cálculo do conjugado e do conjugado nominal com os dados do fabricante. Mais adiante, foram feitos os cálculos de conjugado variando a resistência do rotor e do estator e também com a frequência variável, e então, feita a implementação comparando os resultados da simulação com os dados fornecidos. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Tendo as informações da placa nominal do motor de indução trifásico e de acordo com as equações da revisão de literatura (CHAPMAN, 2004, FITZGERALD, 2006) o resultado obtido para o ensaio a vazio ou circuito aberto estão na tabela abaixo. Tabela 2 – Resultados obtidos através de cálculos para ensaio a vazio. Tensão de fase aplicada (V) Potência total trifásica (W) Ia (A) Ib (A) Ic (A) Velocidade (RPM) 220 311 4,40 4,38 4,49 3598 Com as equações referentes ao ensaio de rotor bloqueado, obtivemos os seguintes resultados. Tabela 3 – Resultados obtidos através de cálculos para ensaio de rotor bloqueado. Tensão de fase aplicada (V) Potência total trifásica (W) Ia (A) Ib (A) Ic (A) 44,96 348,1 9,02 8,72 8,25 Com os resultados obtidos para os ensaios a vazio e de rotor bloqueado, foi possível determinar os parâmetros internos do motor de indução trifásico. Ressalva-se que, os parâmetros do circuito equivalente do MIT são calculados por fase, de modo que as leituras de tensão e corrente, bem como de potência devem ser convertidas para valores de fase de acordo com o tipo de configuração (estrela ou triângulo). Na tabela 4 são apresentados os parâmetros obtidos do circuito equivalente do motor de indução. Tabela 5 – Potência e rendimento do MIT. Potência de entrada (W) Potência no eixo (W) Perdas internas (W) Rendimento (%) 2890 2280,038 609,997 78,997 Após a determinação dos parâmetros do circuito equivalente, é possível estimar, através da teoria de circuitos elétricos, a potência de entrada, a potência no eixo, as perdas internas e o rendimento do motor de indução. Tabela 4 – Parâmetros obtidos do circuito equivalente MIT. R1 () X1 () Xm () R2 () X2 () 2,86 3,85 81,66 1,77 3,85 Foi possível notar que, os resultados apresentados na tabela 4, se comparado com as especificações nominais da máquina, pouco diferem, o que atesta a análise do circuito equivalente a partir dos cálculos referentes aos ensaios. Os parâmetros do circuito equivalente foram implementados num algoritmo em MATLAB® para plotar a curva típica de conjugado em função da velocidade da máquina. As curvas estão representadas na figura 10. Fig.10 – Curva característica do MIT: conjugado versus velocidade. A partir da análise do gráfico da curva característica do MIT, verificou-se que: o conjugado de partida é inferior ao conjugado máximo, uma particularidade em motores de indução da categoria N; o valor de conjugado tende a se tornar constante. 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS O desenvolvimento desse estudo favoreceu o conhecimento do software MATLAB®, que é uma ferramenta de bastante uso na área da engenharia e que possui um ambiente de trabalho prático e ágil na resolução de problemas em geral. Destaca-se também o conhecimento acerca das características das máquinas de indução trifásicas que possuem grande importância na área da indústria. Logo, podemos inferir que o estudo potencializa o aprendizado multidisciplinar, uma vez que permite a aplicação de conhecimentos de forma funcional. Portanto, foi alcançado o objetivo de gerar a curva de conjugado em função da velocidade de um motor de indução trifásica. Os resultados foram validados a partir do modelo de motor de indução com parâmetros determinados por meio de ensaios clássicos de identificação de parâmetros. A curva gerada foi dentro do esperado para o motor em teste e permitiu uma análise de seu funcionamento, o que inclui a identificação da configuração do motor estudado. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS FITZGERALD, A. E. et al. Máquinas Elétricas com Introdução à Eletrônica de Potência. 6ª edição. Bookman, 2006. WEG. Guia de Especificações de Motores Elétricos. CHAPMAN, Stephen J. Fundamentos de Máquina Elétrica. 5ª edição. McGraw, 2013. ASSUNÇÃO, J.T. Análise e Especificação de Motores de Indução Trifásico com Rotor Tipo Gaiola Controlados Através do Valor Eficaz e Frequência da Tensão do Estator. Escola Federal de Engenharia de Itajubá. Dissertação de mestrado em Engenharia Elétrica. NORMA TÉCNICA: ABNT NBR 17094-1. Máquinas elétricas girantes – Motores de indução – Parte 1: Trifásicos. 2ª edição, 2013. PINHEIRO, Hélio Henrique Cunha. Sistema para Detecção e Diagnóstico de Falhas em Motores Elétricos de Indução Utilizando Lógica Fuzzy. Dissertação de Mestrado, UFRN. Natal (RN), 2011. MENEGAT, Juliano. Estudo de Falhas Incipientes em Motores de Indução Trifásicos Utilizando a Transformada Discreta de Wavelet. Dissertação de Graduação, UFRGS. Porto Alegre, 2014. ANEXO I O algoritmo escrito em MATLAB®. %Declaração de parâmetros Rs = 2.86; Xs = 3.85; Xm = 81.66; Rr = 1.77; Xr = Xs; s = 1 : -0.0001 : 0.0001; nr = 0.0001 : 0.18 : 1800; nr1 = nr; Vs = 220/(sqrt(3)); Vs1 = Vs; Vnom = 3450; Inom = 8.39; Pnom = 3; %Cálculo da Corrente de Estator Zs = ((((Rr./s) + (1i*Xr)) .* (1i*Xm)) ./ ( (Rr./s) + 1i*Xr + 1i*Xm )) + Rs + 1i*Xs; Is = Vs./Zs; Is1 = Vs1./Zs; %Cálculo da Corrente de Rotor Vr1 = Vs1 - (Is1.*(Rs+(1i*Xs))); Ir1 = Vr1 ./((Rr./s) + (1i*Xr)); %Cálculo do Conjugado e do Conjugado Nominal figure (1); ws = pi*45; T1 = 3*(1/ws).*(Rr./s).*(abs(Ir1).^2); Pnom = Pnom * 736; wrnom = 2*pi/60 * Vnom; Tnom = Pnom/wrnom; plot(nr, T1/Tnom, 'r'); em função da velocidade do rotor legend('Vs Nominal de 220V','78,9% de Vs'); title('Máquina Teste - Conjugado do Motor x Velocidade do Rotor'); ylabel('Conjugado do Motor (pu)'); xlabel('Velocidade do Rotor (rpm)');hold off; %Cálculo da curva de conjugado variando a resistência de rotor Rr1 = Rr; Zs1 = ((((Rr1./s) + (1i*Xr)) .* (1i*Xm)) ./ ( (Rr1./s) + 1i*Xr + 1i*Xm )) + Rs + 1i*Xs; Is1 = Vs1./Zs1; Vr1 = Vs1 - (Is1.*(Rs+(1i*Xs))); Ir1 = Vr1 ./((Rr1./s) + (1i*Xr)); %Calculo do Conjugado com variação de resistência do estator T1 = 3*(1/ws).*(Rr1./s).*(abs(Ir1).^2); figure(2) plot(nr, T1/Tnom, 'r'); em função da velocidade do rotor legend('Rr ensaiado de 1,77 ohms'); title('Máquina Teste - Conjugado do Motor x Velocidade do Rotor'); ylabel('Conjugado do Motor (pu)'); xlabel('Velocidade do Rotor (rpm)'); hold off; %Calculo da curva de conjugado com frequencia variavel Vr = Vs - (Is.*(Rs+(1i*Xs))); Ir = Vr ./((Rr./s) + (1i*Xr)); T = 3*(1/ws).*(Rr./s).*(abs(Ir).^2); figure(3) plot(nr1, T/Tnom, 'r'); em função da velocidade do rotor legend('Frequência Nominal de 60Hz'); title('Máquina Teste - Conjugado do Motor x Velocidade do Rotor'); ylabel('Conjugado do Motor (pu)'); xlabel('Velocidade do Rotor (rpm)'); hold off;
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