3a - Máquinas de Indução

8/3/2019 3a - Mquinas de Induo

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Mquinas de Induo(Mquinas Assncronas)

Prof. Luiz A. de S. RibeiroUFMA


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L.A.S Ribeiro Mquinas Sncronas 2

Estrutura Fsica

Estator:Na sua forma mais comum cilndrico com enrolamentos

distribudos;

Normalmente so trs enrolamentos localizados

simetricamente em ranhuras na superfcie interna da periferiado estator;

Enrolamento com 12 ranhuras, 4

espiras idnticas por fase e que sedistribuem por 6 ranhuras.


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L.A.S Ribeiro Mquinas Eltricas 3

Estrutura FsicaEstator:

Praticamente, um enrolamento que produz uma mmf comdistribuio aproximadamente senoidal pode ser achado

com um nmero finito de ranhuras dispostas de diferentes

maneiras. Para o enrolamento abaixo, a mmf :


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Estrutura Fsica

Estator: enrolamento senoidalmente distribudo

Em mquinas de induo prticas, desejvel se ter um

campo que tem amplitude e forma constante e que gira

numa velocidade angular constante.

A chave para a implementao disto a propriedade nicade uma forma de onda senoidal que, quando adicionada a

outra senoide defasada e de mesmo perodo, produz uma

forma que tambm senoidal;

Portanto, desejvel que se tenha as espiras de cadaenrolamento distribudas senoidalmente ao longo da espao

angular do estator.


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Estrutura Fsica

Estator: enrolamento senoidalmente distribudo

A Fig. Abaixo sugere um arranjo onde o tamanho de cada

crculo denota a densidade de condutores na regio.


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Estrutura Fsica

Rotor: em gaiola ou bobinado (enrolamento trifsico

semelhante ao estattico, com anis)

em gaiola

Bobinado: enrolamento trifsico, usualmente conectado em Y

e os terminais do enrolamento so acessados externamente via

anis e escovas.


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Estrutura Fsica


Corte de um motor de induo com rotor em gaiola


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Estrutura Fsica


Corte de um motor de induo com rotor bobinado


9/71L.A.S Ribeiro Mquinas Eltricas 9

Carcaa

Ncleo de chapas

Enrolamento

trifsico

Eixo

Ncleo de chapas

Barras e anis

de curto-circuito

Tampa

Ventilador

Tampa

defletoraCaixa de

ligao

Rolamento



Motor de Induo


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Estrutura Fsica



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Princpio de Funcionamento

Os enrolamentos so conectados a uma fonte de tenso

senoidal trifsica de forma a produzir um campo

magntico girante estatrico Bs. A velocidade mecnica

deste campo, em rpm, :

O campo girante passa pelos condutores que esto

inseridos em ranhuras no rotor e induzem uma tensonos mesmos devido a sua rotao. A tenso induzida

dada por:


plosdeoPeoalimentadefreqnciaasedo,120 oee

s nfP

fn

lBve sind )(


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Como os condutores do rotor esto curto-circuitados, haver corrente no enrolamento rotrico

que ser atrasada devido ao mesmo ter um elemento

indutivo. E esta corrente rotrica produzir um

campo magntico girante, Br. A interao dos doiscampos magnticos produz um conjugado:

O Tindproduz movimento do rotor, que acelerar.


)(rsind

BBkT




Contudo, haver um limite superior de velocidade para o motor.

Se o rotor do motor deinduo estivesse girando na

velocidade sncrona

As barras do rotor estariamestacionrias em relao ao

campo magntico

No haveria tensoinduzidaNo haveria correnteinduzida

No haveria campomagntico rotrico

Tind= 0

O rotor diminuiria develocidade devido a frico

Concluso: um motor de induo pode acelerar at atingir uma

velocidade prxima dens, mas nunca pode alcan-la.


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Conceito de escorregamento do rotor A tenso induzida no rotor dependente da velocidade

relativa entre o rotor e o campo magntico do estator. Isto

comumente referido como velocidade de escorregamento:

sendo nslip= velocidade de escorregamento

ns = velocidade mecnica do campo estatrico

nm = velocidade mecnica do eixo do rotor.

O escorregamento usualmente expresso como uma fraoda velocidade sncrona:


:

msslipnnn

%100

s

ms

n

nns


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O escorregamento tambm pode ser descrito em termos

da velocidade angular:

Usando a relao de escorregamento, pode-se

determinar a velocidade do rotor:

%100

s

ms

s

smnsn )1(

sms )1(

es

P

2


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Freqncia eltrica do rotor (freqncia de escorregamento):

Um motor de induo similar a um transformador rotativo,

sendo o estator similar ao primrio e o rotor ao secundrio. Mas,

diferentemente de um transformador, a freqncia do secundrio

pode no ser a mesma do estator.

Se o rotor estiver parado, a freqncia das grandezas do rotor

ser a mesma do estator. Uma outra forma de se observar isto

verificar que quando o rotor est parado o escorregamento 1.

Mas a medida que o rotor gira na mesma direo do campoestatrico, a freqncia das grandezas do rotor diminui e quando o

motor gira na velocidade sncrona a freqncia rotrica zero.

Isto ocorre porque:er sff


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Com o rotor girando no mesmo sentido que aquele do campo

magntico do estator, a freqncia das correntes rotricas serfr= sfe . Estas correntes produziro um campo magntico que gira

na velocidadesns (rpm) em relao ao rotor.

Mas superposto a esta rotao est a velocidade mecnica do

rotor,nm. Assim, em relao ao estator, a velocidade do campo magntico

girante produzido pelas correntes do rotor ser a soma destas

duas velocidades:


sssmsnnssnnsn )1(

Concluso: as velocidades dos campos magnticos BseBrso iguais.

Esta a condio fundamental para a produo de conjugado mdio

diferente de zero.


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Desempenho da Mquina Sncrona


Caracterstica de conjugado

rrsremsenF

PT

2

22

Considerando tenso e

freqncia de alimentao

constantes:

rremsenkIT


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Circuito Equivalente do Motor de Induo


Fluxos de

disperso

CircuitoEquivalente

O R i



90R

A vazio Com carga

Operao em Regime

(regio de baixos)

TRXf

BIE

s

rr IE

rrr

rrr

1sinfaseemquasee

)(

TXf

BIE

s

rr EI

rr

rrr

sin

atrasa

senBkBT SRR

rsen cos

90


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Correntes e Conjugado



23/71


Potncia e Conjugado no motor de induo

2

2

2RCL3 RIP

miscW&FmecoutPPPP

m

mec

PT

mec

s

mec

PT

GAP

ncleoSCLinGAPPPPP

cos3 11IVP in

1

2

13 RIPSCL

GAP

RCLGAPmec

Ps

PPP

)1(

cncleoGEP

2

13

GAPRCLsPP

s

RIP

22

23

GAP GAPP

mecP


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Pmec

=

=

= ( ) =

=


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)( 111

M

M

XXjR

jXV

1XX

M

M

M

XX

XV

1

1

)(

)(

11

11

M

M

THTH

XXjR

jXRjX

jXR

2

1

1

M

M

THXX

XRR

1XX

TH

THV

THZ

1RX

M

2

2ZZ

VI

TH

TH

C MR X

C j d t d i d


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Conjugado no motor de induoConjugado mecnico

Conjugado de partida

Conjugado mximo


22

2

2

2

2

)()/()/(3

XXsRR

sRVT

THTHs

THmec

22

2

2

2

2

)()(

3

XXRR

RVT

THTHs

TH

start

22

2

2

max

)(

35,0

XXRR

VT

THTHTHs

TH


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Curva T


2

2

2

2

2

23

XXsRR

sRVT

THTHs

TH

Baixoescorregamento

Mdioescorregamento

Altoescorregamento

22

2

2

2

23

XXRR

RVT

THTHs

TH

start

2

23

R

sVT

s

TH

s

m

m

s

s

m


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Curva T: 10 Hp, 230 V, 60 Hz, 4 plos



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Ex:01 (Problema para praticar 6.1) Calcule a potncia

dissipara no rotor de um motor de induo trifsico, 460

V, 60 Hz, 4 plos, com uma resistncia esttrica de0,056 , operando numa velocidade de 1738 rpm e com

uma potncia de entrada de 47,4 kW e corrente terminal

de 76,2 A. Calcule tambm a potncia mecnica (Pmec) e

o conjugado mecnico (Tmec) produzidos por este motor.



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Curva T: 10 Hp, 230 V, 60 Hz, 4 plos



31/71

Enade2008



32/71

Enade 2008



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Efeito da Resistncia do Rotor


22222

2

)()(

3

XXRR

RVT

THTHs

TH

start

Um projeto de um motor de induo

forado a ter um compromisso entre os

requisitos conflitantes de alto Tstart e boa

eficincia.

GAProtor

GAPmec

sPP

PsP

)1(

T


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Barra profunda

Gaiola dupla

Efeito da Resistncia do Rotor Tipos


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de Mquinas de Induo


NEMA NBR 7094



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Tipos

de Mquinas de Induo


A B

C D

Barras largas e

prximas superfciedo rotorR2 pequena

X2

pequena

Barras largas eprofundas

R2 pequena

X2 maior

Dupla gaiola Efeito pelicularmaior

Barras muitoprximas

superfcie dorotor

R2 grande

X2 pequena

Parmetros versus Tamanho


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Parmetros versus Tamanho


Placa de Identificao


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Temperatura Ambiente C 40 40 40 40 40

T = Elevao de Temperatura K 60 75 80 105 125

( mtodo da resistncia )

Diferena entre o ponto mais C 5 5 10 10 15quente e a temperatura mdia

Total: Temperatura do ponto C 105 120 130 155 180

mais quente

Classe de Isolamento - A E B F H


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o fator que aplicado potncia nominal, indica a cargapermissvel que pode ser aplicada continuamente ao motor,sob condies especificadas.

OBS.: Por norma, um motor trabalhando no fator deservio, ter o limite de temperatura da classe doisolante acrescido de at 10 C.

FATOR DE SERVIO (FS):


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REGIME DE SERVIO (REG):

o grau de regularidade da carga a que o motor est

submetido. Os motores normais so projetados para regimecontnuo (a carga constante, por tempo indeterminado, eigual a potncia nominal do motor). A indicao do regimedo motor deve ser feita pelo comprador, da forma mais exatapossvel.

Regime contnuo: S1


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Regime de Servio


tn

Carga

Perdas Eltricas

Temperatura

Tempo

mx

Regime S1: contnuo


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Regime de Servio Regime S2: Funcionamento a carga constante durante um perodo

inferior ao tempo necessrio para atingir o equilbrio trmico.


tn

Tempo

mx

Carga

Perdas EltricasTemperatura

S2 60 min

S2 30 min


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GRAUS DE PROTEO (REG):Os invlucros dos equipamentos eltricos, conforme ascaractersticas do local onde so instalados e acessibilidade,devem oferecer um determinado grau de proteo. Assim, porexemplo, um equipamento a ser instalado num local sujeito a

jatos dgua , deve possuir um invlucro capaz de suportar tais jatos, sob determinados valores de presso e ngulo deincidncia, sem que haja penetrao de gua.

Norma NBR 6146: define os graus de proteo dos equipamentoseltricos por meio das letras caractersticas IP, seguida por 2algarismos:


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Graus de Proteo


1 ALGARISMO ( indica o grau de proteo contra penetrao de corpos slidos e contatoacidental)

0 Sem proteo1 Corpos estranhos de dimenses acima de 50mm - Toque acidental com a mo2 Corpos estranhos de dimenses acima de 12mm - Toque com os dedos3 Corpos estranhos de dimenses acima de 2,5mm - Toque com os dedos4 Corpos estranhos de dimenses acima de 1,0mm - Toque com ferramentas5 Proteo contra acmulo de poeiras prejudiciais ao motor - Completa contra toques6 Totalmente protegido contra a poeira - Completa contra toques

2 ALGARISMO ( indica o grau de proteo contra penetrao de gua no interior domotor)

0 Sem proteo1 Pingos de gua na vertical2 Pingos de gua at a inclinao de 15 com a vertical

3 gua da chuva at a inclinao de 60 com a vertical4 Respingos em todas as direes5 Jatos dgua de todas as direes6 gua de vagalhes7 Imerso temporria8 Imerso permanente

A letra (W) entre as letras IP e os algarismos, indica que o motor protegido contra

intempries

Conexo dos enrolamentos


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Conexo dos enrolamentos(6 terminais, 220/380 )

3



47/71


Conexo dos enrolamentos(9 terminais, 220/440)

2



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Conexo dos enrolamentos(12 terminais, 220/380/440)


3 2

Determinao dos Parmetros do Motor


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de Induo


Ensaio vazio informao sobre a corrente de magnetizao e as perdas

vazio (no ncleo e rotacionais);

realizado na freqncia e tenso nominais;

Medies: tenso de fase (V1,nl), corrente de fase (I1,nl) e

potncia total (Pnl)

Desprezando as perdasI2R do rotor e as perdas no ncleo, tem-

se que as perdas rotacionais so iguais a:

1

2

,13 RIPP

nlnlrot


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de Induo


Ensaio vazio

Neste teste, o escorregamento muito pequeno, logo R2/s .

O circuito equivalente se aproxima ao mostrado abaixo;

Considerando Rc >> Xm, tem-se que Rc // jXm jXm. Logo, a

reatncia observada neste ensaio aproximadamente igual a:

mnlXXX

1



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de InduoEnsaio vazio

Esta reatncia pode ser determinada usando-se as grandezas

medidas:

O valor aproximado desta reatncia pode ser calculado por:

22

nlnlnl PSQ nlnlnl IVS ,1,13

2

,13

nl

nlnl

I

QX

nl

nl

nl

I

VX

,1

,1



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de Induo


Ensaio de rotor bloqueadoInformao sobre as impedncias de disperso;

O rotor bloqueado de tal forma que no gira (s = 1)

e tenses trifsicas so aplicadas aos seus terminais;

Medies: tenso de fase (V1,bl

), corrente de fase

(I1,bl) e potncia total (Pbl) e freqncia do ensaio (fbl);



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de Induo


Ensaio de rotor bloqueado

O teste deve ser realizado sob as condies para as quais a

corrente e freqncia rotrica so aproximadamente as mesmas

que aquelas na mquina na condio de operao que se deseja

determinar os parmetros:

1. Por exemplo, se houver interesse nas caractersticas em

escorregamentos prximos de 1 (como na partida), o teste deve

ser realizado com freqncias prximas da nominal e com

valores de corrente prximos aqueles encontrados na partida;

2. Se h interesse nas caractersticas na regio normal de

operao o teste deve ser realizado com tenso reduzida e

corrente nominal; a freqncia tambm deve ser reduzida.



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de Induo



Padro IEEE 112: freqncia de alimentao usada no teste de

rotor bloqueado deve ser 25% da freqncia nominal. A reatncia

de disperso na freqncia normal pode ser obtida a partir do valor

deste teste considerando que a reatncia proporcional a

freqncia;

O circuito equivalente deste teste :



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de Induo



A reatncia de rotor bloqueado pode ser obtida a partir das

medies realizadas no teste:

A resistncia de rotor bloqueado pode ser calculada por:

22

blblbl PSQ blblbl IVS ,1,13

2

,13 bl

bl

bl

Rbl

I

Q

f

fX

2

,13

bl

bl

blI

PR



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e e ao dos a e os do Mo o

de Induo



Observando o circuito equivalente do teste com rotor

bloqueado, tem-se que:

equivalente do teste com considerando Rc

mbl jXjXRjXRZ //2211

2

2

2

2

22

2

2

12

2

2

2

2

21)(

)(

)( XXR

XXXRXXj

XXR

XRR

jXRZ

m

mm

m

m

blblbl



58/71

de Induo



ConsiderandoR2


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de Induo



blnl

nl

bl

XX

XXXXX

1

12

Padro IEEE 112: distribuio emprica das reatncias de disperso

Classe do motor Descrio Frao deX1 + X2

X1 X2A Tstartnormal,Istartnormal 0,5 0,5

B Tstartnormal,Istartbaixa 0,4 0,6

C Tstart alto,Istartbaixa 0,3 0,7

D Tstart alto, alto escorregamento 0,5 0,5

Rotor bobinado Desempenho depende da resistncia rotrica 0,5 0,5

Exemplo 02: Os seguintes dados foram medidos de um motor de


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e p o 0 : Os segu tes dados o a ed dos de u oto de

induo trifsico, 7,5 Hp, 220 V, 19 A, 60 Hz, 4 plos, gaiola dupla,

classe C:Teste 1: ensaio vazio, 60 Hz:Vnl = 219 V(linha);I1,nl = 5,7 A; Pnl = 380W;

Teste 2: ensaio com rotor bloqueado em 15 Hz: Vb l = 26,5V(linha);I1,bl =18,57 A; Pbl = 675 W;

Teste 3: resistncia cc mdia: R1

= 0,262 /fase (medida aps o Teste 1)

Teste 4: ensaio com rotor bloqueado em 60 Hz: Vb l = 212 V(linha);I1,bl =83,3 A; Pbl = 20,1 kW; Tstart= 74,2 Nm (medido)

Pede-se: a) Calcule as perdas rotacionais vazio e os parmetros do

circuito equivalente nas condies normais de operao. Assuma amesma temperatura do teste 3 e despreze as perdas no ncleo; b)

Calcule o Tstart a partir das medies do teste 4 e mesma temperatura

do teste 3.

Exemplo 03 (Problema 6.7): A Fig. abaixo mostra um sistema


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p ( ) g

consistindo de um motor de induo (MI) 3 cujo eixo est

rigidamente acoplado ao eixo de um motor sncrono (MS) trifsico.

Com o sistema alimentado a partir de uma fonte 3, 60 Hz, o MI

acionado pelo MS na velocidade e no sentido de rotao apropriados

de tal forma que tenses 3 de 120 Hz aparecem nos terminais do

rotor. O estator do MI tem 4 plos.

a. Quantos plos tem o rotor do MI?

b. Se o campo estatrico do MI gira

na direo horria, qual direo

de rotao do seu rotor?

c. Qual a velocidade do rotor (rpm)?d. Quantos plos h no MS?

Exemplo 04 (Problema 6.10): Um MI 3, 460 V (tenso de linha), 25


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p ( ) , ( ),

kW, 60 Hz, 4 plos, tem os seguintes parmetros (referidos ao

estator):

R1 = 0,103 ; R2 = 0,225 ; X1 = 1,1 ; X2 = 1,13 ; Xm = 59,4

As perdas rotacionais podem ser consideradas constantes e iguais a

265 W. As perdas no ncleo so constantes e iguais a 220 W. Com o

motor conectado diretamente a uma fonte 3 de 460 V, calcule a

velocidade, o conjugado e a potncia de sada, a potncia de entrada eo fator de potncia, e a eficincia para escorregamentos de 1%, 2% e

3%. Represente as perdas no ncleo por uma resistncia Rc em

paralelo com o ramo de magnetizao.

s (%) n (rpm) Tout (Nm) FP Pin (kW) Pout (kW) (%)1 1782 45,78 0,9029 9,157 8,544 93,3

2 1764 89,59 0,9315 17,533 16,549 94,4

3 1746 128,06 0,9197 24,966 23,415 93,8

Exemplo 05 (Problema 6.13): Um MI 3, 15 kW, 230 V


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Exemplo 05 (Problema 6.13): Um MI 3, 15 kW, 230 V

(tenso de linha), conectado em Y, 60 Hz, 4 plos,

desenvolve conjugado interno (Tmec) em plena carga num

escorregamento de 3,5 % quando alimentado com tenso efreqncia nominais. Despreze as perdas rotacionais e no

ncleo para este problema. O motor tem os seguintes

parmetros (em /fase):

R1 = 0,21 ; X1 = X2 = 0,26; Xm = 10,1

Determine:a) o conjugado interno mximo com tenso e freqncia

nominais;b) o escorregamento onde ocorre o mximo conjugado da letra a);

c) o conjugado interno de partida com tenso e freqncia

nominais.

Partida de Motores de Induo


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1. Partida direta: contator

)85(1 nominalIIIpuVV partidamotorlinhamotor

)8,16,0(nominal

TTT partidamotor



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1. Partida direta:

Contator

Proteo contr

Curto-circuito

Rel trmiProteo contra

sobre-carga

Circuito de fora Circuito de comando

Contatode selo

Contato deproteo

Sinalizao

Bobina docontator

Botoliga

Botodesliga

Fusveis



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2. Partida com elementos em srie

1,11 aaVVZZ

Z

Vins

in

motor

startmotoraII startmotor TaT

2



67/71



3. Partida com autotransformador

1

aVVmotor

startmotoraII

startmotor

TaT2

motormotorinIaaII

2



68/71



4. Partida com ligao Y - Na partida a ligao em Y

=

=

=



69/71



4. Partida com ligao Y - Circuito de comando Circuito de fora

Rel de tempo



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4. Partida com ligao Y -



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5. Partida eletrnica

Soft-starter

Inversores

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