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Acionamentos Elétricos
Prof. Marco Túlio F. Hudson Acionamentos Elétricos1
Motores Elétricos
(Conceitos)
Prof. Marco Túlio F. Hudson Acionamentos Elétricos
Acionamentos Elétricos
Prof. Marco Túlio F. Hudson Acionamentos Elétricos
Motores elétricos – Definição
“Máquina Elétrica capaz de transformar energia elétrica em energia mecânica.”
Acionamentos Elétricos
Prof. Marco Túlio F. Hudson Acionamentos Elétricos
Classificação
MOTOR C.A.
MONOFÁSICO
UNIVERSAL
TRIFÁSICO
ASSÍNCRONO
SÍNCRONO
ASSÍNCRONO
GAIOLA DE ESQUILO
ROTOR BOBINADO
SPLIT - PHASE
CAP. PARTIDA
CAP. PERMANENTE
CAP. 2 VALORES
PÓLOS SOMBREADOS
REPULSÃO
RELUTÂNCIA
HISTERESE
DE GAIOLA
DE ANÉIS
IMÃ PERMANENTE
PÓLOS SALIENTES
PÓLOS LISOS
MOTOR C.C.
EXCITAÇÃO SÉRIE
EXCITAÇÃO INDEPENDENTE
EXCITAÇÃO COMPOUND
IMÃ PERMANENTE
SÍNCRONO
Acionamentos Elétricos
Prof. Marco Túlio F. Hudson Acionamentos Elétricos
Motores CA - Funcionamento
Geração de corrente elétrica (Indução):
Movimento relativo
Campo magnético
Condutor elétrico
“Leis de Faraday e de Lenz”
Acionamentos Elétricos
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Motores CA - Funcionamento
Geração de movimento através da indução:
Corrente elétrica
Campo magnético
Condutor elétrico
“Leis de Faraday e de Lenz”
Acionamentos Elétricos
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Motores CA - Construção
Estator
Rotor
(Induzido)
Acionamentos Elétricos
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Curso Técnico em Eletrônica – Prof. Marco Túlio F. Hudson
Acionamentos ElétricosMotores CA - Construção
Acionamentos Elétricos
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Motores CA - Construção
Motor Trifásico de Indução
Acionamentos Elétricos
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Motores CA - Funcionamento
Acionamentos Elétricos
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Motores monofásicos
O desequilíbrio de forças entre o rotor e o estator é executado através de alguns artifícios.
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Motor monofásico de campo distorcido
Possui uma saliência no rotor que distorce o seu campo magnético provocando o desequilíbrio de forças.
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Motor monofásico de campo distorcido
No estator existe uma espira instalada transversalmente ao sentido das outras espiras, que provoca o defasamento do campo magnético do estator.
Potência máxima: 300W ou 1/2CV
Rotação: 900 a 3400rpm
Aplicado em situações que requerem baixa potência.
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Motor monofásico de fase auxiliar
Dentre os motores monofásicos é o mais utilizado. Sua construção mecânica é muito parecida com a dos motores de indução trifásicos.
Potência: 1/6 a 10CV
Rotação: 1425 a 3515rpm
Aplicado em situações que requerem de baixa a média potência.
Acionamentos Elétricos
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Curso Técnico em Eletrônica – Prof. Marco Túlio F. Hudson
Acionamentos Elétricos
Acionamentos Elétricos
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Motor monofásico de fase auxiliar
O início da rotação do motor (desequilíbrio de forças) é provocado devido a associação da bobina auxiliar e do capacitor.
Essa associação gera uma impedância defasada da impedância da bobina de trabalho.
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O defasamento entre as impedâncias provoca o surgimento de um campo magnético girante no estator.
O campo magnético girante do estator induz outro campo no rotor e o atrai.
Motor monofásico de fase auxiliar
Interruptor centrífugo
Após ao início de pleno funcionamento do motor o interruptor centrífugo desliga a bobina auxiliar.
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Dados nominais – Placa de identificação
Motor monofásico de fase auxiliar
Acionamentos Elétricos
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Podem funcionar tanto em corrente contínua (CC) como em corrente alternada (AC).
Motor Universal
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Motor Universal
O motor universal e o único motor monofásico cujas bobinas do estator são ligadas eletricamente ao rotor por meio de dois contatos deslizantes (escovas). Esses dois contatos, por sua vez, ligam em serie o estator e o rotor.
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Motores Síncronos e Assíncronos
Motor síncrono: O rotor gira na mesma velocidade do campo magnético do estator.
Motor assíncrono: O rotor gira em uma velocidade um pouco menor que a velocidade do campo magnético do estator.
N=120xf
PVelocidade do campo girante
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Motor de indução trifásico
De construção simples, são amplamente empregados na indústria.
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Motor de indução trifásico
O estator é constituído por três grupos de bobinas dispostos em ângulos de 120º.
O rotor é construído com hastes, formando uma “gaiola”.
Rotor Gaiola de Esquilo
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Quando uma corrente elétrica alternada trifásica é aplicada aos enrolamentos do estator, produz-se um campo magnético girante.
Motor de indução trifásico
Acionamentos Elétricos
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A defasagem entre as fases do sistema trifásico provoca o campo magnético girante.
Motor de indução trifásico
Acionamentos Elétricos
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Motor de indução trifásico
Tipos de motores trifásicos
Motor de rotor em curto-circuito Motor de rotor bobinado
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Motor trifásico – Dados nominais
Tensão de alimentação:
220V
380V
440V
Frequência da rede: A frequência interfere diretamente na rotação e no torque do motor.
No Brasil os motores elétricos são fabricados para 60Hz.
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Motor trifásico – Dados nominais
Potência nominal: É a potência Mecânica disponível no eixo do motor.
Pode ser fornecida em CV, KW ou HP.
Corrente nominal: É a corrente absorvida da rede pelo motor quando em plena carga.
Rotação nominal: É a velocidade do eixo do motor quando em plena carga.
É dada em rotações por minuto - RPM
Número de polos Rotação
2 3600 rpm
4 1800 rpm
6 1200 rpm
8 900 rpm
10 720 rpm
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Motor trifásico – Dados nominais
Fator de serviço:
É a capacidade do motor em suportar sobrecargas, ou seja, uma reserva de potência do motor.
Exemplo: um motor de 10CV com F.S de 1,15 pode suportar até 11,5CV sem queimar-se.
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Motor trifásico – Dados nominais
Fator IP/IN:
Indica a relação entre a corrente de partida e a corrente nominal do motor.
Exemplo: Um motor de 10A com fator IP/IN de 8 atinge uma corrente de 80A na sua partida.
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Motor trifásico – Dados nominais
Fator de Potência
O fator de potência, indicado por cos, onde é o ângulo de defasagem da tensão em relação à corrente, é a relação entre a potência ativa (P) e a potência aparente (S).
𝑐𝑜𝑠𝜑 =𝑃
𝑆𝑐𝑜𝑠𝜑 =
𝑃𝑒𝑃𝑎
P – Pe: Potência ativa (efetiva)
S – Pa: Potência aparente
Carga resistiva: cos = 1
Carga indutiva: cos atrasado
Carga capacitiva: cos adiantado
Potência ativa do motor trifásico
𝑃𝑒 = 𝐸 ∙ 𝐼 ∙ 3 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜑
3 = 1,732
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Motor trifásico – Dados nominais
Fator de Potência
Um motor não consome apenas potência ativa que é depois convertida em trabalho mecânico e calor (perdas), mas também potência reativa, necessária para a produção do campo magnético.
O motor elétrico e uma peca fundamental, pois dentro das industrias, representa mais de 60% do consumo de energia. Logo, e imprescindível a utilização de motores com potência e características bem adequada a sua função, pois o fator de potencia varia com a carga do motor.
A correção do fator de potência é realizado com a ligação de uma carga capacitiva.
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Motor trifásico – Dados nominais
Fator de Potência
Assim como qualquer carga ligada à rede elétrica, os motores de indução trifásicos possuem um fator de potência característico.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Fato
r de P
otê
ncia
Potência (CV)Motor de 2 Pólos
Fonte: Catálogo WEG Série W22
A tendência do fator de potência é aumentar com a potência nominal do motor elétrico.
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Motor trifásico – Dados nominais
Fator de Potência
À medida que se aplica carga ao rotor do motor, a corrente da armadura cresce e a defasagem entre a tensão e a corrente diminui.
Assim, conforme o motor recebe carga, o seu fator de potência aumenta.
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Motor trifásico – Dados nominais
Rendimento
𝜂 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑚𝑒𝑐â𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑢𝑒 𝑛𝑜 𝑒𝑖𝑥𝑜
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑎 𝑟𝑒𝑑𝑒𝜂 =
𝑃𝑀𝐸𝐶
𝑃𝐸𝐿𝐸𝑇
É a relação entre a potência mecânica fornecida pelo motor e a potência ativa solicitada pelo motor à rede.
Exemplo: Um motor de 10CV com rendimento de 87% absorve uma potência elétrica de:
𝑃𝐸𝐿𝐸𝑇 =7360𝑊
0,87
10𝐶𝑉 = 7360𝑊
𝑃𝐸𝐿𝐸𝑇 = 8459,7𝑊
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Motor trifásico – Dados nominais
Rendimento em função da potência nominal
Devido à características relativas à massa de ferro e à espessura do entreferro, embora com baixos carregamentos, o motor trifásico possui uma considerável corrente de armadura.
A resistência elétrica dos condutores das bobinas eleva consideravelmente as perdas no cobre do enrolamento da armadura.
Com pouca carga no motor, o rotor possui baixo escorregamento o que reduz as corrente induzidas no rotor e as perdas sejam pequenas.
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Motor trifásico – Dados nominais
Rendimento em função da potência nominal
Se a potência nominal do motor for pequena, comparativamente, tem perdas elevadas, conduzindo a rendimentos relativamente menores.
De maneira geral, o rendimento aumenta quando a potência nominal aumenta.
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Motor trifásico – Dados nominais
Rendimento em função da potência nominal
Fonte: INMETRO – Portaria Nº 553
Catálogo WEG Série W22
75
80
85
90
95
100
Rendim
ento
(%
)
Potência (CV)Motor de 2 Pólos
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Motor trifásico – Dados nominais
Rendimento em função da potência nominal
A massa de ferro do motor, quando sob pequenos escorregamentos, produz pequenas perdas.
Curva de rendimento típica da linha W22 IR3 Premium WEG
Quando o motor está em vazio, as perdas presentes são, em maior parte, em função do estator: núcleo de ferro e enrolamento.
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Motor trifásico
Conjugado (Torque ou Momento)
Consiste na medida do esforço necessário para girar o eixo.
Para o exemplo ao lado, a força F que é preciso aplicar à manivela depende do comprimento Eda mesma. Quanto maior for a manivela, menor será a força necessária.
Se o balde pesa 20N e o diâmetro do tambor é de 0,20m, para equilibrar esse peso é necessário aplicar uma força de 10N na manivela, se o seu comprimento E for de 0,20m.
𝐶 = 20𝑁 × 0,1𝑚 = 2𝑁 ∙ 𝑚 𝐹 =2𝑁 ∙ 𝑚
0,2𝑚= 10𝑁
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Motor trifásico
Conjugado (Torque ou Momento)
Cp
Cmín
Cmáx
Cn
nn ns
Co
nju
ga
do
Rotação
s
É o conjunto de forças radiais presentes no eixo do motor.
Cp: Conjugado de rotor bloqueado
Cmin: Conjugado mínimo
Cmáx: Conjugado máximo
Cn: Conjugado nominal
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Motor trifásico
Categoria do Conjugado
De acordo com a carga mecânica a ser acionada, há uma curva de conjugado resistente associada.
Em guindastes, talhas e pontes rolantes, o conjugado resistente é praticamente constante, ocorrendo uma aumento de torque na região próxima ao repouso.
Em cargas de ventilação, por exemplo, o conjugado resistente é proporcional ao quadrado da velocidade.
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Motor trifásico
Categoria do Conjugado
Acionamentos Elétricos
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Motor trifásico
Categoria do Conjugado
De acordo com a figura, o ponto de operação do motor ocorre onde a curva de conjugado do motor encontra a curva do conjugado resistente da carga.
O conjugado acelerante é o responsável pela aceleração do motor na fase de partida e é igual à diferença entre o conjugado do motor e o conjugado resistente.
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Motor trifásico
Categoria do Conjugado
Conforme as suas características de conjugado em relação a velocidade e Corrente de partida, os motores de indução trifásicos com rotor de gaiola são classificados em categorias, cada uma adequada a um tipo de carga.
Estas categorias são definidas em norma (ABNT NBR 17094 e IEC 60034-1)
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Motor trifásico
Categoria do Conjugado
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, maquinas operatrizes, ventiladores.
Categoria H: Conjugado de partida alto, corrente de partida normal e baixo
escorregamento. Usados para cargas que exigem maior conjugado na partida, como peneiras, transportadores carregadores, cargas de alta inércia, britadores, etc.
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Motor trifásico
Categoria do Conjugado
Categoria D: Conjugado de partida alto, corrente de partida normal; alto
escorregamento (+ de 5%). Usados em prensas excêntricas e máquinas semelhantes, onde a carga apresenta picos periódicos. Usados também em elevadores e cargas que necessitam de conjugados de partida muito altos e corrente de partida limitada.
Categoria NY: Esta categoria inclui os motores semelhantes aos de
categoria N, porém, previstos para partida estrela-triângulo. Para estes motores na ligação estrela, os valores mínimos do conjugado com rotor bloqueado e do conjugado mínimo de partida são iguais a 25% dos valores indicados para os motores categoria N.
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Motor trifásico
Categoria do Conjugado
Categoria HY: Esta categoria inclui os motores semelhantes aos de
categoria H, porém, previstos para partida estrela-triângulo. Para estes motores na ligação estrela, os valores mínimos do conjugado com rotor bloqueado e do conjugado mínimo de partida são iguais a 25% dos valores indicados para os motores de categoria H.
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Motor trifásico
Categoria do Conjugado
Os valores mínimos de conjugado exigidos para motores das categorias N e H, são especificados nas normas ABNT NBR 17094 e IEC 60034-1.
Para motores da categoria D, de 4, 6 e 8 polos e potência nominal igual ou inferior a 150 cv, tem-se, segundo ABNT NBR 17094 e IEC 60034-1, que: a razão do conjugado com rotor bloqueado (Cp) para conjugado nominal (Cn) não deve ser inferior a 2,75. A norma não especifica os valores de Cmín
e Cmáx.
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Motor trifásico
Aquecimento do enrolamento
O calor gerado pelas perdas no interior de um motor fechado é dissipado para o ar ambiente através da superfície externa da carcaça. Em motores fechados essa dissipação é normalmente auxiliada pelo ventilador montado no próprio
eixo do motor. Uma boa dissipação depende:
da eficiência do sistema de ventilação;
da área total de dissipação da carcaça;
da diferença de temperatura entre a superfície externa da carcaça e do ar ambiente (text - ta ).
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Motor trifásico
Aquecimento do enrolamento
Esta diferença total (Δt) é comumente chamada “elevação de temperatura” do motor e, como é indicado na figura.
O que realmente queremos limitar é a elevação da temperatura no enrolamento sobre a temperatura do ar ambiente.
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Motor trifásico
Classes de isolamento
O limite de temperatura depende do tipo de material empregado.
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 ou o sistema de isolamento pode suportar continuamente sem que seja afetada sua vida útil.
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Motor trifásico
Classes de isolamento
As classes de isolamento utilizadas em máquinas elétricas e os respectivos limites de temperatura conforme ABNT NBR 17094 e IEC 60034-1, são as seguintes:
• Classe A (105 ºC)
• Classe E (120 ºC)
• Classe B (130 ºC)
• Classe F (155 ºC)
• Classe H (180 ºC)
Pela norma, motores para aplicação normal são instalados em temperaturas ambientes máximas de 40 ºC.
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Motor trifásico
Classes de isolamento
Para a proteção dos enrolamentos dos motores utilizam-se sensores térmicos inseridos nas bobinas. Os mais comumente utilizados são termistores, termoresistores, termostatos e protetores térmicos.
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Motor trifásico
Regime de serviço
O regime de serviço é definido como a regularidade de carga a que o motor é submetido. O principal fator limitante da potência desenvolvida é a temperatura máxima que o motor atinge.
Segundo a IEC 60034-1, é o grau de regularidade da carga a que o motor é submetido.
Os motores normais são projetados para regime contínuo, (a carga é constante), por tempo indefinido, e igual a potência nominal do motor.
A utilização de outro regime de partida em relação ao informado na placa de identificação pode levar o motor ao sobreaquecimento e consequente
danos ao mesmo.
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Motor trifásico
Regime de serviço
A NBR 7094 (Motores de Indução) padroniza dez diferentes tipos de regime de serviço.
Regime de Serviço Característica
S1 Regime contínuo
S2 Regime de tempo limitado
S3 Regime intermitente periódico
S4 Regime intermitente periódico com partida
S5 Regime intermitente periódico com frenagem elétrica
S6 Regime de funcionamento contínuo periódico com carga intermitente
S7 Regime de funcionamento contínuo periódico com frenagem elétrica
S8Regime de funcionamento contínuo com mudança periódica na
relação carga/velocidade de rotação
S9 Regime com variações não periódicas de carga e de velocidade
S10 Regime com cargas constantes distintas
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Motor trifásico
Regime de serviço
S1 – Regime contínuo
Funcionamento à carga constante de duração suficiente para que se alcance o equilíbrio térmico.
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Motor trifásico
Regime de serviço
S2 – Regime de tempo limitado
Funcionamento à carga constante, durante um certo tempo, inferior ao necessário para atingir o equilíbrio térmico, seguido de um período de repouso de duração suficiente para restabelecer a temperatura do motor próxima à temperatura ambiente.
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Motor trifásico
Regime de serviço
S3 – Regime intermitente periódico
Sequência de ciclos idênticos, cada qual incluindo um período de funcionamento com carga constante e um período desenergizado e em repouso. Neste regime o ciclo é tal que a corrente de partida não afeta de modo significativo a elevação de temperatura.
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Motor trifásico
Regime de serviço
S4 – Regime intermitente periódico com partidas
Sequência de ciclos de regime idênticos, cada qual consistindo de um período de partida, um período de funcionamento a carga constante e um período de repouso, sendo tais períodos muito curto , para que se atinja o equilíbrio térmico.
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Motor trifásico
Regime de serviço
S5 – Regime intermitente periódico com frenagem elétrica
Sequência de ciclos de regime idênticos, cada qual consistindo de um período de partida, um período de funcionamento a carga constante, um período de frenagem elétrica e um período desenergizado e em repouso, sendo tais períodos muito curtos para que se atinja o equilíbrio térmico.
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Motor trifásico
Regime de serviço
S6 – Regime de funcionamento contínuo periódico com carga intermitente
Sequência de ciclos de regime idênticos, cada qual consistindo de um período de funcionamento a carga constante e de um período de funcionamento em vazio,nãoexistindo período de repouso.
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Motor trifásico
Regime de serviço
S7 – Regime de funcionamento contínuo periódico com frenagem elétrica
Sequência de ciclos de regimes idênticos, cada qual consistindo de um período de partida, de um período de funcionamento a carga constante e um período de frenagem elétrica, não existindo o período de repouso.
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Motor trifásico
Regime de serviço
S8 – Regime de funcionamento contínuo com mudança periódica na relação carga/velocidade de rotação
Sequência de ciclos de regimes idênticos, cada ciclo consistindo de um período de partida e um período de funcionamento a carga constante, correspondendo a uma determinada velocidade de rotação, seguidos de um ou mais períodos de funcionamento a outras cargas constantes, correspondentes a diferentes velocidades de rotação. Não existe período de repouso.
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Motor trifásico
Regime de serviço
S9 – Regime com variações não periódicas de carga e de velocidade
Regime no qual geralmente a carga e a velocidade variam não periodicamente, dentro da faixa de funcionamento admissível, incluindo frequentemente sobrecargas aplicadas que podem ser muito superiores à carga de referência.
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Motor trifásico
Regime de serviço
S10 – Regime com cargas constantes distintas
Regime consistindo em um número específico de valores distintos de cargas (ou cargas equivalentes) e, se aplicável, velocidade, sendo cada combinação carga/velocidade mantida por um tempo suficiente para permitir que a máquina alcance o equilíbrio térmico. A carga mínima durante um ciclo de regime pode ter o valor zero (funcionamento em vazio ou repouzodesenergizado).
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Motor trifásico
Grau de proteção IP: Indica o nível de proteção do motor contra a entrada de corpos sólidos e corpos líquidos. Exemplo: IP 54
Grau IP - Tabela
0 Sem proteção
1 Corpos acima de 50mm
2 Corpos acima de 12mm
4 Corpos acima de 1mm
5 Proteção contra acúmulo de poeira
6 Proteção total contra poeira
O primeiro algarismo indica a proteção contra corpos sólidos.
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Motor trifásico
Grau IP - Tabela
0 Sem proteção
1 Pingos de água na vertical
2 Pingos de água inclinados até 15º com a vertical
4 Pingos de água inclinados até 60º com a vertical
5 Respingos de todas as direções
6 Jatos de água de todas as direções
7 Água de vagalhões
8 Imersão temporária
9 Imersão permanente
O segundo algarismo indica a proteção contra corpos líquidos.
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Motor trifásico
Escorregamento (S)
É a diferença entre a rotação do campo girante do estator e a rotação do eixo do motor.
S(%)=ns-nr x 100
ns
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Ligações do motor trifásico
Ligação triângulo 220V
O motor trifásico pode ser ligado em estrela ou triângulo
Ligação estrela 380V
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Ligações do motor trifásico
O motor de 12 pontas pode ser ligado em 220V, 380V ou 440V.
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Ligações do motor trifásico
A ligação para 760V é somente em partida com tensão reduzida.
Não é possível ligar o motor em uma rede de 760V.
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Motor trifásico
Formas construtivas
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Placa de identificação do motor trifásico
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Fatores de seleção de um motor elétrico
Fonte de alimentação:
• Tipo – CA ou CC
• Tensão
• Frequência
• Simetria
• Equilíbrio
Condições ambientais:
• Umidade
• Agressividade
• Altitude
• Temperatura
Consumo e manutenção:
• Consumo de energia
• Custo de manutenção
Exigências de carga
• Potência solicitada
• Rotação
• Esforços mecânicos
• Configuração física
• Ciclos de operação
• Confiabilidade
Controlabilidade
• Posição
• Torque
• Velocidade
• Corrente de partida