Acionamentos Elétricos - Parte 01

ACIONAMENTOS ELÉTRICOS

Acionamentos Elétricos

Sistema de Acionamento com Velocidade Variável Os chamados acionamentos de velocidade variável permitem o ajuste de

velocidade, de posição ou de conjugado, dentro de certas faixas de variação.

As máquinas elétricas são utilizadas em sistemas controlados de velocidade variável em conjunto com conversores estáticos de potência para o processamento da energia elétrica da alimentação.

Os acionamentos elétricos com velocidade variável são utilizados em máquinas-ferramenta, laminadores, moinho de rolos, maquinaria têxtil e depapel, sistemas de bombeamento, ventiladores, tração, movimentação vertical e horizontal de cargas, sistemas de robótica, eletrodomésticos,

equipamentos de informática e bioengenharia.

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Na década de 80, com o desenvolvimento de semicondutores de potência com excelentes características de desempenho e confiabilidade, foi possível a implementação de sistemas de variação de velocidade eletrônicos.

Um acionamento com velocidade variável é constituído por :

- Fonte de energia elétrica,

- Conversor de potência,

- Máquina elétrica,

- Sistema mecânico ( carga ),

- Unidades de controle e comando do conversor.



Estrutura básica de um Sistema de Acionamento Elétrico:



Classificação dos Acionamentos Elétricos


Conversão Eletromecânica de Energia

A função principal de uma máquina elétrica rotativa é a transmissão de energia ou conversão de uma forma de energia para outra.

Princípio da Conservação de Energia

Motores e geradores elétricos de qualquer tipo podem ser classificados como

conversores eletromecânicos de energia.

MÁQUINA ELÉTRICA

MÁQUINA ELÉTRICA

Fluxo de Energia

MOTOR

GERADOR

SISTEMA MECÂNICOSISTEMA ELÉTRICO

T , ne , i



Formas de energia envolvidas no processo de conversão eletromecânica:

Energia elétrica recebida (ou fornecida) pelo conversor eletromecânico;

Energia mecânica restituída (ou absorvida);

Energia magnética armazenada no campo de acoplamento;

Energia térmica devida às perdas e dissipação na forma de calor:

- perdas ôhmicas (efeito joule),

- perdas mecânicas, devidas aos atritos e ventilação,

- perdas por histerese e correntes parasitas (correntes de Foucault)

associadas ao campo magnético.



Representação da conversão eletromecânica de energia para um motor

elétrico:


Conceitos Básicos / Definições

Conjugado (ou Torque): esforço necessário que o motor desenvolve para

girar o seu eixo.

T = F.r

onde:

T= Conjugado ou torque [Nm] ou [kgfm]F = Força [N]

R = Raio [m]

Nota: 1kgfm = 9,8Nm.



Trabalho: ao deslocar-se um objeto qualquer de uma distância d, aplicando-

se sobre o mesmo uma força F, realiza-se um trabalho W.

W = F.d

onde:W = Trabalho [Nm] ou [J]F = Força [N]d = Distância de deslocamento [m]

Um trabalho é sempre acompanhado de um movimento ou deslocamento

onde a força e a distância estão no mesmo sentido. O torque é simplesmente

um esforço girante, obtido pela ação de uma força aplicada a uma certa distância do eixo de rotação.

Um torque pode existir mesmo quando não resulta em nenhum movimento, ao passo que um trabalho é sempre acompanhado de um deslocamento.



Potência Mecânica: É a relação entre o trabalho realizado e o tempo transcorrido. Ou seja, apotência mede qual a capacidade de trabalho no tempo.

P = W / t [Watts] onde 1 W = 1 J/s

Relação entre unidades de potência1 cv = 736 W 1 hp = 746 W

Cavalo Vapor (cv): Equivale à potência necessária para elevar verticalmente 75kg com velocidade de 1m/s. Em unidades do Sistema Internacional temos: 1 cv = 75kg.m/s = 736 W.

Horse Power (hp): Equivale à potência necessária para elevar verticalmente 550lb (libras) com velocidade de 1ft/s (pés por segundo). Em unidades do Sistema Internacional temos: 1 hp = 550lbs.ft/s = 33.000 lbs.ft/min = 745,69 W ≈ 746 W.


Quando a energia mecânica é aplicada sob a forma de movimento rotativo, a potência mecânica desenvolvida Pm [Watts] depende do conjugado ou torque T [N.m] e da velocidade angular w [ rad/s] :

mm w. T P




Potência Elétrica: Potência ativa (P): é a taxa de variação da energia energia elétrica. Realiza

trabalho. Unidade: Watts (W)

Potência reativa (Q): está associada as energias armazenadas em campos elétricos ou magnéticos. Não realiza trabalho. Unidade: Volt-Ampére reativo

(Var).

Potência aparente (S): é o efeito combinado da circulação de potência ativa e reativa em um circuito elétrico. Unidade: Volt Ampère (VA).

Fator de Potência (cos ö): é a relação entre a potência real (ativa) P e a

potência aparente S, onde ö é o ângulo de defasagem da tensão em relação à corrente. Assim:

Carga Resistiva: cos ö = 1

Carga Indutiva: cos ö atrasado

Carga Capacitiva: cos ö adiantado



Sistemas Trifásicos:

FP = cos = P3 / S3

S3 = 3.VL.IL [VA]S3 = 3.VF.IF [VA]

Q3 = 3.VL.IL.sen [VAr]Q3 = 3.VF.IF.sen [VAr]

P3 = 3.VL.IL.cos [W]P3 = 3.VF.IF.cos [W]



Energia:



Momento de Inércia (J)

Todo corpo que se põe em movimento acumula uma certa quantidade de

energia chamada energia cinética. Esta energia acumulada resulta da reação que o corpo oferece à força externa aplicada para tirá-lo do seu estado de

repouso. Esta propriedade dos corpos de acumular energia cinética estáassociada à sua massa e é chamada de inércia.

Quando um corpo gira ao redor de um eixo, sua massa, sob o ponto de vista

dinâmico, se comporta como se ela tivesse se deslocado e se concentrado numa coroa circular de espessura infinitesimal, a uma determinada distância do eixo de rotação, denominada raio de giro representado por R.

rotação



Princípio de Conservação de Energia Cinética:

temos:

onde:

Ec - energia cinética acumulada (joules),

m - massa do corpo (kg),

v - velocidade de deslocamento (m/s),

R - raio de giro (m),

- velocidade do motor (rad/s),

J - momento de inércia (kg.m2)

222

2222 JmRmvEc

2mRJ



Momento de Impulso (GD2):

D = 2.R

(1 kgf = 9,81 N)


Motores Elétricos

Tipos de Motores:


Motor de Corrente Contínua

Características que o tornam de grande aplicação em automação de processos.

> facilidade e precisão no controle de sua velocidade de rotação,

> proporcionalidade direta entre torque e corrente,

> Possibilidade de acionamento por conversores estáticos.



Aspectos construtivos:



Funcionamento:

Ação Motora- Baseada na lei de Ampère;

- As forças produzidas da interação entre o campo magnético e a corrente de armadura no rotor, tendem a mover o condutor , e assim, produzir energia mecânica rotação;

- Regra da mão esquerda:

BiF



Equações:Tensão de Armadura

onde:Ea = tensão induzida no enrolamento de armadura [V]; = fluxo magnético por pólo [Wb];wm = velocidade mecânica [rad/s];k = constante que depende da construção da máquina [V / rad/s*Wb]

Conjugado Eletromagnético

onde:Td = conjugado eletromagnético desenvolvido [N.m];Ia = corrente de armadura [A] = fluxo magnético por pólo [Wb];k = constante que depende da construção da máquina [V / rad/s*Wb]

Potência Desenvolvida

ad IkT ..

ma kE ..

mdamaa TIkIE



Tipos de Conexão:


Motor de Corrente Alternada

Motor de Indução ( Motor Assíncrono)O motor de indução é o tipo do motor de corrente alternada mais utilizado

em aplicações industriais, em função de suas características:

> robustez,

> custo reduzido,

> manutenção simples e barata,

> boas características de funcionamento, com facilidade de adaptação a diferentes tipos de cargas.

Os motores de indução tanto podem ser monofásicos quanto trifásicos.


Motor de Corrente Alternada

Motor de Indução Trifásico

Aspectos construtivos:



Estator

Rotor Gaiola de Esquilo

Rotor Bobinado



Funcionamento

Em operação normal aplica-se uma tensão trifásica aos enrolamento do estator. As correntes trifásicas alternadas senoidais que percorrem em cada

fase dos enrolamentos do estator criam um campo magnético girante no

estator de valor e velocidade constante num determinado sentido. No rotor são induzidas correntes, as quais criam também um campo magnético no

rotor. A busca de alinhamento entre os dois campos (estator e rotor), colocaráo eixo do motor em movimento de rotação. Desenvolve-se, então, no rotor (no eixo) um torque mecânico.


)cos(

)cos(

)cos(

120

120

o

o

tIi

tIi

tIi

emc

emb

ema


)cos(,

,

-è2

3è

è

tFtF

FFFtF

e

cba

máxmm

mmmmmmmm


Velocidade síncrona

ns = velocidade síncrona (velocidade de rotação do campo girante) [rpm]

f = freqüência do estator (da rede) [Hz]

p = número de pólos

p

120.fn s

s


Escorregamento

ns = velocidade síncrona [rpm]

nr = velocidade do rotor [rpm]

s = escorregamento [%] : 0 < s 1

s

rs% n

nns


Velocidade do rotor

A velocidade relativa entre o campo girante e o rotor (ns � nr) determina a

freqüência da corrente induzida no rotor (freqüência de escorregamento).

sr n.s)1(n [rpm]

sr f.sf

fr = freqüência da corrente rotórica [Hz]

fs = freqüência da corrente estatórica [Hz]



Potência

Quando a energia mecânica é aplicada sob a forma de movimento rotativo, a potência mecânica desenvolvida Pm [Watts] depende do conjugado ou torque T

[N.m] e da velocidade angular w [ rad/s] :

mm w. T P

O motor elétrico absorve energia elétrica da linha e a transforma em energia

mecânica disponível no eixo.

[W] P

[W] P se

= rendimento [%]

Ps = potência de saída é a potência mecânicadisponível no eixo do motor, que é a potência nominal, geralmente expressa em cv, kW ou HP;

Pe = potência de entrada é a potência elétrica ativa que o motor retira da rede.


[W]


Corrente Nominal

A corrente nominal ou corrente de plena carga de um motor, é a corrente consumida pelo motor quando ele fornece a potência nominal a uma carga,

sob tensão e freqüência nominal.

. cos V..3

[W] P I s


[A]

Conjugado (Torque)

É o conjugado desenvolvido pelo motor à potência nominal, sob tensão e frequência nominal, para mover a carga em condições de funcionamento à velocidade específica.

602ðrpm].[n

W][PN.m][T

r

mecn [N.m]


Curva Conjugado x Velocidade



Conjugado de Partida ou Conjugado de Rotor Bloqueado - É o conjugado que o motor desenvolve no momento em que ele é ligado a

uma rede de tensão e freqüência nominais, com o rotor parado. - O torque de partida do motor deve ser sempre superior ao da carga, para

vencer a inércia inicial da carga e acelerá-la rapidamente.

Conjugado Mínimo- É o menor conjugado desenvolvido pelo motor ao acelerar desde a

velocidade zero até a velocidade correspondente ao conjugado máximo.

- A curva não deve apresentar uma depressão acentuada na aceleração, para que a partida não seja demorada, sobreaquecendo motor, especialmente nos

casos de cargas com alta inércia ou partida com tensão reduzida.



Conjugado Máximo- É o maior conjugado desenvolvido pelo motor, sob tensão e frequência

nominais, sem queda brusca de velocidade.

- Duas razões para que o conjugado máx. seja o mais alto possível:

> o motor deve ser capaz de vencer, sem grandes dificuldades, eventuais

picos de carga como pode acontecer em certas aplicações, como britadores, misturadores e outras.

> o motor não deve arriar, ou seja, perder bruscamente a velocidade

quando ocorrem quedas de tensão, momentaneamente, excessivas.



O ponto de operação do motor ocorre onde a curva do conjugado do motor encontra com a curva do conjugado resistente da carga, e esta será a velocidade

nominal, com o escorregamento nominal do motor.

Conjugado de aceleraçãoResponsável pela aceleração do motor na fase da partida e ele é igual a

diferença entre o conjugado do motor e o conjugado da carga. No ponto de

operação, o conjugado de aceleração é nulo, pois o conjugado do motor e da carga são iguais, ou seja, é atingido o ponto de equilíbrio a partir do qual a

velocidade permanece constante.



Tm > Tc => em todos os pontos entre zero e a rotação nominal.



Categorias (ABNT - NBR 7094):

Os motores de indução são classificados em categorias conforme as suas características torque-velocidade e corrente de partida, cada uma adequada a

um tipo de carga. Categoria N : torque de partida normal, corrente de partida normal e baixo escorregamento.Ex. Bombas, ventiladores e máquinas

operatrizes.

Categoria H : torque de partida alto, corrente de partida normal e baixo escorregamento.Ex. Correias transportadoras, peneiras,

britadores, cargas de alta inércia.

Categoria D : torque de partida alto, corrente de partida normal e alto escorregamento (>5%).Ex. elevadores, prensas excêntricas (picos

periódicos de carga).

Categoria NY : similar a categoria N, porém prevista para partida Y-

Categoria HY : similar a categoria H, porém prevista para partida Y-



Torque Médio do MotorEm muitos problemas de acionamento é necessário conhecer o valor médio do conjugado desenvolvido pelo motor de indução durante o período de partida,

até ele atingir a sua condição nominal.



Para que o torque médio do motor (Tmm) seja considerado o valor médio dos

conjugados durante o período de aceleração, as áreas formadas devem

guardar a seguinte relação: A1 + A2 = A3

a) Motores categoria N e H:

b) Motores categoria D:


max.45,0 TTT pmm

pmm TT .60,0



Tempo de Rotor Bloqueado:É o tempo necessário para que o enrolamento do motor, quando percorrido

pela sua corrente de partida, atinja a sua temperatura limite sem danificar o rotor ou o isolamento do estator, partindo da temperatura atingida em

condições nominais de serviço e considerando a temperatura ambiente no

seu valor máximo.

Ao selecionar um motor para fazer um determinado acionamento, este pode

ter sido escolhido corretamente para acionar a sua carga nas condições nominais de operação, mas se o tempo de aceleração for maior do que o tempo de rotor bloqueado, isto pode significar que o calor produzido pela

corrente de partida é maior do que o calor produzido pela corrente de rotor bloqueado, o que poderia destruir o motor ou reduzir sua expectativa de vida

útil. Neste caso, o motor não poderia ser utilizado.

rba TT .8,0


Modos de Operação

0 < s ≤ 1 Motor

s < 0 Gerador

s > 1 Freio




Aspectos importantes para especificação do motor:

Características da rede de alimentação tensão e frequência de alimentação do motor.

método de partida � decorrente da alta corrente de partida, busca-se prover

ao seu acionamento métodos de partida que minimizem este problema.

Características do ambiente o local onde o motor irá desempenhar suas funções influência no seu desempenho. A potência especificada para um dado motor deve ser garantida

até até uma temperatura 40oC e altitude até 1.000m acima do nivel do mar. Para condições acima desses valores, a potência nominal especificada deve ser corrigida.



Características construtivas forma construtiva,

potência em kW e velocidade em rpm,

categoria do motor � tipo D, H ou N. Comportamento do motor (torque x

velocidade) em função da carga.

índice de proteção (IP) � indicam o grau de proteção do motor contra a entrada de sólidos e líquidos em seu interior.

fator de serviço (FS) � fator que aplicado à potência nominal, indica a sobrecarga permissível que pode ser aplicada continuamente ao motor sob condições específicas.

ventilação � processo pelo qual é realizada a troca de calor entre o interior

do motor e o meio externo (ex: motor aberto, motor totalmente fechado)

sentido de rotação.



Características construtivas

regime de serviço: definido como a regularidade de carga a que o motor ésubmetido. A NBR 7094 padroniza dez diferentes tipos de regime de serviço. Normalmente, os motores são projetados para um regime contínuo (S1), isto é,

carga constante atuando por um tempo indefinido, igual à potência nominal do motor.



Demais regimes de serviço:



Características da carga momento de inércia da máquina acionada e a que rotação está referida.

curva de conjugado resistente,

dados de transmissão / acoplamento

regime de funcionamento da carga (no de partidas/hora)

O conjunto de acionamento de uma determinada carga

depende muito da seleção correta do motor

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Acionamentos Elétricos - Parte 01