Capitulo_9 Motores

8/14/2019 Capitulo_9 Motores

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Eletrotcnica Geral IX. Motores Eltricos

DLSR/JCFC - UNESP/FEG/DEE 1/1

IX Motores Eltricos

Um motor eltrico uma mquina capaz de transformar energia eltrica em energia mecnica,utilizando normalmente o princpio da reao entre dois campos magnticos.

Os motores por suas caractersticas de construo e funcionais, podem ser classificadosgenericamente como: (a) de corrente contnua, (b) de induo ou assncronos e (c) sncronos. Estetexto apresentar em detalhes apenas os motores de induo trifsicos e monofsicos. Do motorsncrono ser dada apenas uma descrio, sendo que os motores de corrente contnua no seroabordados.

IX.1 Motores de Induo Trifsicos (MIT)

Um motor de induo composto basicamente de duas partes: um Estatore um Rotor. Oestator constitui a parte esttica de um motor e o rotor sua parte mvel.

O estator composto de chapas finas de ao magntico tratadas termicamente para reduzir aomnimo as perdas por correntes parasitas e histerese. Estas chapas tm o formato de um anel comranhuras internas (vista frontal) de tal maneira que possam ser alojados enrolamentos que devero criarum campo magntico no estator.

O rotor, composto de chapas finas de ao magntico tratadas termicamente como o estator,tem tambm o formato de um anel (vista frontal), com os enrolamentos alojados longitudinalmente.

O motor de induo o motor de construo mais simples. Estator e rotor so montadossolidrios, com um eixo comum aos anis que os compem. A aplicao de uma tenso nosenrolamentos do estator ir fazer com que aparea uma tenso nos enrolamentos do rotor. Assim oestator pode ser considerado como o primrio de um transformador e o rotor como seu secundrio. Oespao entre o estator e o rotor denominado entreferro. A figura 1 apresenta esquematicamente umMIT.

Figura 1 Mquina de induo

Conforme se pode observar na figura 1b, no estator de uma MIT os enrolamentos, ou bobinas,so em nmero de trs. Estas bobinas, alojadas nas ranhuras do estator, podem ser ligadas em estrelaou tringulo.


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)]240cos().120sen()120cos().120sen()0cos()..[sen(.)(

)240cos(.)120cos(.)0cos(.)(

+++=

++=

tttINt

t cba

Aps o desenvolvimento trigonomtrico tem-se:

)sen(...5,1)( tINt =

Ou seja, a fmm total produzir um campo magntico girante com velocidade e intensidadeconstantes, com a velocidade dependendo das correntes aplicadas s bobinas.

As figuras 3.a e 3.b apresentam as correntes trifsicas que circulam pelas bobinas, em suasrepresentaes fasorial e no domnio do tempo. A figura 3.c apresenta esquematicamente a ligao doconjunto de trs bobinas aa,bb e cc (ponto 4 da figura 3.b: corrente nas bobinas bb e cc positiva corrente saindo do papel - e a corrente na bobina aa negativa entrando no papel) poronde circulam as correntes trifsicas.

Nas figuras 3.d, 3.e e 3.f pode-se observar a fora resultante )(t para as situaes 1, 2 e 3

da figura 3.b. A regra da mo direita indica ento o sentido das foras magnticas provocadas por cada

corrente trifsica e consequentemente do fluxo. A soma fasorial destas foras apresenta a fora )(t responsvel pelo campo girante.

( a ) ( b ) ( c )

( d ) ( e ) ( f )

a c b

-a-b

-c

Figura 3 Campo Girantes em Mquinas de Induo

Logo, o fato de aplicar trs correntes trifsicas (cf. figura 3.b) s bobinas do estator, resultanum campo magntico girante constante, cujo deslocamento no espao corresponde exatamente aosdeslocamentos tempo-fsico da freqncia da fonte. Esquematicamente se pode representar esse fato

utilizando a figura 3. Assim, enquanto na figura 3.b a corrente foi da posio 1 a 3 (t=120), nasfiguras 3.d, 3.e e 3f se pode ver um deslocamento do campo resultante de 120.


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Caractersticas ligadas ao nmero de bobinas colocadas nas ranhuras do estator determinam onmero de plos que a mquina ir possuir (conforme pode ser observado na figura 3, com trsconjuntos de bobinas tem-se a formao de dois plos na mquina) e este nmero de plos irdeterminar a velocidade do campo girante. As razes que fazem com que as ranhuras e o nmero deplos se relacionem com a velocidade do campo no sero apresentadas em detalhes neste texto.

Na figura 4, para ilustrar o conceito de plos, apresenta-se esquematicamente duas mquinasde induo, a da esquerda de dois plos e a da direita de 4 plos.

N

S

N

S

N

S

Figura 4 Campos Girantes (2 e 4 plos)

A velocidade de rotao do campo girante criado pela fora )(t denominada Velocidade

Sncrona ( Sn ) sendo dada por:

p

fnS

.120= onde: sn : rotao sncrona em rpm

f: freqncia da rede em hertz

p: nmero de plos

IX.1.2 Princpio de Funcionamento do Motor de Induo

O dispositivo apresentado na figura 4 ser utilizado para demonstrar o princpio defuncionamento de um motor de induo. Este dispositivo consiste de um im suspenso por um fio. Sobo im um disco de cobre ou alumnio est apoiado sob um mancal que est por sua vez apoiado emuma placa de ferro. Neste dispositivo o campo do im permanente completa-se atravs do conjuntodisco-placa de ferro.

Figura 5 - Princpio de Funcionamento do Motor de Induo


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xx FPVxK

746xHPI = ou

xx FPVxK

736xCVI =

onde:

V: tenso entre fases;

FP : fator de potncia;

: rendimento

K: constante igual a 3 para motor trifsico.

Exemplo 2: Determine a corrente nominal para um motor de 15 HP, trifsico, 220 V entre fases, fatorde potncia 0,9 indutivo e rendimento de 82 %.

A39,790,82x0,9x220x3

746x15I ==

IX.1.4 Fora Eletromotriz Induzida e Torque no Motor de Induo

Seja um motor de induo comercial tipo gaiola de esquilo com o rotor composto de

condutores de cobre embutidos num ncleo de ferro laminado. A figura 6.a mostra trs destescondutores do rotor (A, B e C) e sua relao com um campo magntico multipolar produzido por umenrolamento trifsico.

( b )( a )

Figura 6 (a) FEM induzidas produzidas nos condutores do rotor;

(b) Relao entre o campo e as FEM do rotor

Imaginemos que o rotor est parado (num bloqueio) e que devido ao campo girante se tem umfluxo magntico girando velocidade sncrona no sentido horrio em relao ao condutor A do rotor,situado diretamente sob um plo N, o mesmo acontecendo para C em relao a um plo S (observar o

campo criado entre os plos N e S conforme figura 4). Como o rotor est parado, o movimentorelativo dos condutores em relao ao campo para a esquerda. A determinao do sentido da foraeletromotriz induzida pode ser feita atravs da regra de Fleming da mo direita com o polegar indicandoo movimento, o indicador o campo e o dedo mdio a fem. A corrente associada s foras, para ocondutor A uma corrente saindo do papel e para o condutor C uma corrente entrando.Consequentemente nestes pontos aparecero fluxos magnticos, no sentido anti-horrio para ocondutor A e horrio para o condutor C

Pelas interaes entre os campos produzidos pelas correntes induzidas e os camposmultipolares do estator, tem-se repulso esquerda e atrao direita dos condutores A e C

(cf. figura 7), ou seja, um movimento no mesmo sentido do campo magntico. O condutor B, noinstante mostrado, como est numa regio interpolar no sede de fem induzida.


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Cam o

MovimentoRelativo

I Induzida

A

A

AtraoRe ulsoC

AtraoRe ulso

X

( a ) ( b )

Figura 7 (a) correntes induzidas (b) interao entre campos

Em repouso, a freqncia da fem induzida no rotor igual freqncia do campo magnticogirante. Por outro lado, se o rotor fosse capaz de girar mesma velocidade do campo magnticogirante, no haveria tenso induzida (isto corresponde ao condutor A ficar sob o plo norte epermanecer sob este plo). Logo a freqncia das tenses induzidas no rotor varia inversamente com avelocidade do rotor, desde um mximo (freqncia da linha) com o rotor em repouso, at a freqncianula na velocidade sncrona. Assim, a freqncia da tenso (ou corrente) induzida no rotor dada por:

fsfr .= onde: f: freqncia da tenso aplicada ao estator (freqncia da linha).

Desta maneira, o motor de induo de rotor bobinado pode ser usado como dispositivo deconverso de freqncia quando seu rotor acionado a uma dada velocidade (potncia mecnica fornecida ao seu eixo) e se retira a fem atravs dos anis coletores. Neste caso tem-se um gerador deinduo.

Os condutores do rotor do motor de induo tm uma resistncia Rr e uma reatncia Xr quedepende da freqncia do rotor (a indutncia das barras (Lr) fixa). usual determinar-se a reatnciado rotor, atravs do ensaio a rotor bloqueado, para ento se utilizar este valor como um padro dereferncia. Uma vez que a freqncia do rotor aumenta com o escorregamento ( fsfr .= ) e a

reatncia varia com a freqncia ( rr LfX ...2 = ), a reatncia do rotor dada por:

rbr XsX .= , onde: s = escorregamento (em decimais);

rbX = reatncia a rotor bloqueado.

Do mesmo modo, a tenso induzida no rotor (Er) funo do fluxo e consequentemente dafreqncia, sendo dada por:

rbr EsE .= , onde: Erb = tenso induzida a rotor bloqueado

Assim, a tenso induzida no rotor, a reatncia e sua freqncia variam todas em funo do

escorregamento desde um mximo (s = 1) para rotor bloqueado, at zero se a velocidade do rotor forigual velocidade sncrona. (s = 0).

Exemplo 3: Um MIT de 4 plos opera a 60 Hz Se o escorregamento vale 5% a plena carga, calcule afreqncia da tenso induzida no rotor: a) no instante da partida, b) a plena carga.

a) 1sn

rn-sns == pois 0rn = , logo Hz60. == fsfr

b) a plena carga s = 0,05

logo Hz360.05,0. === fsfr


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IX.1.5 Circuito Equivalente para o Motor de Induo

Conforme visto anteriormente, o motor de induo pode ser analisado como um transformadorcontendo um entreferro e tendo uma resistncia varivel no secundrio. Assim, o primrio dotransformador corresponde ao estator do motor de induo, enquanto que o secundrio correspondeao rotor. A figura 12 mostra o circuito equivalente, em termos monofsicos, onde:

R1: resistncia por fase efetiva do estatorX1: reatncia de disperso por fase do estator

R2: resistncia por fase efetiva do rotor

X2: reatncia de disperso por fase do rotor

V1: tenso de fase aplicada no motor

E1: fcem gerada pelo fluxo de entreferro resultante

I1: corrente no estator

E2: tenso induzida no rotorI2: corrente no rotor

R2/s: representa o efeito combinado de carga no eixo e resistncia do rotor

1V&

2E&

1E&

1X1R

2I&

1I&

2X

s

R2

Figura 12: Circuito equivalente por fase do MIT

Para desenvolver melhor este circuito, conveniente expressar as quantidades do rotorreferidas ao estator. Para este propsito, deve-se conhecer a razo de transformao, como numtransformador. Esta razo de tenso num motor de induo, que ser denominada a, deve incluir osefeitos das distribuies dos enrolamentos do estator e rotor. Assim:

R2

= a2

R2X2 = a

2 X2 onde

R2: resistncia por fase do rotor referida ao

estator

X2: reatncia de disperso por fase do rotor

referida ao estator

Xm: reatncia que considera a magnetizao doncleo

Rm: resistncia que considera a perda noncleo

Im: corrente devido magnetizao e perdasdo ncleo

Considerando as similaridades entre um motor de induo e um transformador, pode-se referiras quantidades do rotor para o estator, obtendo-se o circuito equivalente por fase mostrado nafigura13.a.


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mR

mX

1X1R

eI&

1I&

'2X

'2I&

( a )

mR

mX

1X1R

eI&

1I&

'2X

)1('2 ss

R

'2I&

( b )

1V&

1V&

'2R

s

R '2

cI&mI&

cI&

mI&

Figura 13 Circuito equivalente modificado

O valor de R2 /s pode ser separado em duas parcelas, ou seja: )1(

'2'

2

'2 s

s

RR

s

R+= .

O valor de '2R representa a resistncia por fase do rotor parado referida ao estator e

ssR )1('2 a resistncia dinmica por fase que depende da velocidade do rotor, valor correspondente

carga no motor. Este desmembramento mostrado na figura 13.b.

A maior utilidade do circuito equivalente para um MIT sua aplicao no clculo dodesempenho da mquina. Todos os clculos so feitos em termos monofsicos, admitindo-se umaoperao balanceada da mquina.

A figura 14 mostra a distribuio de potncias e as vrias perdas por fase da mquina, sendoque:

iP : potncia de entrada

eP : potncia devido a perda no estator

(enrolamento mais ncleo)

eeP : potncia devido a perda no cobre da

bobina do estator

neP : potncia devido a perda do ncleo, onde a

maior parte est no estator.

gP : potncia que atravessa o entreferro

rP : potncia perdida no rotor (condutores)

dP : potncia eletromagntica desenvolvida

mecP : potncia correspondente a perda

rotacional (mecnica)

oP : potncia de sada no eixo


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111 cos.. IVPi =

mce

neeee

RIRIP

PPP

.. 212

1 +=

+=

s

RIPPP eig

'22'

2 .==

'2

2'2 .RIPr =

grgd PsPPP )1( ==

mecP

mecdo PPP =

Figura 14: Distribuio de potncia num motor de induo

O Rendimento de um Motor definido como sendo a razo entre a potncia de sada no eixoe a potncia de entrada, ou seja: = P0/ Pi.

Exemplo 4: O rotor de um motor de induo trifsico 60 Hz, 4 plos consome 120 kW a 3 Hz.Determine:

a-) a velocidade do rotor

b-) as perdas no cobre do rotor

Soluo:

a-) como foram dadas as freqncias tem-se:

fsrf = ou seja, 3 = s . 60 , logo s = 0,05

rpm18004

60.120

pf120

sn ===

rpm17101800).05,01(sn)s-1(rn ===

b-) a potncia que atravessa o entreferro dada por Pg = Pi - Pe. Como as perdas no estator noforam dadas sero desprezadas. Tem-se ento:

s

RIPPP gig

'22'

2 .maskW,120 === e como a potncia devido as perdas no cobre do rotor

dada por'

2

2'

2 RIPr = tem-se: kW6120.05,0. === gr PsP Exemplo 5: O motor similar ao do problema anterior (60 Hz, 4 plos, sendo 120 W a potncia que

atravessa o entreferro KW6=rP , com fr=3Hz) tem uma perda no cobre do estator de

3 kW, uma perda mecnica de 2 kW e uma perda no ncleo do estator de 1,7 kW.Calcule a potncia de sada no eixo do rotor e o rendimento.

Soluo:

Tem-se que: Pg = 120 kW e Pr = 6 kW

As outras potncias dadas so:

Pee = 3 kW Pmec = 2 kW e Pne = 1,7 kW


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A potncia de sada dada por:

P0 = Pd - Pmec = Pg - Pr - Pmec = 120 - 6 - 2 = 112 kW

Para o clculo do rendimento temos:

Potncia de entrada: Pi = Pg + Pe = 120 + 3 + 1,7 = 124,7 kW

%89,7ou0,897124,7

112

iP

P 0 ===

Exemplo 6: Os parmetros por fase do circuito equivalente visto na figura abaixo, para um motor deinduo de 400 V (linha), 60 Hz, trifsico, ligao estrela, 4 plos, so: 1R = 0,2 ,

'2R

= 0,1 , 1X = 0,5 ,'2X = 0,2 e Xm = 20 . Se as perdas totais mecnicas, a

1755 rpm so 800 W, calcule para esta rotao:

a) corrente de entrada

b) potncia total de entradac) potncia total de sada

d) torque de sada

e) rendimento

O circuito equivalente dado por:

s

s )1(1,0

1I&

'2I&

V3

400mI&

0,2 j0,5 0,1j0,2

j20

a-) Inicialmente deve-se calcular a impedncia equivalente. Para isto deve-se calcular o valor doescorregamento para 1755 rpm:

0,0251800

1755-1800

snrn-sns ===

rpm1800460.120

pf.120

sn ===

Logo R2 (1-s) / s = 3,9 e a impedncia equivalente fica:

0,944j3,770,5j0,20,2j20j4

)0,2j4(20j0,5j0,2Ze +++=

++

+++=

= 2022,4 oe

Z

Para o clculo da corrente tem-se:

V023103

4001 ==V& e ento: A207,5411 ==

eZ

VI

&&


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b-) Como a potncia total de entrada trs vezes a potncia monofsica temos:

3iP = 3 ( V1 I1 cos ) = 3 . 231 . 54,7 . cos 200 = 35,6 kWc-) Para a potncia total de sada tem-se:

Po = Pd - Pmec

Pd = ( 1 s ) Pg

A potncia total que atravessa o entreferro Pg para o circuito equivalente, como Rm nula podeser calcula por:

kW80,337,54.2,0.36,35.3.3 233 ==== eeieig PPPPP

Logo Pd = ( 1 s ) Pg = 0,975 . 33,80 = 32,96 kW

Finalmente, Po = 32,96 0,80 = 32,16 kW

d-) Clculo do torque de sada (T): .TP =

PT

o

o

= 183

601755

2 == o rad/s N.m175,74183

32160T ==

e-) Clculo do rendimento:

90ou0,9035,6

32,16

P

P

i

o === %

IX.1.6 Torque no Motor de Induo

O Torque Desenvolvido (T) em cada um dos condutores individuais do rotor(ex.: condutor A da figura 6) na situao de motor parado pode ser expresso por:

rrt IKT cos...= onde:

tK : constante de torque para o nmero de plos, enrolamento, unidades

empregadas, etc.

: fluxo produzido por cada plo unitrio do campo magntico girante que

concatena o condutor do rotor.

rrI cos. : componente da corrente do rotor em fase com Os valores apresentados abaixo so utilizados na determinao da equao para o Torque na

Partida (Tp) do motor de induo.

rR : resistncia efetiva do motor (para a posio bloqueada) de todos os condutores do

rotor combinados.

rbX : reatncia a rotor bloqueado de todos os condutores do rotor combinados.

rbZ : impedncia para o rotor bloqueado, dada por rbrrb XRZ +=& , comrb

rr

Z

R=cos .

rbI : corrente no rotor bloqueado, dada por 22rbr

rbrb

XR

EI

+= .


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Substituindo-se todos os valores na equao de torque desenvolvido, na situao de rotorbloqueado, tem-se o Torque de Partida:

222222

....

..

rbr

rrbtp

rbr

r

rbr

rbtp

XR

REKT

XR

R

XR

EKT

+=

++=

Como o fluxo proporcional tenso de alimentao fE e como rbE (por ao detransformador) proporcional af

E , a equao acima pode ser simplificada para:

222

20 .

..fp

rbr

rf

p EKTXR

REKT =

+=

Como a resistncia efetiva do rotor e a reatncia a rotor bloqueado so constantes para umadada tenso aplicada, a uma freqncia constante, pode-se observar que o torque na partida diretamente proporcional ao quadrado da tenso aplicada ao enrolamento do estator.

Para calcular o Torque Mximo desenvolvido em um motor de induo deve-se

primeiramente calcular a corrente do rotor. Para qualquer escorregamento dado, tem-se que a correntedo rotor dada por:

22 ).(

.

rbr

rbr

XsR

EsI

+= , e como

22 ).(cos

rbr

rr

XsR

R

+= , tem-se que o torque para qualquer

escorregamento dado por:

22 ).(

....

rbr

rrbt

XsR

REsKT

+=

.

Comorb

E diretamente proporcional ao fluxo, tem-se:22

2

).(

...

rbr

rt

XsR

RsKT

+=

.

Para se obter o Torque Mximo, deve-se diferenciar a expresso anterior em relao aresistncia do rotor e igualar este valor a zero. Desta maneira obtm-se rbTr XsR .max= .

Como resultado, tem-se para o torque mximo: 2max

2

max )..(2

.

rbT

f

Xs

EKT = .

Exemplo 7: Um motor de induo de rotor de gaiola de 8 plos, 60 Hz carregado ao ponto ondeocorre o seu torque mximo. A resistncia do rotor, por fase de 0,3 e o motordesacelera por ter atingido o torque mximo a 650 rpm. Calcule:

a. O escorregamento correspondente ao torque mximo

b. A reatncia a rotor bloqueado

c. A freqncia do rotor correspondente ao ponto do torque mximo

Soluo:

a-) rpm9008

60.120

Pf120

sn ===

0,278900

650-900

sn

rn-snsTmax ===


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c-) O torque na partida diretamente proporcional ao quadrado da tenso aplicada:22

11 220.. KVKTP == . O torque de partida a tenso reduzida proporcional ao quadrado da

tenso reduzida: ( )2222 220.6,0.. KVKTP == .


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Ento: == 12

22

1

2 .6,06,0 PPP

P TTT

TN.m4,59165.6,0 22 ==PT

d-) %36%100.270

2,97= . e-) %36%100.

1654,59

= (mesmo valor

do item anterior)Como mostra o exemplo acima, uma reduo na tenso aplicada na partida a 60 % da tenso

nominal resulta numa reduo da corrente de linha e do torque a valores correspondentes a 36 % dosvalores nominais. Assim, um tap de 70 % causaria aproximadamente a reduo metade dos valoresnominais, valor este, muito utilizado na prtica.

IX.1.8.2 Partida Estrela-Tringulo

Em termos de simplicidade e custo, esta a maneira mais conhecida de partida de um motor deinduo. Para que se possa aplicar este mtodo necessrio que o motor permita o acesso a seus

terminais das bobinas do estator, de tal forma que seja possvel efetuar-se a conexo estrela durante apartida, e delta na operao. Quando ligadas em estrela, a tenso imposta cada bobina de 3

lE ,

ou seja, 57,7 % da tenso da linha. Assim, por meio de chaves como mostra a figura 10, possvelfazer partir um motor de induo em estrela, com pouco mais da metade da tenso nominal aplicada cada bobina e posteriormente funcionar em delta com toda a tenso de linha. A corrente de linha para apartida fica reduzida a 1/3 da corrente nominal. O chaveamento da posio estrela para a posio deltadeve ser feito to rapidamente quanto possvel para eliminar grandes correntes transitrias devidas aperda momentnea de potncia.

Figura 10 Chave para partida estrela-tringulo

IX.1.8.3 Partida de Motor de Induo de Rotor Bobinado

O torque de partida do motor de induo de rotor bobinado pode ser ajustado por meio deresistncias externas associadas ao circuito do rotor, ou seja atravs da conexo de resistores variveisem srie com cada bobina do rotor. Limitando-se a corrente no circuito do rotor, com torqueadequado no instante da partida, a corrente de linha no estator consideravelmente reduzida. A figura11 mostra um esquema de tal motor, sem os anis coletores e com os detalhes do sistema de controlecomposto de resistncias.

Na posio desligado, mesmo com o motor energizado, o rotor no gira devido ao circuitodo rotor estar aberto. O motor arranca ao primeiro contato da chave com a posio de mximaresistncia. O motor ir acelerar na medida em que a manopla move-se no sentido horrio, diminuindo-


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se a resistncia do rotor. Na posio final, o rotor completamente curto-circuitado. Se o dispositivofor projetado de tal modo que as resistncias permaneam no circuito, o dispositivo de partida podeservir tambm como controlador de velocidade.

Figura 11 Resistncias para partida do MIT a rotor bobinado

IX.2 Motores de Induo Monofsicos (MIM)

Muitas vezes se tem instalaes industriais e residenciais para as quais a alimentao feita comduas fases ou fase-neutro, necessitando-se de motores monofsicos.

Os princpios bsicos dos motores monofsicos so similares aos dos MIT j apresentados.Como s existem duas fases ou uma fase e um neutro, vrias tcnicas so utilizadas para produzir ocampo magntico girante necessrio para a partida dos motores de induo monofsicos. Este textoapresenta algumas delas e mostra tambm que uma vez que o rotor de um MIM comea a girar,acionado pelo campo girante, continuar a funcionar com a alimentao monofsica.

O rotor de um MIM normalmente do tipo gaiola e no h, como no MIT, ligao fsica entreo rotor e o estator, havendo sim um entreferro uniforme entre eles. As ranhuras do estator sonormalmente distribudas e como um enrolamento monofsico simples no produz campo girante, nemtorque de partida, este enrolamento dividido em duas partes, sendo cada uma delas deslocada noespao e no tempo e normalmente com caractersticas diferentes. Tem-se assim duas bobinas emparalelo, ambas ligadas mesma fonte CA.

IX.2.1 Torque no MIM

Seja um MIM com rotor em gaiola e um enrolamento distribudo ao longo do estator.Considerando o rotor parado, a figura 15.a mostra o campo magntico resultante, num instante em quese tem o sentido instantneo da esquerda para a direita. Os sentidos das correntes induzidas no rotor,por ao transformadora tambm so mostradas. Devido a lei de Lens, estas correntes esto numsentido tal que se opem ao campo que as produziu. Isto verificado atravs do sentido do campodevido corrente induzida nos condutores A e B.


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Figura 15 Torque equilibrado no rotor de um MIM

O sentido do torque produzido pela interao entre a corrente induzida e o campo magnticoem cada condutor do rotor mostrado pela seta em cada condutor (regra da mo esquerda: polegar-

fora, indicador-campo, mdio-corrente). O torque no sentido horrio produzido pelos condutores dametade direita superior do rotor equilibrado pelo torque anti-horrio, associado aos condutores damesma metade inferior, o mesmo acontecendo com a metade esquerda. O torque lquido nulo.Quando muda o sentido da tenso CA, inverte-se tudo e da mesma maneira o torque lquido continuanulo.

A figura 15.b mostra o torque pulsante para um ciclo de tenso aplicada pela fonte CA em umcondutor do rotor, cujo valor mdio nulo.

Qualquer torque pulsante pode tambm ser representado como consistindo de dois torquesgirando em oposio e tendo campos de igual magnitude e velocidade angular, como mostra a figura

15.c. Na figura 15.d so apresentados, em linha tracejada, os torques devidos a 1 e 2 . Cada umdestes torques equivale ao torque resultante devido ao campo girante de um MIT, girando no sentidoapropriado. A composio dos dois torques representa o torque efetivo aplicado ao MIM (linha cheiada figura 15.d). Conforme pode-se observar nesta figura, o torque resultante ser nulo apenas quandoo motor girar a velocidade sncrona em qualquer sentido ou quando o motor estiver parado, de talmodo que uma vez que o motor comea a girar num dado sentido, ele continuar a girar at que aalimentao seja retirada.


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IX.2.2 Tipos de MIM em Funo da Partida

IX.2.2.1 Motor de Induo de Fase Dividida (Partida Resistncia)

Neste tipo de motor, o estator constitudo por 2 enrolamentos deslocados de 90no espao,com caractersticas diferentes a fim de provocar um defasamento entre as correntes que circulam nestesenrolamentos. A figura 16 apresenta as diferenas entre os enrolamentos.

Figura 16 Diagrama de ligaes e relaes de fase para o MIM de fase dividida

O enrolamento de partida tem menos espiras e enrolado com fio de cobre de menor dimetroque o enrolamento de funcionamento. Assim, este enrolamento de partida tem uma resistncia elevada(fio fino: mais dificuldade a passagem da corrente) e uma baixa reatncia. Inversamente, o enrolamentode funcionamento tem baixa resistncia e elevada reatncia.

As relaes de fase das correntes de rotor bloqueado no instante da partida so vistas na figura16.b. Se os enrolamentos esto deslocados de 90 no espao e se as componentes das correntes emquadratura, que esto deslocadas de 90 no tempo, so praticamente iguais ( rrss cosIcosI = ) um

campo girante bifsico equivalente produzido na partida. Este campo produz ento um torque departida suficiente para acelerar o rotor no sentido do campo bifsico equivalente girante.

Em funcionamento, a chave centrfuga abre a um escorregamento de cerca de 25%(correspondente ao torque mximo), e o motor acelera at atingir seu escorregamento nominal(a no abertura da chave implicar na queima do motor).

O MIM de fase dividida , por suas caractersticas de construo, um motor no reversvel, debaixo torque de partida, de difcil controle de velocidade e barulhento que fabricado com potnciasmenores que 3/4 HP, e que pode ser usado em mquinas ferramentas, esmeris, mquinas de lavar,ventiladores, exaustores, compressores, etc.

IX.2.2.2 Motor de Fase Dividida a Capacitor

A fim de melhorar o torque de partida relativamente baixo do motor anterior, adiciona-se umcapacitor ao enrolamento auxiliar, para produzir um defasamento mais prximo de 90 entre ascorrentes de partida e de funcionamento, conforme mostram as figuras 17.a e 17.b.


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Figura 17 Diagrama de ligaes e relaes de fase para o MIM a capacitor

Estes motores so reversveis atravs da inverso da polaridade do enrolamento auxiliar emrelao do enrolamento principal, estabelecendo-se um campo rotacional bifsico no sentido oposto

ao da rotao do rotor. Isto ocorre pois a defasagem entre as correntes dos enrolamentos cerca de82, e uma vez efetuado a inverso, se tem um torque elevado no sentido oposto, fazendo o motorparar e inverter a rotao enquanto que nos motores da fase dividida com partida a resistncia isto noocorre pois a defasagem de apenas cerca de 25.

O MIM de fase dividida a capacitor , por suas caractersticas de construo, um motorreversvel, com corrente de partida reduzida e torque de partida cerca de 2,31 maior que o do motorde fase dividida simples. Estes motores so fabricados at a potncia de 7,5 HP, sendo usados paraacionar bombas, compressores, condicionadores de ar, mquinas de lavar de porte maior, etc.

IX.2.2.3 Motor de Fase Dividida com Capacitor Permanente

Este tipo de motor possui dois enrolamentos permanentes idnticos, sem chave centrfuga,tendo um capacitor a leo conectado em um deles. O valor do capacitor baseado nas condies reaisde funcionamento do motor e no nas condies de partida. Como conseqncia este tipo de motorapresenta torques de partida e de funcionamento muito baixos, sendo tambm mais sensvel svariaes de tenso. A figura 18 mostra o diagrama de ligaes (a), as relaes de fase (b), e acaracterstica de ajuste de velocidade (c).


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produziu. Assim, conforme o fluxo aumenta em cada plo, haver uma diminuio no segmentocorrespondente a bobina. Logo a bobina provoca uma diviso no fluxo de tal modo que quando estediminui (item d da figura), o fluxo se concentra no segmento da bobina. No ponto c, como se v nafigura 19.e no h tenso induzida na bobina pois no h variao no fluxo. O resultado que o fluxoora diminui, ora se concentra no segmento de plo ranhurado, estando sempre atrasado no tempo emrelao ao fluxo na parte principal. Desta amaneira tem-se um campo magntico girante, provocandoum desequilbrio nos torques devido aos condutores do rotor de modo tal que o torque no sentidohorrio excede o torque no sentido anti-horrio ou vice-versa, provocando a rotao do rotor nosentido do campo girante. Para o motor visto na figura 19, a rotao se d no sentido horrio, uma vezque o fluxo no segmento ranhurado se atrasa em relao ao fluxo principal.

O MIM de polo ranhurado , por suas caractersticas de construo e funcionamento utilizadoem toca-discos, projetores cinematogrficos, mquinas para cortar frios, pequenos ventiladores, etc.

IX.2.2.5 Motor Universal

Sempre houve necessidade de um motor que pudesse ser utilizado em aplicaes portteis e

que pudesse funcionar em quaisquer freqncias, a partir de fontes de energia diferentes, ou seja nveisde tenso diferentes.

O motor universal projetado para freqncias comerciais variando de 0 at 60 Hz e paratenses de 1,5 a 250 V. A figura 20.a apresenta o esquema do motor, que tem o rotor em srie com abobina do estator, sendo a corrente conduzida ao rotor por meio de escovas, de modo que quando seinverte a polaridade da fonte, invertem-se tambm a polaridade do campo e o sentido das correntes naarmadura (rotor), continuando a ser produzido torque no mesmo sentido como se v nos itens (b) e (c)da figura.

(b) Sentido de correntesno primeiro meio ciclo

(c) Sentido de correntesno segundo meio ciclo

(a) Motor Srie

Figura 20 Operao do motor srie ou universal

O motor universal , por suas caractersticas de construo, um motor fabricado at a potnciade 3/4 HP, podem a vazio apresentar uma velocidade elevada, necessitando de um sistema deengrenagens apropriado para que isto no ocorra. Podem ainda operar em qualquer freqncia, emvrios nveis de tenso, sendo usados em barbeadores eltricos, mquinas de costura, furadeiras,secadores de cabelo, aspiradores de p, etc.


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IX.3 Mquina Sncrona

A mquina sncrona, de acordo com a localizao do campo, pode ser de dois tipos. Na decampo fixo o estator constitudo por uma estrutura cilndrica de ao ou ferro fundido ou laminado,permitindo o retorno do fluxo para o circuito magntico criado pelos enrolamentos de campo,consistindo de espiras enroladas nas sapatas polares e alimentadas por corrente contnua. O

enrolamento da armadura colocado no rotor levado a anis coletores conforme mostra a figura 21(a), alimentada por CA caso a mquina seja utilizada como motor. A figura 21 (b) mostra um conversorsncrono, que utilizado para converter corrente contnua em alternada e vice versa. Se correntecontnua aplicada s escovas e potncia mecnica ao seu eixo, a mquina funciona como gerador CA.

Figura 21 Mquina sncrona de campo fixo

Na mquina sncrona de campo mvel, figura 22, o enrolamento de campo colocado norotor e alimentado por uma fonte de CC atravs de dois anis coletores e a armadura idntica ao

estator do MIT, alimentada por fonte CA trifsica, no caso de funcionamento como motor ou carga,quando potncia mecnica fornecida ao seu eixo, no caso de funcionamento como gerador. Na figura22 temos dois tipos de rotor: o de plos salientes (a) e o de plos no salientes (b), neste caso, de 4plos, sendo mostradas as conexes da armadura.

Figura 22 Mquina sncrona de campo mvel

IX.3.1 Motor Sncrono (MS)

O motor sncrono possui o estator idntico ao do motor de induo trifsico, que ao seralimentado por tenso alternada trifsica produz o campo girante constante, girando na velocidadesncrona. Existe um outro campo no rotor, criado pela alimentao das bobinas das sapatas polares portenso contnua atravs dos anis coletores. Conforme veremos a seguir, o MS por si s no tem


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a

Atrao

Re ulso

CASO 1 CASO 2

a

Atrao

Re ulso

X

a'

Atrao

Re ulso

X

Atrao

Re ulsoa'

( a )

( b )

Figura 25 Interaes entre linhas de campo

Devido inrcia do rotor, o torque produzido em um segundo nulo pois o rotor foi

efetivamente atrado alternativamente, nos sentidos horrio e anti-horrio, 60 vezes naquele segundo,para a freqncia de 60 Hz.

Se o rotor for levado at a velocidade sncrona, no momento em que se inverter o sentido dacorrente, inverte-se o campo, o que far com que se tenha um torque lquido. Os plos N e S do rotor,girando a uma velocidade sncrona, entram em sincronismo com o campo magntico girante. Se foradicionada uma carga ao eixo da mquina, o contra-torque criado por ela far com que o rotor seatrase momentaneamente, porm se uma carga excessiva for adiciona a ponto do rotor sair dosincronismo, o motor pra de funcionar. Logo um motor sncrono ou funciona velocidade sncrona ouno funciona.

IX.3.1.2 Partida de Motores Sncronos

evidente, ento, que se deve trazer o rotor a uma velocidade suficiente prxima da sncrona,para ocorrer o sincronismo com o campo girante. Alguns dos meios para que isto acontea so:

a) utilizar um motor acoplado ao eixo do MS, que se for de induo deve ter, no mnimo, umpar de plos a menos que os do motor sncrono.

b) a utilizao dos enrolamentos de compensao.

Na partida com enrolamentos de compensao deve-se curto-circuitar o enrolamento de CCenquanto se aplica CA ao estator, trazendo o motor at sua velocidade a vazio como um motor de

induo. Em seguida remove-se o curto-circuito do campo e aplica-se tenso CC este enrolamento,ajustando-se a corrente (pode-se variar o nvel de tenso CC ou o valor da resistncia de campo) paraque ela seja mnima.

Na partida sob carga, a melhor tcnica utilizar um rotor bobinado em lugar do enrolamentoem gaiola nas faces polares, ou seja, o chamado enrolamento de compensao tipo rotor bobinado. Afigura 26 mostra um diagrama esquemtico, onde se utiliza acoplado ao enrolamento de campo, umaresistncia trifsica. O motor parte com toda a resistncia externa por fase e com o enrolamento decampo curto-circuitado. A medida que se diminui a resistncia, o rotor se aproxima da velocidadesncrona e aps ela ser atingida, aplica-se uma tenso contnua ao campo.


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Figura 26 Diagrama para partida do motor sncrono bobinado sob carga

IX.3.1.3 Caractersticas de FuncionamentoO MS tem duas fontes de excitao possveis: a da fonte trifsica CA na armadura e a de CC

no enrolamento de campo. Se a corrente de campo exatamente suficiente para produzir a fmmnecessria, no se necessitando de corrente de magnetizao ou potncia reativa, o motor funcionacom fator de potncia unitrio. Se a corrente de campo menor que a suficiente (se diz que o motorest subexcitado) a deficincia em fmm precisa ser suprida pela armadura, o motor funciona com fatorde potncia atrasado. Se a corrente de campo maior que o necessrio ( se diz que o motor estasobreexcitado) o excesso de fmm deve ser contrabalanceado na armadura e uma componente decorrente adiantada est presente, o motor funciona com fator de potncia adiantado.

O motor sncrono quando funcionando na condio de sobreexcitado e a vazio recebe o nomede condensador sncrono e desempenha a mesma funo de um banco de capacitores, sendo maiseconmico que os capacitores estticos.

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Capitulo_9 Motores