Eletronica de Potencia1

Educao Profissional TcnicaMecatrnica

2o semestral

Eletrnica de PotnciaEPO

Eletrnica de potncia

SENAI-SP, 2000

Trabalho elaborado pelaFaculdade SENAI de Tecnologia Mecatrnicado Departamento Regional do SENAI-SP

Diretoria Tcnica Walter Vicioni Gonalves

Coordenao geral Joo Ricardo Santa RosaClio Torrecilha

Equipe responsvelCoordenao editorial Airton Almeida de MoraesElaborao Sergio Luiz VolpianoReviso de texto Armando Olivetti FerreiraDiagramao SEDOC Servios especializados em mo-de-obra e transporte de

documentos impressos Ltda.Ilustraes Jos Luciano de Souza Filho e Priscila FerriCapa Jos Joaquim Pecegueiro

Todos os direitos reservados. Proibida a reproduo total ou parcial, por qualquer meio ou processo. Aviolao dos direitos autorais punvel como crime com pena de priso e multa, e indenizaes diversas(Cdigo Penal Leis N 5.988 e 6.895).

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Curso Tcnico em Mecatrnica

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Apresentao

Este material tem por objetivo fornecer uma viso panormica das tcnicas deacionamento para motores de induo, motores de corrente contnua e servomotores.

Tcnicas modernas esto sendo aplicadas ao controle de partida e velocidade demotores eltricos integrados com a eletrnica, como os inversores de freqncia, aschaves de partida soft start e os tradicionais conversores para o acionamento demotores de corrente contnua. Para a aplicao na rea da manufatura, temosdisponveis em nosso mercado os servomotores de corrente contnua e os de correntealternada.

Este material didtico procura mostrar de maneira simples, porm objetiva, o princpiode funcionamento dos sistemas eletrnicos, aplicado ao acionamento de mquinaseltricas.

Procuramos abordar os sistemas de segurana e proteo que envolvem a instalaoeltrica destinada a suprir esses equipamentos.

Sabemos que em nenhum momento conseguiremos esgotar totalmente o assunto,pois as novas tecnologias que esto surgindo exigem uma atualizao tecnolgicaconstante para que possamos atuar nas fronteiras do desenvolvimento.

Sumrio

Fusveis Industriais 7Seccionadora 17Contator 23Transformador monofsico 39Transformador trifsico 55Gerador 59Motor de Corrente Alternada 67Sistemas de partida 83Inversores 99Diodo de juno 149Retificador Controlado de Silcio SCR 157Diodo Shockley 169Chave de desligamento de porta 179Transistor Unijuno UJT 183Retificadores trifsicos no controlados 210Retificador trifsico bidirecional no controlado 211TCA 785 217Sistema de disparo usando o UJT 233Retificador trifsico totalmente controlado unidirecional 235Retificador trifsico totalmente controlado bidirecional 247Referncias Bibliogrficas 265


SENAI 7

Fusveis industriais

Neste captulo abordaremos de forma simples, porm objetiva, o funcionamento dosfusveis industriais de ao retardada (Diazed) e rpida (NH), suas principaiscaractersticas construtivas, curvas de seletividade e curvas de Tempo x Corrente.

Fusvel um dispositivo dotado de um elemento metlico com seo reduzida na suaparte mdia, normalmente colocado no interior de um corpo de porcelanahermeticamente fechado, contendo areia de quartzo de granulometria adequada.

O elemento metlico geralmente de cobre, prata ou estanho. O corpo de porcelana de alta resistncia mecnica.

Fusvel diazedFigura 1.1 (Catlogo Weg)


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Fusveis de Baixa Tenso

A atuao de um fusvel proporcionada pela fuso do elemento metlico, quandopercorrido por uma corrente de valor superior ao estabelecido na sua curvacaracterstica tempo x corrente.

Aps a fuso do elemento fusvel a corrente no interrompida instantaneamente,pois a indutncia do circuito a mantm ainda por um curto perodo, circulando atravsdo arco formado entre as extremidades do elemento metlico slido.

A areia de quartzo o elemento extintor do fusvel. Ela absorve toda a energiacalorfica produzida pelo arco, e o vapor do elemento metlico fundido permaneceenvolvido por ela, resultando no final um corpo slido isolante que mantm aextremidade do fusvel ligada carga eletricamente separada da outra extremidade,ligada fonte, conforme mostra a Fig. 1.2.

Figura 1.2

Corrente Nominal aquela que pode percorrer o fusvel por tempo indefinido sem gerar um aquecimentoexcessivo.

O valor da corrente de fuso de um fusvel normalmente estabelecido em 60%superior ao valor indicado como corrente nominal.

Tenso Nominal aquela que define a tenso mxima de exerccio do circuito em que o fusvel deveoperar regularmente.

Capacidade de Interrupo o valor mximo eficaz da corrente simtrica de curto-circuito que o fusvel capazde interromper dentro das condies de tenso nominal.


SENAI 9

Os fusveis NH e Diazed devem operar satisfatoriamente nas condies detemperatura ambiente para as quais foram projetados. Quanto mais elevada atemperatura a que est submetido, mais rapidamente o elemento fusvel alcana atemperatura de fuso.

Os fusveis do tipo NH apresentam caracterstica de limitao da corrente de impulso.So eficazes na proteo da isolao dos condutores e equipamentos de comando emanobra, pois a limitao da intensidade da corrente de curto-circuito implica valoresreduzidos das solicitaes trmicas.

A atuao dos fusveis NH e Diazed obedece s caractersticas de tempo x correntedefinidas pelas normas especficas, como por exemplo a curva mdia de fuso xcorrente, que caracteriza o tempo mdio correspondente fuso do elemento fusvel.

Os fusveis NH e Diazed so providos de indicadores de atuao do elemento fusvel.O indicador constitudo de um fio, em geral de ao, ligado em paralelo ao elementofusvel. Quando este se funde, provoca a fuso do fio, que sustenta uma molapressionada, provocando a liberao do dispositivo indicador.

Os fusveis so fabricados com duas formas distintas de atuao: Rpida ouRetardada.

O fusvel de ao rpida mais comumente empregado nos circuitos que operam emcondies de corrente inferior corrente nominal, como o caso dos circuitos quesuprem cargas resistivas ou eletrnicas.

O fusvel de ao retardada mais adequado aos circuitos sujeitos a sobrecargasperidicas, como no caso de motores e capacitores.

A aplicao do fusvel como elemento de proteo dos circuitos eltricos submetidos acorrentes que definem uma sobrecarga no aconselhvel, pois as suascaractersticas de abertura para correntes com intensidade variando em torno de 1,4vezes sua corrente nominal no permitem que se obtenha desse dispositivo umamargem de segurana aceitvel para tal finalidade.

Assim, os fusveis devem ser dimensionados apenas tendo em vista a proteo darede para correntes de curto-circuito, ou de sobrecarga caracterizada por motor de


SENAI10

induo com rotor bloqueado, apesar de neste caso constiturem uma proteo poucosegura.

Fusvel Diazed

O Fusvel diazed constitudo pelas seguintes partes: Base Anel de proteo Parafuso de ajuste Fusvel Tampa

Figura 1.3 (Catlogo eletrnico Weg)Curva Caracterstica

Figura 1.4 (Catlogo eletrnico Weg)


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Caractersticas Construtivas do Fusvel

Diazed




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Fusvel NH




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Curva Caracterstica



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Acessrios Fusvel NH


SeletividadePor definio, seletividade a caracterstica que deve ter um sistema eltrico, quandosubmetido a correntes anormais, de fazer atuar os dispositivos de proteo de maneiraa desenergizar somente a parte do circuito afetada.

A adoo dos recursos de seletividade garante, ao sistema eltrico, a mais perfeitacoordenao na atuao dos seus vrios elementos de proteo.

Os dispositivos de proteo podem ser encontrados em um determinado sistemaeltrico, formando as seguintes combinaes: Fusvel em srie com fusvel Fusvel em srie com disjuntor de ao termomagntica Disjuntor de ao termomagntica em srie com fusvel. Disjuntores em srie entre si

Neste captulo vamos estudar apenas a seletividade entre fusveis, mas, para umaprofundamento maior indicaremos dois livros: Instalaes Eltricas Industriais, de Joo Mamede Filho, Editora LTC. Instalaes Eltricas Industriais, de Ademaro A. M. Bittencourt Cotrim, EditoraMcGraw-Hill.


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Fusvel em srie com fusvel

Para assegurar a seletividade entre fusveis necessrio que a corrente nominal dofusvel protegido seja igual ou superior a 160% da corrente nominal do fusvel protetor.

INFA >= 1,6 INFPINFA = Corrente nominal do fusvel protegidoINFP = Corrente nominal do fusvel protetor

Figura 1.12

FUSVEIS NEOZED



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Fusveis de Ao Ultra-rpida

So dispositivos de proteo destinados a proteger cargas resistivas ou cargaseletrnicas compostas por DIODOS, SCR, TRIAC, GTO, TRANSISTORES, POWERMOS ou IGBT.

Fusveis Silized


FUSVEIS SITOR



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Seccionadora

Neste captulo abordaremos o funcionamento das chaves seccionadoras, suasprincipais caractersticas e aplicaes. Veremos as diferenas entre as seccionadorascom abertura sem carga e as seccionadoras com abertura com carga.

Seccionador um equipamento capaz de permitir a abertura de todos os condutoresno aterrados de um circuito, de tal modo que nenhum plo possa ser operadoindependentemente.10

Figura 2.1 (Target engenharia e consultoria)

As seccionadoras podem ser classificadas em dois tipos: Seccionadoras com aberturas sem carga. Seccionadoras com abertura com carga.

Seccionadora com abertura sem carga aquela que somente deve operar com o circuito desenergizado ou sob tenso. O

tempo de abertura depende da velocidade do operador.

Figura 2.2


SENAI18

Seccionadora sob carga ou interruptoras aquela capaz de operar com o circuito sem carga ou com carga plena.

As seccionadoras de atuao em carga so providas de uma cmara de extino dearco e de um conjunto de molas capaz de imprimir uma velocidade de operaoelevada.

A principal funo das seccionadoras permitir que seja feita manuteno seguranuma determinada parte do sistema. Quando as seccionadoras so instaladas emcircuitos de motores devem desligar tanto os motores como os dispositivos decontrole.


Sobre os dispositivos de Seccionamento a norma estabelece:

Os seccionadores devem ser projetados e ou instalados de forma a impedirqualquer restabelecimento involuntrio. Um tal restabelecimento poderia ser causado,por exemplo, por choques ou vibraes. Devem ser tomadas medidas para impedir a abertura inadvertida ou desautorizadados dispositivos de seccionamento apropriados abertura sem carga.

Os seccionadores utilizados em circuitos de motores de at 600V devem serdimensionados pelo menos para 115% da corrente nominal, isto :

Isec = 1,15 * Inm

Quando os seccionadores so instalados em circuitos de capacitores, devem serdimensionados pelos menos para 135% da corrente nominal do banco de capacitores,ou seja:

Isec = 1,35 * Inm


SENAI 19

As Chaves Seccionadoras devem ser dimensionadas para suportar, durante o tempode 1s, a corrente de curto-circuito, valor eficaz (corrente trmica), e o valor de cristada mesma corrente (corrente dinmica).

Tabela de Chaves Seccionadoras Tipo 3kU Siemens

CAPACIDADEDE RUPTURACOS = 0,7

CORRENTES MXIMASADMISSVEIS

CORRENTES DECURTO-CIRCUITO

AT 500VPROTEGIDAS POR

FUSVEIS NHTIPO

CORRENTENOMINAL

(A)

380 V(A)

500 V(A)

Trmicadurante 1s

(Valor Eficaz)kA

Dinmicas(Valor de Crista)

kA

Correntenominal

mxima dosFusveis (A)

Valor dacorrentepresumi

da(KA)

3kU1.127

100 8 * In 6 * In 10 20 100 100

3kU1.227

200 6 * In 4,5 * In 10 20 160 100

3kU1.327

250 5 * In 4 * In 15 30 250 100

3kU1.427

400 3,5 * In 3 * In 20 40 355 100

3kU1.627

630 2,5 * In 2 * In 30 60 500 100

3kU1.827

1250 1,5 * In 1 * In 50 90 1000 60

OBS.: Na compra da chave seccionadora, devem acompanh-la pelo menos asseguintes informaes: Tenso nominal Corrente nominal Corrente trmica Corrente Dinmica Tipo de Acionamento (Manual/Rotativo) Tipo de Operao (com Carga ou a Vazio)


SENAI20

Chaves Seccionadoras




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Contator

Neste captulo abordaremos o funcionamento dos contatores, suas principais

caractersticas com relao a tenso nominal, freqncia de manobra, corrente

nominal, numerao dos contatos de potncia e comando, e categorias de

acionamento (AC1, AC3, AC4).

Analisaremos os rels de tempo e suas principais aplicaes dentro do comando

eltrico, como tambm os rels bimetlicos e suas aplicaes como elemento de

proteo contra sobrecargas. Vamos traar um paralelo entre o rel trmico e as

sondas de proteo trmica, analisando o funcionamento das sondas de acordo com

cada aplicao.

Contatores de Potncia

Contator Magntico Tripolar um dispositivo de atuao magntica destinado interrupo de um circuito em

carga ou a vazio.

Seu princpio de funcionamento baseia-se na fora eletromotriz que tem origem na

energizao de uma bobina e na fora mecnica proveniente do conjunto de molas de

que se compe.

Quando a bobina energizada, a fora eletromecnica desta sobrepe-se fora

mecnica das molas, obrigando os contatos mveis a se fecharem sobre os contatos


SENAI24

fixos aos quais esto ligados os terminais do circuito, conforme pode-se observar na

Figura 3.1.

Catlogo eletrnico - Weg

1 Ncleo Fixo2 Bobina3 Ncleo Mvel4 Contato Fixo Principal5 Contato Mvel Principal6 Contato Mvel Auxiliar7 Contato Fixo Auxiliar

Figura 3.1 (Catlogo Siemens)


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Contator 3TF56

1 Ncleo fixo

2 Bobina

3 Ncleo mvel

4 Contato fixo

5 Contato mvel

6 Cmara de extino

Figura 3.2 (Catlogo Siemens)

Os contatores so construdos para suportar um elevado nmero de manobras. Sodimensionados em funo da corrente nominal do circuito, do nmero de manobrasdesejado e da corrente de desligamento no ponto da instalao.

OBS.: Na compra de contatores devem ser fornecidas, no mnimo, as seguintesinformaes:

Tenso Nominal Freqncia Nominal Corrente Nominal Nmeros de Manobras Tenso Nominal da Bobina Nmero de contatos Fixos ou Mveis


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Caracterstica dos Contatores de Potncia


Contatores de Potncia



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Contatores Auxiliares


Contatores Acoplados a Rel Trmico



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Rel de tempo

Dispositivo eletrnico destinado a realizar contagens de tempo em circuitos de

comando de Motores Eltricos ou sistemas de controle que devem trabalhar dentro de

uma base de tempo.


Este dispositivo poder ser usado em sistemas de partida do tipo:

Partida com Chave Estrela Tringulo

Partida com Chave Compensadora

Partida Seqencial de Motores

Partida com Acelerao Rotrica

Partida Srie/Paralela


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Especificao Tcnica

ESPECIFICAO TCNICA WEGLinha Temporizadores Protetores

ModeloRTW. 02 E(retardo na

energizao)

RTW. 02 V(estrela

tringulo)

RFW(falta de

fase)

RFW N(falta defase c/neutro)

RSW(Seqncia defase)

RPWPTC

(Proteo

trmica PTC)

Tenso de alimentao (+10%/-15%)

220 Vca/110 Vca24 Vcc

220 Vca/110Vca

440 Vca/380 Vca220 Vca

380 Vca/220 Vca

440 Vca/380 Vca220 Vca

220 Vca/110 Vca24 Vcc

Freqncia (Hz) 50/60 50/60Consumo mximo ca (VA) 12 (220 Vca) / 6 (110 Vca) 3 1Consumo mximo cc (W) 1 - - 0,7Tempo de retorno TR (ms) 25


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Rels de Sobrecarga Trmicos Bimetlicos

Rels de sobrecarga operam com base no princpio de pares termoeltricos (relstrmicos-bimetlicos). O princpio de operao do rel est fundamentado nasdiferentes dilataes que apresentam os metais, quando submetidos a uma variaode temperatura.

Duas lminas de metais diferentes (Ferro e Nquel) so ligadas atravs de soldas, sobpresso ou eletroliticamente. Quando aquecidas, elas se dilatam diferentemente. Aslminas se curvam, e essa mudana de posio usada para a comutao de umcontato.

Durante o resfriamento, as lminas voltam posio inicial. O rel est, ento,novamente pronto para operar, desde que no exista no conjunto um dispositivomecnico de bloqueio.

O rel permite que seu ponto de atuao, ou seja, a curvatura da lmina, e oconseqente desligamento, possam ser ajustados com auxlio de um dial(potencimetro).Isto possibilita ajustar o valor de corrente que provocar a atuao do rel.

O rel deve ser ajustado para a corrente nominal da carga a ser protegida, porexemplo, um motor.

Princpio construtivo de um rel de sobrecarga bimetlico

Figura 3.8


SENAI 31

1 Boto de Rearme2 Contatos Auxiliares 3 Boto de Teste4 Lmina Bimetlica Auxiliar 5 Cursor de Arraste6 Lmina Bimetlica Principal 7 Ajuste de Corrente

Rel de sobrecarga 3UA5

1 Boto de teste (vermelho)2 Boto de rearme (azul)3 Indicador de sobrecarga (verde)4 Contatos auxiliares 1 NA + 1 NF5 Dial da corrente de ajuste6 Lmina bimetlica auxiliar7 Cursores e alavanca de arraste8 Lmina bimetlica principal9 Elemento de aquecimento

Figura 3.9


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Compensao de temperatura

Os rels de sobrecarga trmicos possuem compensao de temperatura ambiente,que tem seu princpio de operao descrito a seguir.

Com uma temperatura ambiente de 30C, as lminas bimetlicas principais sedilataro (curvaro), deslocando-se atravs do cursor, uma parte do percurso. Paraum determinado valor de corrente, isso resultaria em um tempo de disparo menor.

Para que isso seja evitado, o cursor atua sobre a lmina bimetlica auxiliar. Estalmina, entretanto, no percorrida pela corrente ela aquecida pela temperaturaambiente e se curvar na proporo das lminas principais.Dessa forma, as lminas aquecidas pela corrente determinaro um mesmo tempo dedisparo para qualquer temperatura ambiente.

Esse tipo de compensao de temperatura eficaz na faixa de 20C a +55C.

Ajuste

Os rels de sobrecarga possibilitam uma faixa para escolha de corrente de ajuste. Acorrente de ajuste desejada pode ser definida por meio de uma escala e de umparafuso de ajuste. A corrente de ajuste deve corresponder corrente nominal ou deregime da carga a ser protegida.

Causas de sobrecargas em motores Sobrecarga da Mquina Tempo de partida prolongado Elevada freqncia de manobra Rotor bloqueado Falta de fase Desvio excessivo de tenso e freqncia

Aplicao do rearme manual e automtico

Aps um disparo por sobrecarga, as lminas bimetlicas necessitam resfriar-se eretornar sua posio inicial at que o rel esteja novamente em condies deservio. Assim, o intervalo de repouso necessrio ao motor fica obrigatoriamenteassegurado.


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Rels de sobrecarga em regime automtico so utilizados com contatorescomandados por boto de impulso. Aps o tempo de resfriamento, o contato auxiliardo rel retorna sua posio inicial, no ativando o circuito de comando.

Rels de sobrecarga em rearme manual so utilizados em contatores comandados porchave de posio fixa. O contato auxiliar do rel permanece aberto aps o tempo deresfriamento, impedindo que se ative o circuito de comando.

Aplicao do Rearme Manual e Automtico

Figura 3.10

Protetores Trmicos

A proteo trmica efetuada por meio de termo-resistncias (resistncia calibrada),termistores, termostatos ou protetores trmicos.

Os tipos de detetores a serem utilizados so determinados em funo da classe detemperatura do isolamento empregado, do tipo de mquina e da exigncia do cliente.


SENAI34

Termo-resistncias (PT100)

So elementos cuja operao se baseia na caracterstica de variao da resistnciacom a temperatura, intrnseca a alguns materiais (geralmente platina, nquel ou cobre).

Possuem resistncia calibrada, que varia linearmente com a temperatura,possibilitando um acompanhamento contnuo do processo de aquecimento do motorpelo display do controlador, com alto grau de preciso e sensibilidade de resposta.

Geralmente se aplicam em instalaes de grande responsabilidade, como, porexemplo, em regime intermitente muito irregular.

Figura 3.11 (Manual de motores Weg)

Termistores (PTC e NTC)

So detetores trmicos compostos de sensores semicondutores que variam suaresistncia bruscamente ao atingirem uma determinada temperatura.

PTC Coeficiente de Temperatura Positivo NTC Coeficiente de Temperatura Negativo

O tipo PTC um termistor cuja resistncia aumenta bruscamente ao atingir-se umvalor bem definido de temperatura, especial para cada tipo.Essa variao brusca na resistncia interrompe a corrente no PTC, acionando um relde sada, o qual desliga o circuito principal. Pode ser usado em sistemas de alarme.

Para o termistor NTC acontece o contrrio, mas sua aplicao no normal emmotores eltricos, pois os circuitos eletrnicos de controle disponveis destinam-se,geralmente, para o PTC.


SENAI 35

Os termistores possuem tamanho reduzido, no sofrem desgastes mecnicos e tmuma resposta mais rpida em relao aos outros detetores.

Os termistores, com seus respectivos circuitos eletrnicos de controle, oferecemproteo completa contra sobreaquecimento produzido por falta de fase, sobrecarga,sub ou sobretenses, ou freqentes operaes de reverso ou liga-e-desliga.

Possuem um baixo custo, relativamente aos do tipo PT100, mas necessitam um relpara comando da atuao do alarme ou operao.

Termistor (PTC ou NTC)

Figura 3.12

Termostatos

So detetores trmicos do tipo bimetlico, com contatos de PRATA normalmentefechados, que se abrem quando ocorre determinada elevao de temperatura.Quando a temperatura de atuao do bimetlico baixa, ele retorna a sua forma originalinstantaneamente, permitindo um novo fechamento dos contatos.

Os termostatos podem ser destinados para sistemas de alarme, desligamento ouambos (alarme e desligamento) de motores trifsicos.

So ligados em srie com a bobina do contator, utilizando-se geralmente umtermostato por fase do motor.

Para operar em alarme e desligamento (dois termostatos devem ser usados por fase),os termostatos de alarme devem ser apropriados para atuao na elevao detemperatura prevista no motor, ao passo que os termostatos de desligamento deveroatuar na temperatura mxima do material isolante.


SENAI36

Termostato

Escala Real


Instalao do TermostatoOs termostatos so instalados nas cabeas de bobinas de fases diferentes, conformea Figura 3.14.



SENAI 37

Comparao entre os sistemas de proteo mais comuns

TERMORESISTNCIA(PT-100)

TERMISTOR(PTC NTC)

TERMOSTATO

Mecanismo deProteo

Resistncia CalibradaResistor deAvalanche

Contatos mveisBimetlicos

Disposio Cabea de BobinaCabea deBobina

Inserido no circuitoCabea das bobinas

Forma de AtuaoComando externo deatuao na proteo

Comando externode atuao naproteo

Atuao diretaComando externode atuao daproteo

Limitao deCorrente

Corrente de comandoCorrente decomando

Corrente do motorCorrente docomando

Tipo deSensibilidade

Temperatura TemperaturaCorrente etemperatura

Nmero deunidades por motor

3 ou 6 3 ou 63 ou 61 ou 3

Tipos de comandoAlarme e/oudesligamento

Alarme e/oudesligamento

DesligamentoAlarme e/ou

desligamento


SENAI38

Comparativo entre Sistemas de Proteo de Motores

Proteo em funo da corrente

S fusvelFusvel e protetor

trmico

Proteo com sondas

trmicas no motor

Causas de

sobreaquecimento

1. Sobrecarga com corrente 1,2

vezes a corrente nominal

2. Regimes de carga S1 a S8

EB 120

3. Frenagens, reverses e

funcionamento com partidas

frequentes.

4. Funcionamento com mais de

15 partidas por hora.

5. Rotor bloqueado

6. Falta de fase

7. Variao de tenso

excessiva

8. Variao de freqncia na

rede

9. Temperatura ambiente

excessiva.

10. Aquecimento externo

provocado por rolamentos,

correias, polias etc.

11. Obstruo da ventilao

LEGENDA:NO PROTEGIDO

SEMI-PROTEGIDO

TOTALMENTE PROTEGIDO



SENAI 39

Transformador monofsico

Neste captulo abordaremos o funcionamento do transformador monofsico.Primeiramente faremos uma anlise dos circuitos magnticos, procurando compar-los com os circuitos eltricos. Vamos analisar o ciclo de histerese, perdas,funcionamento com o secundrio aberto e funcionamento com o secundrio fechado,com o objetivo de extrair as principais equaes eletromagnticas a serem usadasquando analisarmos o funcionamento das mquinas eltricas rotativas.

Circuitos magnticos

A lei bsica que determina a relao entre corrente e campo magntico e a lei deAmpere.

==== HdlJdsOnde:

J densidade de corrente eltrica (unidade A/m2)H intensidade de campo magntico (unidade Aesp/m)

Aplicando a equao na Figura 4.1, temos:

==== HdlJds

Figura 4.1


SENAI40

O primeiro membro se torna simplesmente o produto N x i, e o segundo membro serigual ao produto H x ln, portanto temos:

lnHin ====

A intensidade de campo magntico H produz uma induo magntica B de valor iguala:

HB ====

A unidade de B Weber por metro quadrado, onde 1 weber = 108 linhas de campomagntico.

O termo a permeabilidade magntica, uma propriedade do material.Seu valor no vcuo vale:

mAweber104

7

0 ====

A permeabilidade dos materiais ferromagnticos expressa usualmente pelapermeabilidade relativa ( r) ao valor para o vcuo, onde:

0r ====

Os valores tpicos de r esto na faixa de 2.000 a 6.000 para materiais usados emmquinas eltricas. Os transformadores so enrolados sobre ncleos fechados, e osdispositivos de converso de energia que incorporam um elemento mvel (motor)exigem um entreferro no ncleo.

Um circuito magntico com entreferro mostrado na Figura 4.2:

Figura 4.2


SENAI 41

Aplicando a equao ao circuito, temos:

gHlnHin gn ++++====

Onde Hg a intensidade no entreferrog a distncia do entreferroDentro do ncleo, a induo magntica pode ser considerada uniforme atravs darea Sn de uma seo transversal, de modo que o fluxo definido por:

nn SB ====

A equao abaixo pode ser escrita primeiramente em termos das indues magnticasno ncleo e no entreferro, e depois em termos de fluxo total.

gHlHin gng ++++ ====

Aps algumas substituies, temos:

gS

lS

ingg

gn

nn

n

++++

====

O termo (n x i) indicado por F Fora magnetomotriz ou (Fmm), e os termos dosegundo membro so chamados de reatncia ou permencia.

nn

n

SlRn

====

)RR(Fmm

RRFmmS

gS

lnin

gn

gn

ggnn

ggg

nnn

++++

++++

++++

============

====

====

Desenvolvendo a equao acima podemos calcular o fluxo magntico atravs daseguinte equao

0g

n

g

n

gn

g

mm

1)SS

gl(

RF

====++++

====


SENAI42

Propriedades dos materiais magnticos

As mquinas e os transformadores utilizam materiais magnticos em vrios tamanhose formas, desde folhas finas estampadas de aosilcio at peas slidas de ferro pararotores de geradores sncronos e peas polares de mquinas de corrente contnua.

Todo material ferromagntico utilizado para mquinas caracterizado por altapermeabilidade relativa e tambm por uma relao no linear entre B e H.

A informao bsica das propriedades magnticas dada pelo ciclo B H, ou ciclo dehisterese.

Essa curva mostra a relao instantnea entre a induo magntica B e aintensidade de campo magntico H em um ciclo completo de funcionamento.

Ciclo de histerese simtrico

Figura 4.3

A informao til fornecida pelo ciclo a relao entre os valores mximos de B Hna extremidade do ciclo. Esta informao apresentada como uma curva normal demagnetizao que passa pelas extremidades de uma seo de ciclos de B Hcobrindo a faixa de induo magntica.


SENAI 43

A curva normal de magnetizao para o ao M-19, bitola 29 (0,014 pol), processadocompletamente, mostrada na Figura 4.4.

Figura 4.4

Perdas

A considerao das perdas importante por trs razes:

As perdas determinam o rendimento da mquina e influenciam apreciavelmente ocusto de funcionamento. As perdas determinam o aquecimento da mquina, a potncia nominal, ou apotncia de sada que pode ser obtida sem excessiva deteriorao da isolao. As quedas de tenso ou componentes de corrente associadas s perdas precisamser levadas em conta.

Tipos de Perdas: Perdas Joule Perdas por Histerese Perdas por corrente parasita ou de Foucault Perdas Mecnicas (Ventilao nos Transformadores de Alta Tenso)

Perdas JouleEsse tipo de perda ocorre nos enrolamentos dos transformadores (Condutor) e podeser calculado atravs da seguinte expresso:

2

jouleIRP ====


SENAI44

Perda por Histerese: a dificuldade que as molculas do ncleo apresentam em acompanhar as variaes

do campo magntico, tendo como resultado o aquecimento do ncleo.

Perdas por corrente Parasita ou de FoucaultQualquer massa metlica (ncleo) em presena de um campo magntico varivel

sofrer uma induo magntica.

Essa induo gera na massa metlica uma corrente parasita que causa o aquecimento

do ncleo, sendo portanto desnecessria ao circuito.

Para reduzir os efeitos das correntes parasitas, os ncleos das mquinas eltricas de

corrente alternada so fabricados com chapas laminadas.

Transformadores

O transformador um dos principais responsveis pela utilizao to difundida de

sistemas de energia em corrente alternada, pois torna possvel tanto a gerao de

energia na tenso mais econmica, como tambm a transmisso dessa energia na

tenso mais econmica.

Essencialmente, um transformador constitudo por dois ou mais enrolamentos

concatenados por um campo magntico mtuo.

Se um desses enrolamentos, o primrio, for ligado a uma fonte de energia alternada,

ser produzido um fluxo magntico alternado cuja amplitude depender da tenso e do

nmero de espiras do primrio.

O fluxo magntico mtuo ir concatenar-se com o outro enrolamento, chamado de

secundrio, e induzir uma tenso cujo valor depender do nmero de espiras do

secundrio.


SENAI 45

Esse tipo de transformador chamado de Transformador de Ncleo de Ferro.

Figura 4.5Construo

Existem dois tipos de construo: o tipo chamado Ncleo Envolvido, em que osenrolamentos esto em torno de duas colunas de um ncleo magntico retangular, e otipo Ncleo Envolvente, em que os enrolamentos esto em torno da coluna central deum ncleo de trs colunas.

Figura 4.6


SENAI46

Comportamento com o secundrio aberto

Figura 4.7

Considere o transformador mostrado acima, com o circuito do secundrio aberto euma tenso v1 aplicada aos terminais do primrio.

Neste instante, uma pequena corrente i, chamada corrente de excitao, circula noprimrio e estabelece um fluxo magntico alternado no circuito.Esse fluxo induz uma Fora eletromotriz no primrio, igual a:

dtd1n1e ====

A lei de Lenz mostra que e1 uma Fora contra-eletromotriz (Fcem), tendo polaridaderelativa a v1.

1e)i1r(1v ++++====

Como a queda de tenso na resistncia do primrio (r1) desprezvel, temos que:

1e1v ====

O fluxo instantneo pode ser calculado pela seguinte equao:

wtsenmax

====

A tenso induzida e1 ser:

wtcosw1n1edtd1n1e

max

====

====

Onde max o valor mximo do fluxoW = 2f


SENAI 47

Clculo do valor eficaz da Fem induzida

A Fem induzida est adiantada de 90 em relao ao fluxo, e 90 equivale a meioperodo da senide, onde temos o tempo de 4,1666ms.

Portanto o valor eficaz de e1 ser:

max

max

3

max

max

max

f1n44,41E

2)99962,0(f21n1E

2)101666,4602cos(f21n1E

2wtcosw1n1E

wtcosw1n1e

====

====

====

====

====

Se a queda de tenso na resistncia for desprezvel, a Fcem ser igual tensoaplicada v1.

Dentro destas condies, se uma tenso senoidal for aplicada a um enrolamento,dever estabelecer um fluxo no ncleo variando senoidalmente e cujo valor mximomax satisfaa a exigncia de que E1 se iguale a v1. Com isso teremos:

1nf44,41v

max

====

Esta importante relao aplica-se no somente a transformadores, mas tambm aqualquer dispositivo eltrico funcionando com tenso alternada senoidal.

Efeito da corrente no secundrio transformador ideal

Figura 4.8


SENAI48

Este transformador foi idealizado, portanto as resistncias de seu enrolamento sodesprezveis; todo o fluxo est confinado no ncleo e concatena-se com ambosenrolamentos; as perdas no ncleo so desprezveis e a permeabilidade do ncleo to alta que uma corrente de excitao desprezvel j ser suficiente para estabelecero fluxo magntico.

Sabemos que:

dtd1n1e1v ========

O fluxo gerado no ncleo se concatena com o enrolamento secundrio, gerando umatenso induzida e2, onde:

dtd2n2e2v ========

Dividindo v1 por v2, temos:

2n1n

2v1v

dtd2ndtd1n

2v1v

====

====

Portanto, um transformador ideal transforma as tenses na relao direta do nmerode espiras dos enrolamentos.

Considerando que exista uma carga ligada no secundrio, ento teremos umacorrente i2 e uma Fora magnetomotriz Fmm (n2 x i2).

Essa fora contrabalanada no primrio, onde temos:

1i2i

2n1n

2i2n1i1n

====

====

Assim, um transformador ideal transforma as correntes na razo inversa do nmero deespiras nos respectivos enrolamentos.Com isso, teremos:

1i2i

2n1n

2v1v

========


SENAI 49

Devemos notar tambm que:

2i2v1i1v1i2i

2v1v

2n1n

1i2i

2n1n

2v1v

====

====

====

====Isto , a potncia instantnea de entrada igual potncia instantnea de sada,uma condio decorrente de terdesprezado as perdas no transformador.

Analisando a equao abaixo, verificamos que a potncia de entrada iguala-se potncia de sada.

2i2v1i1v ====

Relao de transformao de um Transformador

Sabemos que:

SBf2n44,42ESBf1n44,41Ef1n44,41E

SB

max

maxmax

maxmax

====

============

A relao de transformao terica de um transformador definida como o quocienteentre a Fcem E1 e a Fcem E2, portanto:

2n1n

2E1EKT

2n1nKT

SmaxBf2n44,4SmaxBf1n44,4KT

2E1EKT

========

============

Podemos afirmar que, para transformadores monofsicos, a relao de transformaoterica tem o mesmo valor que a relao entre o nmero de espiras do primrio e dosecundrio.

Como os transformadores so dispositivos de alto rendimento, maior que 98%, diz-seque um transformador ideal quando seu rendimento for de 100%.

Em razo do alto rendimento, pode-se dizer:P1 P2Onde


SENAI50

P1 Potncia ativa no primrioP2 Potncia ativa no secundrio

O mesmo poderimos dizer com relao potncia reativa.Q1 Q2

E, portanto, com relao potncia aparente, temos:S1 = S2, logo temos v1 x i1 = v2 x i2

Se desprezarmos as quedas de tenso internas ao transformador, podemos dizer que:

1i2i

2n1n

2v1v

2E1E

============

Reatncias e Circuitos equivalentes de um transformador

Em um transformador real, uma teoria mais completa deve levar em conta os efeitosdas resistncias dos enrolamentos, da disperso magntica e da corrente deexcitao.

O fluxo total concatenado com o enrolamento primrio pode ser dividido em duascomponentes, o fluxo mtuo resultante, confinado essencialmente ao ncleo de ferro eproduzido pelo efeito das correntes do primrio e do secundrio.

E o fluxo disperso no primrio e no secundrio se concatena apenas com estesenrolamentos, conforme a Figura 4.9 :

Figura 4.9


SENAI 51

No transformador real, a tenso aplicada v1 ope-se portanto a trs tenses fasoriais,a queda (i1.r1) na resistncia do primrio, a queda (i1.XL1) originada pelo fluxodisperso no primrio, e a Fcem (E1) induzida no primrio pelo fluxo mtuo resultante,conforme a Figura 4.10 (a).

O fluxo mtuo resultante concatenado com ambos enrolamentos, primrio esecundrio, sendo criado pelas Fmm combinadas.

conveniente tratar essas Fmm pela considerao de que a corrente de primrio devesatisfazer duas exigncias do circuito magntico: Deve contrabalanar o efeito desmagnetizante da corrente de secundrio. Produzir uma Fmm suficiente para criar o fluxo mtuo resultante.

A corrente do primrio deve ser separada em duas componentes: Uma corrente de carga. Uma corrente de excitao.

A componente de carga (i2) definida como a corrente no primrio que ircontrabalanar exatamente a Fmm da corrente no secundrio, i2.

Portanto, para correntes em oposio temos:

)1n2n(2i'2i ====

Esta componente iguala a corrente de secundrio referida ao primrio como em umtransformador ideal.

A componente de excitao I definida como a corrente de primrio adicionalnecessria para produzir o fluxo mtuo resultante.

uma corrente no senoidal cuja natureza pode ser descrita atravs do grfico daFigura 4.10.

Figura 4.10 (Mquinas eltricas)


SENAI52

A Figura 4.10 representa o fenmeno de excitao: (a) Forma de onda de tenso,

fluxo e corrente de excitao, e (b) Ciclo Fluxo-Fmm correspondente.

A corrente de excitao pode ser tratada como uma corrente senoidal equivalente I,que pode ser separada em uma componente de perdas no ncleo (Ic) em fase com E1

e uma componente de magnetizao (Im) atrasada de 90 em relao a E1, conforme

a Figura 4.11:

Figura 4.11

Onde:

c

mc

cm

cc

2m

2c

IIgarctan

senIIcosII

III

====

========

====

++++

No circuito equivalente da Figura 4.12 (b) podemos verificar a corrente de excitaosenoidal equivalente I, representada em um ramo paralelo.

O ramo paralelo composto por uma resistncia no indutiva de condutncia (gn), emparalelo com uma indutncia sem perdas (bm).

Alternativamente, pode ser ligada a E1 uma combinao em srie de resistncia ereatncia.


SENAI 53

Na combinao em paralelo a expresso seguinte representa as perdas no ncleodevidas ao fluxo mtuo resultante.

n

2

n

nn

n

2

n

g1EPR1gonde

R1EP

====

====

====

Pn Perdas no ncleo

Rn Resistncia do ncleo

E1 Fora contra eletromotriz

gn Condutncia do ncleo

A susceptncia de magnetizao bm depende da saturao do ferro.

Os valores de gn e bm so usualmente determinados atravs do ensaio em vazio dotransformador para tenso nominal e freqncia nominal.

O fluxo mtuo resultante induz uma Fem E2 no secundrio, sendo a relao entra astenses induzidas dada pela seguinte equao:

2n1n

2E1E====

O transformador real equivalente ao transformador ideal adicionado s impednciasexternas, referindo todas as quantidades ao primrio ou ao secundrio. Otransformador ideal na Figura 4.12 (c) pode ser deslocado direita ou esquerdarespectivamente, para fora do circuito equivalente.

Mas o circuito equivalente desenhado como mostrado na Figura 4.12 (d), semmostrar o transformador ideal e com todas as tenses, correntes e impednciasreferidas ao mesmo lado.

Figuras 4.12 (a, b, c, d)


SENAI54

Clculo da Potncia em Transformadores Monofsicos


Onde:S Potncia Aparente (Potncia Gerada)P Potncia Ativa (Potncia Consumida)Q Potncia Reativa (Potncia de Perdas gerada por mquinas eltricas) ngulo de cargaCos Fator de Potncia


SENAI 55

Transformador trifsico

Neste captulo abordaremos o funcionamento dos transformadores trifsicos, suasprincipais ligaes, caractersticas como tenses e correntes de linha e tenses ecorrentes de fase.

Trs transformadores monofsicos podem ser ligados para formar um banco trifsicoem qualquer um dos quatro modelos mostrados na figura abaixo.

Figura 5.1

Figura 5.2


SENAI56

Em todas as quatro partes da Figura 5.3, os enrolamentos esquerda so osprimrios e direita so os secundrios.

So mostradas as tenses e as correntes resultantes da aplicao ao primrio detenses de linha V e correntes de linha, quando a relao entre espiras de primrio esecundrio (n1/n2) vale a, considerando transformadores ideais.

Deve-se notar que, para tenses de linha e potncia aparente fixa, a potnciaaparente nominal de cada transformador 1/3 da potncia aparente nominal dobanco, independentemente das ligaes usadas, mas os valores nominais de tenso ecorrente dos transformadores individuais dependem das ligaes:

Tipos de ligaes de transformadores Trifsicos

Figura 5.3

Clculo da Potncia em Transformadores Trifsicos

Figura 5.4


SENAI 57

Onde :

S Potncia Aparente (Potncia Gerada)P Potncia Ativa (Potncia Consumida)Q Potncia Reativa (Potncia de Perdas gerada por mquinas eltricas) ngulo de cargaCos Fator de Potncia


SENAI 59

Gerador

Neste captulo abordaremos o funcionamento dos geradores eltricos de correntealternada. Faremos nossa anlise utilizando uma mquina sncrona elementar de doisplos, e assim mostraremos o princpio de gerao da corrente eltrica. Vamoscomentar a rotao sncrona e os tipos de ligao desses geradores.

Mquina Sncrona Princpio Bsico de Funcionamento

A lei de Faraday descreve quantitativamente a induo de tenses por parte de umcampo magntico varivel no tempo.

A Converso Eletromecnica de Energia ocorre quando a variao de fluxo associada ao movimento mecnico.

Em mquinas rotativas so geradas tenses em enrolamentos ou grupos de bobinas,em razo de um campo magntico girante que atravessa um enrolamento.

LEI DE FARADAY

fn44,4E2

fn2E

ndtde

maxmax

========

========

Um grupo de bobinas interligadas de modo que todas as tenses nelas geradascontribuam positivamente para o resultado final chamado de enrolamento deArmadura. Conforme a Figura 6.1, a armadura uma pea rotativa ou rotor em ummotor de Corrente Contnua.


SENAI60

A Figura 6.2 mostra a armadura de um gerador de Corrente Alternada chamado dealternador ou gerador sncrono. Nesse caso a armadura a pea estacionria.As bobinas so enroladas sobre os ncleos de ferro, a fim de que o caminho de fluxoatravs delas possa ser to eficiente quanto possvel.

Uma vez que o ferro da armadura submetido a um fluxo magntico varivel,aparecem nele correntes parasitas ou de Foucault.

Para minimizar as perdas por correntes de Foucault, o ncleo das mquinas eltricas construdo por lminas ou chapas laminadas, conforme a Figura 6.3.

Armadura de uma Mquina de Corrente Contnua


Armadura de uma Mquina Sncrona Gerador



SENAI 61

Ncleo das Mquinas Eltricas


Funcionamento do Gerador Sncrono

Podemos obter informaes preliminares sobre a ao do gerador, discutindo a tensoinduzida na armadura do gerador de corrente alternada sncrono, mostrado na Figura6.4.

Gerador Sncrono Elementar



SENAI62

O enrolamento de campo (rotor) excitado por corrente contnua levada at ele por

meio de escovas de carvo apoiadas sobre anis coletores.

Usualmente, os fatores estruturais ditam essa orientao dos dois enrolamentos.

vantajoso ter o enrolamento de campo de baixa potncia sobre o rotor. O enrolamento

de armadura, constitudo de uma s bobina de N espiras, indicado em seo

transversal pelos dois lados da bobina (a) e (-a) colocadas em ranhuras estreitas,

diametralmente opostas, na periferia interna do estator.

O rotor gira a uma velocidade constante, acionado por uma fonte de potncia

mecnica (turbina ou motor diesel) acoplada ao seu eixo. Os caminhos do fluxo so

mostrados por linhas tracejadas na Figura 6.4.

Conforme o rotor gira, a forma de onda de fluxo passa pelos dois lados da bobina, a e

-a, e a tenso resultante na bobina (Figura 6.5) uma funo do tempo.


A tenso da bobina passa por um ciclo completo de valores para cada rotao da

mquina de 2 plos da Figura 4.

A freqncia em ciclos por segundo (Hertz) igual velocidade do rotor em rotaes

por segundo.

A freqncia eltrica est sincronizada com a velocidade mecnica, e esta a razo

para a designao de mquina sncrona.


SENAI 63

Uma mquina sncrona de 2 plos precisa, portanto, girar a 3.600 rotaes por minutopara gerar uma freqncia de 60Hz, conforme a seguinte expresso:

segrad

602Nsws

rpmNp

f120Ns

====

====

Ns Rotao sncrona em rpm

Np Nmero de plos

Ws Rotao sncrona em rad/seg

Muitas mquinas sncronas possuem mais do que 2 plos, como no exemplo da Figura6.6, que mostra um gerador de 4 plos monofsico.

As bobinas de campo so ligadas de modo que os plos sejam de polaridadealternadamente norte e sul.



SENAI64

H dois comprimentos de onda completos, ou ciclos, na distribuio do fluxo ao longoda periferia, como mostrado na Figura 6.7.


O enrolamento de armadura consiste agora de 2 bobinas (a1, -a1) e (a2, -a2), ligadasem srie pela extremidade.

A tenso gerada passa por 2 ciclos completos por revoluo do rotor. Para manter afreqncia em 60 Hz o rotor deve girar a uma velocidade de 1.800 rpm.

segrad50,188ws

6021800ws

602Nsws

rpm1800Ns4

60120NsNp

f120Ns

====

====

====

============

Com poucas excees os Geradores Sncronos so Mquinas Trifsicas, em razodas vantagens do sistema trifsico para a gerao, transmisso e distribuio daenergia eltrica e para a utilizao em grandes potncias.

Para a produo de um conjunto de trs tenses defasadas em 120 eltricos notempo necessrio um mnimo de 3 bobinas defasadas em 120 eltricos no espao.

Uma mquina elementar trifsica de 2 plos, com uma bobina por fase, mostrada naFigura 6.8. As trs fases so designadas por letras (a, b, c).

Em uma mquina elementar de 4 plos, um mnimo de de 2 conjuntos de bobinasprecisa ser usado, como mostrado na Figura 6.9.

OBS.: Em uma mquina elementar de P plos sero necessrios P/2 conjuntosde bobina por fase, pois um gerador de 4 plos necessita de 2 bobinas por faseno mnimo.


SENAI 65

As bobinas de cada fase da Figura 6.9 so ligadas em srie, de modo que suastenses se somam, e as trs fases podem ento ser ligadas em Estrela ou Tringulo.A Figura 6.10 mostra como as bobinas so interligadas para formar uma ligaoestrela.

Figuras 6.8, 6.9 e 6.10 (Mquinas eltricas)Mquina Sncrona Trifsica



SENAI66

Quando um gerador sncrono supre potncia eltrica a uma carga, a corrente dearmadura (estator) cria uma onda de fluxo no entreferro que gira a velocidadesncrona. Pela lei de Lenz esse fluxo reage com o fluxo criado pelo enrolamento decampo (rotor), resultando em um conjugado eletromagntico, em virtude da tendnciade os dois campos magnticos se alinharem.

Em um gerador esse conjugado se ope rotao, e a Mquina Motriz (turbina oumotor a combusto) deve aplicar conjugado mecnico a fim de sustentar a rotao.

O conjugado eletromagntico o mecanismo atravs do qual maior potncia eltricade sada exige maior potncia mecnica de entrada.


SENAI 67

Motor de corrente alternada

Neste captulo abordaremos o funcionamento dos motores eltricos assncronos.Vamos analisar aspectos como a gerao do campo magntico girante, noes detipos de enrolamento, tipos de ligao, escorregamento, conjugado, inrcia da carga eclasses de isolao.

Mquina de Induo elementarUma terceira forma de excitar os enrolamentos do estator e do rotor ocorre namquina de induo, na qual h correntes alternadas nesses dois enrolamentos. Oexemplo mais comum o motor de induo, no qual a corrente alternada fornecidadiretamente ao estator e por induo ao rotor (ao do transformador).

A mquina de induo pode ser considerada como um transformador generalizado, noqual ocorre transformao de potncia eltrica entre estator e rotor, com mudana defreqncia.

No motor de induo, o enrolamento de estator essencialmente o mesmo do motorsncrono. No rotor o enrolamento eletricamente fechado (gaiola de esquilo) e notem terminais externos, e as correntes so induzidas no rotor pela ao dotransformador do enrolamento do estator.Uma vista em corte do motor de induo mostrada na Figura 7.1:



SENAI68

Campo Magntico GirantePara compreender a teoria de mquinas de corrente alternada polifsicas assncronas necessrio estudar a natureza do Campo Magntico produzido por um enrolamentopolifsico.

Em uma mquina trifsica, os enrolamentos das fases individuais so deslocados umdos outros em 120 eltricos ao longo da circunferncia do entreferro, como mostradonas bobinas a, -a , b, -b, c, -c da Figura 7.2.

As bobinas concentradas de passo pleno, mostradas aqui, podem ser vistas comorepresentaes de enrolamentos distribudos, produzindo ondas senoidais de Fmmcentradas nos eixos magnticos das respectivas fases.

As ondas senoidais de Fmm de trs componentes conseqentemente deslocadas 120eltricos esto no espao. Cada fase excitada por uma corrente alternada que variasenoidalmente com o tempo. Sob condies trifsicas balanceadas as correntesinstantneas so:

Ia = Im sen (wt + 0)Ib = Im sen (wt + 120)Ic = Im sen (wt +240)

Figura 7.2


SENAI 69

onde Im o valor mximo da corrente e a origem do tempo tomada arbitariamente

como o instante em que a corrente da fase a atinge o mximo positivo. A seqncia

das fases tomada como abc, e as correntes instantneas so mostradas na Figura

7.3. Os pontos e cruzes nos lados da bobinas (Figura 7.2) indicam as direes de

referncia para correntes de fase positiva.

As ondas de Fmm variam senoidalmente com o tempo. Cada componente uma

distribuio senoidal estacionria pulsante de Fmm ao redor do entreferro, com o

mximo localizado ao longo do eixo magntico de sua fase e amplitude proporcional

corrente de fase instantnea, Fmm resultante e soma das trs fases.

Figura 7.3

Considere, na Figura 7.3, a situao para t = 0, que o momento em que a correnteda fase a est em seu valor mximo Im. A Fmm da fase a tem ento seu valormximo Fmax, mostrado pelo vetor Fa = Fmax desenhado ao longo do eixo magnticoda fase a, conforme Figura 7.4.

Nesse momento Ib e Ic so ambas Im/2 na direo negativa, como mostrado pelospontos e cruzes na Figura 7.4. As Fmm das fase b e c so mostradas pelos vetores Fbe Fc, ambos iguais a Fmax/2, desenhados na direo negativa ao longo do eixomagntico das fases b e c.


SENAI70

A resultante pela adio das contribuies individuais das trs fases um vetor

maxF23F ====

O vetor F est alinhado com o eixo da fase a.

A mesma anlise deve ser realizada para t = /3 e t = 2/3, gerando as Figuras 7.5 e

7.6.

Figuras 7.4, 7.5 e 7.6 Fora Magnetomotriz de Enrolamentos Distribudos(Mquinas eltricas).

Enrolamentos distribudos

OBS.: os enrolamentos do estator do motor so distribudos para melhor uso do ferroe do cobre. Como conseqncia, melhora-se a forma de onda da fora magnetomotrizresultante no entreferro da mquina.

Para enrolamentos distribudos precisa ser considerado um fator de distribuio kW,pois as Fems induzidas nas bobinas individuais de qualquer grupo monofsico noesto em fase no tempo.

Para a maioria dos enrolamentos trifsicos, kw cerca de 0,85 a 0,95. Portanto, paraenrolamentos distribudos a expresso da Fem em um enrolamento fica:

fasevoltsnfskwf44,4Eef ====

nfs nmero de espiras em srie por fase


SENAI 71

Exemplos de enrolamentos distribudos em motores de corrente alternada:

Motor Trifsico Meio Imbricado ou Meio Diamante diagrama radial

Motor trifsico enrolamento meio imbricadoDados do motor24 canais Potncia 1 cv4 plos 1750 RPMFio 22 AWG 60 Hz220v / 380v 3,8 A / 2,2 A

Passo 1 a 6 90 espiras12 grupos totais de bobinas1 bobina por grupo4 grupos de bobinas por fase

Frmulas

Np = N

f . 120 Nb = 2

Nc

Bob / Gr = Nf . Np

Nb Gb / f = NfGb

Gb = Nf . Np GET = 180 . Np

GER = Nr

GET Yf = GER120

Yb = NpNr . 0.8 Nb1 =

2Yb - 1

LegendaNp nmero de plos f freqnciaN velocidade sincrona Nb nmero de bobinasNc nmero de canais GET graus eltricos totaisGER graus eltricos por ranhura Nr nmero d ranhurasYf passo da fase Nf nmero de fasesGb grupos totais de bobinas Yb passo da bobinaNb1 bobinas levantadas Gb / f grupos de bobinas por faseBob / Gr bobinas por grupo

Figura 7.7


SENAI72

Motor Trifsico Meio Imbricado ou Meio Diamante diagrama planificado

Figura 7.8

Anlise do Circuito Equivalente do Motor de InduoEntre os aspectos importantes de desempenho em regime permanente esto asvariaes de corrente e de velocidade, perdas em funo do conjugado de carga,conjugado de partida, e o conjugado mximo.

Todas essas caractersticas podem ser determinadas do circuito equivalente,conforme a Figura 7.9.


Velocidade SncronaA velocidade sncrona do motor definida pela velocidade de rotao do campogirante, a qual depende do nmero de plos (np) do motor e da freqncia (f) da rede,em ciclos por segundo (Hertz).


SENAI 73

Os enrolamentos podem ser construdos com um ou mais pares de plos, que sedistribuem alternadamente (um norte e um sul) ao longo da periferia do ncleomagntico.

O campo girante percorre um par de plos a cada ciclo.Assim, como o enrolamento tem plos ou p pares de plos, a velocidade do camposer:

)rpm(np

f120 ns ====

Exemplos:

a) Qual a rotao sncrona de um motor de 2 plos, 50Hz?

rpm3000ns2

50120ns ========

b) Qual a rotao sncrona de um motor de 2 plos, 60Hz?

rpm3600ns2

60120ns ========

Note que o nmero de plos do motor ter que ser sempre par, para formar os paresde plos. Para as freqncias e polaridades usuais, as velocidades sncronas so:

ROTAO SNCRONA POR MINUTON DE PLOS

60 Hz 50 Hz

2 3.600 3.000

4 1.800 1.500

6 1.200 1.000

8 900 750

12 600 500


SENAI74

Escorregamento

Se o motor gira a uma velocidade diferente da velocidade sncrona, ou seja, diferenteda velocidade do campo girante, o enrolamento do rotor corta as linhas de foramagnticas do campo e, pelas leis do eletromagnetismo, circularo no rotor correntesinduzidas.

Quanto maior a carga, maior ter de ser o conjugado necessrio para acion-la.Para obter o conjugado, ter que ser maior a diferena de velocidade, para que ascorrentes induzidas e os campos produzidos sejam maiores. Portanto, medida que acarga aumenta, cai a rotao do motor.

Quando a carga zero (motor em vazio), o rotor girar praticamente com a rotaosncrona. A diferena entre a velocidade do motor (n) e a velocidade sncrona (ns)chama-se escorregamento (s), que pode ser expresso em rpm, como frao davelocidade sncrona, ou como porcentagem desta.

100ns

nnsS

nsn-nsS

n-nsS

(%)

(rpm)

====

====

====

Exemplo: Qual o escorregamento de um motor de 6 plos, 60 Hz, se sua velocidade de 1.100 rpm?

%33,8S1001200

11001200S100ns

nnsS

rpm1200ns6

60120nsnp

f120ns

(%)(%)(%) ====

====

====

============

Tipos de LigaoA grande maioria dos motores fornecida com terminais dos enrolamentos religveis,de modo a poderem funcionar em redes de pelo menos duas tenses diferentes. Osprincipais tipos de ligao de terminais de motores para funcionamento em mais deuma tenso so: Ligao Srie Paralela Ligao Estrela Tringulo Tripla Tenso Nominal: Duplo tringulo para 220V Dupla estrela para 380V

Ligao Tringulo para 440v


SENAI 75

Ligao Srie Paralela

Figura 7.10

O tipo de ligao mostrado na Figura 7.10 chamado de estrela/dupla estrela, exige9 terminais no motor e a tenso nominal (dupla) mais comum 220/440V ou380/760V, sendo a ligao em 760V usada apenas para a partida na ligao srie.

Figura 7.11

O tipo de ligao mostrado na Figura 7.11 chamado de tringulo/duplo tringulo,exige 12 terminais do motor e a tenso nominal dupla mais comum 220/440V, sendoa ligao em 440V usada apenas na partida em srie.

Ligao Estrela TringuloEsse tipo de ligao exige seis terminais no mnimo, no motor, e serve para quaisquertenses nominais duplas, desde que a segunda seja equivalente primeiramultiplicada por 3 .

Exemplos: 220/380V; 380/660V; 440/760V


SENAI76

Note que uma tenso acima de 600V no considerada baixa tenso, mas entra nafaixa da alta tenso, em que as normas so outras; nos exemplos 380/660 e440/760V, a tenso maior declarada s serve para indicar que o motor pode ser ligadoem estrelatringulo, pois estas tenses so fora do padro de nossas indstrias.

Figura 7.12

Ligao em Tripla Tenso NominalEste tipo de ligao exige 12 terminais, e a Figura 7.13 mostra a numerao normaldos terminais e o esquema de ligao para as trs tenses nominais.

Figura 7.13

Caracterstica de Acelerao

Curva de Conjugado x VelocidadeO motor de induo tem conjugado igual a zero, em velocidade sncrona. medidaque a carga vai aumentando, a rotao do motor vai caindo gradativamente, at umponto em que o conjugado atinge o valor mximo que o motor capaz de desenvolverem rotao normal.


SENAI 77

Se o conjugado da carga aumentar mais, a rotao do motor cai bruscamente,podendo chegar a travar o rotor.

Representando em um grfico a variao do conjugado com a velocidade para ummotor normal, vamos obter uma curva com o aspecto representado na Figura 7.14.

Figura 7.14 Curva Conjugado x Rotao (Manual de motores Weg)

Co Conjugado Bsico o conjugado calculado em funo da potncia e da

velocidade sncrona (ns).

)rpm(

)kw(

)rpm(

)cv()Nm(

)rpm(

)kW(

)rpm(

)cv()Kgfm(

nsP9555

nsP7094Co

nsP794

nsP716Co

========

========

Cn Conjugado Nominal ou de plena carga o conjugado desenvolvido pelo motor

potncia nominal, sob tenso e freqncia nominais.

Cp Conjugado de Partida ou Conjugado com Rotor Bloqueado o conjugado

mnimo desenvolvido pelo motor bloqueado, para todas as posies angulares do

rotor, sob tenso e freqncia nominais.

Esse conjugado pode ser expresso em Nm ou, mais comumente, em porcentagem do

conjugado nominal.

100CnCpCp

(Nm)

(Nm)(%)

====


SENAI78

Na prtica, o conjugado de rotor bloqueado deve ser o mais alto possvel, para que o

rotor possa vencer a inrcia inicial da carga e possa aceler-la rapidamente,

principalmente quando a partida com tenso reduzida.

Cmin Conjugado mnimo o menor conjugado desenvolvido pelo motor ao

acelerar desde a velocidade zero at a velocidade correspondente ao conjugado

mximo.

Na prtica esse valor no deve ser muito baixo, isto , a curva no deve apresentar

uma depresso acentuada na acelerao, para que a partida no seja muito

demorada, sobreaquecendo o motor, especialmente nos casos de alta inrcia ou

partida com tenso reduzida.

Cmax Conjugado Mximo o maior conjugado desenvolvido pelo motor, sob

tenso e freqncia nominais, sem queda brusca de velocidade.

Na prtica o conjugado mximo deve ser o mais alto possvel, por duas razes

principais:

O motor deve ser capaz de vencer, sem grandes dificuldades, eventuais picos de

carga, como pode acontecer em certas aplicaes, como em britadores, calandras,

misturadores etc.

O motor no deve perder bruscamente a velocidade, quando ocorrem quedas de

tenso, momentaneamente excessivas.

Categorias Valores mnimos normalizados

De acordo com as caractersticas de conjugado em relao a velocidade e corrente de

partida, os motores de induo trifsicos com rotor de gaiola so classificados em

categorias, cada uma adequada a um tipo de carga.

Essas categorias so classificadas em norma (NBR 7094).


SENAI 79

Categoria NConjugado de partida normal, corrente de partida normal, baixo escorregamento.

Constituem a maioria dos motores encontrados no mercado para utilizao em

acionamento de cargas normais, como bombas, mquinas operatrizes, ventiladores.

Categoria HConjugado de partida alto, corrente de partida normal; baixo escorregamento. Usados

para cargas que exigem maior conjugado na partida, como peneiras, transportadores

carregadores, cargas de alta inrcia, britadores.

Categoria DConjugado de partida alto, corrente de partida normal, alto escorregamento (+ de 5%).

Usados em prensas excntricas e mquinas semelhantes, onde a carga apresenta

picos peridicos.

Usados tambm em elevadores e cargas que necessitam de conjugados de partida

muito altos e corrente de partida limitada.

As curvas Conjugado x Velocidade das diferentes categorias podem ser vistas naFigura 7.15.



SENAI80

Inrcia da cargaO momento de inrcia da carga acionada uma das caractersticas fundamentais paraverificar, atravs do tempo de acelerao, se o motor consegue acionar a carga dentrodas condies exigidas pelo ambiente ou pela estabilidade trmica do materialisolante.

Por definio, MOMENTO DE INRCIA uma medida da resistncia que um corpooferece a uma mudana em seu movimento de rotao em torno de um dado eixo.Depende do eixo em torno do qual ele est girando e, tambm, da forma do corpo e damaneira como sua massa est distribuda.

A unidade do momento de inrcia Kgm2.

O momento de inrcia total do sistema a soma dos momentos de inrcia da carga edo motor (Jt = Jm + Jc).

No caso de uma mquina que tem uma rotao diferente daquela do motor (porexemplo, nos casos de acionamento por polias ou engrenagens), dever referir-se rotao nominal do motor, conforme a Figura 7.16.



SENAI 81

Podemos calcular Jce atravs das seguintes equaes:

....)Nm

3N(3J)Nm

2N(2J)Nm

1N(1J)NmNc(JcJce

Kgm)NmNc(JcJce

2222

22

++++++++++++

====

====

onde:Jce Momento de inrcia da carga referida ao eixo do motorJc Momento de inrcia da cargaNc Rotao da cargaNn Rotao nominal do motor

Classes de IsolamentoPara fins de normalizao, os materiais isolantes e os sistemas de isolamento soagrupados em classes de isolamento, cada qual definida pelo respectivo limite detemperatura, ou seja, pela maior temperatura que o material pode suportarcontinuamente sem que seja afetada sua vida til.

As classes de isolamento utilizadas em mquinas eltricas e os respectivos limites detemperatura, conforme a NBR 7094, so os seguintes:

Classe A 105C Classe E 120C Classe B 130C Classe F 155C Classe H 180C

As classes B e F so as utilizadas em motores normais

Composio da temperatura em funo da classe de isolamento

CLASSE DE ISOLAMENTO A E B F HTemperatura Ambiente C 40 40 40 40 40t = elevao de temperatura C 60 75 80 100 125Diferena entre o ponto mais quente e atemperatura mdia

C 5 5 10 15 15

Total: temperatura do ponto mais quente C 105 120 130 155 180


SENAI82

Clculo do rendimento do motor:

====

====

====

====

====

cosVL3736)eixo(PIL

736)eixo(PcosILVL3

736)eixo(P)rede(P

cosILVL3)rede(P

100)rede(P736)eixo(P(%)

Clculo da Potncia em Motores Trifsicos de Induo

Figura 7.17

onde :S Potncia Aparente (Potncia Gerada)P Potncia Ativa (Potncia Consumida)Q Potncia Reativa (Potncia de Perdas gerada por mquinas eltricas) ngulo de cargaCos Fator de Potncia


SENAI 83

Sistemas de partida

Neste captulo abordaremos o funcionamento das principais chaves de partida.Analisaremos o funcionamento das chaves de partida direta, reversora, estrelatringulo, compensadora e de acelerao rotrica, suas principais aplicaes e suaslimitaes, procurando sempre traar paralelos com as aplicaes industriais.

Sistemas de Partidas de Motores Eltricos Trifsicos

Limitao da Corrente de Partida em Motores TrifsicosSempre que possvel, a partida de um motor trifsico de gaiola dever ser direta, pormeio de contatores. Devemos ter em conta que, para um determinado motor, ascurvas de conjugado e corrente so fixas, independentemente da dificuldade departida, para uma tenso constante.

Nos casos em que a corrente de partida do motor elevada, podem ocorrerconseqncias prejudiciais, inspirando cuidados: Elevada queda de tenso no sistema de alimentao da rede, provocando

interferncia em equipamentos instalados no sistema. O sistema de proteo (cabos, contatores) dever ser superdimensionado,

implicando um custo elevado. As concessionrias de energia impem limitaes na queda de tenso da rede.

Caso a Partida Direta no seja possvel, em virtude dos problemas citados acima,pode-se usar sistemas de Partida Indireta para reduzir a corrente de partida.


SENAI84

Estes sistemas de Partida Indireta (tenso reduzida) so: Partida com Chave EstrelaTringulo Partida com Chave Compensadora Partida com Chave SrieParalelo Partida com Resistor Primrio Partida com Reator Primrio Partida Eletrnica (Soft Start)

Caso o Motor seja de Rotor Bobinado:

Partida com Acelerao Rotrica

Sistema de Partida Direta

o mtodo de partida mais simples, em que no so empregados dispositivosespeciais de acionamento do motor. Apenas so utilizados contatores, disjuntores ouchaves interruptoras.

Os motores s podem partir diretamente da rede caso sejam satisfeitas asseguintes condies:

A corrente de partida do motor de baixo valor porque sua potncia pequena. A partida do motor feita sem carga, o que reduz a durao da corrente de partida

e, conseqentemente, tambm os efeitos sobre o sistema de alimentao. A corrente que a rede de alimentao pode fornecer to elevada que a corrente

de partida do motor no relevante.

Os fatores que impedem a partida dos motores diretamente rede de alimentaoso:

A potncia do motor superior ao mximo permitido pela concessionria local,normalmente estabelecida em 5 cv.

A partida do motor provoca o desligamento dos circuitos dos outros motores oudisjuntores primrios.

A carga a ser acionada necessita de acionamento lento e progressivo.


SENAI 85

FuncionamentoEstando sob tenso os bornes L1, L2, L3, e apertando-se o boto S1, a bobina docontator K1 ser energizada, conforme a Figura 8.1.

Esta ao faz fechar o contato de selo K1 (1314), que manter a bobina energizada;os contatos principais do contator de fecharo, e o motor funcionar.

InterrupoPara interromper o funcionamento do contator, pulsamos o boto S0. Este se abrir,eliminando a alimentao da bobina, o que provocar a abertura do contato de selo e,consequentemente, dos contatos principais, e a parada do motor.

Circuito Principal e de Comando da Chave de Partida Direta

Figura 8.1


SENAI86

Figura 8.2

Sistema de Partida de Motor Trifsico com Reverso

A reverso do sentido de rotao de um motor trifsico feita pela inverso de duasfases de alimentao.

Esse trabalho realizado por 2 contatores, comandados por 2 botes conjugados,cujo acionamento permite que se obtenham rotaes nos dois sentidos, horrio e anti-horrio.

Seqncia Operacional

Estando sob tenso os bornes L1, L2, L3, e pulsando-se o boto conjugado S1, abobina do contator K1 ser energizada, fechando o contato de selo K1 (1314), o quala mantm energizada.

No mesmo instante os contatos S1 (12) se abriro, impedindo o acionamento de K2,no que se chama de intertravamento por botes.


SENAI 87

Aps o acionamento, a segurana do sistema mantida pelo contato K1 (2122),tambm chamado de intertravamento por contatos do contator.

Permanecendo energizada a bobina do contator K1, haver o fechamento doscontatos principais e o acionamento do motor num sentido.

Inverso do sentido de rotao do motor

Pulsando-se o boto conjugado S2, teremos o desligamento de K1 pelo contato S2 (12) e o fechamento do contato K1 (2122) que estava aberto, habilitando oacionamento de K2 atravs do contato S2 (34).

Nesse instante a bobina de K2 ser energizada, provocando o fechamento do contatode selo K2 (1314), o qual a mantm energizada.

Permanecendo energizada a bobina do contator K2, haver o fechamento doscontatos principais e o acionamento do motor no sentido inverso.

Aps o acionamento, a segurana do sistema mantida pelo contato K2 (2122),chamada de intertravamento por contatos do contator.

Este sistema possui dois fins de curso, FC1 e FC2, que podem ser usados comdispositivos de segurana ou sensores de posicionamento.

Segurana do sistema

Por meio dos botes conjugados S1 e S2Pulsando S1 e S2 simultaneamente, teremos o acionamento dos contatos NA e NFdos dois dispositivos.

O contato NF atua antes do contato NA, proporcionando intertravamento eltrico.

Por meio dos contatos auxiliares K1 (2122) e K2 (2122)Os contatos NF de K1 ou K2 impossibilitam a energizao de uma bobina quando aoutra estiver energizada.

Observao:Do ponto de vista eltrico a reverso dever ocorrer somente com o motor parado,com o fim de evitar valores elevados de correntes de pico, mas sabemos que nemsempre isto possvel em algumas aplicaes temos de conviver com o problema.


SENAI88

Nos tornos mecnicos em geral, assim como em outros tipos de mquinas, s vezesse faz necessrio aplicar a frenagem por contracorrente, para se conseguir inverterrapidamente a rotao do motor.

Circuito Principal e de Comando da Chave Reversora

Principal

Figura 8.3

Comando

Figura 8.4


SENAI 89

Chave de Partida EstrelaTringulo

fundamental, para a partida estrelatringulo, que o motor tenha a possibilidade deligao em dupla tenso, ou seja, 220/380V, 380/660V, 440/760V.

Os motores devero ter no mnimo seis bornes de ligao. A partida estrelatringulopoder ser usada quando a curva de conjugado do motor for suficientemente elevadapara poder garantir a acelerao da mquina com corrente reduzida. Na ligaoestrelatringulo, o conjugado fica reduzido para 25 a 33% do conjugado de partida naligao tringulo.

Por este motivo, sempre que for necessria uma partida estrelatringulo, dever serusado um motor com curva de conjugado elevada.

Antes de se decidir por uma partida estrelatringulo, ser necessrio verificar se oconjugado de partida ser suficiente para operar a mquina. O conjugado resistenteda carga no poder ultrapassar o conjugado de partida do motor, nem a corrente noinstante da mudana para tringulo poder ser de valor inaceitvel. Existem casos emque esse sistema de partida no poder ser usado, conforme exemplo:Exemplo 1

Na Figura 8.5 temos um alto conjugado resistente, Cr. Se a partida for em estrela, omotor acelera a carga aproximadamente at 85% da rotao nominal. Nesse ponto, achave dever ser ligada em tringulo. A corrente, que era aproximadamente anominal, ou seja, 100%, salta repentinamente para 320%, o que no nenhumavantagem, uma vez que na partida era de somente 190%.



SENAI90

Exemplo 2

Na Figura 8.6 temos o motor com as mesmas caractersticas, mas o conjugadoresistente Cr bem menor. Na ligao estrela, o motor acelera a carga at 95% darotao nominal. Quando a chave ligada em tringulo, a corrente, que era deaproximadamente 50%, sobe para 170%, ou seja, praticamente igual da partida emestrela. Nesse caso, a ligao estrelatringulo apresenta vantagem, pois, se aligao fosse direta, absorveria da rede 600% da corrente nominal.

Em geral, a chave estrelatringulo s pode ser empregada em partidas da mquinaem vazio, isto , sem carga. Somente depois de ter atingido a rotao nominal, acarga poder ser aplicada.

O instante da comutao de estrela para tringulo deve ser criteriosamentedeterminado, para que esse mtodo de partida possa efetivamente ser vantajoso noscasos em que a partida direta no possvel.



SENAI 91

Circuito Principal e de Comando da Chave EstrelaTringulo

Figuras 8.7 e 8.8


SENAI92

Partida de Motores com Chave Compensadora

A chave compensadora pode ser usada para a partida de motores sob carga. Elareduz a corrente de partida, evitando uma sobrecarga no circuito, mas deixa, porm, omotor com um conjugado suficiente para a partida e a acelerao. A tenso na chavecompensadora reduzida atravs de um autotransformador que possui normalmenteTaps (derivaes) de 50, 65 e 80% da tenso nominal.

Para motores que partirem com uma tenso menor que a tenso nominal, a corrente eo conjugado de partida devem ser multiplicados pelos fatores K1 (fator demultiplicao da corrente) e K2 (Fator de multiplicao do conjugado) obtidos nogrfico da Figura 8.9:

Relao de Tenses

Fatores de reduo K1 e K2 em funo das relaes detenso do motor e da rede (Vm/Vn)



SENAI 93

Exemplo: Para 85% da Tenso nominal

%100%100%85)

CnCp(66,0)

CnCp(2K)

CnCp( ========

%100%100%85)

InIp(8,0)

InIp(1K)

InIp( ========

Exemplo das caractersticas de desempenho de um motor de 425 cv, 6 plos, quandoparte com 85% da tenso nominal:



SENAI94

Circuito Principal e de Comando da Chave Compensadora

Figura 8.11

Figura 8.12


SENAI 95

Comparao entre as chaves EstrelaTringulo e Compensadora

Chave EstrelaTringulo

Vantagens A chave estrelatringulo muito utilizada por seu baixo custo No possui limite quanto ao nmero de manobras Os dispositivos ocupam pouco espao fsico A corrente de partida fica reduzida a 1/3

Desvantagens A Chave s pode ser aplicada a motores com 6 bornes acessveis A tenso da rede deve coincidir com a tenso em Tringulo do motor Com a corrente de partida reduzida a 1/3, reduz-se tambm o conjugado de partida

para 1/3. Caso o motor no atinja pelo menos 90% da rotao nominal, o pico de corrente

na comutao estrelatringulo ser quase como se fosse uma partida direta, oque se torna prejudicial aos contatos dos contatores e no traz nenhuma vantagempara a rede eltrica.

Chave Compensadora

Vantagens No tap de 65% a corrente de linha aproximadamente igual da chave estrela

tringulo. Entretanto, na passagem da tenso reduzida para a tenso da rede omotor no desligado e o segundo pico bem reduzido, visto que oautotransformador se torna, por um curto perodo, uma reatncia.

possvel a variao do tap de 65% para 80% da tenso da rede, para que omotor possa partir satisfatoriamente.

Desvantagens A grande limitao a limitao de sua freqncia de manobras. Na chave

compensadora sempre necessrio saber o nmero de manobras. A chave compensadora muito mais cara do que a chave estrelatringulo, por

causa do autotransformador. Em virtude do tamanho do autotransformador, a construo volumosa,

necessitando de quadros maiores, o que torna seu preo elevado.


SENAI96

Acionamento de Motor com Rotor Bobinado Atravs de ResistoresEsses motores so construdos com o rotor envolvido por um conjunto de bobinas,normalmente internas, configurao estrela, com os terminais conectados a trs anis,presos mecanicamente ao eixo do motor, porm isolados eletricamente e ligadosatravs de escovas condutoras a uma resistncia trifsica.

As resistncias so colocadas em srie com o circuito do rotor, e sua quantidadedepende do nmero adotado de estgios de partida, que por sua vez dimensionadoem funo exclusivamente do valor mximo da corrente admissvel para oacionamento da carga.

A Figura 8.13 mostra, esquematicamente, a ligao dos anis acoplados ao reostatode partida com a barra de curto-circuito inserida.

Figura 8.13

Circuito Principal e de Comando da Acelerao Rotrica

Figura 8.14


SENAI 97

Figura 8.15


SENAI 99

Inversores

Neste captulo abordaremos o princpio de funcionamento dos inversores defreqncia.

Vamos iniciar nossa anlise fazendo comparaes entre os diversos sistemas devariao de velocidade mecnicos, hidrulicos, eletromagnticos e eletrnicos. Parauma maior compreenso, vamos analisar o funcionamento do inversor six step,procurando detalhar como montado o sistema trifsico a partir de uma tensocontnua constante.

Vamos comentar as tcnicas de modulao PWM (as clssicas), assim como asaplicaes dos inversores de freqncia, curvas caractersticas, tipos de conjugadosresistentes e noes de dimensionamento.

Motores Assncronos

Os motores assncronos ou de induo, por serem robustos e mais baratos, so osmotores mais largamente empregados na indstria. No motor de induo, o campogirante do estator possui a velocidade sncrona, como nas mquinas sncronas.

Teoricamente, para um motor girando em vazio e sem perdas, o rotor teria a mesmavelocidade sncrona.

Ao ser aplicado o conjugado externo ao motor, o seu rotor diminuir a velocidade naproporo necessria para que a corrente induzida pela diferena de rotao entre ocampo girante sncrono e o rotor passe a produzir um conjugado eletromagntico.


SENAI100

Princpio de funcionamentoSeu funcionamento est baseado no princpio da interao eletromagntica do campogirante do estator e das correntes induzidas no enrolamento rotrico, quando oscondutores do rotor so cortados pelo campo girante produzido no estator da mquina.No motor assncrono, temos um conjunto de bobinas no estator alimentadas por umarede trifsica e que produzem um campo magntico girante.

Dentro desse campo est o rotor, que constitudo por um enrolamento em curto-circuito. O movimento do fluxo magntico induz uma tenso sobre os condutores doenrolamento do rotor.

Como o enrolamento do rotor est fechado, haver um fluxo de corrente.

Essa corrente induzida no rotor est atrasada em relao tenso, e a interao entrea corrente do rotor e o fluxo do estator resulta em torque na mesma direo do campogirante.

Clculo da rotao sncrona

Ns = (120 . f) / Np

onde:Ns = rotao sncronaNp = nmero de plos.f = freqncia

Clculo da rotao do rotor

Nr = [(120 . f) / Np] . (1 S)

onde:S = escorregamento da mquina


SENAI 101

Clculo do escorregamento

S = [(Ns Nr) / Ns] . 100%

Clculo da freqncia da corrente induzida no rotor

f2 = S. f1

onde:f 1 = Freqncia da corrente estatrica (Hz).f 2 = Freqncia da corrente rotrica (Hz).

Observaes: A vazio o escorregamento muito pequeno, a corrente do rotor reduzida, apenas suficiente para produzir o torque a vazio. O fator de potncia extremamente baixo e em atraso, com cos < 0,3, pois a corrente que circula pelomotor utilizada apenas para a sua magnetizao.

Quando uma carga mecnica aplicada ao rotor, a velocidade diminui. O pequenodecrscimo na velocidade causa um aumento no escorregamento, na freqncia dacorrente rotrica, na sua reatncia e na fora eletromotriz induzida.

Um aumento da corrente no rotor causa um aumento da corrente no estator(componente que produz potncia).

Com isto teremos um melhor fator de potncia, tendendo a produzir mais potnciamecnica e solicitar mais potncia da linha.

A plena carga o motor ir girar a um escorregamento que promove o equilbrio entre oconjugado do motor e o conjugado resistente da carga. O fator de potncia a plenacarga varia de 0,8 (em pequenos motores ) e 0,95 (nos grandes motores).

Fora Eletromotriz e Corrente Induzida

Pela teoria, para motor com rotor bloqueado temos que as tenses induzidas no rotor(f.e.m.) e no estator (f.c.e.m) so dadas respectivamente por:

E1 = 4,44.f1.n1.m.Ke1

E2 = 4,44.f2.n2.m.Ke2


SENAI102

onde:

E1 = Fora contra-eletromotriz induzida no estator

E2 = Fora eletromotriz induzida no rotor

ke1 e ke2 = Fator de enrolamento do estator e do rotor, respectivamente

n1 e n2 = Nmero de espiras do estator e do rotor, respectivamente

m = Fluxo de magnetizaof1 e f2 = Freqncia do estator e do rotor, respectivamente

Na presena de escorregamento, temos:

f2 = S . f1

Portanto, a tenso eletromotriz induzida no rotor, em razo do escorregamento, ser:

E2s = 4,44.S.f1.n2.m.Ke2

Podemos realizar uma aproximao para a expresso a seguir, onde:

E2s = S.E2

Analisando a expresso da fora contra-eletromotriz E1, temos:

m = E1 / ( 4,44 . f1 . n1 . ke1 ). Como 4,44, n1 e ke1 so constantes, temos:m = E1 / ( f1 . K ). Quando variarmos a rotao do motor, a constante K no ter seuvalor alterado, portanto podemos considerar a seguinte simplificao:

m = (E1 / f1)

Quando aplicamos o acionamento eletrnico em motores assncronos, para

mantermos o conjugado constante devemos manter a relao volts/hertz constante,

conforme a frmula acima.


SENAI 103

Conjugado Eletromagntico

Da interao entre a corrente do rotor e o fluxo produzido em cada plo unitrio docampo magntico girante que concatena o condutor do rotor resulta o conjugadomotor, o qual dado por:

C = K.m.12s.cos 2s

onde:K = Constante para unidades empregadasCos 2s = Fator de potncia do circuito do rotorm = Fluxo de magnetizaoI2s = Corrente rotrica

Para um estudo mais aproximado da mquina, essa equao poder ser simplificadapor:

C = m.12s

que determina a relao entre o torque desenvolvido (solicitado) pela mquina, o fluxode magnetizao entre o rotor e o estator e a corrente induzida rotrica, que dadapor:

12s = (S.E2) / Z2s

O conjugado desenvolvido funo do escorregamento. Com o aumento da cargaaplicada ao motor, aumenta-se o escorregamento e conseqentemente o torquedesenvolvido pelo motor at um limite em que obtemos o conjugado mximo, e a partirdo qual, aumentando o escorregamento, aumenta-se a impedncia rotrica diminuindoo conjugado

onde Z2s = 2d222 Sx R ++++


SENAI104

Caracterstica conjugado x velocidadeEssa caracterstica mostra a dependncia entre o conjugado desenvolvido pelo motore a sua rotao. Nos motores de induo o conjugado disponvel aumenta medidaque a velocidade rotrica diminui em relao velocidade sncrona, at a velocidadeem que ocorre o conjugado. mximo.

Figura 9.1 (Weg automao)

Caracterstica de Partida

Do desenvolvimento do modelo matemtico da mquina assncrona, demonstra-seque o conjugado descrito por:

CP = K . E12.[R2 / R22 + Xd22)]

CP = Conjugado de Partidak = Constante referente s unidades empregadasR2 = Resistncia RotricaXd2 = Reatncia Rotrica

Da equao acima podemos fazer as seguintes consideraes:

A) No instante da partida o conjugado no afetado pela natureza da carga aplicada.

B) Desde que para um dado motor de induo tipo gaiola a resistncia efetiva do rotore a reatncia de rotor bloqueado sejam constantes, a expresso pode ser escrita por:

CP = K . E12


SENAI 105

Podemos observar que o conjugado de partida apenas funo da tenso aplicad

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