Motor de indução (GE)

GE-GEVISA NT-01 Página 1

Notas Técnicas MotoresNT-01

Motor de Indução de Corrente Alternada

Introdução

O motor de indução ou assíncrono de correntealternada tem sido o motor preferido da indústriadesde o principio do uso da energia elétrica emcorrente alternada. Ele alcançou e manteve suaposição em virtude de sua robustez, simplicidade ebaixo custo. A linha padrão de motores de induçãoinclui o popular motor de gaiola de esquilo e oversátil motor de anéis além de variações destesmotores básicos como os para aplicação em duplavelocidade, de velocidade variável, para pontesrolantes, prensas e outras aplicações. Este artigo selimitará a motores de médio e grande porte deaproximadamente 200 cv e acima.

Princípios Gerais de Operação

O Estator

O enrolamento de um motor de indução ao qual aenergia elétrica é conectada é distribuído ao redordo Estator e produz no entreferro um campomagnético girante que roda em sincronismo com afreqüência da rede elétrica. Conforme o campomagnético gira, o fluxo magnético “corta” oscondutores dos enrolamentos do rotor gerando umatensão elétrica nos mesmos e por conseqüênciauma corrente nestes enrolamentos a qual por suavez produz um fluxo magnético que se opõe aocriado no estator. A inter-relacão entre os fluxos dorotor e do estator produz um conjugado e faz comque o rotor siga o movimento do fluxo magnético doestator. A análise elétrica deste fenômeno é muitosimilar àquela do transformador, e assim, tornou-seuma prática referir-se ao enrolamento do estatorcomo primário e ao do rotor como o secundário.

O Rotor

Se os condutores do secundário forem arranjadoscomo as barras numa gaiola de esquilo, e se agaiola é feita de modo a permitir rotação, a forçacausada pelo inter-relacionamento entre os fluxosdo rotor e do estator farão a gaiola rodar. Na práticaas barras não isoladas da gaiola de esquilo sãoinseridas num núcleo de aço laminado perto da

periferia do rotor e são conectadas entre si atravésde anéis de curto circuito adequadamente situadosnas extremidades do rotor. Esta construção simplesfaz o motor de gaiola de esquilo ser o mais robustoe de menor custo entre todos os motores deindução. Variações no projeto da barra do rotorproduz uma grande alteração nas características dedesempenho do motor, especialmente nascaracterísticas de conjugado e corrente versusrotação. A indústria elétrica constrói três tiposfundamentais de motores de indução de gaiola. Deacordo com a terminologia da GEVISA são eles;motores de conjugado de partida e corrente departida normal tipo K (equivalente a categoria B danorma NEMA MG1); alto conjugado de partida,corrente de partida normal tipo KG (ou NEMAcategoria C); e alto conjugado e altoescorregamento, tipo KR (ou NEMA categoria D).Para curvas típicas de desempenho ver figuras 2, 3,4, e 5.

Definições de Conjugado

A característica fundamental de qualquer motor deindução é a sua curva de conjugado versus rotação.Os vários pontos da curva de conjugado-rotação(ver figura 1) são definidas pela norma NEMA MG1como segue:

ROTAÇÃO

CO

NJU

GA

DO

CONJUGADO DE PARTIDA

CONJUGADO MÁX.

CONJUGADO NOMINAL

ROTAÇÃONOMINAL

RO

TA

ÇÃ

O S

ÍNC

RO

NA

CONJUGADO MÍN.

CONJUGADODA CARGA

Figura 1. Curva Conjugado-Rotação


Conjugado Nominal:

É o conjugado necessário para produzir a potêncianominal à rotação nominal. Em libras-pé ele é igual apotência em HP vezes 5250 dividido pela rotaçãonominal em rpm. Em N.m é igual a potência em cvvezes 7022 dividido pela rotação nominal em rpm

Conjugado Máximo:

É o conjugado máximo que o motor irá desenvolvercom tensão e freqüência nominal sem quedaabrupta na rotação.

Conjugado de Partida ou com RotorBloqueado:

É o conjugado mínimo que o motor irá desenvolverem repouso com tensão e freqüência nominalaplicada.

Conjugado Mínimo:

O conjugado mínimo que o motor irá desenvolverdurante o período de aceleração do repouso até arotação em que o conjugado máximo ocorre. Paramotores que não possuem um conjugado máximodefinido o conjugado mínimo é o menor conjugadodesenvolvido até a rotação nominal.

Princípios Gerais de Operação

Os seguintes princípios de operação do motor deindução são apresentados devido à importânciarelacionada aos problemas de aplicação.

1. O conjugado do motor de indução variaaproximadamente com o quadrado da tensãoaplicada aos seus terminais. A 90% de tensão departida, o conjugado de partida será reduzido aaproximadamente 81% do valor à tensão nominal.

2. Baixa resistividade das barras do rotor(resistência rotórica) resulta em alta rotação nominal(baixo escorregamento) e resulta em altorendimento. Perdas rotóricas são proporcionais aoescorregamento.

3. Alta resistência rotórica fornece alto conjugado departida com baixa corrente de partida, mas resultaem baixo rendimento nominal. Um motor tipo KRtem uma alta resistência rotórica. Referir-se asfiguras 2 a 5 para comparação do motor KR com omotor de baixa resistência rotórica tipo K.

4. O escorregamento no conjugado máximo éproporcional a resistência rotórica. Referir-se à figura2.

5. A freqüência e tensão rotórica são proporcionaisao escorregamento; assim, ambas são iguais a zerona rotação síncrona, mas atingem valor máximo narotação zero.

6. As Perdas rotóricas são proporcionais aoescorregamento e estão todas confinadas dentro dorotor de um motor de gaiola, mas num motor deanéis (tipo M), a perda secundária se divideproporcionalmente entre a resistência doenrolamento do rotor e a resistência externaconectada ao circuito do rotor.

7. Ao final do período de aceleração a energiacinética das partes rotativas à rotação nominal éexatamente igual ao calor gerado nos condutores dorotor de um motor de indução pelos componentes deaceleração do conjugado e da corrente secundária.Esta equivalência é independente do formato dacurva conjugado-rotação e assim não depende se omotor é tipo K, KG, KR, ou M. (Notar que emboraisto seja verdadeiro, outros fatores tais como tempode operação à baixa rotação fazem com que sejaimportante que o motor de gaiola acelererazoavelmente rápido de modo a se beneficiar deum resfriamento mais eficiente à rotação nominal).

50

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250

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20 40 60 80 100

K

KG

00

CO

NJU

GA

DO

, % D

O C

ON

JUG

AD

O N

OM

INA

L

KR 5 a 8 %ESCORREGA-MENTO

KR 8 A 13 %ESCORREGA-MENTO

ROTAÇÃO, % DA ROTAÇÃO SÍNCRONA

Figura 2. Curva Conjugado-Rotação


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500

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K e KG

CO

RR

EN

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, % D

A C

OR

RE

NT

E N

OM

INA

LKR 5 A 8%ESCORREGAMENTO

KR 5 a 13%ESCORREGA-MENTO

ROTAÇÃO, % DA ROTAÇÃO SÍNCRONA0 20 40 60 80 100

Figura 3. Curva Corrente-Rotação

20

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KR 8 a 13 % ESCORREGA-MENTO

RE

ND

IME

NT

O (

%)

POTÊNCIA, % DA POTÊNCIA NOMINAL

K e KG

KR 5 a 18 %ESCORREGA-MENTO

20

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0 40 60 80 100

Figura 4. Rendimento versus Rotação

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KR

KG

K


FA

TO

R D

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OT

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CIA

(%)

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0 40 60 80 100

Figura 5. Fator de Potência vs Rotação

Designação dos Tipos de Motoresde Indução GEVISA

Tipo K - conjugado de partida normal,corrente de partida normal

Este é um motor de gaiola de uso geral comconjugado de partida normal e corrente de partidanormal. Em potências menores é identificado comoNEMA Categoria B. O alumínio de baixa resistência( ou cobre) nas barras do rotor garante baixoescorregamento (aproximadamente 0.5 a 1.5 porcento à potência nominal) e, por causa da baixaperda rotórica, um alto rendimento. O conjugado departida normal se situa entre 60 e 100 por cento donominal dependendo da potência e rotação.

Conforme a potência aumenta em relação aonúmero de pólos (ou seja, para uma dada rotação) oconjugado de partida tende a diminuir. O conjugadomáximo está ao redor de 175 a 200 por cento eocorre a escorregamento relativamente baixo. Acorrente de partida normal é da ordem de 600-650por cento da corrente nominal. Uma vez que o motortipo K tem baixo escorregamento, com variaçãoentre a condição em vazio e a operação a potêncianominal ao redor de 0.5 a 1.5 por cento, ele égeralmente designado como motor de rotaçãoconstante.

Características gerais do motor tipo K sãomostradas nas figuras 2, 3, 4, e 5. A aplicação paraesse tipo de motor pode ser caracterizada como (1)velocidade constante; (2) inabilidade de operação àbaixas rotações; (3) baixo número de partidasconsecutivas. Máquinas tais como bombas ecompressores centrífugos, sopradores, ventiladorese conjunto motor gerador são cargas típicas para asquais o motor tipo K é ideal.

Modificações relativamente de baixo custo no motorpodem trazer melhorias nas características domesmo tais como o aumento do conjugado máximopara aplicações específicas como para cargas comalta inércia, misturadores, etc. Grandes motorestipo K podem ser usados para acionar uma cargaem paralelo se eles forem motores duplicata; ouseja, produzidos na mesma época e terem o mesmonúmero de modelo.

Tipo KG - Alto Conjugado de Partida,Corrente de Partida Normal

Ao se dar a partida em uma máquina totalmentecarregada, o motor deve ter conjugado de partidasuficiente para vencer o conjugado resistente e oconjugado de atrito estático da carga. O motor KGtem um alto conjugado de partida (ao redor de duas


vezes o conjugado nominal) e ainda, tem umacorrente de partida normal e aproximadamente omesmo escorregamento a plena carga que o motortipo K. Veja a figura 4. Para potências menores éidentificado como NEMA Categoria C.

As aplicações para esse tipo de motor são aquelasque requerem características de operação iguais aodo tipo K mas também alto conjugado de partida.Aplicações típicas incluem correias transportadoras,bombas e compressores alternativos partindocarregados, moinhos de bolas, pulverizadores decarvão, agitadores e misturadores. Devido àcaracterísticas construtivas especiais da gaiola dorotor o motor tipo KG não é adequado para cargasde alta inércia.

Tipo KR - Alto Conjugado de Partida,Alto Escorregamento.

O motor tipo KR é caracterizado por um altoconjugado de partida, alto escorregamento e baixacorrente de partida. Em potências menores ele éidentificado como NEMA Categoria D. O conjugadousual de partida varia entre 250 e 300 por cento comum valor usual de corrente de partida entre 400-550por cento da corrente nominal. O tipo KR é tambémum motor de alto escorregamento e pode ser obtidocom escorregamento em duas faixas: 5 a 8 porcento ou 8 a 13 por cento. Neste caso também omotor é controlado pelo projeto das barras rotóricas.Pelos princípios descritos anteriormente pode-seconcluir que o motor KR tem barras do rotor de altaresistência e como conseqüência baixo rendimentoem regime nominal; entretanto ele tem a vantagemde uma baixa corrente de partida. A alta perdarotórica (maior calor a ser dissipado) afeta otamanho deste tipo de motor, obrigando o projetistaa usar uma carcaça maior em relação a do motortipo K ou KG para uma mesma potência.

Embora o alto escorregamento faz deste motor umaescolha não apropriada para cargas quenecessitam de rotação constante, esta característicao torna extremamente útil para aplicações ondealtos picos de conjugado são encontrados. Entre asaplicações mais usuais estão aquelas tais comoprensas excêntricas e de biela, e máquinas de corteonde o uso está associado a um volante. O altoescorregamento permite ao motor a redução darotação durante a operação de prensagem de talmodo que a energia armazenada no volante possaser utilizada. Durante o intervalo de tempo entre asbatidas da prensa o motor acelera o volante até arotação nominal para a próxima operação.

O motor KR é também usado para acelerar cargasde alta inércia, especialmente quando o tempo deoperação à rotação nominal e carga nominal é

limitada tal como em carrinhos transportadores decarvão ou minério ou aplicações em elevadores.

Tipo M - Motor de Rotor Enrolado

O motor de rotor enrolado, designado como tipo Mpela GEVISA é um motor de indução comcaracterísticas de conjugado-rotação ajustável. Istoé obtido usando-se um enrolamento de rotor trifásicosimilar ao do enrolamento do estator. O terminal decada fase é levado a um anel de deslizamentoinstalado no eixo do motor. Através de escovasestacionárias em contato com os anéis coletores,qualquer valor desejado do conjugado máximo(normalmente entre 200 e 250 por cento doconjugado nominal) não é afetado por alterações naresistência; mas como está mostrado na figura 6, oescorregamento ou rotação na qual o conjugadomáximo ocorre é dependente da resistência dosecundário.

A resistência secundária que fornece conjugadonominal na rotação zero é chamado por unidade ou100 por cento ohms. Similarmente 50 por centoohms resulta conjugado nominal a 50 por cento darotação e 70 por cento ohms fornece conjugadonominal a 30 por cento de rotação. Variando-se aresistência secundaria, é possível obter-se umnúmero infinito de combinações de corrente departida versus conjugado de partida.

A característica de ajuste de rotação de operaçãode motor é obtida alterando-se a resistência externa.Com resistência considerável no secundário acaracterística de conjugado-rotação é muitoinclinada para o começo da curva de tal modo que aregulação é pobre. Uma vez que a corrente de cargaé proporcional ao conjugado independentemente daresistência externa na parte reta da curvacaracterística, 100 por cento de conjugadorepresenta 100 por cento de corrente em qualquerajuste de rotação. Se a capacidade de dissipaçãode perdas do motor fosse a mesma em qualquerrotação, o motor teria uma característica deconjugado-rotação constante. Entretanto, devido aredução da ação do resfriamento o motor padrãoauto-ventilado é somente capaz de 80 por cento deconjugado a 50 por cento de rotação.

Motores tipo M são usados onde é necessária apartida com limitação de corrente de partida abaixodaquela que pode ser obtida satisfatoriamente commotor de indução de gaiola ou motor síncrono . Osmotores tipo M são máquinas apropriadas para oacionamento de compressores centrífugos, bombasde velocidade variável, laminadores, grandesmoinhos de bola, esmagadores, picadores,misturadores e aplicações similares. Ele éparticularmente adequado para partir cargas de altoconjugado de partida tais como esmagadores e


moinhos de bola, ou onde uma inércia elevada devaser acelerada tais como grandes ventiladores ouconjuntos motor-gerador síncrono. Motores comrotor enrolados também são utilizados paraaplicações com rotação variável.

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CONJUGADOCORRENTE

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RESISTÊNCIAEXTERNA NULA


NOTA: OS NÚMEROS NAS CURVAS INDICAM VALORES DE RESISTÊNCIA INSERIDA NO CIRCUITO DO ROTOR EM PORCENTAGEM DO VALOR QUE FORNECE 100% DO CONJUGADO NOMINAL NA PARTIDA

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Figura 6. Curvas Conjugado-Rotação eCorrente-Rotação para motor de rotor enrolado

Tipo KAF - Motores para Uso comInversores de Freqüência

O motor para uso com inversor de freqüência,designado como tipo KAF pela GEVISA é um motorde indução adequado para tal aplicação. Este é ummotor especialmente projetado para operar com umacionador eletrônico o qual varia a tensão e afreqüência em uma larga faixa de rotações.

Este motor, possui características de projetoespeciais par uso com inversor de freqüência, epoderá não ser adequado para operação normal(freqüência fixa). Para permitir desempenhototalmente satisfatório com freqüência variável,algumas ou todas das seguintes modificações sãoincorporadas no motor tipo KAF:

• Perfil especial da barra do rotor. Quandooperando com freqüência fixa o conjugado departida pode ser muito pequeno. Isto é feito parareduzir o aquecimento por harmônicas durante aoperação com o inversor. Particularmente istoacontece com motores de dois e quatro pólos.

• Alta corrente de partida. Um motor tipo KAF terá

corrente de partida relativamente alta quandoaplicado numa fonte de freqüência fixa. Parauso com inversor, isto melhora a relaçãoconjugado / corrente em freqüências muitobaixas durante a partida.

• Enrolamentos com configurações especiais.Alguns motores tipo KAF são fornecidos comduplo enrolamento os quais podem ter umadefasagem de 30 graus elétricos. Em algunscasos, estes enrolamentos não podem serconectados em paralelo para operação comfreqüência fixa sem danos ao motor.

• Devido a operação em baixas rotações a

deficiência de ventilação natural é compensadacom o uso de um soprador acoplado ao motor.Isto ocorre especialmente nos casos deacionamento de cargas com conjugadoconstante como é o caso de laminadores,bobinadeiras, etc.

Motores de Múltipla Velocidade

O motor de gaiola é essencialmente uma maquinade rotação constante. Muitas cargas requerendoajuste de rotação podem ser acionadassatisfatoriamente e com vantagens por motores demúltipla velocidade tendo duas, três ou quatrorotações de operação definidas. As váriascombinações de rotações são obtidas através dasseguintes formas: (1) enrolamento simples, (2)enrolamentos superpostos, (3) uma combinação deambos.

Um estator de enrolamento simples pode serconectado para dar duas rotações na razão de 2:1.A menor das duas rotações e obtida a partir doarranjo da alta rotação pela reversão das conexõesde pólos alternados no enrolamento do estator, oqual como conseqüência, induz pólos intermediáriosaos originais. Dobrando-se o número de pólosocorre a redução da rotação do motor pela metade.A alteração dos pólos é conseguidas simplesmentepela reconexão externa dos seis terminais doestator.

O método da superposição ou segundo enrolamentodo estator tendo o número de pólos corretos para asegunda velocidade desejada, onde o segundoenrolamento pode ser freqüentemente adicionadona ranhura sobre o primeiro enrolamento. Estemétodo é usado pela GEVISA para combinações derotações fora da razão de 2:1. Combinações dosdois métodos acima podem ser usadas se mais doque duas rotações são necessárias. Notar,entretanto, que combinações de rotações como1200-900-720-600 irá requerer arranjo deenrolamento especial o qual poderá não serpossível.

O tamanho físico de um motor de múltiplavelocidade depende, é claro, da característica deconjugado requerida. Em ordem decrescente detamanho estão (1) o de potência constante, (2) o deconjugado constante e (3) o de conjugado variável.


Modificações do Motor para Partida

Partida direta de motores de gaiola é desejável parase obter simplicidade e economia no equipamentode partida. Todos os motores de indução modernossão projetados para suportar a tensão plena napartida sem danos ao enrolamento do motor.Infelizmente, motores de grande porte possuemcorrente de partida com tensão plena que podemcomprometer sistemas de potências fracos. Os trêsmétodos usuais de partida com tensão reduzidausados para reduzir a corrente consumida pelomotor são: (1) o auto transformador, (2) o método daresistência em série, e (3) o método do reator emsérie. Em geral estes três métodos não requeremmodificações do motor para seu uso.

Em adição aos acima citados, três outros métodosde redução de partida do motor são usados.Ocasionalmente estes métodos requeremmodificação dos enrolamentos do motor; assim,para ser usado o método desejado deve serespecificado por ocasião da definição da cotação domotor. O método estrela-triângulo requer terminaisadicionais para o motor e um enrolamento projetadopara conexão em triângulo para operação normal.O método série-paralelo requer o apropriado númerode seções em cada fase dos enrolamentos do motorbem como terminais apropriados. O método do

enrolamento dividido requer dois enrolamentos emparalelo por fase, número adequado de terminais e,em adição, outros problemas de projeto devem serconsiderados.

Deve-se mencionar também o método de partidaatravés do soft-starter. Este é um equipamentoeletrônico que controla a corrente de partida durantetoda a aceleração do motor. Ele permite partidassuaves com otimização da corrente de partida. Estemétodo tem se tornado popular e vantajoso com oavanço da eletrônica de potência.

Em qualquer instância, onde um desses últimosquatro métodos for considerado, a disponibilidadede um motor para este tipo de partida deve serverificado com o fabricante. Todos os métodosacima, seja tensão reduzida, arranjo especial deenrolamento, ou através do soft-starter resultam emredução considerável no conjugado disponíveldurante o ciclo de partida; portanto os requisitos deconjugados de partida devem ser analisados.

Qualquer que seja a aplicação do motor uma análiseapropriada é recomendada. A GEVISA conta comprofissionais altamente preparados para atender assituações mais especiais seja qual for o tipo demotor de indução desejado. Para informaçõesadicionais consulte nossa equipe de vendas ou aEngenharia de Aplicação.

Copyright 1997, 1998, 1999, 2000 GE-GEVISA S.A.Traduzido e Adaptado da Publicação GEMIS GEZ-6207 por Ney E. T. Merheb (Eng. Aplicação GE-GEVISA)

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