Motores Elétricos - Curso Pós-Técnico em Automação Industrial ch8

8/14/2019 Motores Eltricos - Curso Ps-Tcnico em Automao Industrial ch8

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Curso Ps-tcnico em Automao Industrial

AutomaoIndustrial

_____________________________________________________________________________Prof. Valdir Noll - [email protected] Motores Eltricos 1

Captulo 8 - MOTORES ELTRICOS________________________________________________________________________

8.1 - Motores de Corrente Contnua

8.2 - Motores de Corrente Alternada

8.3 - Motores Especiais

8.4 - Exerccios Propostos

Na natureza a energia se encontra distribuda sob diversas formas, tanto energia mecnica,

trmica, luminosa e outras formas; no entanto a energia mecnica a mais conhecida forma

de energia e na qual o homem tem mais domnio. A energia mecnica, tal como ela est

disponvel na natureza de difcil utilizao prtica, alm de ser uma energia varivel no

tempo. Ento, converte-se a energia mecnica em Energia Eltrica atravs das Mquinas

Eltricas conhecidas como geradores. A energia eltrica possui as vantagens de ser uma

energia limpa, de fcil transporte e de fcil manuseio, podendo ser reconvertida em energia

trmica, luminosa, eletromagntica, e tambm em energia mecnica. Quem efetua esta ltima

transformao so as Mquinas Eltricas conhecidas como motores.

Ento, o motor um elemento de trabalho que converte energia eltrica em energiamecnica de rotao. J o gerador uma mquina que converte energia mecnica de rotao

em energia eltrica.

Num motor eltrico, distinguem-se essencialmente duas peas: o estator, conjunto de

elementos fixados carcaa da mquina, e o rotor, conjunto de elementos fixados em torno

do eixo, internamente ao estator.

O rotor composto de :

a) Eixo da Armadura: responsvel pela transmisso de energia mecnica para fora do

motor, pelo suporte dos elementos internos do rotor e pela fixao ao estator, por meio

de rolamentos e mancais.

b) Ncleo da Armadura: composta de lminas de Fe-Si, isoladas umas das outras, com

ranhuras axiais na sua periferia para a colocao dos enrolamentos da armadura.

c) Enrolamento da Armadura: So bobinas isoladas entre s e eletricamente ligadas ao

comutador.

d) Comutador: consiste de uma anel com segmentos de cobre isolados entre s, e

eletricamente conectados s bobinas do enrolamento da armadura.


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O estator composto de:

a) Carcaa: serve de suporte ao rotor, aos plos e de fechamento de caminho magntico.b) Enrolamento de campo: so bobinas que geram um campo magntico intenso nos plos.

c) Plos ou sapatas polares: distribui o fluxo magntico produzido pela bobinas de campo.

d) Escovas: so barras de carvo e grafite que esto em contato permanente com o

comutador.

As mquinas eltricas possuem praticamente os mesmos elementos principais, porm com

diferenas importantes entre eles. s vezes a bobina de armadura est no estator e no no

rotor, o mesmo acontecendo com a bobina de campo. Outras no possuem escovas, outros

ainda no possuem bobina de armadura, e assim por diante. Porm, os nomes dados aos

componentes da mquina so gerais e valem para a maioria das mquinas eltricas.

De forma geral os motores eltricos so classificados em:

Motores de Corrente Contnua

Motores Srie

Motores Paralelo

Motores Composto ou Misto

Motores de Corrente Alternada

Motores Sncronos

Motores Assncronos

Motores Especiais

Servomotores

Motores de Passo

Universais

Todo o motor apresenta suas principais caratersticas eltricas escrita sobre o mesmo ou

em uma placa de identificao. Os principais dados eltricos so: tipo de motor, tensonominal, corrente nominal, freqncia, potncia mecnica, velocidade nominal, esquema de

ligao, grau de proteo, temperatura mxima de funcionamento, fator de servio, etc..

4.1 Motor de Corrente Contnua


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A Figura Captulo 8 .1 nos mostra as partes internas de um mquina de corrente contnua

bsica e sua representao.

Figura Captulo 8 .1 - Motor de Corrente Contnua com 2 Plos

O motor de corrente contnua apresenta quatro terminais acessveis, dois para as bobinas

de campo ( terminais 3 e 4 ) e dois para as bobinas de armadura ( terminais 1 e 2 ). Em alguns

motores de baixa potncia, as bobinas de campo so substitudas por ms permanentes.

Neste caso, o motor apresenta apenas dois terminais de acesso ( terminais 1 e 2 ).

O princpio de funcionamento elementar de um motor de corrente contnua est baseado na

Fora mecnica que atua sobre um condutor imerso num campo magntico, quando sobre elecircula uma corrente eltrica. Observe a figura 8.2 . Na bobina 1, as foras so iguais e

opostas, no produzindo nenhuma fora de rotao ( torque ou par binrio), mas as bobinas

2,3 e 4 tem sobre elas um torque Fx tal que impulsiona o rotor para girar, levando consigo a

bobina 1, que ento entra na regio ( da bobina 2) onde estava a bobina 2, e ento passa a

exercer uma fora de giro tambm. Observe que para este esquema funcionar, necessrio

inverter o sentido da corrente da armadura a cada 180 . O elemento que faz a comutao do

sentido da corrente o comutador.


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Figura Captulo 8 .2 - Motor de Corrente Contnua com 2 Plos e 4 Bobinas no Rotor

Sabemos que, quando um condutor est imerso num campo magntico, se deslocando com

uma certa velocidade v dentro deste campo, sobre ele induzido uma corrente eltrica.

Observe que o sentido desta corrente eltrica contrrio ao sentido mostrado na figura 8.2.

Por isso essa fora eletromotriz induzida chamada de Fora-contra-eletromotriz induzida -

fcem- simbolizada pelas letras Ec.

A equao fundamental do torque nos motores dado por:

T K . .I (N.m)1 a=

Onde:

= Fluxo magntico produzido pelos plos;

Ia = corrente que circula pelas bobinas da armadura;

K1 = constante construtiva do rotor das mquinas eltricas.

A fcem gerada pelo movimento do motor dado por:


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E K . .nc 2= ( Volts )

Onde:

n = nmero de rotaes por minuto;

K2=constante construtiva do campo magntico;

O fluxo magntico, por sua vez, depende da corrente de campo If, pela seguinte expresso:

= K .If3

Tanto as bobinas de campo como as bobinas de armadura apresentam um resistncia

eltrica a passagem da corrente, e chamamos aqui de R f e Ra respectivamete.

Analisando o circuito do rotor, podemos conclui que:

Va IaRa Ec

Ec Va IaRa

= +

=

Como Ec varia com a velocidade e o fluxo, podemos subsutitui Ec na equao anterior e

isolar a velocidade n ( em rpm ). Ento:

nVa IaRa

K .3=

Esta equao fundamental, pois nos diz que a velocidade do motor depende das tenso

aplicada na armadura, da corrente na bobina e do valor do fluxo magntico. Note que a

velocidade do motor tende ao infinito quando o fluxo tende a zero. Conseqentemente, no

devemos tirar, sob hiptese alguma, a corrente de campo, pois o motor dispara .

O princpio de funcionamento do motor de corrente contnua tambm pode ser baseado na ao

de foras magnticas sobre o rotor, geradas pela interao do campo magntico criado pelas

bobinas de campo com o campo magntico criado pelas bobinas da armadura, conforme mostra a

figura 8.3.

Observa-se que o comutador possui a funo de inverter o sentido da corrente na bobina

da armadura em 90 e 270 dando continuidade ao movimento rotativo do motor.


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Figura Captulo 8 .3 - Princpio de Funcionamento

Tipos de Motores de Corrente Contnua

Os motores CC so divididos de acordo com o tipo de coneco entre as bobinas do rotor e

do estator. Se forem conectados em srie, so chamados de Motor Srie. Se for em paralelo,so chamados de Motor Paralelo. Se for misto, so chamados de Motor Misto ou Composto.

A figura 8.4 mostra conexo Srie e a conexo paralelo.


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Figura Captulo 8 .4 - Ligaes Eltricas do Motor de Corrente Contnua

Motor CC Srie

Neste tipo de motor a corrente que circula pelo campo o mesmo que circula pelaarmadura. Como o torque proporcional ao fluxo magntico, que por sua vez proporcional

corrente de campo, conclumos que neste motor o torque dado por:

T K.Ia=2

O torque apresenta uma relao exponencial com a corrente de armadura. A corrente de

armadura grande na partida, j que Ec zero, pois no h movimento do rotor. Conclu-se,

portanto, que o torque de partida do motor srie muito grande.

Devido a esta caracterstica este motor utilizado para acionar trens eltricos, metrs,

elevadores, nibus e automveis eltricos, etc.. Este motor conhecido como motor universal por

poder funcionar em corrente alternada, porm este tipo de aplicao s vivel economicamente

para pequenos motores de frao de CV.

A velocidade do motor srie dado por:


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nVa Ia(Ra Rf)

K.Ia=

+

Ento, no motor srie a vazio, com baixa corrente de armadura, a sua velocidade tende a ser

alta, o que indesejvel. Assim, este tipo de motor deve partir com uma carga mecnica acoplada

no seu eixo. Tambm se percebe que este motor nunca vai disparar a sua velocidade, pois nodepende da corrente de campo e se a corrente de armadura for a zero, no h torque e sua

velocidade cai a zero tambm.

Motor Paralelo ou Shunt

No caso do motor Shunt a corrente de armadura somada a corrente de campo nos d a corrente

da fonte de alimentao do motor. Nesse caso, a tenso aplicada na armadura a mesma que

aplicada no campo. Dessa forma o fluxo magntico produzido pelo campo praticamente

constante, j que IF permanece praticamente constante. Ento, o torque do motor funo apenasda corrente de armadura.

Para a inverso do sentido de rotao nos motores de corrente contnua, basta inverter as

conexes das bobinas de campo (trocar o terminal 3 pelo 4) ou inverter as conexes da bobina

da armadura (trocar o terminal 1 pelo 2). Caso o motor seja de m permanente, basta inverter

os terminais da armadura.

T K.Ia=

A curva Torque x Corrente de armadura mostrada a seguir.


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Neste tipo de motor, o torque de partida no to alto quanto no motor srie, portanto no

deve ser usado em cargas que exigem alto torque de partida. A velocidade do motor paralelo

depende de Ia, j que o fluxo constante, pela seguinte equao;

nVa IaRa

K.=

Ento, se a corrente de armadura for grande ( na partida), a velocidade do motor pequena

e cresce a medida em que aumenta a Ec ( que por sua vez diminui Ia) at alcanar o seu

valor nominal. Este motor no tem problemas de excesso de velocidade na partida sem carga.

A curva abaixo mostra a velocidade em funo da corrente de armadura.

Inverso no Sentido de Rotao e Controle de Velocidade

Para inverter o sentido de rotao de qualquer motor CC necessrio inverter a corrente

de armadura em relao a corrente de campo. Deve-se inverter somente um deles, e a

inverso em ambos os circuitos manter o mesmo sentido de rotao.

No momento da inverso, o motor que est girando num sentido, entra num processo de

frenagem ( freio) at alcanar a velocidade zero e depois comea a girar no sentido contrrio.

Essa etapa de frenagem muito importante para trens, elevadores, guindastes que

necessitam de Fora de Frenagem.

A principal aplicao dos motores de corrente contnua o acionamento de mquinas com

controle preciso de velocidade.

Os mtodos mais utilizados para este fim so:

Ajuste da tenso aplicada na armadura do motor;

Ajuste da corrente nas bobinas de campo, ou seja, controle do fluxo magntico do motor;

Combinao dos anteriores.


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O controle de velocidade pode ser realizado atravs de um conversor esttico CC ou por meio

de um reostato como mostra a figura 8.5. Neste caso estamos controlando a velocidade atravs do

ajuste da corrente das bobinas de campo.

Figura Captulo 8 .5 - Ajuste de Velocidade Atravs do Fluxo do Motor

Torque do Motor e Resistente

O torque do motor a medida do esforo necessrio para fazer girar um eixo, e dado

pela seguinte equao bsica:

T F.raio(N.m)=

No caso de qualquer motor, o torque de partida deve ser maior do que o torque resistente

acoplado ao eixo. Aps um certo tempo depois que o motor partiu, na velocidade nominal, h

o encontro das curvas de Torque do motor e do torque resistente. Na curva abaixo

percebemos que, quando a carga mecnica no eixo varia ( por algum motivo), o torque motor

varia junto, e conseqentemente a velocidade de rotao do motor varia junto. Por exemplo,

se a carga mecnica diminui, o torque do motor tambm diminui e a velocidade aumenta,

estabilizando num novo regime. Na curva abaixo, vemos este comportamento:


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8.2 - Motores de Corrente Alternada

Neste tipo de motor, o fluxo magntico do estator gerado nas bobinas de campo pela

corrente alternada da fonte de alimentao monofsica ou trifsica, portanto trata-se de umcampo magntico cuja a intensidade varia continuamente e cuja polaridade invertida

periodicamente. Quanto ao rotor, h dois casos a considerar:

Motores Sncronos

No motor sncrono, o rotor constitudo por um m permanente ou bobinas alimentadas

em corrente contnua mediante anis coletores. Neste caso, o rotor gira com uma velocidade

diretamente proporcional a freqncia da corrente no estator e inversamente proporcional ao

nmero de plos magnticos do motor. So motores de velocidade constante e constitui-se a

sua principal aplicao. So utilizados somente para grandes potncias devido ao seu alto

custo de fabricao.

A seguinte equao define a velocidade sncrona nSdeste tipo de motor:

nf

pS=

120

Onde:nS: velocidade sncrono ( rpm )

f: freqncia da corrente do rotor ( Hz )

p: nmero de plos magnticos do motor

Motores Assncronos

No motor assncrono ou de induo, o rotor possui vrios condutores conectados em curto-

circuito no formato de uma gaiola de esquilo, conforme mostra a figura 8.6.


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Figura Captulo 8 .6 - Rotor Gaiola de Esquilo

O campo magntico varivel no estator, figura 8.6, induz correntes senoidais nos

condutores da gaiola do rotor. Estas correntes induzidas, por sua vez, criam um campo

magntico no rotor que se ope ao campo indutor do estator ( Lei de Lenz ). Como os plos se

mesmo nome se repelem, ento h uma fora no sentido de giro no rotor. O rotor gira com

uma velocidade n um pouco inferior velocidade sncrona, isto , a velocidade da corrente do

campo. Como um pouco inferior, diz que este motor assincrono, isto , sem sincronia.

Observe que este motor no consegue partir, isto , acelerar desde a velocidade zero at a

nominal. As foras que atuam nas barras curto-circuitas se opem uma outra, impedindo o

giro. Ento, na partida, utiliza-se uma bobina de campo auxiliar, defasada de 90 graus das

bobinas de campo principais, que cria um campo magntico auxiliar na partida. Assim, o

fluxo resultante inicial est defasado em relao ao eixo das abcissas, e produz um torque de

giro ( par binrio). Aps a partida, no h mais a necessidade do enrolamento auxiliar, pois aprpria inrcia do rotor compem foras tais que mantm o giro.

Figura Captulo 8 .7 - Motor de Induo Monofsico de Dois Plos


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A diferena em valores percentuais entre a velocidade sncrona e a velocidade do motor de

induo chamamos de escorregamento, simbolizada pela letra S. O escorregamento dos

motores de induo varivel em funo da carga a ser acionada pelo motor, ou seja,

mnimo a vazio ( sem carga ) e mximo com a carga nominal. O escorregamento S dosmotores de induo expresso atravs da seguinte equao:

Sn n

nS

S=

100

Onde:

n: velocidade do eixo do motor ( rpm )

Nota-se atravs das duas ltimas equaes que a velocidade dos motores sncronos e

assncronos pode ser controlada atravs do ajuste do valor da freqncia da corrente nas

bobinas do estator. Este tipo de acionamento realizado atravs de um conversor esttico de

freqncia.

Ao contrrio dos motores sncronos e de corrente contnua; o motor assncrono ou de

induo largamente utilizado nas indstrias pela sua simplicidade construtiva, pouca

manuteno e baixo custo.

Os motores de induo podem ser monofsicos ou trifsicos:

Motores de Induo Monofsicos

um motor eltrico de pequena ou mdia potncia, geralmente menores que 5 CV. Para a

produo do conjugado de partida o motor de induo monofsico necessita de um segundo

enrolamento de partida auxiliar ( Ea ) defasado de 90 construtivamente do enrolamento de

trabalho ( Et ), conforme mostra a figura 8.8.

Figura Captulo 8 .8 - Motor de Induo Monofsico


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O resultado da ao das correntes nos enrolamentos de trabalho e auxiliar um campo

magntico girante no estator, que faz o motor partir. Aps a partida enrolamento auxiliar

desligado atravs de uma chave centrfuga que opera a cerca de 75% da velocidade sncrona.

O conjugado de partida, neste caso, moderado.

Para aumentar o conjugado de partida usado um capacitor, ligado em srie com o

enrolamento auxiliar e a chave centrfuga. Esta tcnica utilizada para cargas de partida

difcil, tais como: compressores, bombas, equipamentos de refrigerao, etc.

O motor de induo monofsico comumente usados no Brasil apresenta seis terminais

acessveis, sendo quatro para os dois enrolamentos de trabalho Et (1,2,3 e 4), bobinas

projetadas para tenso de 127 V, e dois para o circuito auxiliar de partida ( 5 e 6 ), tambm

projetado para a tenso de 127 V. A figura 8.9 mostra o esquema de ligao do motor deinduo monofsico para as tenses de alimentao de 127 e 220 V fase-neutro.

Figura Captulo 8 .9 - Esquemas de Ligao do Motor de Induo Monofsico

Em alguns motores de baixa potncia, o circuito auxiliar de partida substitudo por espiras

curto-circuitadas, chamadas de bobinas de arraste. Neste caso, a mquina apresenta dois ou

quatro terminais para as bobinas de trabalho.

Para a inverso do sentido de rotao no motor de induo monofsico basta inverter as

conexes do circuito auxiliar, ou seja, trocar o terminal 5 pelo 6. No motor com bobina de

arraste no possvel inverter o sentido de rotao.


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Figura Captulo 8 .10 - Princpio de Funcionamento Eltrico


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O motor de induo trifsico comumente usado no Brasil apresenta seis terminais

acessveis, dois para cada enrolamento de trabalho Et e, a tenso de alimentao destas

bobinas projetada para 220V. Para o sistema de alimentao 220/127V-60Hz este motor

deve ser ligado em delta e para o sistema 380/220V-60Hz o motor deve ser ligado em estrela

conforme mostra a figura 8.10.

Figura Captulo 8 .11 - Esquemas de Ligao do Motor de Induo Trifsico

Para a inverso no sentido de rotao nos motores de induo trifsicos basta inverter duas

das conexes do motor com as fontes de alimentao.

A potncia eltrica PEabsorvida da rede para o funcionamento do motor maior que a

potncia mecnica PM fornecida no eixo especificado pelo fabricante, pois existe um

determinado rendimento do motor a ser considerado, isto :

= =

PP

P

V i FPM

E

M

L L3

A potncia mecnica no eixo PM do motor ( em W ) est relacionada com o momento de

toro M ou conjugado ( em Nm ) e com a velocidade do rotor n ( em rpm ) atravs da

seguinte operao.

P n MM = 260


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A figura 8.11 nos mostra as curvas do torque do motor, torque da carga e da corrente

absorvida pelo mesmo ambas em funo da velocidade do rotor.

Figura Captulo 8 .12 - Torque e Corrente de um Motor de Induo Trifsico

Sem acionar nenhuma carga no eixo, a vazio, o motor fornece uma pequena potncia

mecnica somente para vencer o atrito por ventilao e nos mancais. O torque do motor neste

caso prximo de zero, a corrente io tambm mnima e a velocidade do rotor mxima no

mas inferior a velocidade sncrona nS.

O motor ao acionar uma carga nominal em seu eixo a corrente aumenta para o valor

nominal iN e a velocidade diminui at o valor nominal nN onde temos a igualdade de torque,

isto , torque do motor igual ao torque de carga.

Podemos aumentar a carga no eixo do motor ( torque de carga ) alm da carga nominal,procedimento que compromete a vida til da mquina, at o ponto onde o torque do motor

mximo MM e, a velocidade do motor ir diminuir para nK e a corrente ir aumentar para iK.

Observe que na partida, velocidade igual a zero, o motor de induo absorve uma corrente

muito elevada iP da ordem de at dez vezes a corrente iN e seu torque de partida baixo MP

dificultando com isso o acionamento de cargas que necessitam de um alto torque para

partirem, como por exemplo: esteiras transportadoras carregadas.


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8.3 - Motores Eltricos Especiais

Os motores especiais so mquinas construdas para serem aplicadas no controle preciso

de posio e velocidades de processos. So motores mais rpidos que os convencionais, seus

enrolamentos so dimensionados para suportarem momentneas correntes elevadas. J o

rotor de uma mquina especial projetado com uma baixa inrcia, isto : pequeno dimetro e

grande comprimento.

Servomotores

De forma geral, os servomotores so classificados em:

Servomotor CC: o estator formado por ms permanentes e pelas escovas e o rotor

constitudo pelas bobinas da armadura e pelo comutador. O controle da velocidade ou posio

se d atravs da regulao da corrente das bobinas da armadura.

Servomotor CA: O estator formado pelas bobinas de campo sendo alimentada por uma

fonte trifsica e o rotor constitudo por ms permanentes. O controle da velocidade ou

posio se d atravs da regulao da freqncia das correntes nas bobinas de campo.

Motores de Passo

O motor de passo empregado em mquinas que necessitam de um controle preciso de

posio, tais como: robs, impressoras, plotters, equipamentos de coordenadas, etc..

O motor de passo constitudo por um rotor magntico ( m permanente ou imantado ) e

um estator formado por conjuntos de bobinas denominadas fases. Os motores de passo mais

comuns possuem quatro fases e seis terminais acessveis. A figura 8.12 ( a ) apresenta estetipo de motor juntamente com o circuito simplificado de acionamento.


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( a ) Circuito Simplificado de Acionamento

PASSO SA SB SC SD PASSO PASSO1 1 0 1 0 1 22 1 0 0 1 3 0 1 0 1 PASSO PASSO4 0 1 1 0 4 3

1 = Chave fechada Sentido horrio de rotao

0 = Chave Aberta Sentido anti-horrio de rotao( b ) Seqncia de Comando

Figura Captulo 8 .13 - Motor de Passo

Cada fase energizada quando a sua respectiva chave fechada. A figura 8.12 ( b )

mostra a seqncia de comandos do motor de passo para os dois sentidos de rotao.

Se o motor permanecer num determinado passo, o rotor fica travado devido fora

eletromagntica entre o rotor e o estator. Para liberar o rotor, ou seja, deix-lo em movimento

livre, basta abrir todas as chaves do circuito de comando.

A cada passo executado, o eixo do motor realiza um determinado deslocamento angular. Este

deslocamento conhecido como ngulo de passo, sendo repetido precisamente em cada passo. A

seguinte tabela mostra os valores de ngulo de passo com seus respectivos nmeros de

passos por volta dos motores de passo mais utilizados.

ngulo de Passo 0,72 1,80 2,00 2,50 5,00 7,50 15,00

Passos por Volta 500 200 180 144 72 48 24

8.4 - Exerccios Propostos:


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1) Qual o princpio geral de funcionamento de um motor eltrico?

2) Com relao ao motor de corrente contnua, associe a 1a coluna com a 2a.

a) Escovas ( ) Elementos do rotor responsvel pela criao de um

campo magntico no rotor.

b) Bobinas de campo ( ) Elementos do rotor responsvel pela inverso da

corrente nas bobinas do rotor.

c) Bobinas de armadura ( ) Elementos do estator que leva a corrente da rede

eltrica para o rotor.

d) Comutador ( ) o nmero de linhas de campo magntico por

unidade de rea.

e) Fluxo magntico ( ) Elemento do estator responsvel pela criao deum campo magntico que envolve o rotor.

3) Um motor de induo de 3 CV e 4 plos alimentado pela rede eltrica 220V/380-60Hz.

Calcule a velocidade do motor, com um escorregamento de 5% a plena carga. R: 1710 rpm.

4) Um motor de induo trifsico 5 HP, dois plos, ligado em estrela, a plena carga com

escorregamento de 8%, rendimento de 80% e fator de potncia de 0,86 alimentado

pela rede eltrica de 220/380V-60Hz.

Calcule:

a) A potncia eltrica fornecida.

b) A corrente eltrica por fase.

c) O torque do motor.

R: a) 4,60 kW; b) 8,13 A, c) 10,61 Nm

5) Como se varia a velocidade de um motor de passo?

6) O que significa um motor de passo possuir 200 passos por volta?

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