Slides 2015 Cap4

Cap. 4 – Motores de Indução Ementa detalhada

Motivações para o estudo de máquinas de indução.

Breve revisão.

Características construtivas.

Campo magnético girante.

Princípio de funcionamento.

Circuito equivalente.

Obtenção dos parâmetros do circuito equivalente.

Rendimento.

Métodos para a limitação da corrente de partida em MI

Motor de indução linear

Comentários gerais

Motor de indução monofásico

Curiosidade.

Máquinas Elétricas Rotativas

Máquinas elétricas fazem a interface entre um sistema mecânico e um sistema elétrico;

O acoplamento entre os dois sistemas ocorre através do campo magnético;

São denominadas máquinas CA quando ligadas a um sistema de corrente alternada;

São denominadas máquinas CC quando ligadas a um sistema de corrente contínua;

Máquinas Elétricas Rotativas

Máquinas CA são ditas:

1. Síncronas: quando a velocidade do eixo estiver em sincronismo com a freqüência da tensão elétrica de alimentação;

2. Assíncronas: quando a velocidade do eixo estiver fora de sincronismo (velocidade diferente) com a tensão elétrica de alimentação. Quando as correntes no rotor surgem somente devido ao efeito de indução (sem alimentação externa), a máquina é denominada de indução

Máquinas de corrente contínua (CC), máquinas de indução (assíncrona) e máquinas síncronas representam os três maiores grupos com aplicações práticas;

Fotos

Máquina de Indução (MI ou Máquina Assíncrona) MI > 90% dos motores na indústria

MI ~ 25% da carga elétrica brasileira

Países industrializados – 40% a 70% da carga

Máquina robusta, compacta e barata

MI gaiola de esquilo – sem contato elétrico com parte girante

Baixo requisito de manutenção

Maior vida útil da máquina

Motivações

Produção de um campo magnético.

“Quando um condutor é percorrido por uma corrente elétrica surge em torno dele um campo magnético”

Lei circuital de Ampère.

n

kk

c

ildH1

.

iAndré-Marie Ampère

Revisão (1/7)

Lei de Faraday.

e

fluxo

Revisão (2/7)

Michael Faraday

Constatações:Ao se aproximar ou afastar o ímã do solenóide (bobina) ocorre um

deslocamento do ponteiro do galvanômetro.Quando o ímã está parado, independentemente de quão próximo

este esteja do solenóide, não há deslocamento do ponteiro do galvanômetro.

Lei de Faraday.

e

fluxo

Revisão (3/7)

Michael Faraday

A lei de Faraday declara que:

“Quando um circuito elétrico é atravessado por um fluxo magnético variável, surge uma fem (tensão) induzida atuando sobre o mesmo.”

dt

de

Lei de Faraday.

e

fluxo

Revisão (4/7)

Michael Faraday

Formas de se obter uma tensão induzida segundo a lei de Faraday: Provocar um movimento relativo entre o campo magnético e o

circuito. Utilizar uma corrente variável para produzir um campo magnético

variável.

dt

de

Lei de Lenz.

Heinrich Lenz

Revisão (5/7)

“A tensão induzida em um circuito fechado por um fluxo magnético variável produzirá uma corrente de forma a se opor á variação

do fluxo que a criou”

dtd

e

Força Eletromagnética: quando um condutor, atravessado por corrente elétrica, é imerso em um campo magnético, surge sobre o condutor uma força mecânica;

f=Bil (Força de Lorentz)

B

f

i

Revisão (6/7)

Regra da mão direita para determinar o sentido da força

I

I

Revisão (7/7)

Características construtivas (2/2)

Estator

Possui um pacote magnético cilíndrico, vazado e ranhurado internamente.

Nas ranhuras são alojados os enrolamentos de campo.

O pacote magnético é formado de lâminas de aço silício.

Construção - Estator

Rotor: Peça maciça, cilíndrica, de material ferromagnético, em cuja superfície são incrustadas barras de alumínio ou cobre.

Dois tipos: gaiola de esquilo e rotor bobinado

Construção - Rotor

Rotor gaiola de esquilo

Barras de alumínio ou cobre, curto-circuitadas nas extremidades através de anéis condutores


Rotor bobinado

Possui ranhuras abertas que recebem os enrolamentos de armadura.

Cada fase dos enrolamentos possui um dos terminais ligados a anéis montados no eixo.


O circuito externo é composto por um reostato trifásico (3) que é inserido durante a partida e eliminado gradativamente à medida que o motor acelera

O fechamento dos enrolamentos (curto) é feito externamente


Carcaça : Feita de fofo, servindo de suporte para o estator e o rotor.

A carcaça não faz parte do circuito magnético do estator

Construção – Carcaça

Por definição um par de pólos corresponde a 360º elétricos ou 2 rad

Para uma máquina de “P” pólos temos

Graus Elétricos X Graus mecânicos

elºP

2mecº

Para uma máquina com 8 pólos, quantos graus mecânicos equivalem à 180º elet.

Exemplo 1

mecxelP

meco º451808

2º

2

-P=8

-.

.eletº4mecº1

Enrolamento monofásico excitado por uma corrente constante.

a

Eixo da fase a

Linhas de fluxo

Campo magnético girante

ia

t0

ia

Campo magnético constante

Na direção da fase “a” (unidirecional).

Enrolamento monofásico excitado por uma corrente senoidal.


a

Eixo da fase a

ia

ia

t0t2t1t0

Campo magnético pulsante

Na direção da fase “a” (unidirecional).

Uma rede de alimentação trifásica balanceada possui tensões senoidais de mesma amplitude, porém defasadas no tempo de 120º elet.


1 cycle

t0 t1 t2 t3 t4

va vb vc

Os embobinamentos (bobinas) do estator do motor de indução trifásico (MI3 ou MIT) são idênticos e montados a 120º geométricos um do outro.


As bobinas são alimentadas por correntes elétricas trifásicas (defasadas 120º elet. entre si e com mesma amplitude)

ia (t) = Iam sen (t)

ib (t) = Ibm sen (t – 120º)

ic (t) = Icm sen (t + 120º )

Iam = Ibm = Icm = Im


Como H é proporcional a I, temos

ha (t) = Ham . sen (t)

hb (t) = Hbm . sen (t – 120º)

hc (t) = Hcm . sen (t + 120º)

Ham = Hbm = Hcm = Hm

Estudar item 3.1 Estudo da direção do campo resultante (hr) para vários instantes, da apostila

Ver animação: filme 1 - aula9_(campo girante)



Três correntes alternadas senoidais, com mesma amplitude e defasadas de 120 graus, circulando por três bobinas fixas, cujos eixos magnéticos distam 120 graus entre si, produzem um campo magnético girante de intensidade constante

Eixo da fase c

Eixo da fase b

1 cycle

t0 t1 t2 t3 t4

ia ib ic

1 ciclo

Eixo da fase a

a

ia

t

ib

b

c

ic

Enrolamento trifásico.


1 cycle

t0 t1 t2 t3 t4

ia ib ic

1 ciclo

t

Eixo da fase c

Eixo da fase b

Eixo da fase a

a

ia

ib

b

c

ic

Ver animação: filme 2 - aula9_(rotating_mmf).ppt

filme 3 - aula9_(DSCF0003)


ha(t)=Hm sen (wt)

hb(t)=Hm sen (wt-120)

hc(t)=Hm sen (wt+120)

hr = 1,5 Hm

Velocidade síncrona: Velocidade do campo girante em uma máquina multi-pólos

Campo girante é uma onda de f.m.m. que se desloca ao longo do entreferro com velocidade síncrona 120f/P formando “P” pólos girantes ao longo do entreferro

Considerando a freqüência de alimentação de 60 Hz pode-se montar a seguinte tabela

Velocidade síncrona

)(.120

rpmP

fS

No pólos 2 4 6 8

s (rpm) 3.600 1.800 1.200 900

Módulo constante.

A velocidade de giro do rotor depende da frequência da rede elétrica.

A sequencia de fase determina o sentido de rotação do campo girante.

Expressão para o cálculo da velocidade de rotação do campo magnético girante também conhecida como velocidade síncrona (s):

fe é a frequência das correntes trifásicas nas bobinas do estator, p é a quantidade de pólos por fase.

Obs.: A constante 120 concilia a unidade de fe (Hz) com a unidade de s (rpm).

Campo magnético girante (8/8)

120 e

s

f

p

Estator constituído por três enrolamentos defasados de 120 graus energizados por uma fonte trifásica.

O fluxo produzido nos enrolamentos do estator é girante com a velocidade síncrona da tensão de alimentação.

Princípio de funcionamento (1/4)

O rotor é uma peça maciça, cilíndrica, de material ferromagnético, em cuja superfície são incrustadas barras de alumínio ou cobre, curto-circuitadas nas extremidades através de anéis condutores. Esta estrutura é conhecida como gaiola de esquilo.

No rotor surgirão correntes induzidas devido a variação do campo girante produzido pelo estator. As correntes induzidas produzem uma segunda distribuição de fluxo no rotor.

A produção de torque ocorre devido a busca de alinhamento entre os fluxos girantes do estator e do rotor.

Princípio de funcionamento (2/4)Barras

condutoras

Anéis extremos

Este torque mecânico acelerará o rotor que começará a girar.

A velocidade do rotor aumentará até atingir um ponto de equilíbrio.


Se a velocidade do rotor for igual ao do campo girante. Fluxo magnético concatenado entre as bobinas seria constante.

Não há indução de tensão no rotor.

A velocidade do rotor diminui com o aumento da carga mecânica. Maior corrente induzida para produzir maior campo magnético.

O MI possui conjugado de partida. Alta taxa de variação de fluxo, produzindo um elevado conjugado de

partida

O MI consome potência reativa da rede. Corrente de magnetização alta por motivo do entreferro.


filme 4 - Motor de Indução - Princípio de Funcionamentohttp://www.youtube.com/watch?v=B5aEeuYgfTE

Copiar link – ver em casa

Motores Elétricoshttp://www.youtube.com/watch?v=lJPmwut73P4

Motores Eletricoshttp://www.youtube.com/watch?v=rbU_JAT6VA4

Motor de Indução - Princípio de Funcionamentohttp://www.youtube.com/watch?v=B5aEeuYgfTE

A diferença relativa entre as velocidades angulares das correntes do estator (s) e do rotor (r) define o escorregamento da máquina de indução.

s s r

s

Em geral, o escorregamento é expresso em porcentagem, variando a plena carga entre 1 a 5%, dependendo do tamanho e do tipo do motor.

Slip ou escorregamento

Na partida (instante), a velocidade relativa entre o rotor e o campo girante é máxima. ɷ r = 0 → S = 1

Se o rotor alcançar a velocidade síncrona ɷr = ɷs → S = 0

Em carga

Com isto podemos concluir que: 0 ≤ S ≥ 1

A f.e.m. induzida na armadura tem módulo e frequência proporcionais ao escorregamento

↔ velocidade do eixo, que depende do valor da carga

Slip ou escorregamento

Identificação (Dados de placa)

Para instalar adequadamente um motor, é imprescindível que se saiba interpretar os seguintes dados de placa.

bloqueado;rotor de situação naestator ao referidos

rotor no fluxo, de dispersão e Joule perda:,

ão;magnetizaç de reatância e Ruido) Histerese, (Foucault, núcleo no perdas:,

estator; no fluxo, de dispersão e Joule perda:,

rotor; do e excitação de estator, do corrente: , ,

;resultante entreferro de fluxo pelo gerada fcem:

estator; do terminaisnos fase de tensão:

´´rbr

mc

ss

rbs

rb

s

XR

XR

XR

III

E

V

sVsI

sXsR

cR mX

I

rbE rI

rbX

s

R2

Circuito equivalente do estator Circuito equivalente do rotor refletido

Circuito equivalente Completo

sVsI

sXsR

cR

mX

I

rbE rI

rbX

s

R2

Circuito equivalente do estator Circuito equivalente do rotor refletido

Circuito equivalente simplificado

é considerada como uma parcela das perdas rotacionais, ensaio a vazio

2osorot IR3PP

Devemos atentar para o fato de que as tensões e correntes induzidas no rotor são variáveis durante o processo de aceleração, uma vez, que são funções da velocidade do rotor.

A f.e.m. induzida no rotor tem módulo e frequência proporcionais

a velocidade do eixo, que depende do valor da carga

Er = S Erb Xr = S Xrb Xrb = 2.fs.Lr

Modelagem do rotor

rrbr

rbrrbrrb IXjs

REIXsjREs

)(

Onde representa a resistência Rr próprio dos enrolamentos do rotor em série com uma resistência fictícia Rcarga, que traduz o comportamento da carga no eixo do

Modelagem do rotor

s

sRR rac

1arg

sRr

Importância do circuito equivalente

Com o circuito equivalente e seus respectivos parâmetros, podemos calcular diversas características de desempenho da máquina:

Relação Torque versus velocidade

Corrente de partida

Fator de potência

Rendimento

Análise do circuito equivalente do MIT

Potencia absorvida ou Potencia de entrada ou Potencia de linha

Perda no cobre do estator

Potencia fornecida ao rotor

Perda no cobre do rotor

cos3 sse IVP

23 sscs IRP

23 sr

csefr IsRPPP

23 rrdrfrcr IRPPP

Análise do circuito equivalente do MIT

Potencia desenvolvida pelo rotor ou Potencia interna

Perdas rotacionais

Potência útil ou potência de saída ou potência no eixo

Rendimento

20 )(. IRPPPP socsorot

frsr PsIss

RPcrPfrPdr )1()(.)1(3 2'

rotdrs P - P P

100.(%)e

s

P

P

Exercício

Desenhe o circuito equivalente do motor de indução trifásico (MIT), em

Ω / fase, referido ao estator.

a)Diga o significado das grandezas referentes a tensões e correntes

b)Diga a representação física de cada um dos parâmetros (impedâncias)

Exercício

a)

Vs = modulo da tensão de fase nos terminais do estator;

Es = modulo da f.e.m induzida no estator, gerada pelo fluxo de entreferro;

E’rb = modulo da f.c.e.m induzida no rotor, situação de rotor bloqueado,

referido ao estator;

Is = modulo da corrente de fase no estator;

IØ = modulo da corrente de excitação;

Ic = modulo da corrente de perdas no núcleo;

Im = modulo da corrente de magnetização;

I’r = modulo da corrente de fase no rotor, referido ao estator

Exercício

b)

Rs = resistência ohmica que representa a perda joule na bobina do estator;

Xs = reatância indutiva que representa a dispersão de fluxo na bobina do estator;

Rc = resistência ohmica que representa as perdas magnéticas no núcleo (Foucault,

Histerese, Ruido...;

Xm = reatância indutiva de magnetização;

R’r = resistência ohmica que representa a perda joule na bobina rotor, referido ao

estator;

X’rb = reatância indutiva que representa a dispersão de fluxo na bobina do rotor

referido ao estator.

OBS: R’r /s = R’r + Rcarga (resistência ficticia que representa o comportamento da

carga em função do escorregamento.

Exemplo 3

Um motor de indução trifásico, estator conectado em Y, 460 V, 1740 rpm, 60 Hz, 4 pólos, rotor bobinado tem os seguintes parâmetros (por fase):

R1=0,25 Ω R2’=0,2 Ω

X1=X2’=0,5 Ω Xm=30 Ω

As perdas rotacionais são de 1700 W. Com o rotor curto-circuitado, encontre:(a) (i) corrente de partida quando ligado a tensão nominal;

(ii) torque de partida;

(b) (i) escorregamento a plena carga;

(ii) corrente a plena carga;

(iii) razão entre as correntes de partida e de carga nominal;

(iv) fator de potência a plena carga;

(v) torque a plena carga;

(vi) eficiência interna e eficiência do motor a plena carga;

(c) (i) escorregamento para torque máximo;

(ii) torque máximo;

(d) resistência que deve ser conectada por fase ao rotor para torque máximo na partida.

Exemplo 2a) I1 e Tm na partida

mN 17,1851

241,192,0

5,188

33

A 241,195,049,02,024,0

3,261

Ω 49,024,09,6355,05,3025,0

5,025,030

V 3,2615,3025,0

306,265 rad/s 5,188

60

21800

22'2

'2

ss

agpartidam,

22'2th

th'2

ththth

ths

s

IRPT

ZZ

VI

jj

jjjXRZ

j

jV

A 666,245Ω 6608,1

)(1 Para

V/fase 6,2653

460

1

1partida,11

12

22111

1

Z

VIZ

XXjR

jXRjXjXRZs

V

m

m

Exemplo 2b) s, I1, I1,partida/I1,nominal, FP; ηinterno e ηreal para carga nominal

mN 11,1633

75,5754,42

9,245

A7,19754,42

94,07,19 cosFP

Ω 7,192123,6)(/

/0333,0 Para

%33,30333,01800

17401800

2'2

'2

snominalm,

nominal,1

partida,1

1

1nominal,1

12

22111

s

s

s

IRT

I

I

Z

VI

XXjsR

jXsRjXjXRZs

n

nns

m

m

Exemplo 2

%5,874,32022

28021

28021170029721

s)T-(1s)P-(1 W 2972160

2174911,163

W4,3202294,0754,426,2653cos3

?

%67,969667,01

real

saída

synagmecmec

rotacionalmecsaída

111entrada

real

interno

P

TP

PPP

IVP

s

Exemplo 2

c) s para Tmáx e Tmáx

mN 68,431

2

13

2'2th

2thth

2th

smáx

XXRR

VT

%63,191963,0

2'2th

2th

'2

Tmáx

XXR

Rs

2,6511,163

68,431

nominal

máx T

T

d) Rexterno para que Tmáx ocorra com s = 1.

Ω/fase 8186,01 externo2'

2th2th

externo'2

Tmáx

R

XXR

RRs

Conjugado

Mot

orG

erad

orRegião de frenagem

Região como motor

Região como gerador

Velocidade em porcentagem da velocidade síncrona

Escorregamento como uma fração da velocidade síncrona

s

R

XXs

RR

VT

'2

2'2th

2'2

th

2th

smec

1

Conjugado x escorregamento

Rendimento Potência de saída ou potência no eixo: geralmente expressa em CV ou HP e

eventualmente em kW. Potência de entrada menos as perdas no cobre (do estator e do rotor), no núcleo (do estator e do rotor) e perdas por atrito, resistência ao ar e ventilação.

Potência de entrada: expressa em kW.

Corrente nominal ou corrente de plena carga: é a corrente consumida pelo motor quando ele fornece a potência nominal a uma carga.

n = Psaida / Pentrada

Rendimento A eficiência é altamente dependente do escorregamento da máquina.

Para manter alta eficiência, o motor de indução deve operar próximo a velocidade síncrona.

Métodos para a limitação da corrente de partida em MI No instante de acionamento (partida) do motor de indução, este se

comporta como um transformador cujo enrolamento secundário corresponde ao do rotor parado e curtocircuitado.

Na partida, a resistência do rotor é muito baixa (R2’/s = R2’, s =1 ), resultando em correntes de 5 a 8 vezes o valor nominal.

A circulação dessa corrente provoca uma queda de tensão elevada no alimentador, além de provocar sobre aquecimento (danos ao circuito de isolação) da máquina, caso essa corrente circule por um longo período de tempo.

Devido a esses motivos, a máquina de indução deve partir com tensão reduzida ou outro método que diminua a corrente de partida.

Métodos para a limitação da corrente de partida em MI No instante de acionamento (partida) do motor de indução, este se comporta como um

transformador cujo enrolamento secundário corresponde ao do rotor parado e curtocircuitado.

Corrente nominal do motor de indução trifásico – corrente de linha

No instante da partida do motor ( )

Para que o motor tenha condição de giro Tp > Tcarga mec

cos3cos3

Eixonoominal

LL

LnV

Pmec

V

NPotênciaII

2

1

2'2

''

rB

SnnS

SnrR

VrI

10 Sr

cteV

rb'Xr'R

VII 122

snom'rspartida

Métodos para redução da corrente de partida Partida com tensão reduzida (aplicado a motores com rotor em gaiola de esquilo)

- Autotransformador de partida

- Chave estrela-triângulo

- Conversor eletrônico com tensão e freqüência variável

Partida com resistor de limitação de corrente

- Resistor em série com o estator (rotor em gaiola de esquilo)

- Resistor em série com o rotor (rotor bobinado)

Partida direta

M

Distribution Line Transformer

Utility

Induction Motor

PCC

M

Distribution Line Transformer

Utility

Induction Motor

PCC

(b) PCC voltage waveform

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

Time (s)

Mot

or s

tato

r cu

rren

t(p

.u.)

(a) Motor stator current waveform

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

-1

-0.5

0

0.5

1

Time (s)

Mot

or t

erm

inal

vol

tage

(p.u

.)

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

Time (s)

RM

S v

alu

e of

mot

or s

tato

r cu

rren

t (p

.u.)

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

Time (s)

RM

S v

alu

e of

mot

or t

erm

inal

vol

tage

(p

.u.)

(c) RMS value of motor stator current (d) RMS value of the PCC voltage

Current and voltage waveforms of cross-line motor starting

Partida direta

Além dos problemas de qualidade de energia elétrica, ocorrem períodos de aceleração e desaceleração no eixo da máquina levando a vibrações mecânicas.

Autotransformador de partida Um autotransformador trifásico abaixador pode ser empregado na partida de

forma a fornecer tensão reduzida durante a aceleração da MI até próximo da velocidade nominal.

Quando o motor atinge velocidade de regime permanente, o autotransformador é desconectado do circuito, através da ação de contatores R e S.

Desvantagem: Diminui o torque de partida (proporcional ao quadrado da tensão terminal) e aumenta o tempo de aceleração até a velocidade nominal, uma vez que o torque acelerante (diferença entre torque eletromagnético e torque mecânico) diminui.

Tipicamente, parte-se a máquina em 2 ou 3 estágios em que a tensão é gradualmente aumentada (66%, 75% 100%). Isso faz com que o torque de partida não seja muito baixo.

Chave estrela triângulo Esse método também é empregado pra alimentar a máquina com tensão reduzida

durante a partida.

Durante a partida os contatos são fechados no ponto 1, fazendo com que os enrolamentos do estator sejam conectados em estrela (Y) com a rede. Assim, a tensão aplicada sobre o enrolamento na partida será:

3V -Redução de 42,3% (1-1/3)

na corrente de partida

Chave estrela triângulo Em velocidade nominal, o contatos são chaveados para o ponto 2, e os

enrolamentos são alimentados com a tensão terminal nominal.

Esse método também provoca redução do torque de partida.

Motor de Indução - Acionamento - Chave Estrela-Delta http://www.youtube.com/watch?v=lBFgMEU84Fo

Soft-starter (chave eletrônica de partida) Utilizando-se um conjunto de tiristores em anti-paralelo, pode-se partir a máquina

com tensão reduzida (diminuindo a corrente de partida)

Também reduz o torque de partida, portanto, usualmente a tensão de partida aplicada é em torno de 30-60% da tensão nominal.

Produz distorção harmônica.

Conversor eletrônico com tensão e freqüência variável Pode ser usado um conversor eletrônico com capacidade de controlar a magnitude

e a freqüência da tensão para a partida suave da máquina, mantendo a corrente limitada a um valor pré-especificado (em inglês: Variable Frequency Drive).

A principal vantagem da partida via conversor eletrônico é a capacidade de fornecer torque de partida nominal durante todo o processo de partida (i.e., em qualquer velocidade) e simultaneamente limitar a corrente em seu valor nominal.

Isso é feito partindo-se a máquina com freqüência e tensão reduzida mas mantendo-se a relação Volts/Hertz em seu valor nominal.

Mais complexo e caro, usualmente só é economicamente justificado no caso em que o conversor é utilizado para controle de velocidade. Também introduz distorção harmônica no sistema.

Induction Motor

Utility

TransformerDistribution

Line PCC

VFD

gV pV

Partida via resistências externas em série com o rotor

No caso de rotor bobinado, um resistência externa pode ser conectada ao enrolamento do rotor de forma a reduzir a corrente de partida (visto que a impedância equivalente do motor aumenta).

Conforme a velocidade do motor aumenta, a resistência externa é gradualmente reduzida.

Até que ela é eliminada quando a máquina alcança a velocidade nominal.

Uma vantagem deste método é permitir obter torque máximo durante todo o processo de partida com corrente reduzida.

A desvantagem deste método é que ele somente é aplicável a máquinas com rotor bobinado.

Partida via resistências externas em série com o rotor


Em certas situações (como por exemplo em transporte ferroviário e metroviário) deseja-se obter movimento translacional (em vez de rotacional).

Neste caso pode-se utilizar um sistema de cremalheira para mecanicamente converter o movimento rotacional em translacional. Sendo que a vantagem desse sistema é a simplicidade e a desvantagem é o aumento das perdas mecânicas e maior necessidade de manutenção devido ao desgaste.

Outra opção é empregar um motor linear que produz diretamente movimento translacional. Tais motores são denominados motores lineares.


t = t0 t = t1

ia ib ic

. .

+ +

+

. .

+ +

+

A

B

C

b

c

a

t0 Fa = Fm Fb = -Fm/2 Fb = -Fm/2

FR = 3/2Fm

t1 Fa = -Fm/2 Fb = Fm Fb = -Fm/2

FR = 3/2Fm

a' .

b' c' a

c b

Campo girante

Estator

Rotor

primário

secundário

Enrol. 3

x y

Campo deslizante


Se o rotor do tipo gaiola de esquilo for substituído por um cilindro de material condutor (alumínio), o rotor girará da mesma forma visto que correntes serão induzidas na superfície do rotor.

Assim, utilizando-se o raciocínio simplista de desenrolar essa máquina, podemos constatar que a parte da máquina composta por material condutor irá deslizar, produzindo movimento translacional.

Motor de indução linear Visto que essa máquina não produz movimento rotacional, o termo “rotor” não é

adequado. Desta forma utilizam-se os termos:

Primário ou indutor: designa a parte da máquina onde os enrolamentos são energizados para produzir o campo deslizante (pode ser estático ou móvel)

Secundário ou induzido: designa a parte da máquina onde as correntes são induzidas devido à ação do campo deslizante (pode ser estático ou móvel)

Existem várias possibilidades de construção do secundário, mas de forma geral ele é composto de material ferromagnético (para aumentar a densidade de campo magnético e direcionar o fluxo) e material condutor, geralmente alumínio ou cobre (para permitir a indução de correntes)

Motor de indução linear CONTROLES BÁSICOS DE MOTOR DE INDUÇÃO LINEAR

Velocidade controle de freqüência (conversor)

Sentido do movimento inversão de duas fases

Frenagem inversão de duas fases

Motor Linear de Indução http://www.youtube.com/watch?v=prOrlg8-wGE

Motor de indução linear APLICAÇÕES

Máquinas envolvidas em processos industriais que exigem movimentos lineares

Transporte (metro/trem)

Coração artificial (sistema de êmbolos)

Portas deslizantes

Bombeamento de líquidos (sistema de êmbolo)

VANTAGENS

Não são necessárias partes mecânicas para transformar o movimento rotacional em linear

Permitem altas acelerações e velocidades

DESVANTAGENS

Efeito longitudinal de extremidade

Existência de uma força normal


Motor de indução monofásico

Motor de indução monofásico Pequenos motores usados em geladeiras, lavadoras de roupa,

ventiladores, condicionadores de ar, etc., são monofásicos;

Em geral a potência desses pequenos motores é fracionária, ou seja, menor do que 1 hp (1/2hp, 1/3 hp, 1/20hp, 1/30hp);

Os motores monofásicos mais comuns são do tipo: Motor de indução monofásico – mais utilizado

Motor síncrono monofásico – p/ aplicações com velocidade cte.

Motor universal (motor série CA ou CC) – aplicações que demandem alto torque de partida ou alta velocidade (bastante usado em pequenos eletrodomésticos: liquidificador, batedeira, processadores (mixers), etc.)

Motor de indução monofásico – Rotor parado Pela Lei de Lenz, o fluxo produzido no rotor pela gaiola, se opõe ao

fluxo produzido pelo enrolamento distribuído do estator;

Não havendo defasagem angular entre os dois campos pulsantes não há produção de torque (não há torque de partida);

Motor de indução monofásico – Rotor girando Se o motor estiver girando, através da aplicação de um torque

externo ou de circuitos auxiliares, o motor de indução monofásico produz torque, pois cria-se uma defasagem entre os dois fluxos pulsantes visto que o campo do rotor estará atrasado em relação ao campo do estator no tempo devido à tensão induzida de velocidade;

sr BkBT

Motor de indução monofásico – Partida Motores de indução monofásicos não possuem torque de partida,

devido ao alinhamento no espaço e no tempo entre o campo produzido pelo enrolamento do estator e o campo produzido pelas correntes induzidas no enrolamento do rotor;

Não havendo defasagem angular entre os dois fluxos pulsantes não há produção de torque;

sr BkBT

Um estator com dois enrolamentos idênticos defasados de 90 graus produz um campo girante com magnitude constante;

Isto é, na presença de dois campos defasados no tempo e no espaço produzidos por enrolamentos no estator, tem-se um campo girante.

Portanto, as principais formas empregadas para partir um motor de indução são baseadas no uso de enrolamentos auxiliares que criam dois campos defasados.

Motor de indução monofásico – Partida

Motor de indução monofásico – Partida à resistência Um enrolamento auxiliar é usado para proporcionar uma defasagem

inicial entre os campos principal e auxiliar de forma a criar um campo girante;

O enrolamento auxiliar tem alta taxa R/X (resistência elevada: fio fino e baixa reatância: poucas espiras) de forma a aumentar a defasagem;

O enrolamento principal tem baixa taxa R/X de forma a garantir melhor rendimento em regime permanente e magnetização suficiente para a máquina (baixo R e X elevada/muitas espiras);

Motor de indução monofásico – Partida à resistência A defasagem vai ser sempre menor que 90 graus (tipicamente em torno de

25o), fornecendo torque de partida moderado, para baixa corrente de partida;

Uma chave centrífuga desliga o enrolamento auxiliar a 75% da velocidade nominal;

Para inverter o sentido de rotação é necessário inverter a ligação do enrolamento auxiliar com a máquina parada (não reversível), visto que o torque produzido pelo enrolamento auxiliar (operação bifásica) é menor que o torque produzido pelo enrolamento principal (operação monofásica);

R

Xprincipal

auxiliara

Bifásica desequilibrada até a abertura da chave centrifuga (correntes diferentes nos dois enrolamentos);

Monofásica a partir do desligamento do enrolamento auxiliar; Usada em potências entre 50 e 500W em ventiladores, bombas e

compressores; São de baixo custo; A falha da chave centrifuga pode queimar os enrolamentos;

Motor de indução monofásico – Partida à resistência

Motor de indução monofásico – Partida à capacitor Usa-se um capacitor em série com o enrolamento auxiliar, para

aumentar a defasagem inicial entre os campos do enrolamento principal e auxiliar;

Resulta em maior torque de partida; Através do capacitor é possível aproximar a defasagem de 90 graus

(tipicamente em torno de 82o); Produz torque de partida 2,35 maior que o motor com partida à

resistência (sen82o/sen25o)

Motor de indução monofásico – Partida à capacitor Tende a reduzir a corrente de partida, pois melhora o fator de

potência; Capacitor eletrolítico do tipo seco p/ operação intermitente

(1min/1h); É reversível (mudança do sentido de rotação com a máquina em

movimento), pois a alta defasagem (82 graus) faz com que o torque em operação bifásica seja maior do que o torque monofásico;

R

Xprincipal

Auxiliar

+ cap

a

Usada em potências até 7,5 hp, para cargas de difícil partida (alto torque de partida), ou onde seja necessária a inversão do motor;

São usados para acionar bombas, compressores, unidades refrigeradoras, condicionadores de ar, e máquinas de lavar de maior porte;

Motor de indução monofásico – Partida à capacitor

Motor de indução monofásico de polo ranhurado Para motores pequenos, até 1/10 hp; A maior vantagem é a simplicidade: enrolamento monofásico, rotor em

gaiola e peças polares especiais; Não utiliza chaves centrífugas, capacitores ou enrolamentos auxiliares; Apresenta torque de partida apenas com um enrolamento monofásico; A corrente induzida no anel de cobre do polo ranhurado, produz um

fluxo atrasado, em relação ao fluxo do estator, fornecendo a defasagem necessária para a partida da máquina;

Motor de indução monofásico de polo ranhurado Máquina barata; O torque de partida é limitado; Não reversível, seria necessário desmontar o motor e inverter a

posição do polo ranhurado; Pode-se projetar um motor com dupla ranhura, uma para cada

sentido de rotação da máquina;

Potência instantânea do motor de indução monofásico A potência instantânea em uma MI monofásica é pulsante com o

dobro da frequência da rede (o valor médio é positivo);

Em parte de cada ciclo ocorre a reversão de fluxo, devido a interação dos campos direto e reverso;

Como consequência, o nível de vibração e ruído de MI monofásicas é elevado, demandando algum sistema de amortecimento/absorção das vibrações mecânicas;

Motor de indução monofásico – Aplicações típicas

Comentários gerais

A principal aplicação da máquina de indução é como motor.

Devido à sua construção mais simples, o motor de indução, também conhecido como motor assíncrono, apresenta um custo menor e também devido à sua robustez (manutenções menos frequentes) é o motor mais utilizado na indústria, principalmente os com rotor tipo gaiola.

A velocidade do rotor depende da frequência da rede elétrica, do número de polos do motor e da carga mecânica (a velocidade decresce ligeiramente com o acréscimo de carga).

Para que a máquina de indução possa atuar como gerador, o seu rotor deve ser acionado a uma velocidade superior à velocidade síncrona e uma fonte de energia reativa, conectada ao estator, garante a magnetização da máquina.

Esta energia pode ser suprida pela própria rede ou por um banco de capacitores conectado em paralelo ao gerador e à rede elétrica.

2788HP * 746 = 2079848 W ~ 2 MW

Curiosidade (1/2)

Curiosidade (2/2)

Exercicios

1. Em um motor de indução trifásico com rotor tipo gaiola de esquilo e em outro com rotor do tipo bobinado, a velocidade de rotação do eixo pode ser igual à velocidade de rotação do campo girante? Justifique fisicamente.

2. Analise a seguinte afirmação: "Para se acionar o motor de indução trifásico com rotor bobinado, deve-se assegurar que os terminais do rotor estejam curto-circuitados". Por quê? Justifique fisicamente.

3. Porque a troca de 2 fases da alimentação de um motor de indução trifásico produz a inversão no sentido de rotação do rotor? Justifique fisicamente.

4. Se em um processo industrial houver a necessidade de alterar a velocidade do campo girante em um motor de indução trifásico em uso, que procedimento você adotaria? Justifique.

Exercicios

5. Em um motor de indução trifásico, 4 pólos, 60 Hz, o escorregamento é de 5%. Obtenha a velocidade do rotor.

6. Em um motor de indução trifásico, 60 Hz, a velocidade síncrona é de 900 rpm. Obtenha a quantidade de pólos no estator.

7. Em um motor de indução trifásico, 60 Hz, o eixo gira a 1140 rpm. Obtenha a velocidade síncrona, a quantidade de pólos e o escorregamento.

8. Um motor de indução trifásico, D - 220 V, 60 Hz, rotor bobinado, aciona uma bomba d'água.

a) Qual a importância da seqüência de fases na ligação elétrica do motor? Justifique fisicamente.

b) Descreva um método para limitar a corrente na partida. Justifique fisicamente.

Exercicios9. Numa instalação industrial, foi possível identificar em um motor de indução

trifásico, as seguintes características nominais: PN = 15 CV, U = 220 V, f = 60 Hz e rendimento = 83%. Para obter o respectivo fator de potência (grandeza fundamental para dimensionar os capacitores para a correção do fator de potência), o Gerente chamou dois estagiários para resolver o problema. O primeiro disse: “Dê-me um wattímetro que resolverei o problema”. O segundo, mais modesto, disse: “Com um amperímetro consigo obter a resposta”. As figuras mostram as ligações feitas e os valores medidos pelos estagiários. Apresente os cálculos feitos pelos dois estagiários para determinar o fator de potência.

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Slides 2015 Cap4