Apostila motores

ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO

Motores Elétricos (Edição Preliminar)

Antonio Tadeu Lyrio de Almeida

- Agosto de 2004 -


MOTORES ELÉTRICOS

APRESENTAÇÃO

Os motores elétricos são o meio mais indicado para a transformação de energia elétrica em mecânica, em termos industriais, para acionamento das mais variadas cargas, tais como bombas, compressores, sistemas de elevação de peso e outras.

Existe uma ampla variedade de motores elétricos disponíveis comercialmente, os quais podem ser divididos em dois grupos, ou seja, os de corrente contínua e os de corrente alternada, sendo que estes ainda podem ser síncronos ou de indução (assíncronos).

Os motores de indução, principalmente os trifásicos, são os mais utilizados industrialmente e, dentre eles, o de rotor em gaiola, cujo campo de aplicação se estende, praticamente, a todo tipo de acionamento.

Os motores de corrente contínua, por outro lado, são empregados em aplicações industriais, nas quais se deseja um controle eficiente de velocidade.

Neste contexto, o objetivo desse texto é o de analisar esses motores (com exceção do síncrono) e, para tanto, foi dividido em três partes básicas.

A primeira parte é composta pelos Capítulos 1 e 2, onde se fornecem os princípios básicos do eletromagnetismo e alguns dos aspectos comuns a todos os motores elétricos, respectivamente.

A segunda parte compreende os Capítulos 3 a 8 e são abordados os motores de indução trifásicos.

A terceira e última parte, composta pelos Capítulos 9 e 10, refere-se aos motores de corrente contínua.


MOTORES ELÉTRICOS

ÍNDICE

CAPÍTULO 1: CONCEITOS BÁSICOS _____________________________________________ 1 RESUMO __________________________________________________________________________ 1 1.0 - INTRODUÇÃO _________________________________________________________________ 1 2.0 – CAMPO MAGNÉTICO CRIADO POR CORRENTE _________________________________ 1 3.0 –TENSÃO INDUZIDA ____________________________________________________________ 2 4.0 - FORÇA DE LORENTZ __________________________________________________________ 3 5.0 - CONJUGADO OU TORQUE _____________________________________________________ 3

5.1 – Conceito de Conjugado _________________________________________________________________ 3 5.2 - Conjugado Eletromagnético ______________________________________________________________ 4

6.0 – POTÊNCIA MECÂNICA ________________________________________________________ 4 7.0 - AÇÕES MOTORA E GERADORA ________________________________________________ 5

CAPÍTULO 2: MOTORES ELÉTRICOS ____________________________________________ 7 RESUMO __________________________________________________________________________ 7 1.0 - INTRODUÇÃO _________________________________________________________________ 7 2.0 – TIPOS DE MOTORES___________________________________________________________ 7 3.0 – CARACTERÍSTICA NOMINAL __________________________________________________ 8 4.0 – POTÊNCIA ____________________________________________________________________ 9 5.0 – CONJUGADO OU TORQUE _____________________________________________________ 9 6.0 - VIDA ÚTIL DE MOTORES ELÉTRICOS _________________________________________ 10 7.0. - CLASSE DE ISOLAMENTO ____________________________________________________ 10 8.0 – GRAUS DE PROTEÇÃO MECÂNICA DOS INVÓLUCROS DOS MOTORES __________ 11

8.1 – Graus de proteção_____________________________________________________________________ 11 8.2 - Utilização de Motores em Áreas Perigosas__________________________________________________ 12


MOTORES ELÉTRICOS

CAPÍTULO 3: MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS _____________________________ 14 RESUMO _________________________________________________________________________ 14 1.0 - INTRODUÇÃO ________________________________________________________________ 14 2.0 - NATUREZA E FORMAÇÃO DOS CAMPOS GIRANTES ____________________________ 14 3.0 – INVERSÃO DE DUAS FASES ___________________________________________________ 16 4.0 - VELOCIDADE SÍNCRONA _____________________________________________________ 17 5.0 – ROTAÇÃO E CAMPO GIRANTE ________________________________________________ 17 6.0 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO _____________________________________________ 18 7.0 - ESCORREGAMENTO __________________________________________________________ 19 8.0 - FREQÜÊNCIA DAS GRANDEZAS DO ROTOR____________________________________ 19

CAPÍTULO 4: ASPECTOS CONSTRUTIVOS DOS MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS_____________________________________________________________________________ 20

RESUMO _________________________________________________________________________ 20 1.0 - INTRODUÇÃO ________________________________________________________________ 20 2.0 - PARTES COMPONENTES DO ESTATOR ________________________________________ 22

2.1 - Carcaça _____________________________________________________________________________ 22 2.2 – Parte Ativa __________________________________________________________________________ 22 2.3 – Caixa de Terminais ___________________________________________________________________ 23 2.4 – Ligações dos Enrolamentos _____________________________________________________________ 23 2.4.1 – Tipos de ligações____________________________________________________________________ 23 2.4.2 – Marcação de terminais dos motores _____________________________________________________ 25

3.0 - PARTES COMPONENTES DO ROTOR___________________________________________ 26 3.1 – Núcleo do Rotor ______________________________________________________________________ 26 3.2 – Enrolamentos ________________________________________________________________________ 26 3.2.1 – Rotor gaiola________________________________________________________________________ 26 3.2.2 – Rotor bobinado _____________________________________________________________________ 26 3.3 - Eixo________________________________________________________________________________ 27

4.0 - OUTROS COMPONENTES _____________________________________________________ 27 4.1 - Mancais_____________________________________________________________________________ 27 4.2 – Sistema de Arrefecimento ______________________________________________________________ 28 4.3 – Escovas e Porta-escovas________________________________________________________________ 29

CAPÍTULO 5: CARACTERÍSTICAS DOS MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS ______ 30 RESUMO _________________________________________________________________________ 30 1.0 - INTRODUÇÃO ________________________________________________________________ 30


MOTORES ELÉTRICOS

2.0 – OPERAÇÃO EM CARGA DE UM MIT ___________________________________________ 30 3.0 – GRANDEZAS CARACTERÍSTICAS _____________________________________________ 31

3.1 - Potência_____________________________________________________________________________ 31 3.2 - Tensões _____________________________________________________________________________ 31 3.3 – Velocidade __________________________________________________________________________ 31 3.4 – Torque ou Conjugado__________________________________________________________________ 31 3.5 – Perdas______________________________________________________________________________ 33 3.6 – Potências Elétricas ____________________________________________________________________ 33 3.7 – Fator de Potência _____________________________________________________________________ 33 3.8 - Rendimento__________________________________________________________________________ 33 3.9 – Corrente do Estator ___________________________________________________________________ 33 Exercício de fixação _______________________________________________________________________ 34 3.10 - Fator de Serviço _____________________________________________________________________ 34

4.0 – CURVAS CARACTERÍSTICAS__________________________________________________ 35 5.0 - EFEITOS DOS DESBALANÇOS DE TENSÕES ____________________________________ 36

Exercício de fixação _______________________________________________________________________ 37 6.0 – FALTA DE FASE ______________________________________________________________ 37 7.0 - FLUTUAÇÕES DE TENSÕES ___________________________________________________ 38 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS __________________________________________________ 38

CAPÍTULO 6: PARTIDA DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS _________________ 39 RESUMO _________________________________________________________________________ 39 1.0 - INTRODUÇÃO ________________________________________________________________ 39 2.0 – CONJUGADO MOTOR E ACELERADOR ________________________________________ 39

2.1 – Partida com Rotor Livre ou em Vazio _____________________________________________________ 39 Exercício de fixação _______________________________________________________________________ 39 2.2 – Partida com Carga ____________________________________________________________________ 40

3.0 – CORRENTE NA PARTIDA _____________________________________________________ 40 Exercício de fixação _______________________________________________________________________ 41

5.0 – EFEITOS DA VARIAÇÃO DA TENSÃO __________________________________________ 41 6.0 – EFEITOS DA RESISTÊNCIA DO ROTOR ________________________________________ 42 7.0 – CATEGORIAS DE DESEMPENHO ______________________________________________ 42 8.0 – PROBLEMAS CAUSADOS PELA PARTIDA ______________________________________ 43 8.1 – Motor ________________________________________________________________________ 43

8.2 – Carga e Sistema de Transmissão _________________________________________________________ 43 8.3 – Rede Elétrica e Instalações______________________________________________________________ 43

9.0 - MÉTODOS DE PARTIDA _______________________________________________________ 44 9.1 - Partida com Chave Estrela-Triângulo ______________________________________________________ 44 Exercício de fixação _______________________________________________________________________ 46 9.2 - Chave Compensadora __________________________________________________________________ 47


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Exercício de fixação _______________________________________________________________________ 49 9.3 - Partida com Soft-Starter ________________________________________________________________ 50 9.4 – Partida com Resistências no Rotor________________________________________________________ 51

CAPÍTULO 7: IDENTIFICAÇÃO DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS __________ 52 RESUMO _________________________________________________________________________ 52 1.0 - INTRODUÇÃO ________________________________________________________________ 52 2.0. - DADOS DE PLACA E DE CATÁLOGOS _________________________________________ 52

2.1. - Dados de Placa_______________________________________________________________________ 52 2.2 - Dados de Catálogo ____________________________________________________________________ 53 2.3 - Folha de Dados _______________________________________________________________________ 54

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA ____________________________________________________ 54

CAPÍTULO 8: METODOLOGIAS PRÁTICAS PARA A AVALIAÇÃO DE CARACTERÍSTICAS OPERACIONAIS ___________________________________________ 55

RESUMO _________________________________________________________________________ 55 1.0 - INTRODUÇÃO ________________________________________________________________ 55 2.0 - AVALIAÇÃO DA POTÊNCIA – MÉTODO DA LINEARIZAÇÃO DA CURVA I = f(P) ___ 55 3.0 – AVALIAÇÃO DA ROTAÇÃO – MÉTODO DA LINEARIZAÇÃO DA CURVA I = f(n) ___ 56

Exercício de fixação _______________________________________________________________________ 56 4.0 – AVALIAÇÃO DO TORQUE – MÉTODO DA LINEARIZAÇÃO DA CURVA M = f(n) ___ 57

Exercício de fixação _______________________________________________________________________ 57 5.0 – CURVAS CARACTERÍSTICAS__________________________________________________ 58

CAPÍTULO 9: MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA _____________________________ 60 RESUMO _________________________________________________________________________ 60 1.0 - INTRODUÇÃO ________________________________________________________________ 60 2.0 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO _____________________________________________ 60

2.1 – Motor Elementar _____________________________________________________________________ 60 2.2 – Utilização de Teclas ___________________________________________________________________ 62 2.3 – Atenuação das Oscilações de Torque______________________________________________________ 63 2.4 – Aumento dos Valores de Torque _________________________________________________________ 63

3.0 – TENSÃO INDUZIDA ___________________________________________________________ 64 4.0 - EXCITAÇÃO__________________________________________________________________ 65


MOTORES ELÉTRICOS

5.0 - COMUTAÇÃO ________________________________________________________________ 66 6.0 - LINHA NEUTRA ______________________________________________________________ 67 7.0 - REAÇÃO DE ARMADURA______________________________________________________ 67 8.0 - PÓLOS AUXILIARES OU DE COMUTAÇÃO (INTERPÓLOS)_______________________ 68 9.0 - ENROLAMENTO DE COMPENSAÇÃO __________________________________________ 69 10.0 - CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES CC __________________________________________ 69

10.1 - Quanto à Aplicação___________________________________________________________________ 69 10.2 - Quanto à Posição do Eixo______________________________________________________________ 70 10.3 - Quanto ao Sistema de Excitação_________________________________________________________ 70

CAPÍTULO 10: ASPECTOS CONSTRUTIVOS DOS MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA_____________________________________________________________________________ 72

RESUMO _________________________________________________________________________ 72 1.0 - INTRODUÇÃO ________________________________________________________________ 72 2.0 - PARTES COMPONENTES DO ESTATOR ________________________________________ 74

2.1 - Carcaça _____________________________________________________________________________ 74 2.2 - Pólos Principais_______________________________________________________________________ 75 2.3 - Interpólos ou Pólos de Comutação ________________________________________________________ 75 2.4 - Enrolamentos de Campo e dos Interpólos___________________________________________________ 75

3.0 - PARTES COMPONENTES DO ROTOR___________________________________________ 76 3.1 - Armadura ___________________________________________________________________________ 76 3.2 - Comutador __________________________________________________________________________ 78 3.3 - Eixos _______________________________________________________________________________ 78

4.0 - OUTROS COMPONENTES _____________________________________________________ 79 4.1 - Mancais_____________________________________________________________________________ 79 4.2 – Sistema de Arrefecimento ______________________________________________________________ 79 4.3 – Escovas_____________________________________________________________________________ 79 4.3 - Porta - Escovas _______________________________________________________________________ 79 4.4 – Anel e Braço dos Porta-Escovas _________________________________________________________ 80


MOTORES ELÉTRICOS

“A máquina, que produz abundância, tem-nos deixado em penúria. Nossos conhecimentos fizeram-nos céticos; nossa inteligência, empedernidos e cruéis. Pensamos em demasia e sentimos bem pouco. Mais do que de máquinas, precisamos de humanidade. Mais do que de inteligência, precisamos de afeição e doçura. Sem essas virtudes, a vida será de violência e tudo será perdido”.

Charles Spencer Chaplin (1889 – 1977) Considerado um dos maiores gênios do cinema, ganhador de três prêmios Oscar e criador de Carlitos, o imortal e impagável vagabundo. A citação acima foi retirada do “Último Discurso” do filme “O Grande Ditador”, uma de suas obras primas, onde ridiculariza Adolf Hitler e o nazismo.


MOTORES ELÉTRICOS

CAPÍTULO 1: CONCEITOS BÁSICOS

O campo magnético envolve o condutor como mostrado na figura 1.

RESUMO

Este capítulo apresenta os conceitos básicos e os aspectos fundamentais relativos ao princípio de funcionamento e utilização das máquinas elétricas.

1.0 - INTRODUÇÃO

As máquinas elétricas são conversores rotativos que transformam energia elétrica contínua em energia mecânica, ou vice-versa, utilizando-se dos fenômenos da indução e conjugados eletromagnéticos. Sendo assim, podem exercer uma ação geradora ou motora.

Figura 1 – Campo magnético em um condutor.

O sentido do campo magnético criado pela corrente, por outro lado, pode ser determinado pela regra de Ampère (também conhecida como regra da mão direita) como ilustra a figura 2.

Um motor elétrico apresenta aspectos construtivos similares ao do gerador e, desta forma, diferem apenas na forma de serem empregados.

A máquina atuando como motor, absorve energia elétrica de uma fonte de energia elétrica para desenvolver um conjugado que poderá acionar uma carga mecânica em seu eixo. Por outro lado, o gerador tem a velocidade de seu eixo estabelecida por uma máquina primária, fornecendo energia elétrica como produto final.

Observe-se que as máquinas elétricas, de uma forma geral, são reversíveis, ou seja, um motor em determinadas situações pode agir como gerador ou vice-versa.

Todas as máquinas elétricas apresentam seu princípio de funcionamento baseado nas leis da indução e conjugado eletromagnético.

Figura 2 – Regra de Ampère ou da mão direita. 2.0 – CAMPO MAGNÉTICO CRIADO POR CORRENTE Observe-se que, ao fazer circular uma determinada corrente por um condutor enrolado em torno de um material magnético (espiras), é possível imantá-lo, obtendo-se um imã artificial (eletroímã ou solenóide).

Em 1820, o físico dinamarquês Hans Christian

Oersted divulgou que havia descoberto que uma corrente elétrica circulando por um condutor produz um campo magnético.

Tal descoberta foi revolucionária, pois associou a eletricidade e o magnetismo que se supunha fenômenos distintos e sem relação.

O francês André Marie Ampère, depois de conhecer os resultados experimentais de Oersted, formulou uma lei que permite quantificar a indução magnética ou a densidade do campo magnético em função da intensidade da corrente.

________________________________________________________________________________________________ Capítulo 1: Conceitos Básicos - 1

Figura 3 – Eletroímã ou solenóide.


MOTORES ELÉTRICOS

Observa-se que, no momento em que a bateria

era ligada ou desligada através da chave, instantaneamente flui uma corrente pela primeira bobina, a qual magnetiza o anel. Ao mesmo tempo, verifica-se que a agulha da bússola dá um “salto”, mudando de posição, como ilustrado na figura 6.

A corrente que circula pelas espiras recebe o nome de corrente de excitação e o seu produto pelo número total dessas espiras, é denominada de força magnetomotriz.

De acordo com a lei de Ampère, o fluxo magnético no eletroímã depende do material magnético e das dimensões que é construído, além da força magnetomotriz.

Assim, pode-se aumentar ou diminuir o fluxo, dentro de certos limites, alterando-se a força magnetomotriz (ou, em última análise, a corrente de excitação). A relação gráfica entre ambas as grandezas é conhecida por curva de saturação (ou de magnetização).

Figura 6 – Deslocamento da agulha da bússola. Logo em seguida, a agulha volta a sua posição original, como na figura 7.

Figura 4 – Exemplo de curva de saturação. 3.0 –TENSÃO INDUZIDA

Figura 7 – Retorno da agulha da bússola à posição original.

Coube ao inglês Michael Faraday, onze anos

depois de Oersted e Ampère, descobrir como se obter eletricidade a partir do magnetismo.

Faraday concluiu que a deflexão da agulha da bússola ocorria devido à indução de uma tensão elétrica (mais propriamente, uma força eletromotriz) que causava o surgimento instantâneo de uma corrente na segunda bobina.

Em 1831, Faraday construiu um experimento semelhante ao mostrado na figura 5, onde se tem um anel de aço, duas bobinas sem contato físico, uma chave para ligar e desligar o circuito, uma bateria e uma bússola.

Uma segunda experiência realizada por Faraday, foi inserir e retirar um imã dentro de uma bobina, cujos terminais estavam conectados a um galvanômetro. Ao fazer isso, percebeu que a agulha do galvanômetro se movia, como ilustra a figura 8.


Figura 8 – Indução de tensão em bobina. Figura 5 – Experimento de Faraday.


MOTORES ELÉTRICOS

Com tais experimentos, Faraday verificou que,

sempre que houver uma variação entre o fluxo magnético e um circuito elétrico, nele será induzido uma força eletromotriz (tensão induzida). Se ele estiver fechado, ocorrerá a circulação de corrente. Portanto, em linhas gerais, pode-se escrever a lei de Faraday como:

“A força eletromotriz induzida em um circuito fechado é determinada pela taxa de variação do fluxo magnético que atravessa o circuito”.

Na última experiência descrita, verifica-se que quando o ímã se aproxima do circuito o galvanômetro deflete em um determinado sentido e quando ele se afasta, a deflexão ocorre no sentido contrário.

Figura 10 - Força agindo sobre um condutor. 5.0 - CONJUGADO OU TORQUE

5.1 – Conceito de Conjugado

Quando se aplicam forças a um corpo, elas possuem a qualidade de realizarem trabalho, função dos deslocamentos que nele provocam.

Assim, o trabalho de uma força é definido como o produto da intensidade da força pela extensão do deslocamento que ela determina no corpo, quando o deslocamento se dá na direção dessa força.

Figura 9 – Deflexão do galvanômetro. Desta forma, pode-se definir torque ou

conjugado como um momento de torção, ou seja, o esforço (ou trabalho) que se faz para movimentar algo em círculo, como uma porca no caso mostrado na figura 11.

O cientista russo Heinrich Friedrich Emil Lenz, em 1834, enunciou a chamada Lei de Lenz, que justifica o fenômeno, ou seja:

“A força eletromotriz induzida produz uma corrente cria um campo magnético cujo sentido se opõe à variação do fluxo magnético original”.

4.0 - FORÇA DE LORENTZ

O holandês Hendrik Antoon Lorentz, prêmio Nobel de Física de 1902, verificou que "toda carga elétrica imersa num campo e dotada de velocidade, de direção não coincidente com a direção do campo, fica sujeita a uma força de origem eletromagnética”. Desta forma, se um condutor imerso em um campo com densidade (ou indução) magnética B e percorrido por uma corrente I fica submetido a uma força F de origem eletromagnética, cujo valor máximo é:

Figura 11 – Conceito de torque.

Note-se que o esforço (ou trabalho) efetuado para rosquear a porca é sempre o mesmo, mas se o cabo da chave for segurado em pontos diferentes, a força a ser aplicada muda, como ilustra a figura 12.

F = B . I . l (1)

Onde: l é o comprimento da parte do condutor imersa no campo.

O sentido dessa força pode ser obtido pela

conhecida regra da mão esquerda, onde o dedo indicador representa o campo, o dedo médio a corrente e o polegar a força de origem eletromagnética, como mostrado a figura 10.


Figura 12 – Aplicação de torque em um parafuso.


MOTORES ELÉTRICOS

No exemplo da figura 12, verifica-se que, para

um mesmo esforço (torque) no rosqueamento, aplica-se uma força de 10 Newton (10 N) quando a distância entre o punho e o ponto de aplicação (ou seja, a porca) é de 2 metros. Entretanto, se o cabo for seguro a apenas 1 metro de distância, é necessário aplicar uma força de 20 N.

Então:

M = . I (6)

Desta forma, pode-se concluir que o conjugado eletromagnético resulta da interação entre fluxo magnético e a corrente da parte que gira. Desta forma, conclui-se que, quanto maior a

distância do ponto de aplicação, menor será a força a ser aplicada para se obter o mesmo valor de torque. Portanto, pode-se afirmar que o torque (M) é o resultado da multiplicação do valor da força aplicada (F) pela distância (d) do ponto de aplicação, ou seja:

6.0 – POTÊNCIA MECÂNICA

A energia se manifesta sob as mais variadas formas e, por isso, recebe diferentes nomes, tais como: luz (energia luminosa), som (energia sonora), calor (energia calorífica), movimento (energia cinética), entre outras.

M = (2) dF x

Observa-se que não é fácil definir o que é energia de maneira simples e precisa, porque ela é um conceito muito abstrato, que abrange fenômenos extremamente diferentes entre si. Intuitivamente, entretanto, pode-se pensar em energia como algo que se transforma continuamente e pode ser utilizado para realizar trabalho.

5.2 - Conjugado Eletromagnético Se no lugar de apenas um condutor, inserir-se uma espira de cumprimento l percorrida por corrente I no interior do campo magnético com fluxo , ocorre a situação mostrada na figura 13. Em qualquer processo, a energia nunca é

criada ou destruída, apenas transformada de uma modalidade para outra ou outras.

Por outro lado, a “rapidez” que um máquina ou sistema recebe ou fornece energia denomina-se potência.

Assim, a potência pode ser definida como a relação entre a energia (E) fornecida (ou recebida) por uma máquina ou sistema em um determinado tempo (t), ou seja:

P = tE

(7)

Figura 13 - Forças e conjugado em uma espira. Para que um corpo gire em uma volta em um

movimento circular uniforme, tem-se que o tempo gasto é igual ao período, ou:

Observando-se que surgem forças sobre ambos os lados da espira que, separadas por uma distância (ou passo da espira) d, desenvolvem um conjugado M (e movimento, conseqüentemente).

t = T (8)

Assim, considerando-se a expressão (2), o conjugado desenvolvido por uma espira com um condutor apenas é:

A energia gasta (ou seja, o trabalho executado) para que o corpo dê uma volta completa é:

E = F x d (9) M = B . I . l . d (3) Como a distância percorrida é igual ao

comprimento da circunferência, tem-se: Como, l . d é a área A da espira, tem-se: M = B. A . I (4) d = 2 R (10)

Sabe-se, entretanto, que: Assim:


E = F x 2 R (11) B = /A (5)


MOTORES ELÉTRICOS

e:

P = tE

= F x 2 R T1 = F x R x 2 f (12)

Ou:

P = M w (13) Ou, ainda:

P = M n (14) 7.0 - AÇÕES MOTORA E GERADORA Note-se um fato importante no caso mostrado na figura 13, ou seja, além do surgimento do conjugado eletromagnético pela circulação de corrente, a espira ao girar induz uma tensão em seus terminais. Ela é denominada força contra eletromotriz (f.c.e.m.), pois o seu sentido se opõe à variação de fluxo de acordo, com a lei de Lenz. Por outro lado, como visto anteriormente, ao se induzirem tensões em uma espira em um circuito fechado, ocorrerá a circulação de corrente. Essa corrente ao circular na espira também resultará em um conjugado eletromagnético.

Desta forma, é possível concluir que quando ocorre uma:

a) ação geradora há a indução de tensão e, ocorrendo a circulação de corrente, o surgimento de um conjugado contrário ao de giro da espira;

b) ação motora há o fornecimento de conjugado no eixo da espira e indução de tensão nos terminais da espira (f.c.e.m.).

Aplicados estes conceitos às máquinas elétricas, verifica-se que as ações geradora e motora diferenciam-se pelo sentido de transferência de potência, ou seja:

a) Ação Motora: potência elétrica absorvida da rede, convertida em potência mecânica através dos fenômenos eletromagnéticos e transmitida no eixo da máquina;

Figura 14 – Ação motora.

b) Ação Geradora: potência elétrica fornecida à rede, convertida através dos fenômenos eletromagnéticos da potência mecânica, a qual é transmitida de uma máquina primária acoplada no eixo.

Figura 15 – Ação geradora.

Considerando-se a potência mecânica fornecida por uma máquina elétrica como positiva e a recebida como negativa, tem-se:

a) Motor: P > 0;

b) Gerador: P < 0. Por outro lado, sabe-se das expressões (13) e (14) que: P = M n = M w (15) Adotando-se para o giro, o sentido horário como positivo, tanto para o conjugado, quanto para a velocidade angular, tem-se:

M > 0 (horário) ou M < 0 (anti –horário) e

w > 0 (horário) ou w < 0 (anti –horário).

Desta forma, resultam as seguintes situações operacionais:

a) M > 0 e w > 0; então P > 0, ação motora; b) M < 0 e w > 0; então P < 0, ação geradora; c) M < 0 e w < 0; então P > 0, ação motora; d) M > 0 e w < 0; então P < 0, ação geradora.

A figura 16 esclarece o exposto. ________________________________________________________________________________________________

Capítulo 1: Conceitos Básicos - 5


MOTORES ELÉTRICOS

Figura 16 - Situações operacionais para as máquinas elétricas.

Como citado anteriormente, toda máquina elétrica é reversível, ou seja, em determinadas condições podem agir como motor ou como gerador. Observa-se que, para obter uma ou outra situação, basta inverter o sentido do torque.

Outro aspecto importante é a constatação de que toda ação geradora também o é de frenagem. Assim, para frear eletricamente uma máquina agindo como motor, basta inverter o sentido do torque eletromagnético.



MOTORES ELÉTRICOS

CAPÍTULO 2: MOTORES ELÉTRICOS

RESUMO Esse capítulo apresenta alguns dos aspectos comuns a todos os motores elétricos, bem como relaciona os seus tipos. 1.0 - INTRODUÇÃO

As máquinas elétricas atuando como motor apresentam sobre os demais tipos de acionadores (ou seja, fonte de energia mecânica para o acionamento) diversas vantagens, ou seja:

a) São fabricados para qualquer potência; b) Sua velocidade pode ser controlada

dentro de uma ampla faixa; c) Os componentes que fazem este controle,

como, por exemplo, relés, contatores, chaves automáticas, inversores e etc., são todos padronizados;

d) Permitem um elevado grau de automação dos processos industriais;

e) Os controles podem ser feitos junto ao motor ou à distância; e,

f) São de fácil manutenção e reposição.

Em termos industriais, tais características tornam os motores elétricos o meio mais indicado para a transformação de energia elétrica em mecânica para acionamento das mais variadas cargas, tais como bombas, compressores, sistemas de elevação de peso e outras.

Observa-se que existem vários tipos de motores, os quais, entretanto, possuem muitos aspectos comuns, como se analisa a seguir.

2.0 – TIPOS DE MOTORES

Existe uma ampla variedade de motores elétricos disponíveis comercialmente, os quais podem ser divididos em dois grupos, ou seja, os de corrente contínua e os de corrente alternada, sendo que estes ainda podem ser síncronos ou de indução (assíncronos).

Os motores síncronos, por outro lado, são muito aplicados em acionamentos de máquinas que requerem grande potência ou naquelas aplicações em que a velocidade da máquina deve ser mantida constante em qualquer condição de carga. O fato de

poderem funcionar superexcitados e, com isto, fornecer energia reativa para a instalação industrial para fins de melhoria do fator de potência, também recomenda sua aplicação em algumas situações.

Os motores de indução, principalmente os trifásicos, são os mais utilizados industrialmente e, dentre eles, o de rotor em gaiola, cujo campo de aplicação se estende, praticamente, a todo tipo de acionamento. A sua robustez, baixo custo, simplicidade operacional e de manutenção, o tornam preferido para acionar máquinas de qualquer potência. Sua principal limitação, que residia no fato de ele ser um motor de velocidade praticamente constante, isto é, não proporcionar condições de um eficiente controle de velocidade, está sendo hoje superada pelo uso extensivo de inversores estáticos de freqüência para fazer este tipo de controle. Um segundo tipo de motor de indução trifásico, o de rotor bobinado ou de anéis, é utilizado em aplicações onde se deseja manter um elevado conjugado de aceleração, como, por exemplo, na operação de pontes rolantes.

A figura 1 mostra um quadro sinóptico da aplicação dos motores de indução e síncronos, em função da potência (CV) e velocidade (rpm), onde se pode notar a supremacia absoluta dos motores de indução de qualquer potência para os motores de alta velocidade (2 e 4 pólos em 60 Hz.).

Figura 1 - Quadro sinóptico de aplicação de motores de indução e síncronos.

________________________________________________________________________________________________ Capítulo 2: Motores Elétricos - 7


MOTORES ELÉTRICOS

Os motores de corrente contínua são

empregados em aplicações industriais, nas quais se deseja um controle eficiente de velocidade, principalmente na área de siderurgia e papel. Além disto, são amplamente utilizados em tração elétrica, como, por exemplo, em locomotivas Diesel-elétricas ou totalmente elétricas, metrô, grandes caminhões fora-de-estrada e trolleybus e empilhadeiras.

Qualquer que seja o tipo, os motores de grande potência (acima de 1000 CV) e tensão elevada (acima de 2200 volts) são considerados especiais, isto é, eles só são fabricados sob encomenda e sua potência não é padronizada.

A figura 2 apresenta os diversos tipos de motores hoje existentes comercialmente, incluindo os de pequeno porte.

Figura 2 – “Famílias” de motores.

3.0 – CARACTERÍSTICA NOMINAL

A característica nominal é um conjunto de valores nominais atribuídos às grandezas que definem o funcionamento de um motor, em condições especificadas por norma e que servem de base à garantia de fabricantes e aos ensaios. Deve-se enfatizar

que nem sempre tais grandezas definem os limites operacionais da máquina.

Normalmente, tais grandezas são fornecidas pelo fabricante em folhas de dados ("data sheets") quando solicitado pelo usuário além disto, constam da placa de identificação dos motores ou em catálogos.



MOTORES ELÉTRICOS

Por outro lado, como visto no capítulo

anterior, na ação motora, potência elétrica absorvida da rede, convertida em potência mecânica através dos fenômenos eletromagnéticos e transmitida no eixo da máquina, como ilustra a figura 3.

4.0 – POTÊNCIA Qualquer que seja o tipo de motor, o termo potência se refere àquela disponível em seu eixo. Portanto a potência de um motor é a sua potência mecânica.

A unidade de potência no SI é o Watt, podendo, naturalmente, ser empregados os seus múltiplos e submúltiplos.

Observa-se, entretanto, que existem outras unidades amplamente utilizadas no meio industrial, tais como o HP (horse power) e o CV (cavalo vapor).

As relações aproximadas entre essas unidades são:

1 HP 746 W e 1 C.V 736 W Por outro lado, a potência elétrica deve ser aquela que permita a execução de trabalho e que supra as perdas do processo de conversão de energia elétrica para mecânica (o que produz calor). Desta forma, esta é uma potência elétrica ativa (Pel) e se relaciona com a mecânica (P) através do rendimento, ou seja:

= elP

P (1)

De qualquer modo, a potência nominal pode ser definida como aquela que o motor pode entregar em seu eixo, permanentemente, nas condições nominais, sem que a temperatura dos enrolamentos ultrapasse os limites admissíveis pela sua classe de isolamento, como analisado mais a frente. Observe-se que esta definição indica claramente que a potência disponível em um motor é limitada pelo aquecimento. Assim, nem sempre a potência nominal é o limite que se pode extrair de um motor em condições específicas. 5.0 – CONJUGADO OU TORQUE

Como se sabe, o conjugado (ou torque) pode ser definido como o esforço necessário para acionar uma carga em movimento circular.

Por outro lado, como:

P = M n= 1,05 M n (2)

O torque pode ser calculado por:

M = nP

= 9,55 nP

(3)

Nestas condições, se a carga absorve a

potência nominal (PN) à sua velocidade nominal (nN), diz-se que o motor desenvolve o seu torque nominal (MN).

Figura 3 – Ação motora. Considerando-se o sistema ilustrado na figura 3, verifica-se que a velocidade é a mesma, tanto para o motor quanto para a carga, pois seus eixos estão diretamente acoplados. Além disto, sabe-se que: P = Pc (4)

Onde:

Pc é a potência mecânica solicitada pela máquina mecânica, a qual se constituí em uma carga para o motor elétrico.

Utilizando-se da expressão (2) em (4), resulta:

M = Mc (5) Onde:

M é o torque desenvolvido pelo motor; e, Mc é o torque necessário para a carga (máquina

mecânica) efetuar seu trabalho. Assim, pelo exposto, conclui-se que o torque ou conjugado pode ser:

a) Motor (M), o qual corresponde ao trabalho (ou esforço) efetuado pelo motor elétrico; e,

b) Resistente(Mc), o qual corresponde ao trabalho (ou esforço) efetuado pela carga, ou seja, aquele que a carga apresenta ao motor elétrico.

Ressalta-se que a análise da expressão (5)

revela um conceito de grande importância, ou seja, o motor sempre fornece o torque solicitado pela carga (se não conseguir, o eixo irá travar). Portanto, a carga é quem determina a atuação do motor.

A figura 4 ilustra a transmissão de potência e respectivos torques.



MOTORES ELÉTRICOS

6.0 - VIDA ÚTIL DE MOTORES ELÉTRICOS

Figura 4 – Transmissão de potência. Se, entretanto, emprega-se algum elemento de transmissão (correias, correntes e engrenagens, por exemplo) que permita que a rotação (nc) da carga seja diferente da rotação (n) do motor elétrico, tem-se: P = (6) Então: M n = x nc (7)

De onde:

M = x nnc (8)

Onde:

é o rendimento da transmissão.

Quanto às unidades, existem várias delas para o torque, tais como:

a) quilograma-força x metro (kgfm ou kgm); b) Newton x metro (Nm); c) libra-força x pé (lbf ft); d) libra-força x polegada (lbf in).

As relações aproximadas entre tais unidades são:

1 kgm = 9,81 Nm = 7,23 lb ft = 86,8 lf in

e

1 lbf ft = 12 lbf in

Observa-se que a relação entre kgm e Nm é igual numericamente à aceleração da gravidade e, por facilidade de conversão entre unidades, é aproximado para 10. Desta forma, é usual empregar-se:

1 kgm 10 Nm

A isolação é um dos principais componentes dos motores, pois permite isolar eletricamente as várias partes das máquinas, que estão em potenciais diferentes, uma das outras. Dessa forma, a sua vida útil é considerada como a do próprio motor e deve ser motivo de constante atenção. A vida útil da isolação é compreendida como o tempo necessário para que os seus elementos constituintes falhem, ou seja, que a sua força de tração reduza-se a determinados percentuais da original. Em outras palavras, ela se refere ao envelhecimento gradual do isolante, que vai se tornando ressecado, perdendo o poder isolante, até que não suporte mais a tensão aplicada e produza o curto-circuito.

Observe-se que muitos fatores a afetam, tais como umidade, esforços dielétricos excessivos e danos mecânicos, entre outros. Entretanto, a maior causa de envelhecimento é o sobreaquecimento.

O efeito da temperatura sobre a vida útil da isolação tem sido objeto de repetidos estudos e, mesmo sob condições de controle excepcionais, não foi possível determinar-se com precisão uma relação entre ambos. Assim, ainda hoje, é aceita a chamada lei de Montsinger, ou seja, que se a isolação operar com 8 a 10 C acima de uma determinada temperatura limite, a sua vida útil se reduz pela metade. Por outro lado, a experiência mostra que, em caso contrário, a sua duração praticamente ilimitada.

Este limite de temperatura é muito mais baixo que a temperatura de “queima” do isolante e depende do tipo de material empregado. Na realidade, tal limitação se refere ao ponto mais quente da isolação e não, necessariamente, ao enrolamento todo. Evidentemente, basta um “ponto fraco” no interior de uma bobina para que o enrolamento fique inutilizado. 7.0. - CLASSE DE ISOLAMENTO

Para fins de normalização, os materiais isolantes e os sistemas de isolamento (cada um formado pela combinação de vários materiais) são agrupados em classes de isolamento, cada qual definida pelo respectivo limite de temperatura, ou seja, pela maior temperatura que o material pode suportar continuamente sem que seja afetada sua vida útil. Os materiais que compõem as diversas classes são:

a) Classe Y: abrange materiais fibrosos, à base de celulose ou seda, não imersos em líquidos isolantes e outros materiais similares;

b) Classe A: abrange materiais fibrosos, à base de celulose ou seda (tipicamente) impregnados com líquidos isolantes e outros materiais similares;



MOTORES ELÉTRICOS

c) Classe E: abrange algumas fibras orgânicas

sintéticas e outros materiais;

d) Classe B: abrange materiais à base de poliéster e poli-imídicos aglutinados com materiais orgânicos ou impregnados com estes;

e) Classe F: abrange materiais à base de mica, amianto ou fibra de vidro aglutinados com materiais sintéticos, usualmente silicones, poliésteres ou epóxis;

f) Classe H: abrange materiais à base de mica, asbestos ou fibra de vidro aglutinados tipicamente com silicones de alta estabilidade térmica;

g) Classe C: inclui mica, vidro, cerâmica e quartzo sem aglutinantes.

Figura 5 - Vida estimada do motor em função da temperatura para as classes B e F.

Usualmente, os motores de indução disponíveis no mercado são construídos com material isolante classe B ou F. Os de classe H restringem-se a motores de corrente contínua, onde a redução obtida em sua massa apresenta vantagens de custo.

8.0 – GRAUS DE PROTEÇÃO MECÂNICA DOS

INVÓLUCROS DOS MOTORES

No caso da classe B, por exemplo, admite-se uma elevação de 80 0C a partir de uma temperatura ambiente referência, que normalmente é de 40 0C . Isto significa que o isolante do motor pode operar a uma temperatura máxima de 130 0C, considerando-se uma reserva de 10 0C.

8.1 – Graus de proteção

Os invólucros dos motores são designados por uma código que é composto de uma sigla IP, seguida de dois dígitos, como, por exemplo, IP55. O primeiro algarismo indica o grau de proteção contra contatos acidentais nas partes ativas e a penetração de corpos (sólidos) estranhos e, o segundo, indica o grau de proteção contra a entrada de líquidos, conforme mostrado nas tabelas 2 e 3, respectivamente.

Observe-se, entretanto, que este é um valor médio, resultante da forma de se medir a temperatura através da variação das resistências dos enrolamentos do motor a quente e a frio. Naturalmente, existirão pontos nos enrolamentos que estarão a uma temperatura mais elevada que o valor médio encontrado.

Dígito Descrição Sumária Corpos que Não Devem Penetrar

0 Não protegido Sem proteção especial

1

Protegido contra objetos sólidos de dimensão maior do que 50 mm.

Grande superfície do corpo humano como a mão. Nenhuma proteção contra penetração lateral.

2

Protegido contra objetos sólidos de dimensão maior do que 12 mm.

Dedos ou objetos de comprimento maior do que 80 mm cuja menor dimensão seja > 12 mm.

3

Protegido contra objetos sólidos de dimensão maior do que 2,5 mm.

Ferramentas, fios, etc. cuja menor dimensão > 2,5 mm e diâmetro e/ou espessura maiores do que 2,5 mm.

4

Protegido contra objetos sólidos de dimensão maior do que 1,0 mm.

Fios, fitas de largura maior do que 1,0 mm, objetos cuja menor dimensão seja maior do que 1,0 mm.

5

Protegido contra poeira e contato a partes internas do invólucro.

Totalmente vedado contra poeira, mas se penetrar, não prejudica a operação do equipamento.

6

Totalmente protegido contra poeira e contato a parte interna.

Não é esperada nenhuma penetração de poeira no interior do invólucro.

A tabela 1 fornece as temperaturas limites correspondentes às classes de isolamento padronizadas.

CLASSE DE ISOLAMENTO A E B F H

Elevação de temperatura média admissível, calculada pelo método da resistência

( C)

60 75 80 100 125

Diferença de temperatura entre o ponto mais quente e a temperatura média ( C)

5 5 10 15 15

Temperatura ambiente ( C) 40 40 40 40 40 Temperatura admissível do

ponto mais quente ( C) 105 120 130 155 180

Tabela 1 - Temperaturas admissíveis para os

enrolamentos em função da classe de isolamento. Observa-se que, baseando-se no exposto, a vida estimada em função da temperatura pode ter o comportamento dado na figura 3, para as classes B e F.


Tabela 2 – Grau de Proteção - Primeiro Dígito.


MOTORES ELÉTRICOS

Dígito Descrição Sumária Proteção Dada

0 Não protegido Nenhuma proteção especial . Invólucro aberto.

1 Protegido contra queda vertical.

Gotas de água caindo da vertical não prejudicam o equipamento

(condensação).

2 Protegido contra

queda de água com inclinação de 15o.

Gotas de água não tem efeito prejudicial para inclinações de

até 15o com a vertical.

3 Protegido contra água aspergida.

Água aspergida de 60o com a vertical não tem efeitos

prejudiciais.

4 Protegido contra projeções de água.

Água projetada de qualquer direção não tem efeito

prejudicial.

5 Protegido contra jatos de água.

Água projetada por bico em qualquer direção não tem efeitos

prejudiciais.

6 Protegido contra ondas do mar.

Água em forma de onda, ou jatos potentes não tem efeitos

prejudiciais.

7 Protegido contra os efeitos de imersão.

Sob certas condições de tempo e pressão.

8 Protegido contra submersão.

Adequado à submersão contínua sob condições especificas.

Tabela 3 – Grau de Proteção - Segundo Dígito.

As normas mencionam ainda que, caso haja alguma condição particular na indústria onde o invólucro vai ser instalado e que necessite de proteção especial (que não seja nem poeira nem água), o usuário ao especificar o grau de proteção deve incluir antes dos dois numerais, a letra “W” que indica haver alguma proteção adicional e cujas medidas de proteção são fruto do acordo entre fabricante e usuário. Por exemplo, em locais de atmosfera extremamente salina, é comum especificar-se grau de proteção IPW54. Sendo esse “W” referente à proteção que deve ter o invólucro contra a corrosão causada por atmosfera salina.

Note-se que, apesar de que os algarismos indicativos de grau de proteção possam ser combinados de muitas maneiras, apenas alguns deles são empregados nos casos normais, ou seja, IP21, IP22, IP23, IP44 e IP55. Os três primeiros são motores abertos e os dois últimos são motores blindados.

Para aplicações especiais mais rigorosas, são comuns também os graus de proteção IPW55 (proteção contra intempéries), IP56 (proteção contra água de vagalhões) e IP65 (totalmente protegido contra poeiras).

Outros graus de proteção para motores são raramente fabricados, mesmo porque, qualquer grau de proteção atende plenamente aos requisitos dos inferiores (algarismos menores). Assim, por exemplo, um motor IP55 substitui com vantagens os motores IP12, IP22 ou IP23, apresentando maior segurança contra exposição acidental à poeiras e água. Isto

permite a padronização da produção em um único tipo que atenda a todos os casos. 8.2 - Utilização de Motores em Áreas Perigosas Áreas onde a presença, certa ou provável, contínua ou intermitente, de substâncias que podem levar a uma explosão ou incêndio, é uma das situações mais relevantes para o a instalação de um motor elétrico. Estas áreas são ditas como classificadas. A norma brasileira que trata dos equipamentos utilizáveis em áreas classificadas é a NBR 5418, abrangendo áreas de divisão 1 e 2. A NBR 5363 trata especificamente de equipamentos à prova de explosão e a NB 169, dos invólucros com sobrepressão interna. A simbologia para equipamentos que sejam adequados para a aplicação em áreas classificadas é composta pela sigla Ex, seguida de uma letra minúscula, com significado particular para cada tipo considerado. Desta forma, tem-se: Ex d: Motor à Prova de Explosão (à prova de chama)

É todo equipamento que está encerrado em um invólucro capaz de suportar a pressão de explosão interna e não permitir que esta explosão se propague para o meio ambiente. Cuidados devem ser tomados para manter a temperatura em qualquer ponto baixo da temperatura limite do grupo da área onde será instalado o motor;

Ex p: Motor com Ventilação Canalizada (pressurizado)

Esta técnica consiste em manter presente, no interior do invólucro uma pressão positiva superior à pressão atmosférica, de modo que se houver presença de mistura inflamável ao redor do equipamento esta não entre em contato com partes que possam causar uma ignição;

Ex o: Equipamento Elétrico Imerso em óleo

Aparelhagem elétrica na qual todas as partes onde fenômenos deflagrantes possam ocorrer estão imersas em óleo e a uma profundidade tal que superfície desde que não seja possível a ignição de um atmosfera explosiva. Não é aplicável a motores, mas sim a capacitores, transformadores e disjuntores.

Ex q: Equipamentos Imersos em Areia


Tipo de proteção aplicável a equipamentos tendo tensão nominal não superior a 6,6 kV bem como não tendo nenhuma parte móvel que esteja em contato direto com a areia. O invólucro do equipamento elétrico é preenchido com um material de granulometria adequada de modo que em


MOTORES ELÉTRICOS

condições de serviço, não haverá nenhum arco que seja capaz de inflamar a atmosfera ao redor do mesmo.

Ex e: Motores Elétricos com Segurança Aumentada

É um tipo de proteção aplicável á equipamentos elétricos que por sua própria natureza não produz arcos, centelhas ou alta temperatura em condições normais de operação.

Ex i: Equipamentos e Dispositivos de Segurança Intrínseca

Um circuito ou parte dele é intrinsecamente seguro quando o mesmo, sob condições de ensaio prescritas, não é capaz de liberar energia elétrica (faísca) ou térmica suficiente para, em condições normais (isto é, abrindo ou fechando o circuito) ou anormais, (por exemplo, curto-circuito ou falta à

terra), causar a ignição de uma dada atmosfera explosiva.

Ex x: Proteção Aumentada

Quando nenhuma classificação é integralmente aplicável, por exemplo, para um motor com carcaça “Ex e”, porém com caixa de ligação “Ex d”, o conjunto é classificado como “Ex s”;

Ex n: Equipamento Elétrico Não Acendível Este tipo de proteção é aplicável a equipamentos elétricos que em condições normais de operação não são capazes de provocar uma ignição de uma atmosfera explosiva de gás, bem como não é provável que ocorra algum defeito que seja capaz de causar a inflamação dessa atmosfera.



MOTORES ELÉTRICOS

________________________________________________________________________________________________ Capítulo 3: Motores de Indução Trifásicos - 14

CAPÍTULO 3: MOTORES DE INDUÇÃO

TRIFÁSICOS

RESUMO Este capítulo apresenta o princípio de funcionamento dos motores de indução trifásicos. 1.0 - INTRODUÇÃO Os motores de indução trifásicos (MIT) são amplamente utilizados nas mais variadas aplicações em instalações industriais e comerciais. Eles são adequados para uso em cargas que exigem velocidades constantes ou variáveis (em alguns casos), ou ainda, com as que exigem reversões e várias velocidades.

Existem muitos tipos disponíveis, os quais cobrem uma larga faixa de características de conjugado e podem ser projetados para operar em muitos tipos de fontes de alimentações com diferentes combinações e valores de número de fases, freqüências e tensões. Além disto, são de construções simples, robusta e exigem manutenção reduzida.

Com o barateamento dos semicondutores de potência estes motores tornaram-se uma importante opção aos de corrente contínua em acionamentos com velocidades controlados. As suas principais vantagens, neste caso, entre outras, são:

a) menor custo; b) manutenção mais simples e menos

freqüente; c) menor relação peso/potência; d) potências maiores; e) mais simples de proteger-se em ambientes

com risco de explosão; f) inexistência de comutador; e, g) permitem velocidades tangenciais e

potências limites superiores ao de corrente contínua.

2.0 - NATUREZA E FORMAÇÃO DOS CAMPOS

GIRANTES Para analisar o princípio de funcionamento dos motores de indução trifásicos é necessário compreender como é produzido o campo magnético, o qual permitirá a conversão de energia elétrica em mecânica.

Desta forma, lembrando-se que, se a um solenóide como o da figura 1, for aplicada uma tensão alternada senoidal, irá circular por sua bobina uma corrente igualmente senoidal.

Figura 1 – Solenóide. Por outro lado, sabe-se, pela lei de Ampère, que a circulação de corrente por um enrolamento produz uma força magnetomotriz, cuja amplitude depende do número de espiras e da intensidade da corrente que o causou. Como a corrente é senoidal, o fluxo também o será e, portanto, para cada valor de corrente corresponderá um determinado fluxo. Adotando-se, a título de exemplo, que no semiciclo positivo de corrente, o fluxo estará no sentido da bobina e no negativo, no sentido contrário, tem-se a situação ilustrada na figura 2.

Figura 2 – Notação adotada. Se, entretanto, utilizam-se três solenóides idênticos, é possível dispô-los espacialmente a 1200 uns dos outros, como mostrado na figura 3.


MOTORES ELÉTRICOS


Figura 3 – Disposição espacial dos solenóides. A figura 4 representa a disposição física desses solenóides de modo esquemático.

Figura 4 – Representação esquemática da disposição espacial dos solenóides.

Ao se efetuar uma conexão trifásica (estrela ou delta, indiferentemente) das três bobinas e aplicando-se aos seus terminais três tensões alternadas senoidais com mesma amplitude e defasadas de 1200 umas das outras, ocorrerá a circulação de correntes igualmente defasadas em 1200 no tempo em cada uma dessas bobinas. Como a circulação das correntes se dá pelas bobinas defasadas em 1200 no espaço, cada uma delas produzirá um fluxo, cujo sentido e intensidade depende da corrente e direção definida pela localização física da bobina. A figura 5, a seguir, ilustra o exposto, considerando-se para a análise nas formas de onda de corrente, um instante genérico t1.

Figura 5 – Fluxos produzidos em cada bobina no instante t1.

Como os três fluxos atuam na mesma região do espaço, a sua composição originará um fluxo resultante ou total, como mostra a figura 6.

Figura 6 – Fluxo resultante. A figura 7 ilustra o exposto, considerando vários instantes ao longo de um ciclo completo da onda de corrente de uma fase.


MOTORES ELÉTRICOS


a) Ondas de corrente e instantes adotados.

b) Fluxos individuais e resultantes em cada instante.

Figura 7 – Fluxos resultantes. Pode ser demonstrado que a intensidade do fluxo resultante neste caso é constante e igual a 1,5 vezes o máximo produzido por qualquer uma das bobinas. Por outro lado, analisando-se a figura 7, verifica-se que o campo resultante ocupa uma posição distinta no espaço a cada instante. Como sua amplitude é constante, o lugar geométrico descrito pelas resultantes é a cada ciclo. Assim, tem-se o campo girante.

Figura 8 – Campo girante.

Em função do exposto, pode-se imaginar que o campo girante é equivalente àquele que existiria entre dois pólos que giram, como representado na figura 9.

Figura 9 – Modelo do campo girante. 3.0 – INVERSÃO DE DUAS FASES

Alimentando dois solenóides quaisquer com duas fases trocadas em relação ao mostrado na figura 6, também se obtêm um fluxo resultante como o da figura 10.

Figura 10 – Fluxo resultante.


MOTORES ELÉTRICOS


Analisando-se os mesmos instantes mostrados na figura 7 ilustra o exposto, o campo apresenta o comportamento da figura 11.

Figura 11 – Fluxos resultantes com a inversão de duas fases do alimentador.

A análise da figura 11 revela que, neste caso, também há a formação de um campo girante, porém com sentido contrário ao inicial, como ilustrado na figura 12.

Figura 12 – Campo girante após a inversão de duas fases do alimentador.

Portanto, o campo gira no sentido contrário ao inicial quando se inverte duas das fases que alimentam as bobinas.

Figura 13 – Modelo do campo girante com a inversão

de duas fases do alimentador. 4.0 - VELOCIDADE SÍNCRONA Chama-se de velocidade síncrona (nS) à velocidade de rotação do campo girante, a qual é diretamente proporcional à freqüência da rede (f) a qual o motor está ligado e, inversamente, ao número de pares de pólos (p), seguindo a seguinte relação:

pf

ns

60= (1)

Considerando-se (1), as velocidades síncronas mais comuns são aquelas dadas na tabela 1.

Número de pares de pólos

ns em rpm (f = 60 Hz)

ns em rpm (f = 50 Hz)

1 3600 3000 2 1800 1500 3 1200 1000 4 900 750

Tabela 1 - Velocidade síncrona em rpm.

5.0 – ROTAÇÃO E CAMPO GIRANTE De modo a facilitar a compreensão do princípio de funcionamento dos motores, considere-se a inserção de uma gaiola de cobre entre os solenóides da figura 3, resultando na montagem mostrada na figura 14.


MOTORES ELÉTRICOS


Figura 14 – Solenóides e gaiola de cobre. Como visto, ao se fazer circular três correntes alternadas de mesma amplitude, porém defasadas de 1200 pelas bobinas desses solenóides, se origina um campo girante. Neste caso, o campo girante ao cruzar as barras da gaiola, pela lei de Faraday, induz tensões.

Note-se que a gaiola é um circuito fechado, e, em sendo assim, haverá a circulação de corrente em cada uma de suas barra.

Por outro lado, sabe-se, pela lei de Ampère, que cada uma dessas correntes criam um pequeno campo em torno de si.

Desta forma, como existem várias barras, os seus campos se compõem e se obtêm um campo resultante (total). Sendo assim, o pólo norte do campo girante atraí o pólo sul do campo resultante da gaiola, enquanto o sul do primeiro o norte do segundo. Como o campo está girando, a gaiola acompanha seu movimento. A figura 15 ilustra o exposto.

Figura 15 – Campos e gaiola.

Desta forma, esse sistema pode ser imaginado como ilustrado na figura 16.

Figura 16 – Modelo do campo girante e gaiola. Observe-se que, necessariamente, a velocidade de rotação da gaiola (n) é menor que a do campo girante (ns). Se tal situação não ocorrer, não há indução de tensões e correntes nas barras da gaiola e, em conseqüência, não há um campo resultante, não sendo possível a ela acompanhar o campo girante. 6.0 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

O motor de indução trifásico possui o mesmo principio de funcionamento explanado no item anterior e, para tanto, apresenta duas partes básicas, ou seja, o estator e o rotor. O estator é a parte fixa mais externa da máquina, enquanto o rotor é a girante. O estator possui três conjuntos de bobinas que permitem a criação do campo girante e a existência de um ou mais pares de pólos, o que define a velocidade síncrona.

Figura 17 – Estator de um MIT.


MOTORES ELÉTRICOS


O rotor, por outro lado, possui uma gaiola (ou enrolamentos, dependendo do tipo) que permite a circulação de corrente e um núcleo de chapas magnéticas, o qual pode ser imantado.

Figura 18 – Rotores de um MIT.

A figura 19 é uma representação esquemática do rotor e campo girante, a qual permite verificar as semelhanças com o exposto no item anterior.

Figura 19 - Princípio de funcionamento do motor de indução trifásico.

Portanto, como o campo criado nas bobinas do estator está girando, o rotor acompanha seu movimento devido à indução de correntes nas barras e o surgimento de um campo resultante correspondente.

Observe-se que tal princípio de funcionamento, aliás, é o motivo para que esse tipo de máquina receba o nome de motor de indução. 7.0 - ESCORREGAMENTO

Como citado, a velocidade de rotação do rotor (n) é menor que a do campo girante (ns), necessariamente. Esse, inclusive, é o motivo que o motor de indução também é chamado de motor assíncrono.

A diferença dessas velocidades em relação à velocidade síncrona é denominada escorregamento ou deslizamento, ou seja:

s

s

nnn

s -

= (2)

Observe que, em função desta definição, no momento da partida do motor, a velocidade do rotor é nula, então:

s = 1.

Por outro lado, quando o motor opera com rotor livre (sem carga), a sua velocidade tende à velocidade síncrona (porém, sempre menor). Assim:

s => 0.

Em função do exposto, tem-se:

1 (partida) > s > 0 (rotor livre) 8.0 - FREQÜÊNCIA DAS GRANDEZAS DO ROTOR A freqüência da rede de alimentação (f) e a velocidade síncrona (nS), como se sabe, se relacionam pelo número de pares de pólos (p), ou seja:

60

= snpf (3)

Porém, quando o rotor está em movimento, as tensões e correntes serão induzidas devido à diferença de velocidade entre o campo girante e a do próprio rotor, ou seja:

nS - n Desta forma, para p pares de pólos, a freqüência das grandezas induzidas no rotor é:

60)-(

=2

nnpf S (4)

Dividindo-se (4) por (3), tem-se:

sn

nnff

s

S = )-(

=2 (5)

Ou seja:

sff =2 (6) Da expressão (6) verifica-se que a freqüência da tensão induzida no rotor é igual ao produto entre o escorregamento e a freqüência da tensão do estator. Portanto, tem-se:

f (partida) > f > 0 (rotor livre)


MOTORES ELÉTRICOS

CAPÍTULO 4: ASPECTOS CONSTRUTIVOS DOS

MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS

RESUMO

Apresentam-se a seguir as partes componentes dos motores de indução trifásicos, suas descrições e alguns dos aspectos tecnológicos envolvidos em sua construção. 1.0 - INTRODUÇÃO

Os motores de indução trifásicos (MIT), de uma forma geral, possuem duas partes básicas, ou seja, o estator e o rotor. O estator é a parte fixa mais externa da máquina, enquanto o rotor é a girante.

O estator possui três conjuntos de bobinas que permitem a criação do campo girante e a existência de um ou mais pares de pólos, o que define a velocidade síncrona. O rotor, por outro lado, possui uma gaiola (ou enrolamentos, dependendo do tipo) que permite a circulação de corrente e um núcleo de chapas magnéticas, o qual pode ser imantado. Nele será produzido o torque motor. A figura 1 a seguir mostra uma vista em corte de um motor de indução trifásico com todos os seus componentes básicos, os quais são analisados nos próximos tópicos, enquanto a figura 2 na próxima página uma vista explodida de um motor de grande porte.

Figura 1 – Vista em corte de um motor de indução trifásico. ________________________________________________________________________________________________ Capítulo 4: Aspectos Construtivos dos Motores de Indução Trifásicos - 20


MOTORES ELÉTRICOS

________________________________________________________________________________________________ Capítulo 4: Aspectos Construtivos dos Motores de Indução Trifásicos - 21

Figura 2 – Vista explodida de um motor de indução trifásico.


MOTORES ELÉTRICOS

2.0 - PARTES COMPONENTES DO ESTATOR 2.2 – Parte Ativa

O estator em motores de indução trifásicos é constituído, basicamente, por carcaça, parte ativa (ou seja, núcleo magnético e enrolamentos) e caixa de terminais, como ilustrado na figura 3. Na seqüência analise-se cada um destes componentes com maiores detalhes.

A parte ativa do estator é composta por núcleo magnético e enrolamentos.

É importante ressaltar a sua importância, pois o processo de conversão de energia elétrica em mecânica depende basicamente de seu estado.

Figura 5 – Parte ativa.

O núcleo do estator propicia um caminho adequado para a circulação do fluxo magnético, sendo constituído de chapas de material com boas características magnéticas e pequena espessura, de modo a diminuir as inevitáveis perdas por histerese e Foucault. As chapas possuem várias ranhuras para acomodar os enrolamentos.

Figura 3 – Estator de um MIT.

2.1 - Carcaça

A carcaça é a estrutura que suporta os demais componentes do estator e compõe o circuito magnético. Contêm a base, o que permite uma fixação rígida, evitando deslocamentos do motor em operação.

O material da carcaça é normalmente o ferro ou o aço fundido (máquinas antigas) ou, então, o aço laminado (máquinas modernas). O aço laminado, entretanto, oferece melhores qualidades magnéticas do que o ferro e o aço fundido resultando em menores perdas no circuito magnético, resistência mecânica e uniformidade da estrutura.

Figura 6 – Exemplo de chapa do núcleo e ranhuras.

Os enrolamentos são três conjuntos de bobinas geometricamente defasadas entre si de 1200, que podem estar conectados em delta ou estrela, permitindo a condução de corrente. Os condutores das bobinas são recobertos com vernizes isolantes, enquanto todo o conjunto é, geralmente, isolado do núcleo com papel isolante.


A figura 7 ilustra o exposto. Figura 4 – Carcaça de um MIT – Exemplo.


MOTORES ELÉTRICOS

2.3 – Caixa de Terminais

A caixa de terminais é composta por uma placa de bornes de material isolante e parafusos, sendo colocada na carcaça dos motores para facilitar a instalação dos condutores conectados à rede elétrica.

Figura 7 – Ranhuras do núcleo para alojamento dos

enrolamentos.

Uma parte dos enrolamentos fica externa ao núcleo, compondo a chamada cabeça de bobina, exemplificada na figura 8.

Figura 10 – Caixa de terminais. 2.4 – Ligações dos Enrolamentos A grande maioria dos motores é fornecida com terminais dos enrolamentos que possibilitam a sua religação em, pelo menos, duas tensões diferentes. Para tanto, estão disponíveis em 3, 6, 9 ou 12 terminais ou pontas externas, conforme a necessidade da planta industrial.

2.4.1 – Tipos de ligações Os principais tipos de ligações, ou religações, de motores de indução trifásicos para operação em mais de uma tensão são:

a) ligação estrela-triângulo; b) ligação série-paralela;

c) tripla tensão nominal. Figura 8 – Cabeça de bobina.


A ligação estrela-triângulo exige 6 terminais no motor e é aplicável para quaisquer tensões nominais

Observe-se na figura 8 que os enrolamentos são recobertos por uma resina isolante.


MOTORES ELÉTRICOS

duplas, desde que a segunda seja igual à primeira multiplicada por 3.

Nesta situação, se as três fases forem ligadas em triângulo, em cada uma delas será aplicada a tensão da linha como, por exemplo, 220 V. Se, entretanto, o motor for ligado em estrela, pode-se aplicar uma tensão de linha igual a 3 a inicial, ou 220 x 3 = 380 V no exemplo, sem alterar a tensão no enrolamento que continua igual a inicial por fase.

Este tipo de ligação é bastante utilizado para partir o motor, ligando-o inicialmente em estrela e, após a aceleração, religando-o em triângulo.

Figura 11 – Ligações série-paralela em estrela (9 terminais).

Figura 10 – Ligação delta - estrela (6 terminais).

Na ligação série-paralela, o enrolamento de cada fase é dividido em duas partes.

Ligando-se tais partes em série, cada uma delas ficará submetida à metade da tensão de fase nominal do motor.

Por outro lado, ligando-se as duas metades em paralelo, o motor poderá ser alimentado com uma tensão igual à metade da anterior, sem que se altere a aplicada em cada bobina.

Este tipo de ligação exige 9 terminais no motor e a tensão nominal (dupla) mais comum é 220/440V, ou seja, o motor pode operar na ligação paralela quando alimentado com 220V e na ligação série quando alimentado em 440V.


Figura 12 – Ligações série-paralela em delta (9 terminais).

As figuras 11 e 12 ilustram o exposto para as conexões estrela e delta, respectivamente.


MOTORES ELÉTRICOS

Observe-se que, como o número de pólos é

sempre par, este tipo de ligação é sempre possível e, além disto, ela é aplicável para quaisquer outras duas tensões, desde que uma seja o dobro da outra como, por exemplo, 230/460V.

2.4.2 – Marcação de terminais dos motores

Os terminais (ou pontas) dos motores brasileiros são numerados seqüencialmente. Considerando-se o motor com maior número de terminais, ou seja, 12, a numeração padronizada é a mostrada na figura 14. Ainda é possível combinar os dois casos

anteriores. Nesta situação, o enrolamento de cada fase é dividido em duas partes para ligação série-paralela. Além disso, todos os terminais são acessíveis para possibilitar ligar as três fases em estrela ou triângulo.

Deste modo, existem quatro combinações possíveis, ou seja:

a) a primeira tensão nominal corresponde à ligação triângulo paralelo;

b) a segunda, à estrela paralela, sendo igual a 3 vezes a primeira;

c) a terceira corresponde à ligação triângulo série, valendo o dobro da primeira;

d) a quarta é correspondente à ligação estrela série, valendo 3 vezes a terceira. Esta tensão é maior que 600 V e, portanto, é indicada apenas como referência de ligação estrela triângulo.

Figura 14 – Numeração de terminais.

No caso da figura 14, nota-se que os números 1 e 4 correspondem a uma bobina que se encontra na mesma fase da bobina identificada pelos terminais com números 7 e 10. O mesmo é válido para as demais fases e, portanto, tem-se:

Note-se que este tipo de ligação exige 12 terminais. A figura 13 ilustra o exposto.

a) Uma fase (fase X na figura 2) possui as bobinas com os terminais 1-4 e 7-10;

b) A segunda fase (fase Y na figura 2) possui as bobinas com terminais 2-5 e 8-11;

c) A terceira fase (fase Z na figura 2) possui as bobinas com terminais 3-6 e 9-12;

As ligações à rede são executadas nos terminais com os números de menor valor de cada fase, enquanto os de maior serão utilizados para o fechamento da ligação. Desta forma, para ligar um motor com seis terminais em estrela, ele deve ter os terminais 1, 2 e 3 conectados à rede e os terminais 4, 5 e 6 curto-circuitados, como ilustra a figura 15.


Figura 15 – Ligação Y de um motor com seis pontas. Figura 13 – Conexões para tripla tensão (12 terminais).


MOTORES ELÉTRICOS

Ressalta-se que existem outros formatos de ranhuras, os quais dependem da característica de operação do motor.

3.2 – Enrolamentos Os enrolamentos do rotor podem ser formados por barras curto-circuitadas por dois anéis ou por bobinas semelhantes às do estator. No primeiro caso, tem-se que o motor possui rotor do tipo gaiola de esquilo (ou gaiola, apenas) ou em curto-circuito, enquanto que, no segundo, o rotor é do tipo bobinado ou de anéis.

Figura 16 –Caixa de terminais de um motor com seis pontas ligadas em Y.

Observe-se que, se o motor possuir mais que seis pontas, os terminais 7, 8 e 9 deverão ser ligados à rede ou aos terminais 4, 5 e 6, respectivamente.

3.2.1 – Rotor gaiola O rotor em gaiola é o tipo mais utilizado. Nele, os enrolamentos (ou bobinas) são constituídos por barras de cobre ou alumínio colocadas nas ranhuras do núcleo, curto-circuitadas em suas extremidades por anéis.

Quando se conecta o motor do modo descrito e ele gira no sentido horário olhando-se de frente para o eixo tem-se a ligação de fases com seqüência positiva e, portanto:

a) Fase X = Fase R ou Fase A; b) Fase Y = Fase S ou Fase B;

c) Fase Z = Fase T ou Fase C.

Se o contrário ocorrer, o motor foi ligado na seqüência de fases invertida. Note-se que as ligações mostradas nas figuras 10 até 13 utilizaram a marcação como exposto. 3.0 - PARTES COMPONENTES DO ROTOR

O rotor é composto pelo eixo, por um núcleo magnético e por enrolamentos que permite a circulação de correntes, como relatado a seguir.

3.1 – Núcleo do Rotor

O núcleo do rotor também possui a função de propiciar um caminho adequado para a circulação do fluxo magnético, sendo constituído de chapas de material com boas características magnéticas e pequena espessura, de modo a diminuir as perdas por histerese e Foucault. As chapas possuem várias ranhuras para acomodar os enrolamentos ou as barras, conforme o tipo de rotor.

Figura 18 – Rotor gaiola.

Em alguns rotores as barras são levemente inclinadas, o que permite reduzir o ruído durante o funcionamento. 3.2.2 – Rotor bobinado


No rotor bobinado, os enrolamentos possuem três bobinas ligadas em estrela, constituídos de fios de cobre esmaltado. As extremidades de cada uma delas é Figura 17 – Exemplo de chapa do rotor e ranhuras.


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soldada em anéis coletores, de modo que, por meio de escovas fixas na carcaça, pode-se ter acesso ao circuito elétrico do rotor. Desta forma, pode-se inserir resistências externas em série com o rotor, o que possibilita o controle da velocidade do motor.

4.0 - OUTROS COMPONENTES

Existem muitos outros componentes, sendo os principais analisados a seguir. 4.1 - Mancais

Os mancais são elementos mecânicos destinados à fixação do eixo às partes da máquina. Deve-se evitar que ocorra um desgaste excessivo nos mancais, o que pode levar o rotor a tocar as partes fixas na máquina com a conseqüente destruição da mesma. Além de evitar este problema, o mancal deve ser preciso o bastante para garantir um entreferro uniforme. Em máquinas de pequeno porte, os mancais são de rolamento de esferas ou rolos cilíndricos, lubrificados a graxa ou óleo. Os mancais de rolamentos são utilizados em larga escala. São facilmente disponíveis e internacionalmente padronizados.

Figura 19 – Rotor bobinado. A figura 22 apresenta um exemplo para um motor em corte.

Figura 20 – Anéis coletores.

Figura 22 – Mancal de rolamento – Exemplo. Para níveis de carga ou rotação elevadas e presença de grande força de impacto, entretanto, empregam-se os mancais de deslizamento (buchas radiais).

Figura 21 – Escovas e anéis coletores. 3.3 - Eixo

O eixo é o elemento mecânico responsável pela sustentação da parte ativa do rotor e também é através dele que se torna possível acoplar o motor à carga a ser acionada.


Figura 23 – Mancal de bucha.


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4.2 – Sistema de Arrefecimento Como visto anteriormente, a vida útil do motor depende da temperatura, a qual não deve superar os limites estabelecidos para a classe de isolamento.

Assim, é necessário empregar-se algum método para o arrefecimento.

Para tanto, os motores de indução podem utilizar ventilação interna, externa, trocadores de calor e, ainda, ventilação independente.

Para a denominada ventilação interna emprega-se um ventilador (ou ventoinha) fixo ao eixo do motor, junto ao núcleo do rotor. Nessa situação, as pás da ventoinha expulsam o ar quente de dentro do motor e fazendo com que o ar frio penetre em seu interior.

Figura 24 – Ventilação interna. Na ventilação externa, o ventilador é fixado ao eixo do motor, externamente à parte ativa do estator. Desta forma, o rotor, ao girar, provoca o deslocamento de ar quente através das aletas da carcaça, aumentando a área de dissipação.

Figura 25 – Ventilação externa. Observe-se que em ambos os sistemas apresentados, sempre que houver uma diminuição da

rotação, ocorrerá a queda do fluxo de ar refrigerante. De forma a evitar situações como esta, pode-se empregar ventilação independente, como ilustrado na figura 26.

Figura 26 – Ventilação independente. Por outro lado, muitas vezes é necessário utilizar trocadores de calor (radiadores) para que haja uma dissipação de calor eficiente em grandes motores.

Figura 27 – Motor de grande porte com trocador de calor.


Observe-se que existem motores totalmente blindados, os quais não possibilitam a utilização dos sistemas de arrefecimento descritos. Nesses casos, os motores possuem dimensões maiores que os equivalentes de mesma potência e velocidade. É necessário que haja mais massa para armazenar calor e maior superfície para a troca de calor, de modo que a temperatura não se eleve além do desejável.


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4.3 – Escovas e Porta-escovas Esses componentes apenas são necessários nos motores de anéis.

As escovas são as partes que fazem o contato elétrico entre o rotor e o circuito externo à máquina. O material empregado em sua composição deve ser, além de condutor, macio o suficiente para não desgastar precocemente o anel coletor. Assim, normalmente são fabricadas de carbono, contendo carbono amorfo, carbono grafítico e pó metálico. Misturando-se estas substâncias de formas diferentes têm-se os diversos tipos de composição de escovas.

Os porta-escovas são utilizados para manter as escovas na posição adequada e com uma determinada pressão sobre o comutador. São muitas e variadas as formas dos porta-escovas, mas fundamentalmente elas possuem uma caixa de guia onde desliza a escova e uma mola que a pressiona contra o anel coletor.

Figura 28 – Exemplo de escovas e porta-escovas em MIT com rotor bobinado.



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________________________________________________________________________________________________ Capítulo 5: Características dos Motores de Indução Trifásicos - 30

CAPÍTULO 5: CARACTERÍSTICAS DOS MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS

RESUMO O objetivo desse capítulo é o de fornecer subsídios para a análise do MIT em regime de operação permanente. Desta forma, são apresentadas várias grandezas curvas e equações que definem o seu funcionamento. 1.0 - INTRODUÇÃO

O comportamento operacional de um motor de indução trifásico em regime permanente é definido por um conjunto de grandezas eletromecânicas e térmicas. Sendo assim, ele apresenta valores definidos de rendimento, fator de potência, corrente absorvida, velocidade, conjugado (torque) desenvolvido, perdas e elevação de temperatura em função da potência exigida pela carga em um dado instante e das condições do alimentador.

Observe-se que as relações entre essas grandezas são chamadas de características de desempenho do motor.

O conhecimento dessas características é interessante, pois permite determinar o comportamento de um motor novo ou reformado quando estiver em regime permanente, bem como dos parâmetros operativos que podem ser esperados. Desta forma, permite monitorar o motor. 2.0 – OPERAÇÃO EM CARGA DE UM MIT No texto a seguir, considera-se um MIT alimentado com três tensões senoidais equilibradas, ou seja, com o mesmo valor eficaz e defasamentos de 1200 umas das outras. Desta forma, pode-se afirmar que, como analisado anteriormente, um motor em operação sempre fornece o torque solicitado pela carga (se não conseguir, o eixo irá travar). Portanto, é a carga que determina o comportamento do motor. A figura 1 relembra, por conveniência, o principio (analisado no Capítulo 2) da transmissão de potência do motor para a carga.

Figura 1 – Transmissão de potência. Note-se que, se a carga exigir uma determinada potência, o motor deverá fornecer o torque solicitado a uma certa velocidade. Assim, é necessário que absorva potência elétrica do alimentador que possa ser transformada em trabalho, ou seja, potência ativa. A relação entre ambas as potências, como visto, é denominado rendimento. Por outro lado, para que seja possível criar o campo girante, o motor deve receber, necessariamente, potência reativa do alimentador. Como se sabe, a composição de ambas as potências resulta na potência aparente ou total. A relação entre as potências ativa e a total é o fator de potência. Além disto, naturalmente, o fornecimento da potência total a uma determinada tensão, implica na circulação de uma determinada corrente pelos enrolamentos do motor. Em função do exposto, ao se variar a carga do motor e mantendo-se a tensão do alimentador constante, alteram-se várias grandezas, ou seja, o torque, a velocidade, a corrente, o fator de potência e o rendimento.

As relações entre essas grandezas são chamadas de características de desempenho do motor. Observe-se que o conjunto de valores nominais atribuídos a estas grandezas, em condições especificadas por norma e que servem de base à garantia de fabricantes e aos ensaios, constitui a denominada característica nominal do motor. Portanto, cada uma das grandezas citadas possui um valor nominal, que, entretanto, nem sempre definem os limites operacionais da máquina.


MOTORES ELÉTRICOS


3.0 – GRANDEZAS CARACTERÍSTICAS

3.1 - Potência

Como citado anteriormente, o termo potência se refere àquela disponível no eixo de um motor de indução trifásico, ou seja, é a sua potência mecânica. A potência nominal (PN), por outro lado, é aquela que o motor pode entregar em seu eixo, permanentemente, nas condições nominais, sem que a temperatura dos enrolamentos ultrapasse os limites admissíveis pela sua classe de isolamento. As unidades de potência mais comuns são o "CV", o "HP" e o "kW", sendo:

1 kW = 0,736 CV = 0,746 HP. 3.2 - Tensões As tensões empregadas na alimentação dos MIT’s, como se sabe, são alternadas e trifásicas.

Observe-se que, quaisquer referências se façam a tais tensões, elas sempre serão relativas aos seus valores eficazes. A tensão nominal (UN) é aquela da rede de alimentação para a qual o motor foi projetado, não necessariamente para a qual o motor foi isolado. São possíveis várias tensões nominais, ou seja, a grande maioria dos motores em baixa tensão possuem terminais dos enrolamentos religáveis, como exposto em capítulo anterior, possibilitando o funcionamento com, pelo menos, duas tensões distintas.

Em média tensão, normalmente, são acessíveis apenas três terminais e os enrolamentos estão ligados em estrela de forma a facilitar o isolamento (por exemplo, para 4.160 V, a tensão aplicada ao isolamento de uma fase é de aproximadamente, 2.402 V). As tensões mais usuais para esta faixa são 2.300 V, 4.160 V e 6.600 V. Em 13.800 V, por exemplo, o custo do motor aumenta excepcionalmente. 3.3 – Velocidade

O termo velocidade ou rotação do motor (n) refere-se àquela que o rotor desenvolve sob determinadas condições e que, como se sabe, necessariamente, é menor que a do campo girante (ns).

Por outro lado, como definido anteriormente, a diferença dessas velocidades em relação à síncrona é o escorregamento, ou seja:

s

s

nnn

s -

= (1)

Desta forma, a rotação desenvolvida para uma situação qualquer, pode ser obtida a partir do escorregamento, ou seja:

) - 1( = snn s (2)

A velocidade ou rotação nominal (nN) é aquela em que o rotor gira quando se opera com potência, tensão e freqüência nominais. Observe-se que, em geral, a rotação nominal assume valores próximos daqueles correspondentes à velocidade síncrona (nS). Desta forma, conhecendo-se a rotação e a freqüência nominal, facilmente se determina a velocidade síncrona e o número de pólos.

Por exemplo, para um motor com rotação nominal de 1750 rpm e freqüência de 60 Hz, o valor maior mais próximo de velocidade síncrona é 1800 rpm e, portanto, o número de pares de pólos é igual a 2, pois como:

60= spn

f (3)

Então:

2=1800

60.60=

60=

Snf

p (4)

Pelo exposto, conclui-se que o escorregamento nominal (sN) é próximo de zero e pode ser calculado por:

S

NSN n

nns

-= (5)

A rotação nominal pode ser obtida a partir do escorregamento nominal através de:

) - 1( = NsN snn (6) 3.4 – Torque ou Conjugado O torque ou conjugado, como exposto, pode ser definido como o esforço necessário para acionar uma carga em movimento circular e pode ser calculado, considerando-se a potência em W e a rotação em rpm, através de:

M = 9,55 nP

(7)

Quando o motor fornece a potência nominal (PN) à sua velocidade nominal (nN), diz-se que ele desenvolve o seu torque nominal (MN).

Desta forma, de (7) têm-se:

MN = 9,55 N

N

nP

(8)

A figura 2 apresenta o comportamento típico do torque ou conjugado em função da velocidade e do escorregamento desde o instante da partida até a operação sem carga no eixo (rotor livre ou em vazio).


MOTORES ELÉTRICOS


Figura 2 - Característica M = f (n) – Exemplo. Verifica-se na figura 2 que há muitos outros valores de interesse para o conjugado na operação do motor além do nominal, ou seja:

Mp - Conjugado de partida do motor alimentado com tensão e freqüência nominal;

Mk - Conjugado máximo, o qual é o maior conjugado desenvolvido com tensão nominal sem uma mudança abrupta da velocidade

Além disto, observa-se que o motor de

indução apresenta torque nulo na velocidade síncrona, pois, nesta condição, como se sabe, não há indução de correntes no rotor.

A curva ainda permite concluir que, à medida que se aumenta a carga no eixo do motor, a partir da condição de rotor livre, a sua rotação diminui de um valor próximo da síncrona (ns) até o ponto correspondente ao torque máximo (nK).

Se houver qualquer acréscimo de carga além desse ponto, a tendência é que a rotação caia bruscamente, podendo em algumas situações travar o rotor.

Em função do exposto, tem-se que a região de operação estável do motor é a compreendida entre nK e ns.

Figura 3 – Região de operação estável do MIT.

O ponto de operação em regime permanente, portanto, deve estar na região citada. Como um motor em operação sempre fornece o torque solicitado pela carga, tal ponto corresponde àquele em que as curvas de conjugado de ambos coincidem.

Nas figuras 4 a 6, a título de esclarecimento, apresentam-se os pontos de operação quando o motor aciona uma carga com conjugado constante igual (como, por exemplo, o levantamento de peso em uma ponte rolante), menor e maior que o nominal respectivamente.

Figura 4 - Carga com conjugado constante e igual ao nominal do motor.

Figura 5 - Carga com conjugado constante, menor que o nominal do motor.

Figura 6 - Carga com conjugado constante, maior que o nominal do motor.


MOTORES ELÉTRICOS


A velocidade do ponto de operação (nop nas figuras 4, 5 e 6) pode ser obtida a partir do escorregamento pela expressão (2). 3.5 – Perdas

A conversão de energia elétrica em mecânica é acompanhada de inevitáveis perdas na forma de energia térmica, o que, em conseqüência, resulta em aquecimento de suas partes componentes.

Nos motores de indução trifásicos, as perdas podem ser classificadas em:

a) Perdas por efeito Joule nos enrolamentos do estator;

b) Perdas por efeito Joule nos enrolamentos do rotor;

c) Perdas no núcleo (histerese e Foucault); d) Perdas por atrito e ventilação; e, e) Perdas adicionais.

A soma dessas perdas são as perdas totais

(PeT) 3.6 – Potências Elétricas

O alimentador deve fornecer para um motor em operação, tanto a potência necessária para suprir as perdas, quanto àquela que fornecerá no eixo. Como o valor absorvido será transformado em calor ou trabalho, esta potência é chamada de ativa (Pel).

Por outro lado, para se criar o campo girante, é necessário também a absorção de potência, a qual é denominada reativa (Q). A potência elétrica total ou aparente (S) absorvida junto ao alimentador, portanto, é composta por essas duas parcelas, ou seja:

22 + = QPelSN (9)

Nas condições nominais, tem-se:

22 + = NNN QPelS (10) 3.7 – Fator de Potência

O fator de potência (cos ) indica o quanto de potência ativa o motor absorve em uma determinada condição relativamente à potência total, ou seja:

cos = SP

(11)

Nas condições nominais, portanto:

cos N = N

N

SP

(12)

3.8 - Rendimento O rendimento ( ) de um motor indica o quanto de potência mecânica que o motor disponibiliza no eixo relativamente à potência elétrica ativa absorvida junto ao alimentador, ou seja:

= elP

P (13)

Como:

Tel PePP + = (14) Tem-se:

PPeT )1 - 1

( = (15)

Se as condições de operação do motor forem

as nominais, o rendimento é:

N = Nel

N

PP

(16)

E as perdas totais nas condições nominais (PeTN) são:

NN

TN PPe )1 - 1

( =

(17)

3.9 – Corrente do Estator O termo corrente (I) refere-se ao valor eficaz daquela absorvida pelo estator para uma determinada situação operacional do motor e pode ser calculada por:

cos 3

=U

PI (18)

A corrente nominal (IN), por outro lado, é aquela absorvida pelo estator junto ao alimentador quando o motor opera com potência, tensão e freqüência nominais. Ela pode ser calculada através de:

cos 3

=NNN

NN U

PI (19)


MOTORES ELÉTRICOS


Observe-se que, quando o motor gira sem carga, a corrente absorvida junto à rede é a de rotor livre (I0), também conhecida por corrente em vazio. Embora este último termo seja mais apropriado para corrente absorvida quando o circuito do rotor estivesse aberto, eles são amplamente utilizados como sinônimos, talvez por analogia com os transformadores. Normalmente, os seus valores se situam entre 20 e 40% da corrente nominal. Exercício de fixação

Considere-se um motor de indução trifásico com as seguintes características nominais:

PN = 3 CV; UN = 220 V; nN = 1747 rpm;

fN = 60 Hz; N = 0.82; cos N = 0,76. Calcular: a) Corrente nominal; b) Torque nominal; c) Rotação síncrona; d) Pares de pólos; e) Escorregamento nominal; e, f) Perdas totais nas condições nominais. Solução: a) Cálculo da corrente nominal:

Para calcular a corrente nominal emprega-se a expressão (19) e, assim:

cos 3

=

NNN

NN U

PI

0,76 x 0,82 x 202 x 3

736 x 3 =NI

A ,39=NI

b) Cálculo do torque nominal: Para calcular o torque nominal emprega-se a expressão (8) e, assim:

MN = 9,55 N

N

nP

7471

736 x 3 9,55=NM

MN = 12 Nm

c) Cálculo da rotação síncrona: Como a rotação nominal é de 1747 rpm e freqüência de 60 Hz, o valor maior mais próximo de velocidade síncrona é 1800 rpm.

d) Cálculo do número de pares de pólos: Sendo a velocidade síncrona é de 1800 rpm e a freqüência nominal de 60 Hz, calcula-se o número de pares de pólos pela expressão (4), ou seja:

2=1800

60.60=

60=

Snf

p

e) Cálculo do escorregamento nominal:

Para calcular o escorregamento nominal emprega-se a expressão (5) e, assim:

S

NSN n

nns

-=

1800

7471 -8001=Ns

0294,0=Ns

f) Cálculo das perdas totais nas condições nominais. Para calcular a perdas totais nas condições nominais emprega-se a expressão (17) e, assim:

NN

TN PPe )1 - 1

( =

736 x 3 x 1) - 82,01

( = TNPe

kW 0,486 = W 486 = TNPe 3.10 - Fator de Serviço Chama-se fator de serviço (FS) ao multiplicador que, aplicado à potência nominal, indica a carga permissível que pode ser aplicada continuamente ao motor. Note-se que se trata de uma sobrecarga contínua, ou seja, de uma reserva de potência que dá ao motor uma capacidade de suportar o funcionamento em condições desfavoráveis. O fator de serviço não deve ser confundido com a capacidade instantânea de sobrecarga. Em outras palavras, um motor com FS = 1,0 significa que o motor não foi projetado para trabalhar continuamente com potências acima da nominal, mas, deve suportar a sobrecarga de 60% em 15 s, por exemplo. Geralmente fatores de serviço são especificados:


MOTORES ELÉTRICOS


a) Quando há problemas de espaço: um motor de determinada potência tem dimensões superiores ao do local da instalação assim, utiliza-se um de menor potência com um fator de serviço adequado;

b) Para permitir uma provável sobrecarga futura devido a mudanças no processo ou aumento da produção;

c) Para permitir uma faixa de segurança quando da determinação tanto da potência como da proteção do motor;

d) Para obter um aquecimento menor que o nominal quando o motor opera a plena carga, aumentando o tempo de vida do motor.

A norma NBR 7094 fornece o fator de serviço em função da velocidade síncrona e da potência nominal, conforme mostra a tabela 1.

Potência Nominal Velocidade Síncrona (rpm)

CV kW 3600 1800 1200 900 1/20 0.039 1.4 1.4 1.4 1.4 1/12 0.06 1.4 1.4 1.4 1.4 1/8 0.08 1.4 1.4 1.4 1.4 1/6 0.12 1.35 1.35 1.35 1.35 1/4 0.18 1.35 1.35 1.35 1.35 1/3 0.25 1.35 1.35 1.35 1.35 1/2 0.37 1.25 1.25 1.25 1.15 3/4 0.55 1.25 1.25 1.25 1.15 1 0.75 1.25 1.25 1.15 1.15

Entre 1,5 e 200

Entre 1,1 e 150 1.25 1.15 1.15 1.15

Tabela 1 - Fatores de Serviços, conforme [1]. Observe-se que o fator de serviço só é aplicado aos motores de classe de isolamento A, B e F e a tabela àqueles de categoria N e H.

Entretanto, de uma forma geral, tem-se que o fator de serviço será:

a) FS = 1,00, para motores encapsulados e para propósitos especiais;

b) FS = 1,15, para motores com potência acima de 3 CV;

c) FS = 1,20, para motores com potência entre 1 e 3 CV;

d) FS = 1,25, para motores com potência menores que l CV.

É interessante notar que, se seguidas estas

definições, o motor possuirá uma potência nominal maior que a declarada.

4.0 – CURVAS CARACTERÍSTICAS O desempenho de um motor em operação pode ser aferido por suas curvas características, as quais apresentam o comportamento da rotação, rendimento, fator de potência e corrente em função da potência disponibilizada no eixo. A figura 7 exemplifica para o motor de 3 CV citado anteriormente, onde a rotação é fornecida em porcentagem da síncrona.

Figura 7 – Exemplo de curvas características de um motor de 3 CV.

A consulta às curvas é simples, ou seja, tendo-se um valor de potência mecânica, algumas grandezas são obtidas diretamente, enquanto outras podem ser calculadas. Por exemplo, para uma potência de 2,7 CV (ou 90 % da nominal), tem-se o mostrado na figura 8.

Figura 8 – Utilização das curvas de desempenho – Exemplo.


MOTORES ELÉTRICOS


Das curvas da figura 8, para uma potência de 2,7 CV ou 90 % da potência nominal, tem-se: I = 8 A; = 0,82 (82 %); cos = 0,79 (79 %).

A rotação em porcentagem da síncrona é:

n % = 96,5 %

Ou seja:

n = 0,965 x 1800 = 1737 rpm. O escorregamento, conforme a expressão (1), é:

S

S

nnn

s -

=

1800

7371 -8001=s

035,0=s E as perdas totais, de acordo com a expressão (15), são:

PPeT )1 - 1

( =

736 x 3 x 0,9 x 1) - 82,01

( = TPe

kW 0,436 = W 436 = TPe

O torque, por outro lado, pode ser calculado pela expressão (7), ou seja:

M = 9,55 nP

7371736 x 3 x 0,9

9,55=M

M = 10,9 Nm

A análise dessas curvas características permite uma conclusão importante, ou seja, que, se o motor operar em baixa carga, quanto menor for a potência que solicita no eixo, o seu rendimento e fator de potência irão diminuir acentuadamente. 5.0 - EFEITOS DOS DESBALANÇOS DE TENSÕES

Se os valores eficazes das três tensões de alimentação de um motor de indução trifásico são diferentes entre si, diz-se que elas estão desbalanceadas.

Tal desbalanço pode ser causado por vários motivos, sendo os de ocorrência mais comum os seguintes:

a) Abertura de uma das fases do alimentador; e, b) Cargas monofásicas distribuídas de forma

desigual entre as fases. A presença de tensões desbalanceadas, mesmo que levemente, resultam em vários efeitos adversos devido a produzirem correntes fortemente desequilibradas. Como primeira conseqüência, o campo girante irá se deformar, originando uma operação semelhante àquela existente quando da não uniformidade do entreferro. Desta forma, cria-se um desbalanço interno na máquina, o qual produz esforços mecânicos axiais e radiais sobre o eixo. Assim, é inevitável o surgimento de vibrações, ruídos, batimento, desgaste e aquecimento excessivo dos mancais.

Podem aparecer, adicionalmente, correntes parasitas circulando pelo sistema eixo-mancais-terra. O eixo deve ser aterrado ou a base deve ser isolada para evitar que eles superaqueçam os mancais. As chapas do circuito magnético também irão vibrar e se aquecer. Pode-se supor que o rotor tenta acompanhar o movimento do campo. A alteração das características de desempenho é um fato com a presença de qualquer deformação no campo girante, traduzindo-se em um aumento significativo das perdas, diminuição do rendimento, alteração do fator de potência (mesmo que levemente), superaquecimento e, dependendo de sua intensidade, redução na velocidade e vida útil do motor. Note-se que, muitas vezes, é conveniente avaliar o grau de desbalanço de tensões, o pode ser feito utilizando-se o chamado o fator de desbalanço de tensões (fd). Esse fator, conforme a NEMA [2], pode ser calculado efetuando-se apenas três medidas das tensões de linha, ou seja:

100 =% max

medioUU

fd (19)

Onde Umax é o desvio máximo da tensão média, ou seja, o maior valor em módulo da diferença entre as tensões desbalanceadas e a média (Umedio) dada por:

3++

= CABCABmedio

UUUU (20)

O máximo fator de desbalanço admissível é de 5%, sendo que para valores superiores uma ou duas fases do motor poderão “queimar”.


MOTORES ELÉTRICOS


Exercício de fixação

Calcular o fator de desbalanço, se as tensões de linha medidas no alimentador de um motor de indução trifásico são 242, 198 e 222 V. Solução: Considerando:

V 242=ABU , V 198=BCU ,

e V 222=CAU

Tem-se:

3 + +

= CABCABmedio

UUUU

ou:

V 220,6 = 3

222 + 198 + 242=medioU

Por outro lado:

V 44 = 198 - 242 = - BCAB UU

V 20 = 222 - 242 = - CAAB UU e

V 24 = 198 - 222 = - BCCA UU Portanto:

V 44 = - =max BCAB UUU Assim:

100 6,220

44 = 100 =% max

medioUU

fd

%94,19=%fd

O valor resultante, neste exemplo, é inadmissível, sendo praticamente certa a “queima” de motores submetidos a estas tensões.

6.0 – FALTA DE FASE A falta de uma fase pode ocorrer, por exemplo, devido à queima de um fusível do alimentador de um motor.

Para um motor em operação conectado em delta, a falta de uma fase do alimentador resultará na circulação de correntes com valores de 2 a 2,5 vezes na bobina ligada às fases sãs, como ilustra a figura 9.

Figura 9 – Correntes que circulam nos enrolamentos devido à abertura de fase – motor ligado em delta.

Observa-se que, se o motor estiver com uma

carga razoável, irá parar (ou ter sua velocidade reduzida de forma drástica e, em conseqüência diminuindo a ventilação) e a corrente atingirá 3 a 5 vezes a nominal, podendo causar a queima da bobina da fase sã devido ao sobreaquecimento.

No caso da conexão estrela, se houver a queima, ela afetará duas fases, pois essas duas ficarão conectadas em série, conduzindo uma corrente cerca de 1,73 vezes a inicial, como ilustra a figura 10.

Figura 10 – Correntes que circulam nos enrolamentos devido à abertura de fase – motor ligado em estrela.

Outro fator importante é que, na falta de uma fase, campo deixa de ser girante, tornando-se pulsante. Nessas condições, se o motor estiver parado, ele não consegue partir, pois não há conjugado suficiente para acelerá-lo.


MOTORES ELÉTRICOS


7.0 - FLUTUAÇÕES DE TENSÕES A ocorrência de flutuações de tensões em sistemas industriais é bastante comum, principalmente devido a alimentadores e cablagem mal dimensionados. A norma NBR 7094 [1] estabelece que um motor de indução trifásico deve ser capaz de funcionar satisfatoriamente quando alimentado com tensões até 10% acima ou abaixo da nominal, desde que a freqüência permaneça a nominal. Se houver, simultaneamente, a variação de tensão e freqüência (caso, por exemplo, que pode ocorrer com motores operando em um sistema de geração isolado, ou seja, como capacidade limitada), a tolerância de variação deve ser 10% para a soma das variações individuais. A aplicação de tensões acima ou abaixo da nominal aos motores altera as suas características de

desempenho normais, as quais, como se sabe, dependem da carga acoplada em seu eixo. Desta forma, apenas é possível afirmar-se com certeza que, ao se diminuir a tensão aplicada a um motor operando em regime permanente, a sua rotação tende a diminuir e o fator de potência a aumentar.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT)

- “NBR 7094 – Máquinas Elétricas Girantes – Motores de Indução”. ABNT, dez/81;

[2] National Electrical Manufacturers Association (NEMA) – “American Nacional Standard for Motors and Generators - NEMA MG-1”. NEMA, 1978.


MOTORES ELÉTRICOS

________________________________________________________________________________________________ Capítulo 6: Partida de Motores de Indução Trifásicos - 39

CAPÍTULO 6: PARTIDA DE MOTORES DE

INDUÇÃO TRIFÁSICOS

RESUMO

Este texto avalia os efeitos da partida de motores de indução trifásicos no sistema elétrico e no motor. Além disto, apresenta os vários métodos de partida. 1.0 - INTRODUÇÃO O termo partida de um motor significa levá-lo do estado de repouso até o seu ponto de operação. Para que isto seja possível, o motor deve desenvolver um torque suficiente para prover a carga, vencer a inércia do sistema e acelerar. Em conseqüência, solicita uma determinada corrente do alimentador. Esta corrente, dependendo do valor que atinge, pode causar vários problemas indesejáveis, levando à necessidade de se empregar algum método para diminuí-la. O texto a seguir analisa esses aspectos. 2.0 – CONJUGADO MOTOR E ACELERADOR 2.1 – Partida com Rotor Livre ou em Vazio

Quando o motor parte sem carga, todo o torque desenvolvido é empregado para acelerar o motor do estado de repouso até a operação sem carga no eixo (rotor livre ou em vazio). Nesta situação, como citado no capítulo anterior, o seu comportamento típico em função da velocidade é o mostrado na figura 1.

Figura 1 - Característica M = f (n) – Exemplo.

Como explanado anteriormente, verifica-se nesta curva que há outros valores de interesse para o conjugado além do nominal, ou seja, o chamado torque (conjugado) de partida (Mp), o torque (conjugado) máximo (Mk,) e um conjugado nulo na velocidade síncrona.

Além desses valores, também se define o conjugado de rotor bloqueado como sendo o menor conjugado desenvolvido para todas as posições angulares do rotor no instante de aplicação da tensão nominal ao estator do motor. Essa grandeza, em geral, também é chamada de conjugado de partida, embora conceitual e numericamente sejam diferentes. O conjugado de partida possui uma definição semelhante, porém se altera com o posicionamento do rotor e, desta forma, o primeiro é um valor constante e o segundo, variável. Como, em geral, o conjugado de partida é de difícil medição, ambos são usados como sinônimos em uma aproximação.


Sabe-se que um motor de indução trifásico do exercício anterior apresenta os seguintes dados de torque máximo e de partida:

3 = N

k

MM

e 2,7 = N

p

MM

Considerando-se o conjugado nominal igual a 12 Nm, calcular ambos os valores de torque.

Solução: O torque máximo é dado por:

NMM x 3 = k

21 x 3 = kM

Nm 63 = kM

O torque de partida é dado por:

Np MM x 2,7 =

21 x 2,7 = pM

Nm 2,43 = pM


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2.2 – Partida com Carga Supondo-se que o motor parta com uma carga qualquer em seu eixo, uma parcela do torque motor desenvolvido é disponibilizado para ela e, a restante, é empregada para acelerar o motor até o ponto de operação em regime permanente, ou seja: M = Mac + Mc (1) Onde: M – Torque motor; Mac – Torque acelerador; e, Mc – Torque da carga.

A figura 2 ilustra o exposto.

Figura 2 – Torques na partida de um motor com carga. Desta forma, para um torque da carga qualquer (variável com a velocidade, por exemplo) tem-se o comportamento ilustrado na figura 3.

Figura 3 – Características M = f (n) para partida com carga.

3.0 – CORRENTE NA PARTIDA Havendo ou não carga no eixo, a corrente absorvida instantaneamente da rede durante o processo de partida alcança picos entre 5 e 8 vezes a sua corrente nominal (corrente inrush) e decai com o passar do

tempo até a sua corrente de operação em regime permanente, como exemplificado na figura 4 para um determinado motor.

Figura 4 – Forma de onda da corrente de partida – Exemplo

Os altos níveis da corrente de partida ocorrem devido à impedância do motor assumir baixos valores iniciais, associada com tensões induzidas no rotor com níveis elevados. Assim que o motor acelera, a impedância cresce, a tensão induzida diminui e a corrente de partida cai. Considerando-se os valores eficazes da corrente durante o processo de partida e associando-os com os respectivos valores de rotação, obtêm-se a característica I = f (n), cujo aspecto típico é o mostrado na figura 5 em uma partida com rotor livre (vazio).

Figura 5 - Característica I = f (n) – Exemplo.

Verifica-se na figura 5 que o menor valor de corrente atingido é I0, ou seja, a corrente de rotor livre ou em vazio, cujos valores se situam entre 20 e 40% da corrente nominal, como citado anteriormente.


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Se a partida ocorrer com carga no eixo, tem-se a situação da figura 6.

Figura 6 - Característica I = f (n) – Partida com carga.

Ressalta-se que os valores eficazes da corrente entre o repouso até o ponto de operação em carga mostrado na figura 6 são os mesmos da partida com rotor livre. Em outras palavras, o comportamento da corrente em função da velocidade independe da carga.

O tempo de partida (ou de aceleração), entretanto, se altera, ou seja, quando se parte com carga, leva-se um tempo maior para se atingir o valor de I dado figura, em relação ao que se teria caso o rotor estivesse livre. Deve-se atentar para o fato de que, quando o rotor está bloqueado, a corrente absorvida atinge valores próximos ao da corrente inrush, ou seja, entre 5 e 8 vezes a nominal.

Desta forma, a corrente de partida e a de rotor bloqueado, na realidade são duas grandezas distintas. Como visto, a corrente de partida possui um pico inicial (o inrush) e com a aceleração do motor decaí, enquanto a de rotor bloqueado é um valor constante.

Ambos os termos, entretanto, são usados como sinônimos para todos os efeitos. Desta forma, quaisquer indicações sobre a corrente de partida corresponde, de fato, à de rotor bloqueado.

Pelo exposto a corrente de partida IP das figura 5 e 6 é igual à corrente de rotor bloqueado. Exercício de fixação

Calcular a corrente de partida do motor de indução trifásico com corrente nominal de 9,3 A, sabendo-se que:

6,4 = N

p

II

Solução: A corrente de partida é dada por:

Np II x 6,4 =

,39 x 6,4 = pI

A 9,525 = pI A norma NBR 7094 substitui a antiga EB – 120, onde eram classificados 4 tipos de categorias para motores de indução denominadas A, B, C e D. 5.0 – EFEITOS DA VARIAÇÃO DA TENSÃO

O efeito mais significativo da variação das tensões aplicadas ao estator dos motores é alteração das características de partida.

Neste caso, tanto o torque máximo quanto o de partida irão diminuir com, aproximadamente, o quadrado da tensão aplicada, o que resulta em diminuição proporcional da corrente de partida. A figura 7 ilustra o exposto.

a) Característica M = f (n).

b) Característica I = f (n).

Figura 7 – Alterações das características de partida em função da tensão.

Um fato interessante a se destacar da análise da figura 7 é que, ao se diminuir a tensão, o valor do torque máximo (MK) cai, porém a velocidade em que


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ele ocorre fica inalterada (nK). Portanto, o valor do torque máximo depende da tensão aplicada, mas não o ponto onde ele ocorre.

6.0 – EFEITOS DA RESISTÊNCIA DO ROTOR

O efeito mais significativo dos valores da resistência do circuito do rotor é alteração das características de partida. Neste caso, a velocidade onde ocorre o conjugado máximo (nK) diminui com o aumento da resistência do rotor e vice-versa. O torque máximo, entretanto, não se altera. Portanto, o valor do torque máximo não depende da resistência do rotor, mas sim o ponto onde ele ocorre. A figura 8 ilustra o exposto.

Figura 8 – Alterações da característica M = f (n) em função da resistência do rotor.

Note-se na figura 8 que, quanto maior a resistência do rotor, maior será o conjugado de partida. Por outro lado, baixas resistências rotóricas causam pouca inclinação da curva na região de operação, o que implica na rotação do motor variar muito pouco em relação à nominal, qualquer que seja a carga.

7.0 – CATEGORIAS DE DESEMPENHO

Baseando-se nas diferentes características do conjugado em relação à velocidade, a norma NBR 7094 [1] classifica os motores de indução trifásicos com rotor em gaiola em três categorias, descritas a seguir:

a) Categoria N: Conjugado de partida normal, corrente de partida normal; baixo escorregamento. Constituem a grande maioria dos motores encontrados no mercado, são mais utilizados em acionamentos de cargas normais como bombas e máquinas operatrizes;

b) Categoria H: Apresentam conjugado de partida alto, corrente de partida normal e baixo escorregamento. Usados principalmente em cargas que apresentam maior conjugado de partida,

como peneiras, transportadores, carregadores, enfim, cargas de alta inércia;

c) Categoria D: Apresentam conjugado de partida alto (alta resistência rotórica), corrente de partida normal e alto escorregamento (maior que 5%). Utilizados em cargas que apresentam picos periódicos e que necessitam de alto conjugado com corrente de partida limitada como elevadores e prensas excêntricas.

A figura 9 ilustra características M = f (n) típicas para cada caso, bem como, a de um motor com rotor bobinado.

Figura 9 - Categorias de motores de indução. Observe-se nas características da figura 9 que o motor categoria H apresenta um grande torque de partida, indicando alta resistência rotórica, e, também, uma pequena inclinação da curva na região de operação, indicando baixa resistência rotórica.

Esta contradição pode ser contornada utilizando-se um rotor com duas gaiolas, sendo uma interna e a outra externa.

Figura 10 – Rotor com dupla gaiola.


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Neste caso, a gaiola externa é fabricada com material de elevada resistividade (manganina) e é empregada para a partida. A interna, entretanto, é composta por cobre eletrolítico (menor resistividade) e utilizada para funcionamento em regime permanente. A freqüência da corrente do rotor, como se sabe, varia com o escorregamento e, assim, durante o processo de partida, a indutância da gaiola interna é elevada, enquanto que na externa prevalece a sua resistência. Como, durante a aceleração, a corrente é maior nesta gaiola, tem-se um alto torque de partida. Por outro lado, quando a freqüência diminui, a corrente se distribui de acordo com as resistências das gaiolas, o que resulta em um trecho da curva M = f (n) pouco inclinada na região de operação estável. Outro fato de interesse que se observa nas características da figura 9 é o pequeno torque de partida apresentando pelo motor com rotor bobinado. Isto implica que os enrolamentos do rotor possuem baixa resistência rotórica.

Sendo assim, este tipo de motor exige, necessariamente, a inserção de resistências externas para se obter torque maiores na partida. Se utilizada a resistência adequada, o torque de partida pode ser igual ao máximo, como mostrado na figura 8. 8.0 – PROBLEMAS CAUSADOS PELA PARTIDA Devido ao valor elevado da corrente de partida dos motores de indução, podem ocorrer alguns problemas tanto em relação ao próprio motor, quanto ao alimentador. Os principais são os analisados a seguir. 8.1 – Motor

Na partida, os altos valores de corrente resultam elevadas perdas por efeito Joule e, em conseqüência, há o aquecimento do motor.

Como os tempos envolvidos na partida são pequenos, grande parte do calor gerado é armazenada nas partes e membros estruturais, elevando a temperatura do rotor e do enrolamento do estator.

Os efeitos desta elevação de temperatura podem causar no rotor sérios problemas tais como dilatação dos anéis de curto-circuito e deformação das barras da gaiola. No estator, a elevação da temperatura pode atingir valores superiores à classe de isolamento e, com isto, provocar uma rápida deterioração do isolamento.

Tais problemas se agravam, se houver várias partidas sucessivas com pequeno intervalo entre elas.

Devido a este fato, as diversas normas internacionais estabelecem um regime de partida mínimo que os motores devem ser capazes de realizar, ou seja:

a) duas partidas sucessivas, sendo a primeira feita com o motor frio, isto é, com seus enrolamentos à temperatura ambiente e a segunda logo a seguir, porém após o motor ter desacelerado até o repouso.

b) Uma partida com o motor quente, ou seja, com os enrolamentos à temperatura de regime.

A primeira condição refere-se à situação em que a primeira partida do motor é malograda, por exemplo, pelo desligamento da proteção, permitindo-se uma segunda tentativa logo a seguir. Na segunda, tem-se o caso de um desligamento acidental do motor em funcionamento normal, por falta de energia na rede, por exemplo, permitindo-se retomar o funcionamento logo após o restabelecimento da energia.

Como o aquecimento durante a partida depende da inércia das partes girantes da carga acionada, as normas estabelecem os valores máximos de inércia da carga para os quais o motor deve ser capaz de cumprir as condições acima. Além desses efeitos, correntes elevadas circulando em condutores imersos em um campo magnético resultam em esforços eletrodinâmicos (força de Lorentz) entre espiras das bobinas do enrolamento do estator, nas cabeças das Note-se que, historicamente, a maior quantidade de queimas de motores de grande porte ocorre devido aos movimentos causados pela corrente de partida nas cabeças da bobina.

Se o tempo gasto na aceleração for muito longo, também pode ocorrer a atuação indevida de fusíveis ou de relés de proteção contra sobrecarga. 8.2 – Carga e Sistema de Transmissão

Devido ao torque desenvolvido na partida, é possível que ocorram choques mecânicos nos componentes do sistema de transmissão, o que pode danificá-los. Naqueles que empregam correias múltiplas e polias pode haver o deslizamento (ou seja, eles podem “patinar”).

Além disto, uma aceleração muito rápida pode provocar problemas ao produto. Máquinas têxteis, por exemplo, têm um limite máximo de aceleração, pois esta pode provocar danos aos delicados tecidos e fios. Os elevadores têm também um limite máximo de aceleração, pois, se esta for muito alta, pode acarretar mal estar e desconforto para os usuários. 8.3 – Rede Elétrica e Instalações

As altas correntes de partida podem resultar em quedas de tensão significativas nos ramais do alimentador, principalmente nos casos em que a cablagem foi mal dimensionada. Neste sentido, tem-se que:


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a) quedas de tensão entre 15 e 20% da tensão nominal poderão abrir contatores;

b) como os torques de partida e máximo variam aproximadamente com o quadrado da tensão, se a queda for elevada, o torque de partida poderá ser inferior ao inicial da carga e travar o eixo ou fazer com que o tempo de partida seja muito longo e, como conseqüência, atuar a proteção;

c) há cintilações (flicker) na iluminação; d) se existirem relés de subtensão, eles

poderão atuar; e) outros motores já em funcionamento

poderão, dependendo da carga que acionam, ter sua velocidade reduzida, um aumento de corrente e, em conseqüência, sobreaquecimento. Ainda, existe a possibilidade de um eventual travamento de eixo;

f) Outras cargas poderão ser afetadas de forma negativa, como, por exemplo, ficarem submetidas a um aumento de corrente que absorvem.

9.0 - MÉTODOS DE PARTIDA A partida direta de motores de indução trifásicos, ou seja, à tensão plena, é o método mais simples, confiável e econômico de colocá-los em operação. Entretanto, como analisado, isto pode se tornar proibitivo em muitos casos. Desta forma, dependendo do sistema, é conveniente utilizar-se de algum método para reduzir a corrente de partida. Observa-se que a escolha do melhor método dependerá da queda de tensão causada pela partida direta e do tipo de carga a acionar. A escolha do melhor método de partida depende da queda de tensão causada pela partida direta e do tipo de carga a acionar. Os métodos mais usuais para a partida são as chaves compensadoras (autotransformadores), chaves estrela-triângulo e, mais recentemente, para grandes motores, chaves estáticas (soft-starters). Todos estes métodos baseiam-se no princípio de se reduzir a tensão do alimentador no instante da partida, mas isto traz como prejuízo uma diminuição do torque de partida, pois, como visto, este varia com o quadrado da tensão. Além disto, apresentam como desvantagens, com exceção dos soft-starters, o fato de que reduzem o nível do pico da corrente de partida sem eliminá-lo e não podem ser aplicados a qualquer tipo de carga (tipo conjugado constante, conjugado variável e de alta inércia). Apesar disto, são os mais empregados onde o conjugado de partida não é crítico.

Por outro lado, quando são necessários altos conjugados de partida e baixas correntes, é comum empregar-se um motor de indução com rotor bobinado. Uma alternativa em casos críticos de queda de tensão, é a partida assistida por capacitor. 9.1 - Partida com Chave Estrela-Triângulo Este método consiste em partir o motor com seus enrolamentos conectados em estrela e, após o motor atingir uma determinada velocidade durante a aceleração, reconectá-los em ligação delta (triângulo) com o auxílio de uma chave manual ou automática. Naturalmente, para que isto seja possível, o motor deve possuir seis terminais.

Figura 11 – Princípio básico do método. A figura 12 mostra um exemplo de chave estrela-triângulo automática.

Figura 12 – Exemplo de uma chave estrela-triângulo automática.

A utilização da ligação estrela na partida é interessante, pois a tensão aplicada a cada um dos enrolamentos do estator (Uy) é igual a 1/ 3 da tensão de linha do alimentador (UL), como esclarece a figura 13.


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Figura 13 – Relação entre as tensões na conexão estrela.

Portanto:

3 = L

y

UU (2)

Desta forma, na partida, a corrente (Ipy) que circula em cada enrolamento de impedância Z é:

Z3 = = Ly

py

UZ

UI (3)

Por outro lado, na conexão triângulo a tensão de linha do alimentador (UL) é igual a tensão aplicada em cada enrolamento (Ud), como mostra a figura 14.

Figura 14 – Relação entre as tensões na conexão triângulo.

Sendo assim, se a partida ocorrer com esta conexão, a corrente de linha (Ipd) será:

ZU

ZU

I Ldpd

3 = 3= (4)

Dividindo-se (3) por (4), resulta:

ZU

U

II

L

L

pd

py

3 Z3 = (5)

Assim, a corrente de partida na conexão

estrela é 1/3 da que ocorreria se ela fosse em triângulo, ou seja:

3

= pdpy

II (6)

A figura 15 ilustra as características I = f (n), considerando-se a partida com ambas as conexões.

Figura 15 – Características I = f (n) para a partida com

conexão estrela e triângulo de um mesmo motor. A partida em estrela, entretanto, apresenta como restrição a diminuição do torque de partida (Mpy) também em 1/3, se considerado aquele que ocorreria se a partida fosse em triângulo (Mpd).

Isto se deve ao fato de que o torque de partida varia com, aproximadamente, o quadrado da tensão aplicada, ou seja, como:

3 =

3 = =

2

2

22 LL

ypy

Uk

UkUkM (7)

e,

22 = = Ldpd UkUkM (8)


MOTORES ELÉTRICOS


Então:

3 = pd

py

MM (9)

A figura 16 ilustra as características M = f (n), considerando-se a partida com ambas as conexões.

Figura 16 – Características M = f (n) para a partida com conexão estrela e triângulo de um mesmo motor.

Observe-se que torque de partida na ligação na

realidade, resulta em um decréscimo de 66,7 % do torque que poderia ser obtido na ligação triângulo. Por isso, este método é indicado para casos onde o motor pode partir a vazio ou motores cuja curva de conjugado seja elevada. Exercício de fixação

Calcular a corrente e o torque de partida do motor de indução trifásico com corrente nominal de 9,3 A e torque nominal de 12 Nm, sabendo-se que se emprega uma chave estrela-triângulo e que:

6,4 = N

p

II

e 2,7 = N

p

MM


Np II x 6,4 =

,39 x 6,4 = pI

A 9,525 = pI

Portanto, na conexão estrela, tem-se:

3

= pdpy

II

ou seja:

352,59

=pyI

Então:

A 9,841=pyI

Para o torque, tem-se:

Np MM x 2,7 =

21 x 2,7 = pM

Nm 2,43 = pM

Como:

3 = pd

py

MM

Então;

34,32

= pyM

Ou: Nm 0,81 = pyM

Observe-se que o torque de partida, nesse caso, é menor que o nominal do motor.

A comutação da chave para a passagem da conexão estrela para a triângulo deve ocorrer quando a velocidade está próxima da nominal (maior que 90 %), pois; em caso contrário, poderá haver um pico de corrente com quase a intensidade que a que ocorrer se a partida fosse direta. Por isso, este instante de comutação deve ser criteriosamente determinado para que este método possa efetivamente ser vantajoso nos casos em que a partida direta não é possível. A figura 17 ilustra o exposto através das características I = f (n).

Figura 17 – Características I = f (n) com comutação da

conexão estrela para a triângulo.


MOTORES ELÉTRICOS


A figura 18 apresenta o comportamento dos torques para a mesma situação.

Figura 18 – Características M = f (n) com comutação da conexão estrela para a triângulo.

Pelo exposto, antes de se optar pela partida estrela-triângulo é necessário verificar se o conjugado que a máquina pode oferecer é maior que o da carga, tanto na partida como no instante de comutação da chave. Em resumo e de uma forma geral, o emprego da chave estrela-triângulo apresenta as seguintes vantagens:

a) custo reduzido para baixas tensões; b) não possui limite quanto ao número de

manobras; c) os seus componentes ocupam pouco

espaço; d) a corrente de partida fica reduzida para

aproximadamente 1/3.

Como desvantagens, tem-se:

a) A chave apenas pode ser aplicada a motores com seis pontas ou terminais;

b) A tensão da rede deve coincidir com a tensão em triângulo do motor;

c) O torque de partida é reduzido em 66,7 % do que ocorreria com o motor ligado em triângulo;

d) Caso o motor não atingir pelo menos 90% de sua velocidade nominal, o pico de corrente na comutação de estrela para triângulo será quase como se fosse uma partida direta, o que se toma prejudicial aos contatos dos contatores e não traz nenhuma vantagem para a rede elétrica.

9.2 - Chave Compensadora Uma chave compensadora é formada por um autotransformador que possui tap’s (derivações) no secundário e por dispositivos de manobra, os quais permitem que ela seja automática ou manual.

A figura 19 apresenta um exemplo de um autotransformador, enquanto a figura 20, uma vista de uma chave compensadora completa contendo o autotransformador e os dispositivos de manobra.

Figura 19 – Exemplos de autotransformadores em pregados em chaves compensadoras.

Figura 20 – Chave compensadora completa.

Este método consiste em partir o motor com seus enrolamentos conectados a um dos tap’s do autotransformador reduzindo, desta forma, a tensão aplicada ao motor e, a uma certa velocidade, efetuar a comutação para a tensão plena do alimentador com o auxílio dos dispositivos de manobra.

Os tap’s do autotransformador, em geral, propiciam uma tensão secundária com valores de 65%, 80% e 100% da tensão nominal. Para aplicações em motores de maior porte há, também, o tap 50%.


MOTORES ELÉTRICOS


A figura 21 ilustra o exposto.

Figura 21 – Aplicação da chave compensadora, com autotransformador no tap 65 %.

Chamando-se de k à relação de transformação do autotransformador tem-se:

1

2

2

1 = = p

p

II

UU

k (9)

Considerando-se o motor conectado em estrela por facilidade de análise (poderia ser em triângulo que o resultado é o mesmo), tem-se que a corrente de partida para um tap qualquer (I2p) é:

Z3= 2

2

UI p (10)

Mas:

= 12 k

UU (11)

Então:

kU

I p Z3= 1

2 (12)

Desta forma, a corrente de partida em uma fase do alimentador (Ip1) é:

kI

I pp

21 = (13)

Portanto:

212

1 Z3 = =

kU

kI

I pp (14)

Por outro lado, se a partida fosse realizada à tensão plena do alimentador, a corrente de partida (Ip100) seria:

Z3= 1

100

UI p (15)

Substituindo-se (15) em (14), resulta:

= 2100

1 kI

I pp (16)

Em outras palavras, quando se emprega uma

chave compensadora, a corrente de partida no alimentador é reduzida do quadrado da relação de transformação do tap utilizado em relação à partida direta.

Sabendo-se que no:

a) tap 50%:

2= 5,0

= = 1

1

2

1

UU

UU

k

b) tap 65%

54,1= 65,0

= = 1

1

2

1

UU

UU

k

c) tap 80%

25,1= 8,0

= = 1

1

2

1

UU

UU

k

Tem-se que a corrente de partida será, para o:

a) tap 50%:

1002100

2100

50 25,0=2

= = ppp

p II

kI

I


MOTORES ELÉTRICOS


b) tap 65%

1002100

2100

65 4225,0=54,1

= = ppp

p II

kI

I

c) tap 80%

1002100

2100

80 64,0=25,1

= = ppp

p II

kI

I

Um inconveniente deste método é o fato de que o torque de partida diminui na mesma proporção que a corrente, conforme o tap utilizado. Assim:

a) tap 50%:

1002100

2100

50 25,0=2

= = ppp

p MM

kM

M

b) tap 65%

1002100

2100

65 4225,0=54,1

= = ppp

p MM

kM

M

c) tap 80%

1002100

2100

80 64,0=25,1

= = ppp

p MM

kM

M


Calcular a corrente e o torque de partida do motor de indução trifásico com corrente nominal de 9,3 A e torque nominal de 12 Nm, sabendo-se que se emprega uma chave compensadora no tap 65% e que:

6,4 = N

p

II

e 2,7 = N

p

MM


Np II x 6,4 = 100

,39 x 6,4 = 100pI

A 9,525 = 100pI

Portanto, para o tap 65%, tem-se:

10065 4225,0= pp II

ou seja: 52,59 x 0,4225=65pI

Então:

A 5,152=65pI

Para o torque, tem-se:

Np MM x 2,7 = 100

21 x 2,7 = 100pM

Nm 2,43 = 100pM

Como:

10065 4225,0 = pp MM

Então; 4,32 x 0,4225 = 65pM

Ou: Nm 3,71 = 65pM

Observe-se que no tap 65 %, tanto a corrente quanto o torque de partida, assumem valores próximos ao que se obteria com a utilização da chave estrela-triângulo nas mesmas condições.

As características I = f (n) e M = f(n), considerando-se a partida com tensão plena e a com um tap qualquer, são semelhantes às mostradas na figura 7 e às das figuras 17 e 18 quando ocorre a comutação. As características I = f(n) e M = f(n), considerando-se a partida com tensão plena e a com um tap qualquer, são semelhantes às mostradas na figura 7 e às das figuras 17 e 18 quando ocorre a comutação. Em resumo e de uma forma geral, o emprego da chave compensadora apresenta as seguintes vantagens:

a) a própria reatância do autotransformador amortece o degrau da corrente criado pela comutação ao se aplicar a tensão da rede.

b) É possível fazer a comutação para de 65 para 80% ou até para 90% da tensão da rede antes de aplicar tensão plena ao motor, de modo que se tenha uma partida suave e satisfatória.

Como desvantagens, tem-se:

a) Freqüência de manobras limitada;


MOTORES ELÉTRICOS


b) Preços maiores do que os da chave estrela-triângulo, devido à presença do autotransformador e à conseqüente necessidade de quadros maiores e mais volumosos.

9.3 - Partida com Soft-Starter

O soft-starter (ou chave estática) consiste de um conjunto de pares de tiristores (ou de tiristores e diodos) conectados em antiparalelo, que são comandados por uma placa eletrônica de controle, a fim de ajustar a tensão de saída, conforme uma programação feita pelo usuário.

Figura 22 – Soft-starter aplicado a um motor.

Figura 23 – Painel com soft-starter.

O controle do ângulo de disparo dos tiristores permite a variação do valor eficaz de tensão aplicada ao motor durante a partida e, desta forma, consegue-se uma aceleração suave. Ao final da partida, ajustável conforme a aplicação, a tensão atinge seu valor pleno linearmente através de uma rampa ascendente, sem a ocorrência de saltos repentinos de tensão, como ocorre com os métodos de partida por autotransformador, por exemplo. Portanto, o soft-starter permite a partida do motor com uma aceleração constante, fazendo com que a velocidade varie de zero até a nominal pela variação contínua da tensão do estator entre zero e a tensão nominal. O torque produzido pode ser ajustado às necessidades da carga, garantindo a mínima corrente necessária para a partida.

A título de ilustração, as figuras 24 e 25 apresentam exemplos das características I = f(n) e M = f(n), considerando-se a partida direta e com o soft-starter.

a) Característica M = f (n).

b) Característica I = f (n).

Figura 24 – Características de partida com o emprego do soft-starter.


MOTORES ELÉTRICOS


A utilização de controladores micro-processados para os soft-starters permite ampliar o seu número de funções de controle, não se limitando a, apenas, ligar e desligar o motor. Algumas destas funções são, resumidamente, as seguintes:

a) Função partida suave: o tempo de aceleração do motor pode ser controlado;

b) Função limitação de corrente: limita a corrente a valores pré-determinados;

c) Função partida de bombas hidráulicas: reduz o chamado golpe de aríete que ocorre quando há desligamento do motor;

d) Função parada suave: permite que o tempo de desaceleração do motor possa ser controlado, reduzindo-se gradualmente a tensão do motor ao invés de desligá-lo da rede;

e) Função freio: o disparo dos tiristores pode ser feito de forma assimétrica, aplicando ao motor uma tensão desequilibrada que cria um torque de sentido oposto ao da rotação, freando o motor.

Em resumo e de uma forma geral, o emprego dos soft-starters apresenta as seguintes vantagens:

a) Alívio ao motor e a máquina acionada; b) Desgastes reduzidos; c) Baixa solicitação na rede; d) Colocação em funcionamento (alta

flexibilidade); e) Economia de energia;

f) Permite o uso de motor com 3 pontas acessíveis.

9.4 – Partida com Resistências no Rotor

Nos motores com rotor bobinado, a corrente de partida pode ser controlada pela inserção de resistências no circuito rotórico. Se, no entanto, o motor partir com os anéis curto-circuitados, a corrente assume valores maiores que a de um motor gaiola semelhante e o torque de partida, em geral, assume um valor inferior ao nominal.

Figura 25 – Partida de motor com inserção de resistências no rotor.


MOTORES ELÉTRICOS

CAPÍTULO 7: IDENTIFICAÇÃO DE MOTORES DE

INDUÇÃO TRIFÁSICOS

RESUMO O objetivo deste capítulo é o de comentar os dados fornecidos na placa de identificação, em catálogos e folhas de dados ("data sheets") dos motores de indução trifásicos. 1.0 - INTRODUÇÃO Como citado anteriormente, a característica nominal é um conjunto de valores nominais atribuídos às grandezas que definem o funcionamento de um motor, em condições especificadas por norma e que servem de base à garantia de fabricantes e aos ensaios. Deve-se enfatizar que nem sempre tais grandezas definem os limites operacionais da máquina. Normalmente, tais grandezas são fornecidas pelo fabricante em folhas de dados ("data sheets") quando solicitado pelo usuário e, além disto, constam da placa de identificação dos motores ou em catálogos. Estas duas últimas formas de apresentar as características nominais suscitam algumas dúvidas quanto às suas validades. Na verdade, é necessário verificar se os dados fornecidos se referem a valores típicos, médios ou garantidos, se as perdas adicionais estão inclusas na sua determinação, qual o método de ensaio utilizado para obtê-los e qual o nível de confiança que o usuário deseja. Adicionalmente, tem-se que a diversidade na qualidade dos materiais empregados e da mão de obra levam a desempenhos distintos para motores com as mesmas características e projetos. Desta forma, há uma grande incerteza no emprego em tais dados, porém, em alguns casos, são as únicas fontes de informações disponíveis. Os resultados fornecidos na folha de dados são estimados, conforme estabelecido pela norma NBR 7094 [1], a menos que haja um acordo entre fornecedor e usuário. Neste caso, pode-se solicitar um relatório de ensaio ("Test Report"). Note-se que tais ensaios são executados em laboratórios e podem seguir várias normas. Entretanto, um mesmo motor ensaiado seguindo normas diferentes, apresenta valores (principalmente, quanto às perdas e rendimentos) fortemente divergentes entre si. Observa-se que,

mesmo métodos considerados precisos (como o dinamômetro, no caso de rendimento) apresentam diversas fontes de erros. 2.0. - DADOS DE PLACA E DE CATÁLOGOS 2.1. - Dados de Placa A placa de identificação contém símbolos e valores que determinam as características da rede de alimentação e desempenho do motor, apesar das incertezas para a sua plena utilização. Os dados principais, que devem constar na mesma, bem como as abreviações recomendadas, são definidas pela NBR 7094 [1], ou seja:

a) Nome do fabricante; b) Tipo de motor; c) Modelo do motor (MOD); d) Número de série (Nb); e) Potência nominal (CV ou kW); f) Tensão nominal em que o motor pode operar

(V); g) Número de fases; h) Corrente nominal (A); i) Freqüência da rede de alimentação (Hz); j) Velocidade de rotação nominal (rpm); k) Classe de temperatura (ISOL); l) Categoria de desempenho (CAT); m) Relação entre a corrente do rotor bloqueado

e a corrente nominal (IP/IN); n) Número da norma; o) Grau de proteção do motor (IP); p) Regime tipo (REG); q) Fator de serviço (FS); e, r) Diagrama de ligações para cada tensão de

trabalho. Para motores de uso naval são fornecidas as seguintes informações adicionais: Ano de fabricação; Temperatura de serviço (essencial ou não essencial); Tipo de rolamentos utilizados e Peso do motor (Kg).

________________________________________________________________________________________________ Capítulo 7: Identificação de Motores de Indução Trifásicos - 52

A figura 1 apresenta um exemplo de placa de um motor de indução trifásico.


MOTORES ELÉTRICOS

Figura 1 – Exemplo de placa de identificação de um MIT. 2.2 - Dados de Catálogo Os catálogos podem ser considerados como uma espécie de serviço prestado ao consumidor pelo fabricante (além, é claro, de estratégia de marketing); assim, não há qualquer compromisso sobre quais as grandezas a serem fornecidas, o que reforça as restrições ao seu uso expostas no tópico anterior. Infelizmente, em alguns catálogos, a quantidade de informações está abaixo da crítica, mesmo para os padrões nacionais. Porém, em geral, as informações disponíveis em catálogos de motores em gaiola são:

a) Potência; b) Tensão (ões) do estator; c) Número de pólos; d) Freqüência; e) Rotação nominal e síncrona; f) Corrente nominal do estator; g) Relação entre corrente de partida e a

nominal, h) Conjugado de partida e máximo em relação

ao nominal, i) Rendimento, j) Fator de potência;

k) Fator de serviço; l) Momento de inércia; e, m) Massa.

Alguns trazem a indicação do tempo de rotor

bloqueado, bem como, o rendimento e fator de potência correspondentes a 50, 75 e 100% da potência nominal.

Além disto, estão presentes os dados dimensionais e o tipo de carcaça. Para os motores com rotor bobinado, normalmente, tem-se:

a) Potência; b) Tensão do estator; c) Freqüência; d) Corrente do estator; e) Número de pólos; f) Tensão do rotor parado; g) Corrente rotórica nominal sem resistências

externas ao rotor; h) Fator de potência nominal; i) Rendimento nominal; j) Momento de inércia da parte tracionada; e,


k) Tempo de rotor bloqueado.


MOTORES ELÉTRICOS

Como informação adicional, são fornecidas as potências e momento de inércia conforme o regime de trabalho e o grau de intermitência (ou tabelas de fatores multiplicativos). 2.3 - Folha de Dados De acordo com a NBR 7094, os dados mínimos a serem fornecidos são, basicamente, os mesmos que os citados como de catálogo. Observe-se

que, salvo acordo em contrário, os dados são "estimados".

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA [1] Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT)

- “NBR 7094 – Máquinas Elétricas Girantes – Motores de Indução”. ABNT, dez/81.



MOTORES ELÉTRICOS

CAPÍTULO 8: METODOLOGIAS PRÁTICAS PARA

A AVALIAÇÃO DE CARACTERÍSTICAS OPERACIONAIS

RESUMO

Este texto apresenta várias metodologias práticas para a avaliação de características operacionais de motores de indução trifásicos em sua própria plataforma de trabalho. 1.0 - INTRODUÇÃO

Há um grande interesse em se determinar as características de desempenho de motores de indução trifásicos, podendo-se utilizar para tanto muitos procedimentos normalizados ou não. Nos procedimentos normalizados há a necessidade de se executar ensaios em laboratório, que empregam equipamentos dificilmente transportáveis para campo ou disponíveis (caso muito freqüente, mesmo em oficinas elétricas). Naturalmente, esta situação torna-se restritiva quando há a necessidade de se averiguar as situações operacionais reais do conjunto motor-carga. Em função destes fatos, este capítulo apresenta algumas várias metodologias e formulações para a avaliação dos motores em seu próprio local de trabalho, com equipamentos e instrumentos acessíveis a quaisquer usuários. Elas se baseiam em medições facilmente executáveis e em dados de placa ou de catálogos de fabricantes. 2.0 - AVALIAÇÃO DA POTÊNCIA – MÉTODO DA

LINEARIZAÇÃO DA CURVA I = f(P)

Quando se procede ao exame de um motor, é indispensável verificar se ele está desenvolvendo a potência para o qual está especificado, ou então, qual o valor da potência que ele está fornecendo.

A avaliação dessa potência, entretanto, é de difícil determinação por medição direta devido a impraticabilidade de se adaptar, na quase totalidade dos casos, um transdutor de torque ao eixo ou, conforme as normas estabelecem, empregar-se o freio eletrodinamométrico. Tais metodologias são mais

adequadas a laboratórios especializados que a campo ou, mesmo, oficinas elétricas.

Desta forma, é conveniente determinar a potência de modo indireto e aproximado, com um erro aceitável para o uso diário.

O procedimento que se sugere a seguir, se constitui no traçado aproximado da curva corrente do estator em função da potência no eixo, ou seja, I = f(P), como descrito a seguir: 1° passo - Traçar, com uma escala adequada, os eixos

do gráfico cujas coordenadas representam a corrente (em A) e a potência (em HP, CV ou KW);

2° passo - Marca-se um ponto correspondente à metade

da corrente lida com o motor em vazio (I0) para potência nula e, um segundo, para a potência (PN) e corrente nominal (IN). Ligá-los através de uma reta, como ilustra a figura 1.

Figura 1 – Marcação dos pontos iniciais.

________________________________________________________________________________________________ Capítulo 8: Metodologias Práticas Para a Determinação de Características Operacionais - - 55

3° passo - Marcar nesta reta o ponto correspondente a 50 % da potência nominal e o de I0 para potência nula, como ilustra a figura 2.


MOTORES ELÉTRICOS

Além disto, utiliza-se uma aproximação

adicional, a qual se constitui em se considerar que a velocidade do motor operando com rotor livre é igual à síncrona.

Figura 2 – Marcação dos pontos adicionais.

4° passo – Ligar através de uma reta os pontos

marcados e, com uma segunda, o de 50% de PN e o de 100% de PN, conforme mostrado na figura 3.

Figura 4 – Linearização da curva I= f (n) na região de

operação do motor.

Considerando-se estas aproximações, a velocidade do motor é dada por:

)-

-)(-( -=

0

0

IIII

nnnnN

NsS (1)

Onde: nN – velocidade nominal do motor (dado de placa), em

rpm; nS – velocidade síncrona, em rpm; I – corrente medida, em A; IN – corrente nominal (dado de placa), em A;

Figura 3 – Curva I = f (P) - final. I0 – corrente com o rotor livre, em A.

Efetuando-se leitura da corrente absorvida pelo motor em operação com um amperímetro alicate, por exemplo, marca-se este valor na curva obtida, determinando-se a potência no eixo para a situação específica.


Seja um motor com os seguintes dados de placa:

5 CV, 440 V, 11,7 A, 60 Hz, 1.169 rpm. Medindo-se a corrente absorvida pelo motor em operação com um amperímetro alicate obteve-se 10 A. Nestas condições, calcular a velocidade desenvolvida.

3.0 – AVALIAÇÃO DA ROTAÇÃO – MÉTODO DA LINEARIZAÇÃO DA CURVA I = f(n)

Este método é aplicável para aquelas instalações onde a ponta do eixo do motor é de difícil acesso ou inacessível. Com ele é possível estimar a velocidade a partir da simples medição da corrente absorvida pelo motor, realizada, por exemplo, com um amperímetro alicate.

Solução: Dos dados de placa fornecidos, tem-se: nN = 1.169 rpm; nS = 1.200 rpm e IN = 11,7 A.


A corrente I0 deve ser medida com o rotor livre. Na impossibilidade de isto acontecer, é

Ele se baseia no pressuposto de que a corrente e a velocidade se relacionam linearmente na região de operação do motor, como ilustrado na figura 4.


MOTORES ELÉTRICOS

n - velocidade correspondente à carga do motor (M)

que pode ser medida diretamente no eixo (os resultados serão mais precisos) ou calculada como mostrado no procedimento anterior.

razoável supor que ela seja, aproximadamente, 30 % da corrente nominal. Então:

A 51,3=7,11 x 3,0= x 3,0=0 NII

Sendo a corrente medida: O conjugado nominal não é dado de placa, mas, como visto anteriormente, pode ser facilmente calculado através de:

A 10=I

N

NN n

PM 55,9= (3)

tem-se de (1):

)51,3-7,11

,513-10)(169.1-200.1(-200.1=n

Se for combinada a expressão (2) com a (1), obtêm-se o valor do torque a parir da medição de corrente, ou seja:

Portanto:

rpm 4,175.1=n

NN

MII

IIM )

--

(=0

0 (4) 4.0 – AVALIAÇÃO DO TORQUE – MÉTODO DA

LINEARIZAÇÃO DA CURVA M = f(n) Onde: O princípio básico deste método é a

linearização da curva M = f(n), na região de operação do motor , como ilustra a figura 5.

I – corrente medida, em A; IN – corrente nominal (dado de placa), em A; I0 – corrente com o rotor livre, em A.


Calcular o torque desenvolvido pelo motor, quando a sua rotação é aquela determinada no exercício anterior para uma corrente de 10 A. Solução: Para o motor do exemplo anterior, tem-se:

N

NN n

PM 55,9=

Figura 5 – Linearização da curva M = f (n) na região de operação do motor.

691.1736 x 5

9,55=NM Considera-se como um ponto da curva o par conjugado e velocidade nominais (MN e nN, respectivamente), os quais são supostos como verdadeiros. Assim, a carga no eixo do motor é dada por:

MN = 30 Nm Assim,

NNS

S Mnnnn

M--

=

NNS

S Mnnnn

M--

= (2)

30169.1-200.1

4,175.1-200.1=M

Onde: Ou seja, o conjugado desenvolvido é,

aproximadamente, de: nN – velocidade nominal do motor (dado de placa), em rpm;


M = 23,8 Nm nS – velocidade síncrona, em rpm;


MOTORES ELÉTRICOS

Se a corrente absorvida pelo motor é de 8 A

(medida, por exemplo, com um amperímetro alicate), a consulta às curvas se dá conforme o ilustrado na figura 7.

O mesmo resultado é obtido empregando-se a expressão (4) para a corrente de 10 A, ou seja:

NN

MII

IIM )

--

(=0

0

30),513-1,71

,513-01(=M

Ou, aproximadamente:

M = 23,8 Nm Observe-se que com estes dois resultados é possível calcular-se a potência no eixo, ou seja:

P = 1,05 M n

P = 1,05 x 24,2 x 1.175 Ou seja, a potência no eixo é de, aproximadamente:

P = 2,97 kW = 4 CV 5.0 – CURVAS CARACTERÍSTICAS

Em termos práticos, a utilização das curvas características permite a determinação das várias grandezas do motor a partir de uma simples medição de corrente.

De modo a esclarecer esse processo, supõe-se a seguir um motor com as curvas características da figura 6.

Figura 6 – Curvas características de um motor – Exemplo.

Figura 7 – Utilização das curvas características a partir de uma medição de corrente – Exemplo.

Das curvas da figura 7, para uma corrente de 8 A, tem-se:

P = 90 % (ou 2,7 CV) ; = 0,82 (82 %); e, cos = 0,79 (79 %).

A rotação em porcentagem da síncrona é:

n % = 96,5 % Ou seja:

n = 0,965 x 1800 = 1.737 rpm. O escorregamento é:

S

S

nnn

s -

=

800.1

737.1 -800.1=s

035,0=s As perdas totais são:

PPeT )1 - 1

( =



MOTORES ELÉTRICOS

M = 9,55 nP

736 x 3 x 0,9 x 1) - 82,01

( = TPe

kW 0,436 = W 436 = TPe O torque, por outro lado, pode ser calculado por:

7371736 x 3 x 0,9

9,55=M

M = 10,9 Nm



MOTORES ELÉTRICOS

CAPÍTULO 9: MOTORES DE CORRENTE

CONTÍNUA

Observa-se que a evolução acionamentos controlados dos motores de indução trifásicos, principalmente aqueles que empregam inversores, diminuem as vantagens e evitam as desvantagens citadas. Desta forma, há, no momento, uma tendência da redução do uso de motores de corrente contínua, mas, mesmo assim, ainda são amplamente utilizados.

RESUMO

Este capítulo apresenta o princípio de funcionamento das máquinas de corrente contínua. 1.0 - INTRODUÇÃO Máquinas de corrente contínua são conversores rotativos que transformam energia elétrica contínua em energia mecânica, ou vice-versa, utilizando-se dos fenômenos da indução e conjugados eletromagnéticos. Sendo assim, podem exercer uma ação geradora ou motora.

2.0 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 2.1 – Motor Elementar

Considere-se uma espira com dois anéis coletores soldados em cada uma de suas extremidades, a qual é imersa em um campo magnético uniforme criado entre os pólos norte e sul e alimentada por uma fonte de corrente contínua externa através de escovas, como mostrado na figura 1.

Os geradores de corrente contínua, também conhecidos por dínamos, foram amplamente empregados no passado, porém, na atualidade, sua utilização é rara, pois foram substituídos por conversores estáticos em instalações industriais.

Os motores de corrente contínua possuem características construtivas e de funcionamento que os destacam como a melhor opção para várias aplicações, tais como:

a) Em acionamentos onde se requerem uma larga

faixa de variação de velocidade de forma contínua;

b) Em cargas que necessitam torque constante ou variável, ou uma combinação de ambos, como é comum em muitos processos;

c) Onde rápidas acelerações, desacelerações ou reversões de velocidade são necessárias como, por exemplo, em guindastes e tração elétrica;

d) Quando há a necessidade de controle de velocidade preciso, tais como em bobinadeiras e desbobinadeiras;

Figura 1 - Motor elementar.

e) Onde há a necessidade de se manter uma correlação precisa de velocidade entre duas ou mais partes de uma linha de processo;

Note-se na figura 1 que a corrente circula por ambos os lados da espira, resultando em uma força de origem eletromagnética (força de Lorentz) em cada uma delas. f) Há a exigência de frenagem regenerativa com

conjugados (torques) variáveis.

________________________________________________________________________________________________ Capítulo 9: Motores de Corrente Contínua - 60

Tais forças possuem a mesma intensidade (são proporcionais à mesma corrente), sentidos contrários e estão separadas por uma distância (ou passo da espira) d. Desta forma, desenvolvem um conjugado ou torque M (e movimento, conseqüentemente), como ilustra a figura 2.

Esses motores, entretanto, apresentam grandes desvantagens tais como o custo inicial, a necessidade de manutenção mais freqüente e a atenção com problemas de comutação.


MOTORES ELÉTRICOS

a) Posição 1 – Torque máximo (fluxo nulo).

Figura 2 – Forças e torque na espira.

A figura 3, por outro lado, mostra a espira após um pequeno deslocamento angular em relação ao anterior (tracejada na figura), devido ao início do movimento.

b) Posição 2 – Torque nulo (fluxo máximo).

Figura 3 – Deslocamento angular da espira devido ao início do movimento.

Pela análise das situações da figura 3, verifica-se

d1 < d

Como:

M = F x d e M1 = F x d1

Então:

M1 < M

b) Posição 3 – Torque máximo (fluxo nulo).

Figura 4 - Situações operacionais do motor elementar. Desta forma, tem-se que o torque na nova posição é menor que o da primeira. Em outras palavras, durante o movimento, o torque assumirá diversos valores entre um máximo e o nulo, como ilustra a figura 4.


A análise da figura 4 revela que o torque máximo ocorre com a espira na posição 1 e, nesta situação, o fluxo que a atravessa é nulo. Na posição 2,


MOTORES ELÉTRICOS

no entanto, o fluxo é máximo, porém o torque é nulo. Na posição 3, o torque também é máximo, porém aplicado no sentido contrário ao inicial e o fluxo que atravessa a espira também será nulo. Pelo exposto, verifica-se que, embora se atue como um motor, o movimento da espira é oscilatório, ou seja, o torque desenvolvido é alternado, como ilustrado na figura 5.

Figura 5 - Característica M = f(t). a) Posição 1 – Torque máximo (fluxo nulo).

2.2 – Utilização de Teclas

Naturalmente, a característica descrita no item anterior é indesejável, pois há o interesse em que o movimento seja realizado sempre no mesmo sentido e, para tanto, o torque deve ser aplicado igualmente sempre no mesmo sentido.

De modo a tornar isto possível, utiliza-se apenas um dos anéis coletores, separado em duas partes (ou teclas) isoladas uma da outra, no lugar dos dois e soldando-se as pontas da espira em cada uma dessas partes. Nesta situação, obrigatoriamente, as escovas terão polaridade independente da posição da espira, como mostrado na figura 6.

b) Posição 2 – Torque nulo (fluxo máximo).

Figura 6 – Motor elementar com escovas de polaridade fixa.



Figura 7 - Situações operacionais com o emprego de teclas.

Para esta disposição das escovas e teclas, têm-se as situações operacionais mostradas na figura 7.


MOTORES ELÉTRICOS

Observa-se que o torque, embora se desenvolva no mesmo sentido, é pulsante.

Naturalmente, quanto mais espiras e respectivas teclas, menos oscilação a característica M = f(t) apresentará. O conjunto de teclas é chamado de comutador, enquanto o de espiras, de armadura.

Figura 8 - Característica M = f(t). 2.3 – Atenuação das Oscilações de Torque A oscilação do torque pode ser atenuada inserindo-se uma segunda espira, em cujos terminais estão soldadas duas outras teclas (provenientes de uma nova subdivisão do anel), como mostra a figura 9. Figura 11 – Comutador – Exemplo.

Figura 12 – Armadura – Exemplo.

Figura 9 – Inserção de mais uma espira e teclas.

Observe-se na figura 9, que, considerando-se individualmente cada espira, elas produziriam o respectivo torque defasado um do outro. Desta forma, ao girar, as teclas de uma delas finalizam o contato com as escovas, enquanto que as da outra iniciam. Assim, a corrente ora circula por uma delas, ora pela outra, obtendo-se um torque resultante como o da figura 10. Figura 13 – Armadura e comutador.

2.4 – Aumento dos Valores de Torque Da maneira exposta nos itens anteriores, o maior valor de torque possível de se obter é aquele correspondente ao máximo de uma espira.


Para se conseguir resultados maiores, é necessário que hajam mais espiras sofrendo a atuação das forças de Lorentz. Figura 10 - Característica M = f(t).


MOTORES ELÉTRICOS

Uma solução encontrada para tanto foi a de se aproveitar a necessidade de se empregar várias espiras para que o torque se desenvolva sempre no mesmo sentido e a sua oscilação seja atenuada.

Conectando-se tais espiras em série, porém mantendo seus terminais soldados àa respectivas teclas, resulta um enrolamento sem fim nem começo. A figura 14 ilustra para apenas duas espiras, mas o princípio é válido para todas elas.

a) Posição 1 – Torque nulo (fluxo máximo).

Figura 14 – Ligação das espiras em série. Desta forma, as espiras serão percorridas pela mesma corrente e, assim, surgirão as forças de Lorentz com a mesma intensidade sobre os lados de cada uma delas. Como elas estão dispostas em posições distintas em relação ao campo magnético, os valores desenvolvidos de torque em cada uma são diferentes. Assim, eles se somam, resultando em um valor maior que o de apenas uma. A figura 15 esclarece o exposto.


c) Posição 3 – Torque nulo (fluxo máximo).

Figura 15 – Ligação das espiras em série.

3.0 – TENSÃO INDUZIDA

De acordo com o exposto anteriormente, ao se alimentar a espira com uma fonte externa, ela gira. Como ela está imersa em um campo magnético, ocorrerá um movimento relativo entre ambos. Naturalmente, conforme a espira gira, a quantidade de linhas de campo (ou seja, o fluxo magnético) que a cruza se altera para cada posição que assume, como se comprova pelas situações operacionais da figura 14.

d) Posição 4 – Torque máximo (fluxo nulo).


Figura 16 - Situações operacionais.


MOTORES ELÉTRICOS

Na figura 16, verifica-se que o máximo fluxo

que atravessa a espira ocorre na posição 1 e nulo na 2. A partir desse ponto, o fluxo atravessa a espira em sua face oposta. Desta forma, o fluxo também será máximo na posição 3 e nulo na 4 e, assim, indefinidamente. Em outras palavras, o fluxo é variável no tempo (alternado) quando se adota a espira como referência, como ilustrado na figura 17.

Figura 17 – Fluxo variável no tempo para a espira.

Figura 19 – Grandezas no motor de corrente contínua. Desta forma, pela lei de Faraday-Lenz, será

induzida uma tensão nos terminais da espira, que é alternada, como representado na figura 18.

4.0 - EXCITAÇÃO Os pólos norte e sul citados até esse ponto são eletroímãs nos motores industriais, na realidade. Apenas para pequenas aplicações, eles são constituídos por imãs permanentes.

Assim, eles possuem várias espiras enroladas em torno de cada um deles formando o denominado enrolamento de campo ou de excitação.

A corrente que circula pelas espiras recebe o nome de corrente de excitação ou de campo ou de magnetização.

Figura 18 - Força eletromotriz (tensão) induzida nos terminais de uma espira. Desta forma, pode-se aumentar ou diminuir o

fluxo magnético, dentro de certos limites, alterando-se a corrente de excitação.

Observe-se que, conforme diminui o número de linhas cruzando a espira, aumenta-se a tensão induzida e vice-versa.

Neste sentido, ressalta-se um fato importante, ou seja, quando o fluxo é máximo a tensão induzida é nula. Portanto, se uma espira estiver posicionada a 900 do campo, a tensão induzida em seus terminais será nula.

A retificação da tensão induzida e a redução de sua ondulação são efetuadas da mesma maneira que ocorre para o torque. Deve-se atentar para o fato de que, obrigatoriamente, a tensão induzida deverá se opor à da fonte e, desta forma, ela é chamada de força contra eletromotriz induzida (E). A tensão da fonte, por outro lado, é denominada de tensão de armadura (UA), enquanto a corrente que circula pelas espiras de corrente de armadura (IA).


Figura 20 – Representação do circuito de campo de um motor de corrente contínua.

Devido ao fato de ser a parte da máquina onde se induz tensões, a armadura também é chamada no jargão técnico de induzido.


MOTORES ELÉTRICOS

a) posição 1: ainda não alcançou a zona de

comutação. Nestas condições, o sentido das correntes que fluem pelo conjunto escova - tecla é composto pela contribuição das espiras B e C, com metade cada uma do total;

b) posição 2: faz contato com as teclas a e b simultaneamente e curto-circuitando a espira B. A corrente total é o resultado da contribuição das espiras A e C;

c) posição 3: faz contato com a tecla a apenas, obtendo-se uma situação semelhante à descrita para a posição 1. Entretanto, a contribuição da espira B é feita pelo lado oposto ao inicial, ou seja, sua parcela de contribuição de corrente inverteu de sentido.

Figura 21 – Pólos e enrolamento de campo – Exemplo. Desta forma, verifica-se que o processo de

comutação implica, necessariamente, na inversão de corrente na espira comutada e, portanto, ela é alternada em seu interior. Isto, aliás, justifica a necessidade de se utilizar chapas de aço silício na construção do circuito magnético da armadura.

5.0 - COMUTAÇÃO

A comutação é o processo no qual, devido ao giro da armadura, há a troca de uma tecla que faz contato com a escova por outra, permitindo que o conjugado (torque) se desenvolva uniformemente. A figura 22 ilustra.

Figura 23 – Corrente na espira comutada.

Devido à presença das indutâncias das espiras,

não é possível que a comutação ocorra instantaneamente, pois isto resulta em um degrau de corrente, como ilustrado na figura 23. Desta forma, necessariamente, haverá um certo tempo de comutação.

Figura 22 – Processo de comutação.

Analisando-se a figura 22 e supondo-se que a

largura da escova seja igual à da tecla do comutador, pode-se observar que a escova na:


Figura 24 - Inversão da corrente durante a comutação.


MOTORES ELÉTRICOS

Note-se que na passagem da posição 1 para 2,

a corrente da espira variou e devido à indutância da espira gera-se uma tensão de auto-indução, a qual denomina-se “tensão de reatância”.

Além disto, quando a escova possui uma largura superior a de uma tecla, várias seções vizinhas são comutadas simultaneamente, as quais podem estar localizadas na mesma ranhura ou em ranhuras sucessivas. Neste caso, numa seção curto-circuitada, originam-se tensões devido ao fenômeno da indução mútua, cuja tendência é aumentar a tensão de reatância.

Figura 26 – Corrente de circulação. Por este motivo, a comutação sempre deve ser feita sobre a linha neutra, onde tais problemas não ocorrem, pois, nela, a tensão entre teclas adjacentes é nula.

Devido aos fatos descritos, há a possibilidade de ocorrência de faiscamento sob as escovas, cuja intensidade depende do nível da corrente comutada e da indutância da espira curto-circuitada. Assim, é necessário calar as escovas (ou seja,

assentá-las) sobre a linha neutra para evitar faiscamentos.

6.0 - LINHA NEUTRA

Como visto anteriormente, o fluxo que atravessa uma dada espira é máximo quando esta se encontra em um plano perpendicular ao campo e, sendo assim, não há tensão induzida na espira. Esta posição recebe o nome de plano neutro ou linha neutra.

7.0 - REAÇÃO DE ARMADURA

Se um motor for excitado, porém estando o circuito da armadura desernegizado, ocorra uma situação semelhante à da figura 27.

Figura 27 – Representação de um motor excitado com o circuito da armadura desernegizado.

Neste caso, a linha neutra está em seu lugar de origem e as escovas devem ser caladas sobre ela.

Figura 25 – Linha ou plano neutro. Note-se que, no momento em que ocorre a comutação, a escova curto-circuito momentaneamente a tecla subseqüente. Se no momento em que isto ocorrer existir uma diferença de potencial entre uma tecla e outra, uma corrente elevada circulará através da escova. Quando ela se desconecta da tecla anterior, aparece um arco elétrico, o chamado flashover. Este arco é constante e extremamente prejudicial ao comutador pois o arco elétrico funde o cobre, inutilizando-o rapidamente.

Figura 28 – Fluxo e linha neutra um motor excitado com o circuito da armadura desernegizado.


Por outro lado, ao energizar o circuito de armadura e com a inserção de carga no eixo, há a circulação de corrente pelo seu enrolamento. Nesta situação, como se sabe, a corrente produzirá um fluxo, o qual é conhecido por “fluxo de reação da armadura”.


MOTORES ELÉTRICOS

A figura 29 ilustra o fenômeno, desconsiderando-se o campo magnético principal para facilitar a compreensão.

Figura 32 – Deslocamento da linha neutra. A figura 33 ilustra a interação do fluxo principal e o da reação da armadura, onde se observa que o fluxo resultante não está apenas deslocado, mas também distorcido.

Figura 29 – Representação de um motor com circulação de corrente no circuito da armadura.

Desta forma, a máquina reage à colocação de carga criando um fluxo diferente e perpendicular ao principal, ou seja, na direção da linha neutra.

Figura 33 - Interação do fluxo principal e o da reação da armadura para deslocar a linha neutra.

Desta forma, como as escovas foram

assentadas sobre a linha neutra original, com o deslocamento, elas estarão operando em condições desfavoráveis originando faiscamento (ou centelhamento).

Figura 30 - Fluxo de reação da armadura e linha neutra. Considerando-se simultaneamente as duas situações (ou seja, sobrepondo-as) em uma condição real de operação, verifica-se que o fluxo principal e o de reação da armadura se compõem, originando um campo resultante.

8.0 - PÓLOS AUXILIARES OU DE COMUTAÇÃO

(INTERPÓLOS)

Para evitar o deslocamento da linha neutra, a solução mais prática é cancelar (mesmo que apenas parcialmente) o fluxo de reação da armadura. Para tanto, é necessário que seja produzido um fluxo magnético adicional com mesma intensidade, porém de sentido oposto, a ele.

Figura 31 – Fluxo resultante.

Naturalmente, o posicionamento do fluxo resultante em relação à linha neutra original, depende da corrente de armadura (ou seja, da carga). Como a linha neutra sempre possuirá uma posição perpendicular ao campo, ela se deslocará de sua posição original, como ilustra a figura 32.


Figura 34 – Fluxo adicional para cancelamento da reação da armadura.


MOTORES ELÉTRICOS

Este fluxo adicional pode ser facilmente

obtido pela inserção de pólos auxiliares ou interpólos entre os pólos principais, conforme exemplificado na figura 35.

9.0 - ENROLAMENTO DE COMPENSAÇÃO

Com os interpólos se melhora apreciavelmente a comutação e se anula a reação da armadura na zona dos pólos auxiliares, mas não se evita completamente a distorção do campo nos pólos principais.

Nas máquinas de grande potência, naquelas de elevada velocidade ou nas que apresentam alta tensão entre as teclas do comutador, é difícil e convém suprimir totalmente a reação de armadura em todo o perímetro da armadura. Isto pode ser obtido com o enrolamento de compensação, o qual é constituído por um conjunto de espiras encravadas na sapata dos pólos principais e é conectado em série com o enrolamento da armadura. As correntes que por ele circulam, devem ser de tal maneira que anulem o campo magnético produzido pela armadura.

Figura 35 - Disposição dos pólos principais e dos interpólos.

Assim, para um motor, seguindo-se o sentido

de giro, a um pólo principal segue-se um interpólo de mesma polaridade.

Observe-se que, necessariamente, os enrolamentos de campo dos interpólos deve ser conectados em série com a armadura, de modo que se conserve a proporcionalidade entre a corrente e fluxo produzido. Nas máquinas equipadas com interpólos, as escovas de comutação podem permanecer na linha neutra geométrica qualquer que seja a carga. Esta é a sua principal vantagem e, por isto, as máquinas de corrente contínua de médio e grande porte são equipadas com este dispositivo.

Figura 37 – Enrolamento de compensação – Exemplo.

10.0 - CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES CC Não existe propriamente uma classificação normalizada dos motores de corrente contínua, porém é interessante do ponto de vista técnico agrupá-los como segue: 10.1 - Quanto à Aplicação


Os motores podem ser estacionários, como nas aplicações industriais, ou móveis, como os motores de tração. As figuras 38 e 39 mostram um motor de laminador de uma usina siderúrgica e um motor de tração.

Figura 36 – Interpólos e enrolamento de campo – Exemplo.


MOTORES ELÉTRICOS

10.3 - Quanto ao Sistema de Excitação

Os motores de corrente contínua podem ser classificados conforme a ligação do enrolamento de campo em relação aos da armadura.

Desta forma, são possíveis quatro tipos de conexões, ou seja, excitação independente (ou, separada), shunt (ou, paralela), série e compound (ou, composta). Para representar o diagrama esquemático desses motores adota-se o circuito equivalente da armadura mostrado na figura 41 e o de campo da figura 42.

Figura 38 - Motor de corrente contínua de um laminador (estacionário).

Figura 41 – Representação do circuito da armadura.

Figura 39 - Motor de corrente contínua para tração elétrica.

10.2 - Quanto à Posição do Eixo

Podem ter eixo horizontal, como os das figuras 38 e 39, ou vertical, como o mostrado na figura 40.

Figura 42 – Representação do circuito de campo.

As figuras 43 a 46 mostram o diagrama esquemático das conexões dos quatro tipos de motores, onde:

Uex – Tensão aplicada ao campo; Iex – Corrente de campo; UA – Tensão de armadura; IA – Corrente de armadura; E – Tensão (força contra eletromotriz) induzida;


RA – Resistência do circuito da armadura. Figura 40 – Motor de eixo vertical.


MOTORES ELÉTRICOS

Figura 43 – Diagrama esquemático – motor de excitação independente.

Figura 44 – Diagrama esquemático – motor de excitação “shunt”.

Figura 45 – Diagrama esquemático – motor de excitação série

a) Compound curta derivação.

b) Compound longa derivação.

Figura 46 – Diagrama esquemático – motor de excitação “compound”.



MOTORES ELÉTRICOS

CAPÍTULO 10: ASPECTOS CONSTRUTIVOS DOS

MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA

RESUMO

Apresenta-se a seguir as partes componentes dos motores de corrente contínua, suas descrições e alguns dos aspectos tecnológicos envolvidos em sua construção. 1.0 - INTRODUÇÃO

As máquinas de corrente contínua, de uma forma geral, possuem os seguintes componentes básicos:

a) Circuito Magnético: o qual é responsável pela condução do fluxo magnético;

b) Enrolamento da Armadura (Induzido): local onde são induzidas tensões e circulam correntes que produzem o conjugado;

c) Enrolamento de Campo: nos quais circulam correntes que serão responsáveis pela criação do campo magnético;

d) Componentes Mecânicos: os quais podem ser fixos, para suportar e proteger as partes eletromagnéticas, e rotativas, para a transmissão de energia (como o comutador, por exemplo);

e) Isolamento Elétrico: composto de isolantes sólidos (como papel e vernizes) e são responsáveis pelo nível de tensão admissível entre as diversas partes da máquina;

f) Outros componentes: tais como: interpólos, enrolamentos de compensação, etc.

As partes fixas são denominadas genericamente de “estator” e, as móveis, de “rotor”. Nestas máquinas, a armadura é girante obrigatoriamente (para que se possa ter a ação do comutador) e pólos fixos na carcaça. A figura 1 a seguir mostra uma vista em corte de um motor de corrente contínua com a maioria de seus componentes básicos, os quais são analisados nos próximos tópicos, enquanto a figura 2 na próxima página uma vista explodida.

________________________________________________________________________________________________ Capítulo 10: Aspectos Construtivos dos Motores de Corrente Contínua - 72

Figura 1 – Vista em corte de um motor de corrente contínua.


MOTORES ELÉTRICOS


Figura 2 – Vista explodida de uma máquina de corrente contínua.


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2.0 - PARTES COMPONENTES DO ESTATOR

O estator em máquinas de corrente contínua é constituído basicamente por carcaça, pólos principais, interpólos, enrolamentos de campo e, se houver, enrolamentos de compensação, como ilustrado na figura 3. Na seqüência analise-se cada um destes componentes com maiores detalhes.

Figura 3 - Estatores de motores de corrente contínua. 2.1 - Carcaça

A carcaça é a estrutura que suporta os demais componentes do estator e compõe o circuito magnético. As máquinas mais antigas possuem carcaça de formato circular. Entretanto, para tornar a construção mais barata e nas aplicações onde o espaço disponível é limitado, como nos motores de tração, as máquinas atuais possuem formato octogonal. A utilização de acionamentos tiristorizados também é um fator para o

novo formato, devido à presença de harmônicos de fluxo circulando pela máquina. O material da carcaça é normalmente o ferro ou o aço fundido (máquinas antigas) ou, então, o aço laminado (máquinas modernas). O aço laminado, entretanto, oferece melhores qualidades magnéticas do que o ferro e o aço fundido resultando em menores perdas no circuito magnético, resistência mecânica e uniformidade da estrutura.

Figura 4 – Motores com carcaças octogonais.


Figura 5 – Motor com carcaça circular.


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2.2 - Pólos Principais

Os pólos principais são responsáveis pelo estabelecimento do fluxo magnético principal. Na maioria dos casos, são construídos separadamente do resto do conjunto (nas máquinas pequenas, são fundidos junto com a carcaça). Na maioria dos casos são construídos por chapas de aço fundido ou ferro doce, cuja espessura, em geral, variam de 0,5 a 1 mm. Tais chapas formam um pacote e, assim, o pólo é fixo à carcaça por meio de parafusos.

Figura 6 - Pólo Principal. 2.3 - Interpólos ou Pólos de Comutação

Os interpólos são quase sempre feitos em ferro fundido, sendo fixados à carcaça por meio de parafusos. Nas máquinas onde as variações de corrente são muito freqüentes, utiliza-se pólos feitos de chapas.

Figura 7 - Disposição dos interpólos. 2.4 - Enrolamentos de Campo e dos Interpólos

Os enrolamentos que fazem parte do sistema indutor são os dos pólos principais, os dos interpólos e, em algumas máquinas, o de compensação. Os enrolamentos dos pólos principais ou de excitação são divididos em dois tipos: shunt, constituídos por muitas espiras de condutor relativamente fino, e série,

constituído por poucas espiras e condutor de seção relativamente grande. Os do interpólo e de compensação são semelhantes aos dos enrolamentos série de excitação. As bobinas são, em geral, pré-formadas, ou seja, depois de devidamente enrolada, a bobina é enfaixada firmemente com material isolante. Assim, consegue-se isolá-la do pólo onde será montada, bem como se assegura a rigidez mecânica necessária.

Figura 8 - Bobinas pré-formadas dos pólos principais.

A figura 9 mostra exemplos de bobina dos interpólos.


Figura 9 – Bobina de interpólo.


MOTORES ELÉTRICOS

Observe-se que, necessariamente, os

enrolamentos do interpólo são ligados em série ao da armadura através das escovas.

3.1 - Armadura

A armadura de uma máquina de corrente contínua é composta por núcleo magnético, enrolamento e respectivos órgãos de sustentação. Os enrolamentos de compensação, quando

existentes, são montados em ranhuras incrustadas na face da sapata dos pólos principais.

Figura 12 – Armadura.

O núcleo da armadura é atravessado pelo fluxo magnético produzido pelos pólos principais e de forma a reduzir os efeitos da circulação de correntes parasitas, são empregadas chapas magnéticas superpostas com espessuras de 0,4 a 0,5 mm. Em uma das faces das chapas insere-se papel isolante de 0,02 a 0,03 mm de espessura ou, conforme o caso, aplica-se uma camada de verniz isolante.

Na periferia externa da armadura existem ranhuras com a função de alojar o enrolamento sendo que estas possuem vários formatos.

Figura 10 – Enrolamento de compensação.

3.0 - PARTES COMPONENTES DO ROTOR

Os componentes de um rotor de um motor de corrente contínua são a armadura, comutador e eixo. A figura 11 apresenta o conjunto.

Figura 13 - Exemplo de ranhuras da armadura.

Nas máquinas de pequena potência, o pacote de chapas do núcleo é montado diretamente sobre o eixo. Duas chapas de escora, uma de cada lado do núcleo fornecem apoio para que o mesmo permaneça rígido, as quais são impedidas de correr no eixo por anéis contráteis, os quais se encaixam em ranhuras especiais onde se alojam firmemente.


Uma outra forma de fixar o pacote é utilizar parafusos passantes com porcas em ambas as extremidades. Algumas vezes são utilizados rebites mas, neste caso, o pacote não pode mais ser Figura 11 – Rotor de um motor de corrente contínua.


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desmontado. Tanto o parafuso quanto o rebite são devidamente isolados do núcleo e das chapas de aperto. As máquinas de média e grande potência possuem o pacote de chapas do núcleo montado sobre uma peça especial denominada aranha. Esta peça possui diversos braços longitudinais e é fixada ao eixo normalmente por uma chaveta. Nestas máquinas o núcleo é composto por diversos pacotes de lâminas, separadas entre si pelos espaçadores, de maneira que se criem canais de ventilação eficientes para retirada de calor da armadura. Os enrolamentos da armadura de máquinas de pequena e média potência são constituídos por bobinas de uma, duas ou mais espiras de fio de seção circular. Os fios são isolados entre si por um verniz especial que lhe confere rigidez mecânica para suportar os esforços eletromagnéticos e mecânicos a que está sujeito. Os enrolamentos das máquinas de grande potência são feitos com bobinas de uma ou duas espiras, de condutores retangulares de grande seção, também isolados e enfaixados.

a) Tipo imbricado.

b) Tipo ondulado.

Figura 14 – Exemplos de bobinas de uma só espira.

Depois de montadas, as espiras devem ser fixadas firmemente ao núcleo a fim de que não vibrem

ou, mesmo escapem devido à ação da força centrífuga. Alguns procedimentos são tomados, então, para evitar que isto ocorra, ou seja, colocam-se:

a) Cunhas: As cunhas são normalmente feitas de fibra de vidro e colocadas no topo da ranhura de modo a prensar a bobina contra a ranhura, fixando-a;

Figura 15 – Exemplo de uma cunha instalada.

b) Bandagens: Nas máquinas de pequena potência as cabeças das bobinas são deixadas livres, mas nas máquinas de média e grande potência é necessário que se faça uma bandagem fixando-as também.


Figura 16 – Bandagem (com resina isolante).


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3.2 - Comutador

O comutador é, talvez, o órgão mais importante de uma máquina de corrente contínua, permitindo que o torque se desenvolva sempre no mesmo sentido e retificando a tensão induzida.

Figura 19 - Bobinas ligadas ao comutador. O comutador é preso ao eixo através de dois anéis cônicos ou cubos. Em comutadores maiores, são empregados parafusos com cabeça ou parafusos passantes.

Devido ao desgaste natural que sofrem os comutadores e a necessidade de serem eventualmente torneados, os seus diâmetros se reduzem com o tempo. Para que não seja afetada a resistência mecânica, a altura de desgaste não deve passar de uma certa medida. O limite máximo é assinalado por um ressalto ou por pequenos furos nas teclas.

Figura 17 – Comutador instalado em um motor de

corrente contínua.

Além do conjunto de teclas de cobre eletricamente isoladas entre si, o comutador possui varais partes, como ilustra a figura 18.

3.3 - Eixos

O eixo é o elemento mecânico responsável pela sustentação dos diversos componentes da armadura e também é através dele que é possível acoplar o motor à carga a ser acionada. Note-se na figura 11, por exemplo, que o seu diâmetro é variável, o que é necessário devido à maneira de fixar-se a armadura e o comutador sobre ele.

O pacote (ou pacotes) de lâminas é introduzido sob pressão de forma que fique firmemente fixo ao eixo. Deve-se atentar para o fato de que não se deve exercer uma pressão excessiva sobre o pacote a fim de evitar a sua danificação já que o mesmo é feito de um material menos resistente que o eixo. Em máquinas de médio e grande porte, existem também rasgos para colocar as chaves que contribuem para a fixação do pacote do eixo.

Figura 18 - Corte parcial do comutador.


Em um eixo bem projetado as transições de diâmetro devem ser feitas de maneira a evitar a existência de cantos vivos, os quais são, comprovadamente, pontos de fragilidade da peça.

Como se sabe, a cada tecla se conecta o final de uma bobina e o princípio de outra, de modo que o comutador possua tantas teclas quanto são as bobinas da armadura, conforme ilustrado na figura 19.


MOTORES ELÉTRICOS

4.0 - OUTROS COMPONENTES

Existem muitos outros componentes, sendo os principais analisados a seguir. 4.1 - Mancais

Para os mancais são válidas as mesmas considerações efetuadas para os motores de indução no Capítulo 4. 4.2 – Sistema de Arrefecimento Também para o sistema de arrefecimento são válidas as mesmas considerações efetuadas para os motores de indução no Capítulo 4. Figura 21 – Escovas para aplicações diversas.

4.3 – Escovas

As escovas são as partes que fazem o contato

elétrico entre a armadura (através do comutador) e o circuito externo à máquina. O material empregado em sua composição deve ser, além de condutor, macio o suficiente para não desgastar precocemente o comutador, e assim, normalmente são feitas de carbono, contendo carbono amorfo, carbono grafítico e pó metálico. Misturando-se estas substâncias de formas diferentes têm-se os diversos tipos de composição de escovas. Nas escovas duras, o conteúdo de carbono é mais elevado, desgastam-se pouco e possuem elevadas perdas por atrito e contato. À medida que se aumenta o conteúdo de carbono grafítico as escovas vão ficando mais macias e se desgastam mais, mas as perdas por atrito são cada vez menores. As mais macias e de menores perdas são as escovas que contém metal (pó de bronze ou cobre) finamente espalhado.

Figura 22 –Escova para tração elétrica.

4.3 - Porta - Escovas

Os porta-escovas são utilizados para manter as escovas na posição adequada e com uma determinada pressão sobre o comutador. Eles possuem muitas e variadas formas, mas, fundamentalmente, se constituem em uma caixa de guia onde desliza a escova e uma mola que a pressiona contra o comutador.


Figura 23 – Exemplo de uso de porta-escova. Figura 20 – Escova.


MOTORES ELÉTRICOS

Os tipos básicos de porta-escovas são os

radiais, nos quais as escovas permanecem sempre exatamente perpendiculares sobre o comutador, e os oblíquos e/ou de reação, onde as escovas formam com a superfície do comutador um ângulo de 50 a 550. Os porta-escovas radiais são utilizados em máquinas que podem girar em ambos os sentidos; os porta-escovas de reação só podem ser utilizados em máquinas de um só sentido de giro.

A figura 25 apresenta exemplos de porta-escovas utilizados em motores de corrente contínua para tração elétrica.

Figura 25 - Exemplos de porta-escovas para motores de tração.

4.4 – Anel e Braço dos Porta-Escovas

Para que todas as escovas fiquem situadas simultaneamente na posição mais favorável para a comutação, o porta-escova é montado em braços, os quais são sustentados por um suporte giratório, chamado de anel.

Figura 24 – Exemplos de porta-escovas para uso geral. ________________________________________________________________________________________________

Capítulo 10: Aspectos Construtivos dos Motores de Corrente Contínua - 80

A sua construção é tal que os porta-escovas de mesma polaridade estão sobre um eixo comum, devidamente isolados.


MOTORES ELÉTRICOS

As figuras 26 e 27 apresentam vistas do conjunto escovas, porta-escova, braços, anéis e comutador.

Figura 26 – Conjunto escovas, porta-escova, braços, anéis e comutador.

Figura 27 – Conjunto escovas, porta-escova, braços,

anéis e comutador.


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Apostila motores