Motor Ac

Elaboração: Professor Sérgio Luiz Volpiano

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9 MOTORES DE CORRENTE ALTERNADA

9.1 MÁQUINA DE INDUÇÃO ELEMENTAR

A máquina de indução transforma a energia elétrica em energia mecânica, seu funcionamentoconsiste em criar um fluxo magnético girante no enrolamento do estator, o qual induz um fluxomagnético no enrolamento rotor.

O fluxo induzido no rotor tende a se orientar pelo fluxo do estator, criando neste instante ummomento de giro.

Uma vista em corte do motor de indução é mostrado na figura 9.1

Fig. 9.1 Vista em corte do motor de corrente alternada

9.2 CAMPO MAGNÉTICO GIRANTE

Para compreender a teoria de máquinas de corrente alternada polifásicas assíncronas énecessário estudar a natureza do Campo Magnético produzido por um enrolamento polifásico.

Em um motor trifásico, os enrolamentos das fases individuais são defasados em 120º elétricosao longo da circunferência do entre ferro, como mostrado nas bobinas a, -a, b, -b, c, -c da figura 9.2

As bobinas concentradas de passo pleno, mostradas aqui, podem ser vistas comorepresentações de enrolamentos distribuídos, produzindo ondas senoidais de Fmm centradas nos eixosmagnéticos das respectivas fases.

Cada fase é excitada por uma corrente alternada que varia senoidalmente com o tempo, sobcondições trifásicas balanceadas as correntes instantâneas são:

EQ. 9.1(((( ))))(((( ))))(((( ))))A120ºwtsenIIc

A120º-wtsenIIb

A0ºwtsenIIa

max

max

max

++++====

====

++++====


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Onde Imax é o valor máximo da corrente e a origem do tempo é tomada arbitariamente comoo instante onde a corrente da fase (a) é um máximo positivo.

A sequência das fases é tomada como (abc), as correntes instantâneas são mostradas nafigura 9.3.

Os pontos e cruzes nos lados da bobinas (figura 9.2) indicam as direções de referências paracorrentes de fase positiva.

Figura 9.2 representação simplificada do motor de corrente alternada.

As ondas de Fmm variam senoidalmente com o tempo, cada componente é uma distribuiçãosenoidal estacionária pulsante de fmm ao redor do entreferro, com o máximo localizado ao longo doeixo magnético de sua fase e amplitude proporcional à corrente de fase instantânea.

A Fmm resultante e a soma vetorial das Fmm de cada fase.

Fig. 9.3 Sequência de fases no sistema ABC

Considere a figura 9.3, onde para t = 0, representa o momento em que a corrente da fase (a)está em seu valor máximo, a Fmm da fase (a) é máxima sendo representada pelo vetor (Fa) desenhadoao longo do eixo magnético da fase (a) conforme figura 9.4.


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Neste mesmo momento Ib e Ic são ambas (Imax /2) na direção negativa como mostrado pelospontos e cruzes na figura 9.4, as Fmm das fase b e c são mostradas pelos vetores Fb e Fc ambos iguaisa (Fmax/2), desenhados na direção negativa ao longo do eixo magnéticos das fases b e c.

A resultante pela adição das contribuições individuais das três fases, é um vetor mostrado naequação 9.2

O vetor (F) está alinhado com o eixo da fase (a), a mesma análise deve ser realizada parat = ( π/3 ) e t = ( 2π/3 ) gerando as figuras 9.5 e 9.6

Figs. 9.4, 9.5, 9.6 Força Magnetomotriz dos Enrolamentos Distribuídos

No projeto das máquinas de corrente alternada, são realizados inúmeros esforços paradistribuir os enrolamentos no núcleo do motor com o objetivo de obter uma distribuição espacialsenoidal das Fmm.

Portanto um enrolamento distribuído faz melhor uso do ferro e cobre e melhora a forma deonda do campo magnético girante produzido no estator do motor.

Quando utiliza-se enrolamentos distribuídos, deve ser considerado um fator de distribuição(kw), porque as Fems induzidas nas bobinas individuais de qualquer grupo monofásico não estão emfase no tempo.

Para a maioria dos enrolamentos trifásicos, (kw) é cerca de (0,85 a 0,95), portanto paraenrolamentos distribuídos a expressão da (Fem) em um enrolamento é mostrada pela equação 9.3 :

Fig. 9.4

Fig. 9.6

Fig. 9.5

max.,max F5,1FF.23F ======== EQ. 9.2

fasevoltsnkwf44,4Eef .... ⇒⇒⇒⇒φφφφ==== EQ. 9.3


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9.3 VELOCIDADE SÍNCRONA E DO ROTOR

A velocidade síncrona do motor é definida pela velocidade de rotação do campo girante, aqual depende do número de pólos (np) do motor e da frequência (f) da rede.

Os enrolamentos podem ser construídos com um ou mais pares de pólos, que se distribuemalternadamente (um norte e um sul) ao longo da periferia do núcleo magnético.

O campo girante percorre um par de pólos a cada ciclo, como o enrolamento tem pólos ou(p) pares de pólos, a velocidade do campo girante será :

Para as freqüências e polaridades usuais, as velocidades síncronas serão :

ROTAÇÃO SÍNCRONA (NS)Nº DE PÓLOS60 Hz 50 Hz

2 3600 30004 1800 15006 1200 10008 900 75012 600 500

9.4 ESCORREGAMENTO

A diferença entre a velocidade do rotor (nr) e a velocidade do campo girante (ns), chama-seescorregamento (s) que pode ser expresso em rpm ou como fração da velocidade síncrona, ou comoporcentagem desta.

Se o rotor gira a uma velocidade diferente da velocidade do campo girante, o enrolamento dorotor corta as linhas de força magnética do enrolamento do estator e pelas leis do eletromagnetismo,circularão no rotor correntes induzidas.

Quanto maior a carga, maior será o conjugado necessário para acioná-la, para obter um maiorconjugado, deve-se aumentar a diferença entre as velocidades, para que as correntes induzidas e oscampos produzidos sejam maiores. Portanto , à medida que a carga aumenta, cai a rotação do motor, oconjugado aumenta e se restabelece a velocidade do motor

Quando a carga é zero (motor em vazio) o rotor girará praticamente com a mesma velocidadedo campo girante.

Para se calcular o escorregamento deve-se utilizar a equação 9.5

9.5 TIPOS DE LIGAÇÃO

A grande maioria dos motores são fornecidos com terminais dos enrolamentos religáveis, demodo a poderem funcionar em redes de pelo menos duas tensões diferentes. Os principais tipos deligações de motores para funcionar em mais de uma tensão são:

• Ligação Série – Paralela• Ligação Estrela – Triângulo• Ligação em Tripla tensão nominal: (Duplo triângulo para 220V), (Dupla estrela para 380V)

(Ligação Triângulo para 440V).

(((( )))) SR.

S NS1N,)rpm(np

f120 N −−−−======== EQ. 9.4

%100ns

nrnsS,ns

nr-nsS,nr-nsS (%)(rpm) ××××============−−−− EQ. 9.5


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9.5.1 LIGAÇÃO SÉRIE – PARALELA (ESTRELA - DUPLA ESTRELA)

A ligação mostrada na figura 9.7 é chamada de (estrela – dupla estrela) exige nove terminaisno motor e a tensão nominal (dupla) mais comum é 440/220V ou 760/380V, sendo a ligação em 760Vapenas usada para a partida na ligação série.

Fig. 9.7 Ligação série – paralela para tensões de 440 / 220 V

9.5.2 LIGAÇÃO SÉRIE - PARALELA (TRIÂNGULO - DUPLO TRIÂNGULO)

A ligação mostrada na figura 9.8 é chamada de (triângulo - duplo triângulo) exige dozeterminais do motor e a tensão nominal dupla mais comum é 440/220V sendo a ligação em 440V usadaapenas na partida em série.

Fig. 9.8 Ligação série – paralela para tensões de 220V ou 440V

440V 220V

127V

254V

440V 220V


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9.5.3 LIGAÇÃO ESTRELA – TRIÂNGULO

Este tipo de ligação exige seis terminais no mínimo no motor e utiliza tensões nominaisduplas , desde que a segunda seja à primeira multiplicada por √ 3.

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

Fig. 9.9 Ligação estrela triângulo

9.5.4 LIGAÇÃO EM TRIPLA TENSÃO NOMINAL

Este tipo de ligação exige doze terminais a figura 9.10 mostra a numeração normal dosterminais e o esquema de ligação para as três tensões nominais.

Duplo Triângulo para 220V Dupla estrela para 380V Triângulo para 440V

Fig. 9.10 Ligação para motores de 12 pontas (tripla tensão)

380V220V

220V 380V 440V


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9.6 CARACTERÍSTICA DE ACELERAÇÃO

9.6.1 Curva de Conjugado x Velocidade

O motor de indução possui conjugado igual a zero à velocidade síncrona, à medida que acarga vai aumentando, a rotação do motor diminui gradativamente, até um ponto em que o conjugadoatinge o valor máximo.

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

A figura 9.11 mostra o gráfico da variação do conjugado em função da velocidade síncrona domotor.

Fig. 9.11 Curva característica do conjugado em função da velocidade síncrona

Co ⇒ Conjugado Básico - É o conjugado calculado em função da potência e velocidadesíncrona (ns).

Cn ⇒ Conjugado Nominal ou de plena carga – É o conjugado desenvolvido pelo motor àpotência nominal, sob tensão e freqüência nominais.

Cp ⇒ Conjugado de Partida ou Conjugado com Rotor Bloqueado. É o conjugado mínimodesenvolvido pelo motor bloqueado, para todas as posições angulares do rotor, sob tensão efreqüência nominais.

)rpm(

)kw(

)rpm(

)cv()Nm(

)rpm(

)kW(

)rpm(

)cv()Kgfm(

nsP9555

nsP7094Co

nsP794

nsP716Co

××××××××

××××××××

========

======== EQ. 9.6


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Este conjugado pode ser expresso em Nm ou, mais comumente, em porcentagem doconjugado nominal.

Na prática, o conjugado de rotor bloqueado deve ser o mais alto possível, para que o rotorpossa vencer a inércia inicial da carga e possa acelerá-la rapidamente, principalmente quando apartida é com tensão reduzida.

Cmin ⇒ Conjugado mínimo - É o menor conjugado desenvolvido pelo motor ao acelerardesde a velocidade zero até a velocidade correspondente ao conjugado máximo.

Na prática este valor não deve ser muito baixo, isto é, a curva não deve apresentar umadepressão acentuada na aceleração, para que a partida não seja muito demorada, sobreaquecendo omotor, especialmente nos casos de alta inércia ou partida com tensão reduzida.

Cmax ⇒ Conjugado Máximo é o maior conjugado desenvolvido pelo motor, sob tensão efreqüência nominais, sem queda brusca de velocidade.

Na prática o conjugado máximo deve ser o mais alto possível, por duas razões principais:

1 - O motor deve ser capaz de vencer, sem grandes dificuldades, eventuais picos de cargacomo pode acontecer em certas aplicações, como em britadores, calandras, misturadores.

2- O motor não deve perder bruscamente a velocidade, quando ocorrem quedas de tensão,momentaneamente, excessivas.

9.7 CATEGORIAS - VALORES MÍNIMOS NORMALIZADOS

De acordo com as características de conjugado em relação a velocidade e corrente de partida,os motores de indução trifásicos com rotor de gaiola, são classificados em categorias, cada umaadequada a um tipo de carga.

9.7.1 Categoria N

Conjugado de partida normal, corrente de partida normal, baixo escorregamento. Constituema maioria dos motores encontrados no mercado sendo utilizados em acionamento de cargas normais,como bombas, máquinas operatrizes, ventiladores.

9.7.2 Categoria H

Conjugado de partida alto, corrente de partida normal; baixo escorregamento. Usados paracargas que exigem maior conjugado na partida, como peneiras, transportadores carregadores, cargasde alta inércia, britadores.

9.7.3 Categoria D

Conjugado de partida alto, corrente de partida normal, alto escorregamento (> 5%). Usadosem prensas excêntricas e máquinas semelhantes, onde a carga apresenta picos periódicos.

Usados também em elevadores e cargas que necessitam de conjugados de partida muito alto ecorrente de partida limitada.

100CnCpCp

(Nm)(Nm)

(%)××××====

EQ. 9.7


125

As curvas Conjugado x Velocidade das diferentes categorias podem ser vistas na figura 9.12

Fig.9.12 Curva característica do conjugado em função da velocidade

9.8 CLASSES DE ISOLAMENTO

Para fins de normalização, os materiais isolante e os sistemas de isolamento são agrupados emCLASSES DE ISOLAMENTO , cada qual definida pelo respectivo limite de temperatura, ou seja pelamaior temperatura que o material pode suportar continuamente sem que seja afetada sua vida útil

As classes de isolamento utilizadas em máquinas elétricas e os respectivos limites detemperatura são:

Classe A ( 105ºC )Classe E ( 120ºC )Classe B ( 130ºC )Classe F ( 155ºC )Classe H ( 180ºC )

As classes B e F são as utilizadas em motores normais

9.8.1 Composição da temperatura em função da classe de isolamento

CLASSE DE ISOLAMENTO A E B F HTemperatura Ambiente ºC 40 40 40 40 40∆∆∆∆t = elevação de temperatura ºC 60 75 80 100 125Diferença entre o ponto mais quente e a temperaturamédia

ºC 5 5 10 15 15

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


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9.9 CALCULO DA POTÊNCIA EM MOTORES TRIFÁSICOS DE INDUÇÃO

9.10 CALCULO DO RENDIMENTO DO MOTOR :

Onde :

S → Potência Aparente (VA)P → Potência Ativa (W)Q → Potência Reativa (VAR)ϕ → Ângulo de cargaCosϕ → Fator de Potência

P

ϕϕϕϕ

QS

PQgarctan

)VAR(senILVL3Q)W(cosILVL3P

)VA(ILVL3S

====ϕϕϕϕ⇒⇒⇒⇒ϕϕϕϕ====⇒⇒⇒⇒ϕϕϕϕ====

⇒⇒⇒⇒====

××××××××××××××××××××××××

×××××××× EQ. 9.8

ηηηηϕϕϕϕ====

ηηηη====ϕϕϕϕ

ηηηη====

ϕϕϕϕ====

====ηηηη

××××××××××××

××××

××××××××××××××××

××××

××××××××××××

××××××××

cosVL3736)eixo(PIL

736)eixo(PcosILVL3

736)eixo(P)rede(P

cosILVL3)rede(P

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

EQ. 9.9

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