Máquinas Elétricas Eletrotécnica

Definições Máquinas elétricas são dispositivos capazes de converter energia elétrica em energia mecânica e vice-versa. Geradores: convertem energia mecânica em elétrica. Motores: convertem energia elétrica em mecânica.

Motores Elétricos

Motor de Indução

Máquina Assíncrona Motor de indução

Enrolamento de estator trifásico

Rotor tipo gaiola de esquilo

Rotor gaiola de esquilo

Rotor tipo bobinado

Pacote magnético do estator

Máquina Assíncrona A máquina de indução é, dentre as máquinas elétricas, a mais utilizada na indústria. Na máquina assíncrona tanto o rotor quanto o estator conduzem corrente alternada.

Máquina Assíncrona A corrente que circula pelo rotor é uma corrente induzida devido a um campo variável devido à diferença de velocidade de rotação do rotor e do campo girante. Por isso a nomenclatura máquina de indução.

Campo magnético girante Os enrolamentos trifásicos localizados no estator e representados pelos enrolamentos aa’, bb’ e cc’ estão deslocados de 120 graus entre si. Quando uma corrente alternada senoidal circula por um enrolamento ela produz uma força magneto motriz senoidal centrada no eixo do enrolamento.

Campo magnético girante A força magneto motriz resultante é a composição vetorial das três componentes de força magneto motriz. Devido a corrente na fase A está em um instante de máximo, a força magneto motriz produzida por este enrolamento é máxima. O vetor resultante força magneto motriz F possui a mesma amplitude em todos os instantes de tempo, girando em sentido anti-horário.

Campo magnético girante No instante de tempo to, a corrente na fase A passa por um máximo positivo e as corrente nas fases B e C por metade da amplitude máxima negativa.

Princípio de funcionamento

Tensões induzidas O campo magnético girante induz tensões nas fases do estator. As expressões para as tensões induzidas podem ser obtidas utilizando a lei de Faraday

Escorregamento É óbvio que a velocidade do rotor não pode ser igual à velocidade síncrona, pois assim, nenhuma corrente seria induzida no enrolamento do rotor e consequentemente nenhum torque seria produzido.

Freqüência da corrente induzida no Rotor Circuito do rotor Rotor parado Rotor girando Velocidade do Rotor Freqüência da corrente induzida no Rotor

Circuito equivalente O circuito equivalente pode ser utilizado para estudar e antecipar o desempenho da máquina de indução com apreciável proximidade da realidade.

Ensaio a vazio

Ensaio com rotor bloqueado

Equações para determinação dos parâmetros

Curva conjugado x rotação para o motor assíncrono

Classificação por categorias

Categoria N São caracterizados por possuírem um conjugado de partida normal, corrente de partida normal e pequeno valor de escorregamento em regime permanente. Constituem a maioria dos motores encontrados no mercado e prestam-se ao acionamento de cargas normais, com baixo conjugado de partida como: bombas e máquinas operatrizes.

Categoria H Os motores dessa categoria são caracterizados por possuírem um conjugado de partida elevado, corrente de partida normal e baixo valor para o escorregamento em regime permanente. Esta categoria de motores é utilizada para acionamento de cargas que exigem maior conjugado de partida, como peneiras, transportadores carregados, cargas com alta inércia, etc.

Categoria D São caracterizados por conjugado de partida elevado, corrente de partida normal e alto escorregamento. Utilizados para acionamento de cargas como: prensas excêntricas e máquinas semelhantes, em que a carga apresenta picos periódicos e cargas que necessitam de conjugado de partida elevado e corrente de partida limitada.

Controle de velocidade Um motor de indução possui velocidade aproximadamente constante quando conectado a uma fonte de tensão constante com uma freqüência fixa. A velocidade em regime permanente é muito próxima da velocidade síncrona. Quando o torque solicitado aumenta, a velocidade diminui.

Variação da velocidade em função da carga

Controle de velocidade Em muitas aplicações industriais, velocidades variáveis ou continuamente ajustáveis são necessárias. Tradicionalmente, motores de corrente contínua sempre foram utilizados em aplicações onde era necessário variar a velocidade da máquina.

Controle de velocidade Entretanto, motores de corrente contínua são caros, requerem manutenção das escovas e dos comutadores e são proibitivos em ambientes agressivos. Em contrapartida, motores de indução são baratos, não requerem manutenção, estão aptos a funcionar em ambientes agressivos e estão disponíveis para velocidades elevadas.

Controle de velocidade através da variação da freqüência.

Métodos de partida dos motores de indução Uma corrente de partida de 500 a 800 % maior que a corrente nominal pode circular pela rede de alimentação. Além de causar uma queda de tensão apreciável, pode afetar outras cargas conectadas à rede de alimentação. Além disso, se uma corrente elevada circular no motor por um longo intervalo de tempo, poderá aquecê-lo, danificando o isolamento do enrolamento.

Autotransformador abaixador

Partida estrela-triângulo

Fase dividida

Conversor de estado sólido

Métodos de partida dos motores de indução É importante ressaltar que embora tensões menores reduzam a corrente durante a partida dos motores, o torque de partida decresce porque o torque é proporcional ao quadrado da tensão aplicada.

Influência da rede elétrica na operação do MIT A operação eficiente dos motores de indução trifásicos depende, entre outras coisas, da qualidade da rede elétrica de alimentação. O ideal é que esta rede seja equilibrada e com suas tensões apresentando amplitudes e freqüência constantes.

Influência da rede elétrica na operação do MIT A eficiência e o fator de potência dos motores de indução trifásicos variam segundo o valor da tensão de alimentação. Estes motores são projetados para suportarem variações de ±10% da tensão nominal. Os motores devem suportar variações de freqüência de -5% a até +3%. Uma variação simultânea da amplitude e da freqüência pode ser prejudicial para o motor.

Influência da rede elétrica na operação do MIT Uma tensão de alimentação abaixo do valor nominal do motor provoca aumento da corrente e da temperatura e ainda redução dos torques de partida e de regime. Por outro lado, um valor de tensão acima do nominal acarreta redução do fator de potência e aumento da corrente de partida.

Influência da carga mecânica na operação do MIT As principais conseqüências do superdimensionamento são: Maior custo, volume e peso do motor. Redução do fator de potência. Redução da eficiência, embora muito motores apresentem sua eficiência máxima a, aproximadamente, 75% da sua carga nominal. Maior corrente de partida, acarretando maior custo da instalação e proteção.

Fator de serviço A norma ABNT NBR 7094/1996, define fator de serviço como um multiplicador que, quando aplicado à potência nominal do motor, indica a carga que pode ser acionada continuamente sob tensão e freqüência nominais. Entretanto, a utilização do fator de serviço implica em vida útil inferior àquela do motor com carga nominal.

Influência do ambiente na operação do MIT As condições ambientais onde está instalado um motor têm influência na sua operação. Poeiras que se depositam na sua carcaça, ao absorverem umidade ou partículas de óleo, formam uma crosta que dificulta a liberação do calor. Por causa disso, a temperatura interna do motor se eleva. Uma das conseqüências é aumentar o valor da resistência do enrolamento e diminuir a eficiência do motor.

Grau de proteção - IP Motores que trabalham em ambientes desfavoráveis ou mesmo agressivos devem ser providos de um grau de proteção. A norma brasileira NBR 6146 define os vários graus de proteção que os motores elétricos podem apresentar, por meio das letras características IP, seguida por dois algarismos. As tabelas 2.1 e 2.2 apresentam os critérios de proteção.

Tabela 2.1 – Indica grau de proteção contra penetração de corpos sólidos estranhos e contato acidental. 1o Algarismo Algarismo Indicação Sem proteção 1 Corpos estranhos acima de 50mm 2 Corpos estranhos acima de 12mm 3 Corpos estranhos acima de 2,5mm 4 Corpos estranhos acima de 1,0mm 5 Proteção contra acúmulo de poeiras prejudiciais ao motor. 6 Totalmente protegido contra poeira.

Tabela 2.2 – Indica grau de proteção contra penetração de água no interior do motor. 2o Algarismo Algarismo Indicação Sem proteção 1 Pingos de água na vertical. 2 Pingos de água até a inclinação de 15o com a vertical. 3 Pingos de água até a inclinação de 60o com a vertical. 4 Respingos em todas as direções. 5 Jatos de água em todas as direções. 6 Água de vagalhões. 7 Imersão temporária. 8 Imersão permanente.

Classes de Isolação Classe A – 105 graus Classe E – 120 graus Classe B – 130 graus Classe F – 155 graus Classe H – 180 graus

Motor de alto rendimento Motores de alto rendimento => custo de aquisição inicial maior Entretanto, sua utilização pode trazer grande economia em um curto prazo.

Especificação de motores

Relação de transmissão

Inércia da carga referida ao eixo do motor

Conjugado motor médio

Conjugado resistente médio

Tempo de aceleração É necessário que o tempo de aceleração do motor seja menor que 80% do tempo de rotor bloqueado

Exemplo: Considere o sistema abaixo utilizado para levantamento de peso com capacidade para levantamento de 50kg, com uma velocidade de içamento igual a 0,5m/s. Se o raio da polia é igual a 90mm, a redução de 1:32, o rendimento da talha é igual a 97%, a inércia das partes girantes é igual a 0,0005Kgm2.

Tipo do motor Motor de alto rendimento plus Potência 0,5 CV Número de pólos 4 pólos Rotação 1720 rpm Conjugado nominal (Cn) 0,21 Kgfm Cp/Cn 2,7 Cmax/Cn 3 J 0,00079 Tempo de rotor bloqueado 10 s In 2,07 A

Gerador Assíncrono O escorregamento no gerador assíncrono é negativo: O gerador de indução é acionado a uma velocidade maior do que a velocidade síncrona. O escorregamento no gerador assíncrono é negativo:

Corrente de excitação Uma corrente de excitação deve ser fornecida ao enrolamento de armadura para indução no rotor. A amplitude da corrente de excitação irá determinar a amplitude da tensão nos terminais do gerador.

Gerador assíncrono com capacitor para excitação da máquina Nesta configuração é necessário utilizar capacitores para fornecer os reativos de que a máquina necessita.

Gerador assíncrono com conversor para excitação da máquina Nesta configuração não é necessário utilizar capacitores pois a demanda de reativos de que a máquina necessita é fornecida pelo conversor. O conversor onera o sistema uma vez que toda a potência gerada circula através do mesmo.

Gerador assíncrono alimentado através de escovas Nesta configuração a excitação é proveniente da rede, através de um conversor, que é conectado ao enrolamento do rotor através de anéis coletores e de escovas. A vantagem é que o conversor não necessita processar a potência nominal do gerador.

Gerador assíncrono duplamente alimentado sem escovas (GATDASE) Nesta configuração a máquina possui dois enrolamentos no estator, um principal, de potência, e um auxiliar. O enrolamento auxiliar, ou de controle, é ligado à rede através de um conversor que permite controlar o torque, a velocidade e o fator de potência da máquina.

Curva Torque x velocidade

Curva Torque x velocidade Gerador Motor