Motores de Indução Máquinas Elétricas

Máquinas Elétricas Introdução Energia mecânica encontrada na natureza  difícil aplicação prática quedas d’agua energia do vento Dispositivos de conversão eletromecânica de energia função: converter energia mecânica disponível, em uma forma capaz de ser transportada e/ou armazenada, ou convertida (calor, luz, movimento)

Conversão Eletromecânica de Energia Máquinas elétricas responsáveis pela conversão de energia Geradores ou dínamos, ou alternadores convertem energia mecânica em energia elétrica Motores elétricos ou dínamos, ou alternadores convertem energia elétrica em mecânica: produzem movimento

Motores Elétricos Definição É a máquina destinada a converter energia elétrica em mecânica Combina: vantagens da utilização de energia elétrica baixo custo facilidade de transporte limpeza simplicidade de comando características próprias construção simples custo reduzido grande versatilidade de adaptação às cargas melhores rendimentos

Motores Elétricos Universo dos motores elétricos

Motores Elétricos Motores de Corrente Contínua (CC) Custo mais elevado Necessitam de uma fonte de corrente contínua dispositivo para converter corrente alternada em corrente contínua Podem funcionar com velocidade ajustável amplos limites: de zero até nominal  conjugado constante Aplicados a controles grande flexibilidade de aplicação ótima regulação precisão

Motores Elétricos Motores de Corrente Alternada (CA) Mais utilizados Distribuição de energia é feita em corrente alternada Motor síncrono funciona com velocidade fixa utilizado somente para grandes potências alto custo em tamanhos menores utilizado quando se necessita velocidade invariável Motor de indução também chamado de motor assíncrono funciona com velocidade constante varia com a carga mecânica aplicada ao eixo simples, robusto e de baixo custo motor mais utilizado estima-se em 90% dos motores fabricados controle de velocidade dos motores de indução: inversores de freqüência

Motores Elétricos – Conceitos Básicos Energia e Potência Elétrica Ligando uma resistência à rede elétrica com tensão corrente elétrica que passa aquece a resistência resistência absorve energia  transforma em calor (energia) Motor elétrico ligado à rede absorve energia elétrica  transforma energia mecânica energia disponível na ponta do eixo Circuito de Corrente Contínua

Motores Elétricos – Conceitos Básicos Conjugado Torque, momento ou binário Definição: é a medida do esforço necessário para fazer o eixo girar Energia e Potência Mecânica Energia: Potência: mede a velocidade com que a energia é aplicada ou consumida energia ou trabalho total realizado dividido pelo tempo total

Motores Elétricos – Conceitos Básicos Energia e Potência Elétrica Circuito de Corrente Alternada Carga: resistência quanto maior a tensão, maior a corrente  maior potência Sistema Monofásico Sistema Trifásico Ligação estrela: Ligação triângulo:

Motores Elétricos – Conceitos Básicos Energia e Potência Elétrica Circuito de Corrente Alternada Carga reativa existe defasagem entre a tensão e a corrente motores de indução Fator de Potência representa a defasagem da tensão em relação a corrente é a relação entre a potência ativa e a reativa carga resistiva: cos=1 carga indutiva: cos: atrasado carga capacitiva: cos: adiantado

Motores Elétricos – Conceitos Básicos Potência Aparente, Ativa e Reativa Potência Aparente (S) Sistema Monofásico Sistema Trifásico Potência Ativa (P) Potência Reativa (Q)

Motores Elétricos – Conceitos Básicos Fator de Potência Importância redução no trânsito de energia reativa nos sistemas de transmissão, transmissão e distribuição otimização no aproveitamento do sistema elétrico maior disponibilidade de potência útil Portaria DNAEE no 85, de 25 março de 1992 FP=0,85  FP=0,92 Indústria 60% do consumo de energia são motores elétricos  carga reativa Correção do FP Em geral: ligação de uma carga capacitiva em paralelo com a carga capacitor motor síncrono super excitado

Motores Elétricos – Conceitos Básicos Fator de Potência Tabelas: Motor elétrico trifásico, de 100cv (75kW), operando com 100% da carga nominal, com fator de potência original de 0,90.

Motores Elétricos – Conceitos Básicos Velocidade Nominal É a velocidade (rpm) do motor funcionando à potência nominal, sob tensão e freqüência nominais Depende: escorregamento (s) velocidade síncrona (ns): Corrente Nominal É a corrente que o motor absorve da rede quando funciona a potência nominal, sob tensão e freqüência nominal tabelada

Motores Elétricos – Conceitos Básicos Rendimento Eficiência com que é feita a conversão de energia elétrica em mecânica Pu: potência útil (potência mecânica disponível no eixo) Pa: potência absorvida (potência elétrica que o motor retira da rede)

Motores Elétricos – Conceitos Básicos Rendimento Perdas Importância do rendimento  ALTO Perdas baixas  menor aquecimento do motor Maior o rendimento  menor a potência absorvida da linha  menor o custo de energia pago Rendimento: varia com a carga do motor tabelado

Motores Elétricos Princípio de Funcionamento Rotor  necessita de um torque para iniciar o seu giro Torque  produzido por forças magnéticas entre os pólos magnéticos do rotor e do estator forças de atração ou de repulsão, entre estator e rotor 'puxam' ou 'empurram' os pólos móveis do rotor  produz torques fazem o rotor girar mais e mais rapidamente os atritos ou cargas ligadas ao eixo reduzem o torque valor  'zero‘ velocidade angular constante Condição necessária para o funcionamento algum 'pólo' deve alterar sua polaridade garantir a rotação do rotor

Motores Elétricos Princípio de Funcionamento bobina na horizontal: os pólos opostos se atraem e a bobina tem torque que age no sentido de girar para a esquerda  aceleração angular para continuar seu giro o torque continua até que os pólos da bobina alcancem os pólos opostos dos ímãs fixos (estator) a bobina girou de 90o: não há torque algum (força resultante nula e torque resultante nulo)  inverter o sentido da corrente na bobina. colabora para a manutenção e aceleração do movimento de rotação

Motores Elétricos Principais Dados de Placa Fabricante: nome, marca e endereço do fabricante. Número de fases: 3 Carcaça: 90L (entreferro inicial: 0,2-0,3mm máximo: 0,6mm) Mês e ano de fabricação: 03/99 Número de série: FB90702

Motores Elétricos Principais Dados de Placa Tipo do motor: é a classificação quanto à sua construção e funcionamento motor de indução, rotor de gaiola Freqüência: é a freqüência [Hz] para o qual o motor foi projetado, podendo apresentar uma variação de 5% 60Hz Categoria: N Potência mecânica nominal: potência que o motor pode fornecer dentro de suas características nominais (1cv – 736 Watts, 1HP – 745 Watts ) Velocidade nominal: indica a velocidade em RPM, em condições nominais para o motor trifásico de indução:

Motores Elétricos Principais Dados de Placa Fator de serviço: índice de sobrecarga admissível continuamente é comum em pequenos motores, o índice de 1,25 (permite trabalhar 25% acima da potência nominal informada na placa) Grau de proteção (classe de isolamento): indica o grau de proteção que o motor tem contra agentes externos como poeira, água, limalha de ferro, gases, com ventilação prejudicada, e outros resíduos industriais IP55 Tensão nominal: é a tensão[V] para o qual as bobina do motor foram projetadas, suportando uma variação de 10% Corrente nominal: é a corrente [A] que é absorvida pelo motor quando este funciona à plena carga (potência nominal) Esquema de ligação: indica por meio de esquemas e números a forma de ligar as bobinas do motor para dadas condições de fornecimento de energia Rendimento Fator de Potência

Motores de Indução Por que estudar os motores de indução? Maioria dos motores usados Raramente utilizados como geradores Vantagens sobre os demais: robustos mais baratos exigem pouca manutenção usado em praticamente todas as aplicações Desvantagem Difícil controle de velocidade (???) inversores de freqüência

Motores de Indução Partes fundamentais Estator Rotor Outras partes

Motores de Indução Partes fundamentais Estator Carcaça (1) Estrutura suporte do conjunto, de construção robusta em ferro fundido, aço ou alumínio injetado, resistente à corrosão e com aletas Núcleo de chapas (2) Chapas de aço magnético, tratadas termicamente para reduzir ao mínimo as perdas no ferro Enrolamento – trifásico (8) Três conjuntos iguais de bobinas, uma para cada fase, formando um sistema trifásico ligado à rede de alimentação

Motores de Indução Partes fundamentais Rotor Eixo (7) Transmite a potência mecânica desenvolvida pelo motor, sendo tratado termicamente para evitar problemas de empenamento e fadiga Núcleo de chapas (3) Mesmas características das chapas do estator Barras e anéis de curto-circuito (12) Alumínio injetado sob pressão numa única peça Rotor injetado, de barras, de anéis

Motores de Indução Partes fundamentais Demais pares Tampa (4) Ventilador (5) Tampa defletora (6) Caixa de ligação (9) Terminais (10) Rolamentos (11)

Motores de Indução Trifásico Princípio de funcionamento Tensão alternada aplicada somente ao enrolamento do estator Corrente Surge no rotor  indução eletromagnética Funcionamento baseado na geração de um campo girante trifásico estator: composto por três conjuntos de enrolamento distribuídos geometricamente defasados entre si de 120º  excitados por correntes trifásicas equilibradas

Motores de Indução Trifásico Campo Girante Corrente trifásica: dá origem ao campo girante

Motores de Indução Trifásico Campo Girante Definição: campo magnético cujos pólos, com enrolamento estático, mudam de posição, girando Formação obtido pela soma das três correntes alternadas, defasadas entre si a grandeza e o sentido da corrente se alternam nos lados dos enrolamentos  muda a posição dos pólos do campo girante fluxo magnético e densidade de fluxo do campo girante mesma grandeza

Motores de Indução Trifásico Campo Girante Funcionamento o campo gira no estator no sentido horário as três correntes alternadas na sua seqüência em função do tempo (ABC) se tornam ativas, no enrolamentos do estator, no sentido horário invertendo dois terminais de ligação da rede (estator), o campo gira no sentido anti-horário inversão no sentido de rotação o campo girante do estator (dois pólos) completa em 1 período uma rotação completa f=60Hz  3600rpm rotação estabelecida através da freqüência: rotação síncrona além da freqüência o número de pólos é decisivo na determinação do campo girante 60Hz e 1 par de pólos: campo girante de 3600rpm

Motores de Indução Trifásico Princípio de funcionamento Para uma máquina trifásica de 2 pólos os eixos magnéticos dos enrolamentos do estator estão defasados espacialmente de 120º estão ligados a um sistema de tensões trifásicas defasadas de 120º elétricos, criando um conjunto de correntes igualmente defasadas de 120º elétricos entre si cada uma destas correntes cria um campo magnético no interior da máquina (forças magneto-motrizes), que se concentra principalmente no entreferro a superposição dos campos criados pelas três fases mostra que elas criam conjuntamente um campo com uma distribuição espacial fixa e muito próxima de uma senóide e que gira o campo criado é por isso chamado de campo girante

Motores de Indução Trifásico Princípio de funcionamento Para uma máquina trifásica de 2 pólos cada uma destas correntes cria um campo magnético no interior da máquina

Motores de Indução Trifásico Princípio de funcionamento A natureza do campo girante faz com que o fluxo sobre os enrolamentos do rotor (parado no momento de partida) varie temporalmente induzindo neste tensões as tensões induzidas (fem) nos enrolamentos do rotor ou nas barras de gaiola são igualmente tensões senoidais fazem com que correntes senoidais circulem nos enrolamentos do rotor (transforma o rotor em uma eletroímã), criando um campo de reação semelhante ao campo criado pelo estator  defasado a força de atração dos campos do estator e do rotor faz com que surja um torque no eixo do rotor e o mesmo gire velocidade do campo girante depende do número de pólos do estator, ou seja, da quantidade de “partes” de cada enrolamento trifásico correspondente à velocidade síncrona

Motores de Indução Trifásico Princípio de funcionamento Com o rotor parado a freqüência das correntes do rotor é idêntica à freqüência do estator Rotor vai acelerando a freqüência das correntes do rotor diminui sob condições de carga nominal: a freqüência do rotor é de apenas uma pequena parcela da freqüência do estator (de 3 a 10%) rotação mecânica é muito próxima da velocidade com que o campo magnético do estator gira  velocidade síncrona (ns) Quando o rotor estiver acoplada a uma carga mecânica o torque e a velocidade  transmitem potência mecânica para a carga Velocidade do rotor < velocidade do campo girante? se fossem iguais não haveria indução de corrente no motor  torque nulo a velocidade do rotor cresce até que a sua fem induzida faça circular uma corrente que dê origem a um torque igual ao torque resistente da carga

Motores de Indução Trifásico Escorregamento (s) Deslizamento ou slip diferença entre a velocidade do campo girante (velocidade síncrona) e a velocidade do rotor s: escorregamento (rpm, rd/s) ns: velocidade síncrona (rpm, rd/s) n: velocidade do rotor (rpm, rd/s) É mais comum expressar o escorregamento em fração decimal ou em percentagem da velocidade síncrona: Na partida: velocidade do rotor é nula No sincronismo: rotor na velocidade de sincronismo

Motores de Indução Trifásico Funcionamento Ponto crítico de funcionamento de um motor de indução trifásico sua partida Se torque de partida suficientemente maior do que a carga motor parte normalmente em regime permanente: desenvolve um torque igual ao torque resistente da carga com um escorregamento correspondente ao ponto de inserção entre a curva de torque resistente e o torque do motor

Motores de Indução Trifásico Funcionamento Se torque resistente na partida for elevado motor terá dificuldade de partir medidas construtivas para elevar o seu torque de arranque reduzir a reatância de dispersão do rotor: impossível (depende do número de espiras e da relutância do circuito magnético) número de espiras do rotor é 1: barras em paralelo relutância: depende das dimensões físicas da máquina uso de capacitores não é viável ajuste da resistência do rotor  manipular o torque de partida ABNT (NBR-7094) Motores de indução trifásicos de rotor em gaiola Categorias conforme a curva de torque CAT N: rotor de gaiola simples de baixa resistência CAT D: rotor de gaiola simples de alta resistência CAT H: rotor de dupla gaiola Sem categoria: rotor bobinado

Motores de Indução Trifásico Categorias CAT N: rotor com gaiola de baixa resistência Geralmente construídos em alumínio injetado Maioria dos motores comerciais NEMA: CAT A e CAT B Baixa resistência de rotor e alta reatância de dispersão (freq. alta) muita defasagem entre a fem e a corrente no rotor durante a partida torque da partida baixo: 0,65 a 2,0Tn

Motores de Indução Trifásico Categorias CAT N: rotor com gaiola de baixa resistência Partida máxima produção de fem nas barras do rotor impedância baixa  corrente de partida alta no rotor e estator: 5 a 9In Regime permanente nominal baixa resistência no rotor  pequeno escorregamento: <5% pequena fem para fazer circular a corrente através da pequena resistência perdas no cobre do rotor são baixas rendimento: entre bom e ótimo Característica pequena variação de velocidade quando a carga é aplicada ou retirada pequena regulação de velocidade Aplicações: acionam cargas que apresentam baixo torque resistente de partida e tenham baixa inércia partida a vazio Exemplos: ventiladores e bombas centrífugas, compressores a pistão com alívio na partida, máquinas de beneficiamento de madeira, esmeris, máquinas operatrizes em geral

Motores de Indução Trifásico Categorias CAT D: rotor com gaiola de alta resistência NEMA: CAT D Aumento da resistência de rotor e constante a reatância de dispersão redução da defasagem entre a fem e a corrente no rotor durante a partida baixa resistência rotórica alta resistência rotórica torque da partida elevado: TP>=2,75Tn

Motores de Indução Trifásico Categorias CAT D: rotor com gaiola de alta resistência Elevação da resistência do rotor barras mais longas barras de menor seção materiais de maior resistividade (liga especial de alumínio injetado, latão, bronze, aço inox) Partida corrente limitada a valores mais moderados: 5 a 6 In Regime permanente  características ruins perdas por efeito Joule: aumentam na mesma proporção da resistência se o motor operar em regime contínuo, rotor aquece demasiado podendo exigir materiais que não oxidem facilmente rendimento muito baixo: desaconselhado para uso contínuo escorregamento > CAT N: entre 5% e 15% fem na gaiola tem que ser maior para manter a corrente nominal do rotor através da resistência maior aumento da fem  aumento do escorregamento rotor anda mais devagar  grande regulação de velocidade

Motores de Indução Trifásico Categorias CAT D: rotor com gaiola de alta resistência Característica a vazio: trabalha quase na velocidade síncrona com carga: velocidade cai entre 5% e 15% Aplicações: motor especial, fabricado sob encomenda acionam cargas que apresentam elevado torque resistente na partida e/ou alta inércia e em regime permanente solicitam pouco torque acionamento de máquinas que tenham volante de inércia e que apresentam picos periódicos de sobrecarga  na sobrecarga o motor arria a velocidade, permitindo usar a energia cinética do volante sem haver um consumo exagerado de corrente da linha de alimentação Exemplos: tesouras, guilhotinas, estampadoras, britadores,talhas especiais

Motores de Indução Trifásico Categorias CAT H: rotor com dupla gaiola NEMA: CAT C duas gaiolas concêntricas de características elétricas e magnéticas diferentes elevado torque de partida: rotor de gaiola de alta resistência pequenas perdas Joule e escorregamento: rotor de baixa resistência Características construtivas gaiola externa feita com barras de pequena seção (latão, bronze, aço inox ou alumínio)  alta resistência baixa indutância de dispersão: relutância do caminho do fluxo disperso nas ranhuras gaiola interna feita com barras de grande seção transversal (cobre ou alumínio)  baixa resistência alta indutância de dispersão: relutância do caminho do fluxo disperso nas ranhuras

Motores de Indução Trifásico Categorias CAT H: rotor com dupla gaiola Comportamento das gaiolas na partida partida: freqüência rotórica máxima reatância da gaiola interna é alta e sua resistência é baixa fem e a corrente nessa gaiola estão bastante defasadas  baixo torque de partida reatância da gaiola externa é menor e sua resistência é alta fem e a corrente nessa gaiola estão pouco defasadas  elevado torque de partida SOMA: torque das duas gaiolas Na partida: CAT D em termos de torque (TP=2 a 3 Tn) CAT N em termos de corrente de partida (IP=5 a 9 Tn)

Motores de Indução Trifásico Categorias CAT H: rotor com dupla gaiola Comportamento das gaiolas em regime permanente gaiola externa: perdas e escorregamento excessivos gaiola interna: com a redução da freqüência reduz a reatância  ângulo de defasagem decresce gaiola externa para de acelerar o rotor e a gaiola interna levanta a rotação até atingir pequeno escorregamento (<5%) gaiola externa: perdas insignificantes com motor em funcionamento baixa velocidade de corte das linhas de força a fem induzida será pequena e a impedância alta  corrente muito pequena Alto rendimento: motor CATN Aplicações: acionam cargas que apresentam elevado torque resistente na partida e/ou alta inércia e em regime permanente solicitam alto rendimento Exemplos: elevadores, esteiras transportadoras, peneiras, compressores, guindastes, pontes rolantes e em todas as aplicações da CAT N (com vantagens)