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MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA

1. Noes fundamentais1.1 Motores eltricos Motor eltrico a mquina destinada a transformar energia eltrica em energia mecnica. O motor de induo o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da utilizao de energia eltrica baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando com sua construo simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptao s cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos. Os tipos mais comuns de motores eltricos so: a) Motores de corrente contnua So motores de custo mais elevado e, alm disso, precisam de uma fonte de corrente contnua, ou de um dispositivo que converta a corrente alternada

comum em contnua. Podem funcionar com velocidade ajustvel entre amplos limites e se prestam a controles de grande flexibilidade e preciso. Por isso, seu uso restrito a casos especiais em que estas exigncias compensam o custo muito mais alto da instalao. b) Motores de corrente alternada So os mais utilizados, porque a distribuio de energia eltrica feita normalmente em corrente alternada. Os principais tipos so: - Motor sncrono: Funciona com velocidade fixa; utilizado somente para grandes potncias (devido ao seu alto custo em tamanhos menores) ou quando se necessita de velocidade invarivel. - Motor de induo: Funciona normalmente com uma velocidade constante, que varia ligeiramente com a carga mecnica aplicada ao eixo. Devido a sua grande simplicidade, robustez e baixo custo, o motor mais utilizado de todos, sendo adequado para quase todos os tipos de mquinas acionadas, encontradas na prtica. Atualmente possvel controlarmos a velocidade dos motores de induo com o auxlio de inversores de freqncia.

O UNIVERSO TECNOLGICO DE MOTORES ELTRICOS

Tabela 1.1

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ESPECIFICAO

MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA 1.2 Conceitos bsicos So apresentados a seguir os conceitos de algumas grandezas bsicas, cuja compreenso necessria para melhor acompanhar as explicaes das outras partes deste manual. 1.2.1 Conjugado O conjugado (tambm chamado torque, momento ou binrio) a medida do esforo necessrio para girar um eixo. sabido, pela experincia prtica que, para levantar um peso por um processo semelhante ao usado em poos - ver figura 1.1 - a fora F que preciso aplicar manivela depende do comprimento l da manivela. Quanto maior for a manivela, menor ser a fora necessria. Se dobrarmos o tamanho l da manivela, a fora F necessria ser diminuda metade. No exemplo da figura 1.1, se o balde pesa 20N e o dimetro do tambor 0,20m, a corda transmitir uma fora de 20N na superfcie do tambor, isto , a 0,10m do centro do eixo. Para contrabalanar esta fora, precisam de 10N na manivela, se o comprimento l for de 0,20m. Se l for o dobro, isto , 0,40m, a fora F ser a metade, ou seja 5N. Como vemos, para medir o esforo necessrio para girar o eixo no basta definir a fora empregada: preciso tambm dizer a que distncia do eixo a fora aplicada. O esforo medido pelo conjugado, que o produto da fora pela distncia, F x l. No exemplo citado, o conjugado vale: C = 20N x 0,10m = 10N x 0,20m = 5N x 0,40m = 2,0N.m. C=F.l (N.m) A unidade mais usual para medida de potncia mecnica o cv (cavalovapor), equivalente a 736W. Ento as potncias dos dois motores acima sero: P1 245 1 = = 736 3 Pmec como, 1cv = 736W Pmec cv P2 377 1 = = 736 2 (W) cv

F.d = t ento, F.d = 736 . t

( cv )

Para movimentos circulares C=F.r v . d. n = 60 F.d = 736 ( N.m ) ( m/s )

Pmec onde: C F l r v d n

( cv )

= = = = = = =

conjugado em Nm fora em N brao de alavanca em m raio da polia em m velocidade angular em m/s dimetro da pea em m velocidade em rpm

ESPECIFICAO

Relao entre unidades de potncia P (kW) = 0,736 . P (cv) ou P (cv) = 1,359 P (kW) Figura 1.1 1.2.2 Energia e potncia mecnica A potncia mede a velocidade com que a energia aplicada ou consumida. No exemplo anterior, se o poo tem 24,5 metros de profundidade, a energia gasta, ou trabalho realizado para trazer o balde do fundo at a boca do poo sempre a mesma, valendo 20N x 24,5m = 490Nm (note que a unidade de medida de energia mecnica, Nm, a mesma que usamos para o conjugado - trata-se, no entanto, de grandezas de naturezas diferentes, que no devem ser confundidas). W=F.d OBS.: 1Nm = 1J = W . t A potncia exprime a rapidez com que esta energia aplicada e se calcula dividindo a energia ou trabalho total pelo tempo gasto em realiz-lo. Assim, se usarmos um motor eltrico capaz de erguer o balde de gua em 2,0 segundos, a potncia necessria ser: P1 = 490 2,0 = 245W Onde: U I R P = = = = ou, P ou, (N.m) 1.2.3 Energia e potncia eltrica Embora a energia seja uma coisa s, ela pode se apresentar de formas diferentes. Se ligarmos uma resistncia a uma rede eltrica com tenso, passar uma corrente eltrica que ir aquecer a resistncia. A resistncia absorve energia eltrica e a transforma em calor, que tambm uma forma de energia. Um motor eltrico absorve energia eltrica da rede e a transforma em energia mecnica disponvel na ponta do eixo. Circuitos de corrente contnua A potncia eltrica, em circuitos de corrente contnua, pode ser obtida atravs da relao da tenso ( U ), corrente ( I ) e resistncia ( R ) envolvidas no circuito, ou seja: P=U.I = U2 R P = RI2 tenso em volt corrente em ampre resistncia em ohm potncia mdia watt (W) (W)

( W)

Se usarmos um motor mais potente, com capacidade de realizar o trabalho em 1,3 segundos, a potncia necessria ser: P2 = 490 1,3 = 377W

Circuitos de corrente alternada a) Resistncia

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MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA No caso de resistncias, quanto maior a tenso da rede, maior ser a corrente e mais depressa a resistncia ir se aquecer. Isto quer dizer que a potncia eltrica ser maior. A potncia eltrica absorvida da rede, no caso da resistncia, calculada multiplicando-se a tenso da rede pela corrente, se a resistncia (carga), for monofsica.P=UxI (W) No sistema trifsico a potncia em cada fase da carga ser Pf = Uf x If, como se fosse um sistema monofsico independente. A potncia total ser a soma das potncias das trs fases, ou seja:

Tringulo de potncias

P = 3Pf = 3 x Uf x If Lembrando que o sistema trifsico ligado em estrela ou tringulo, temos as seguintes relaes: Ligao estrela: U = 3 Uf Ligao tringulo: U = Uf e e I = If I = 3 . If

Figura 1.2 - Tringulo de potncias (carga indutiva) 1.2.5 Fator de potncia O fator de potncia, indicado por cos , onde o ngulo de defasagem da tenso em relao corrente, a relao entre a potncia real (ativa) P e a potncia aparente S (figura 1.2). P cos = = S P (kW) x 1000 3 x U . I

Assim, a potncia total, para ambas as ligaes, ser: P = 3 . U . I ( W ) OBS.: Esta expresso vale para a carga formada por resistncias, onde no h defasagem da corrente. b) Cargas reativas Para as cargas reativas, ou seja, onde existe defasagem, como o caso dos motores de induo, esta defasagem tem que ser levada em conta e a expresso fica: P = 3 x U x I x cos (W)

1.2.4 Potncias aparente, ativa e reativa Potncia aparente ( S ) o resultado da multiplicao da tenso pela corrente ( S = U x I para sistemas monofsicos e S = 3 x U x I, para sistemas trifsicos ). Corresponde potncia que existiria se no houvesse defasagem da corrente, ou seja, se a carga fosse formada por resistncias. Ento, S P = ( V A ) cos

Figura 1.3 - O fator de potncia determinado medindo-se a potncia de entrada, a tenso e a corrente de carga nominal Importncia do fator de potncia Visando otimizar o aproveitamento do sistema eltrico brasileiro, reduzindo o trnsito de energia reativa nas linhas de transmisso, subtransmisso e distribuio, a portaria do DNAEE nmero 85, de 25 de maro de 1992, determina que o fator de potncia de referncia das cargas passasse dos ento atuais 0,85 para 0,92. A mudana do fator de potncia, d maior disponibilidade de potncia ativa no sistema, j que a energia reativa limita a capacidade de transporte de energia til. O motor eltrico uma pea fundamental, pois dentro das indstrias, representa mais de 60% do consumo de energia. Logo, imprescindvel a utilizao de motores com potncia e caractersticas bem adequadas sua funo. O fator de potncia varia com a carga do motor. Os catlogos WEG indicam os valores tpicos desta variao. Correo do fator de potncia O aumento do fator de potncia realizado, com a ligao de uma carga capacitiva, em geral, um capacitor ou motor sncrono super excitado, em paralelo com a carga. Por exemplo: Um motor eltrico, trifsico de 100cv (75kW), operando com 100% da potncia nominal, com fator de potncia original de 0,90. O fator de potncia desejado de 0,95.

Evidentemente, para as cargas resistivas, cos = 1 e a potncia ativa se confunde com a potncia aparente. A unidade de medidas para potncia aparente o volt-ampre (VA) ou seu mltiplo, o quilo-volt-ampre (kVA). Potncia ativa ( P ) a parcela da potncia aparente que realiza trabalho, ou seja, que transformada em energia. P = 3 x U x I x cos ou, P = S . cos ( W ) (W)

Potncia reativa ( Q ) a parcela da potncia aparente que no realiza trabalho. Apenas transferida e armazenada nos elementos passivos (capacitores e indutores) do circuito. Q = 3 . U. I sen ( V Ar ) ou, Q = S . sen ( V Ar )

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ESPECIFICAO

A unidade de medida usual para potncia eltrica o watt (W), correspondente a 1 volt x 1 ampre, ou seu mltiplo, o quilowatt = 1.000 watts. Esta unidade tambm usada para medida de potncia mecnica. A unidade de medida usual para energia eltrica o quilo-watt-hora (kWh) correspondente energia fornecida por uma potncia de 1kW funcionando durante uma hora - a unidade que aparece, para cobrana, nas contas de luz.

Assim, - Carga Resistiva: cos = 1 - Carga Indutiva: cos atrasado - Carga Capacitiva: cos adiantado Os termos, atrasado e adiantado, referem-se fase da corrente em relao fase da tenso. Um motor no consome apenas potncia ativa que depois convertida em trabalho mecnico, mas tambm potncia reativa, necessria para magnetizao, mas que no produz trabalho. No diagrama da figura 1.3, o vetor P representa a potncia ativa e o Q a potncia reativa, que somadas resultam na potncia aparente S. A relao entre potncia ativa, medida em kW e a potncia aparente medida em kVA, chama-se fator de potncia.

MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA Soluo: Utilizando-se da tabela 1.2, na interseco da linha 0,90 com a coluna de 0,95, obtm-se o valor de 0,155, que multiplicado pela potncia do motor em kW, resulta no valor da potncia reativa necessria para elevar-se o fator de potncia de 0,90 para 0,95. kVAr necessrio = 75 x 0,155 = 11,625 kVAr Tabela 1.2 - Correo do fator de potnciaFATOR DE POTNCIA ORIGINAL 0,50 0,51 0,52 0,53 0,54 0,55 0,56 0,57 0,58 0,59 0,60 0,61 0,62 0,63 0,64 0,65 0,66 0,67 0,68 0,69 0,70 FATOR DE POTNCIA DESEJADO 0,80 0,982 0,937 0,893 0,850 0,809 0,769 0,730 0,692 0,655 0,618 0,584 0,549 0,515 0,483 0,450 0,419 0,388 0,358 0,329 0,299 0,270 0,242 0,213 0,186 0,159 0,132 0,106 0,079 0,053 0,026 0,000 0,81 1,008 0,962 0,919 0,876 0,835 0,795 0,756 0,718 0,681 0,644 0,610 0,575 0,541 0,509 0,476 0,445 0,414 0,384 0,355 0,325 0,296 0,268 0,239 0,212 0,185 0,158 0,131 0,106 0,079 0,062 0,026 0,000 0,82 1,034 0,989 0,945 0,902 0,861 0,821 0,782 0,744 0,707 0,670 0,636 0,601 0,567 0,535 0,502 0,471 0,440 0,410 0,381 0,351 0,322 0,294 0,265 0,238 0,211 0,184 0,157 0,131 0,105 0,078 0,062 0,026 0,000 0,83 1,060 1,015 0,971 0,928 0,887 0,847 0,808 0,770 0,733 0,696 0,662 0,627 0,593 0,561 0,528 0,497 0,466 0,436 0,407 0,377 0,348 0,320 0,291 0,264 0,237 0,210 0,183 0,157 0,131 0,104 0,078 0,062 0,026 0,000 0,84 1,086 1,041 0,997 0,954 0,913 0,873 0,834 0,796 0,759 0,722 0,688 0,653 0,619 0,587 0,554 0,523 0,492 0,462 0,433 0,403 0,374 0,346 0,317 0,290 0,263 0,236 0,209 0,183 0,157 0,130 0,104 0,078 0,062 0,026 0,000 0,85 1,112 1,067 1,023 0,980 0,939 0,899 0,860 0,882 0,785 0,748 0,714 0,679 0,645 0,613 0,580 0,549 0,518 0,488 0,459 0,429 0,400 0,372 0,343 0,316 0,289 0,262 0,235 0,209 0,183 0,153 0,130 0,104 0,078 0,062 0,026 0,000 0,86 1,139 1,094 1,060 1,007 0,966 0,926 0,887 0,849 0,812 0,775 0,741 0,706 0,672 0,640 0,607 0576 0,545 0,515 0,486 0,456 0,427 0,399 0,370 0,343 0,316 0,289 0,262 0,236 0,210 0,183 0,157 0,131 0,105 0,079 0,053 0,027 0,000 0,87 1,165 1,120 1,076 1,033 0,992 0,952 0,913 0,875 0,838 0,801 0,767 0,732 0,698 0,666 0,633 0,602 0,571 0,541 0,512 0,482 0,453 0,425 0,396 0,369 0,342 0,315 0,288 0,262 0,236 0,209 0,183 0,157 0,131 0,105 0,079 0,053 0,026 0,88 1,192 1,147 1,103 1,060 1,019 0,979 0,940 0,902 0,865 0,828 0,794 0,759 0,725 0,693 0,660 0,629 0,598 0,568 0,539 0,509 0,480 0,452 0,423 0,396 0,369 0,342 0,315 0,289 0,263 0,236 0,210 0,184 0,158 0,132 0,106 0,080 0,053 0,027 0,89 1,220 1,175 1,131 1,088 1,047 1,007 0,968 0,930 0,893 0,856 0,822 0,787 0,753 0,721 0,688 0,657 0,26 0,596 0,567 0,537 0,508 0,480 0,451 0,424 0,397 0,370 0,343 0,317 0,291 0,264 0,238 0,212 0,186 0,160 0,14 0,108 0,081 0,055 0,028 0,90 1,248 1,203 1,159 1,116 1,075 1,035 0,996 0,958 0,921 0,884 0,850 0,815 0,781 0,749 0,716 0,685 0,654 0,624 0595 0,565 0,536 0,508 0,479 0,452 0,425 0,398 0,371 0,345 0,319 0,292 0,266 0,240 0,214 0,188 0,162 0,136 0,109 0,082 0,056 0,028 0,91 1,276 1,231 1,187 1,144 1,103 1,063 1,024 0,986 0,949 0,912 0,878 0,843 0,809 0,777 0,744 0,713 0,692 0,652 0,623 0,593 0,564 0,536 0,507 0,480 0,453 0,426 0,399 0,373 0,347 0,320 0,264 0,268 0,242 0,216 0,190 0,164 0,137 0,111 0,084 0,056 0,028 0,92 1,306 1,261 1,217 1,174 1,133 1,090 1,051 1,013 0,976 0,943 0,905 0,870 0,836 0,804 0,771 0,740 0,709 0,679 0,650 0,620 0,591 0,563 0,534 0,507 0,480 0,453 0,426 0,400 0,374 0,347 0,321 0,295 0,269 0,243 0,217 0,191 0,167 0,141 0,114 0,086 0,058 0,030 0,93 1,337 1,292 1,248 1,205 1,164 1,124 1,085 1,047 1,010 0,973 0,939 0,904 0,870 0,838 0,805 0,774 0,742 0,713 0,684 0,654 0,625 0,597 0,568 0,541 0,514 0,487 0,460 0,434 0,408 0,381 0,355 0,329 0,303 0,277 0,251 0,225 0,198 0,172 0,145 0,117 0,089 0,061 0,031 0,94 1,369 1,324 1,280 1,237 1,196 1,456 1,117 1,079 1,042 1,005 0,971 0,936 0,902 0,870 0,837 0,806 0,755 0,745 0,716 0,686 0,657 0,629 0,600 0,573 0,546 0,519 0,492 0,466 0,440 0,403 0,387 0,361 0,335 0,309 0,283 0,257 0,230 0,204 0,177 0,149 0,121 0,093 0,063 0,032 0,95 1,403 1,358 1,314 1,271 1,230 1,190 1,151 1,113 1,076 1,039 1,005 0,970 0,936 0,904 0,871 0,840 0,809 0,779 0,750 0,720 0,691 0,663 0,624 0,607 0,580 0,553 0,526 0,500 0,474 0,447 0,421 0,395 0,369 0,343 0,317 0,191 0,265 0,238 0,211 0,183 0,155 0,127 0,097 0,068 0,034 0,96 1,442 1,395 1,351 1,308 1,267 1,228 1,189 1,151 1,114 1,077 1,043 1,008 0,974 0,942 0,909 0,878 0,847 0,817 0,788 0,758 0,729 0,701 0,672 0,645 0,618 0,591 0,564 0,538 0,512 0,485 0,459 0,433 0,407 0,381 0,355 0,229 0,301 0,275 0,248 0,220 0,192 0,164 0,134 0,103 0,071 0,037 0,97 1,481 1,436 1,392 1,349 1,308 1,268 1,229 1,191 1,154 1,117 1,083 1,048 1,014 0,982 0,949 0,918 0,887 0,857 0,828 0,798 0,769 0,741 0,712 0,685 0,658 0,631 0,604 0,578 0,562 0,525 0,499 0,473 0,447 0,421 0,395 0,369 0,343 0,317 0,290 0,262 0,234 0,206 0,176 0,145 0,113 0,079 0,042 0,98 1,529 1,484 1,440 1,397 1,356 1,316 1,277 1,239 1,202 1,165 1,131 1,096 1,062 1,000 0,997 0,966 0,935 0,906 0,876 0,840 0,811 0,783 0,754 0,727 0,700 0,673 0,652 0,620 0,594 0,567 0,541 0,515 0,496 0,463 0,437 0,417 0,390 0,364 0,337 0,309 0,281 0,253 0,223 0,192 0,160 0,126 0,089 0,047 0,99 1,590 1,544 1,500 1,457 1,416 1,377 1,338 1,300 1,263 1,226 1,192 1,157 1,123 1,091 1,066 1,027 0,996 0,966 0,937 0,907 0,878 0,850 0,821 0,794 0,767 0,740 0,713 0,686 0,661 0,634 0,608 0,582 0,556 0,536 0,504 0,476 0,451 0,425 0,398 0,370 0,342 0,314 0,284 0,253 0,221 0,187 0,149 0,108 0,061 1,00 1,732 1,687 1,643 1,600 1,359 1,519 1,480 1,442 1,405 1,368 1,334 1,299 1,265 1,233 1,200 1,169 1,138 1,108 1,079 1,049 1,020 0,992 0,963 0,936 0,909 0,882 0,855 0,829 0,803 0,776 0,750 0,724 0,696 0,672 0,645 0,620 0,593 0,567 0,540 0,512 0,484 0,456 0,426 0,395 0,363 0,328 0,292 0,251 0,203 0,142

ESPECIFICAO

0,71 0,72 0,73 0,74 0,75 0,76 0,77 0,78 0,79 0,80 0,81 0,82 0,83 0,84 0,85 0,86 0,87 0,88 0,89 0,90 0,91 0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99

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MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA 1.2.6 Rendimento O motor eltrico absorve energia eltrica da linha e a transforma em energia mecnica disponvel no eixo. O rendimento define a eficincia com que feita esta transformao. Chamando Potncia til Pu a potncia mecnica disponvel no eixo e Potncia absorvida Pa a potncia eltrica que o motor retira da rede, o rendimento ser a relao entre as duas, ou seja: Pu (W) 736 x P (cv) = = = 3 . U . I. cos Pa (W) ou 736 x P (cv) % = 3 . U . I cos x 100 1000 x P (kW) 3 . U . I . cos mesmo tempo, embora tenham a mesma freqncia; isto acontece para muitos tipos de carga, por exemplo, enrolamentos de motores (cargas reativas). Freqncia o nmero de vezes por segundo que a tenso muda de sentido e volta condio inicial. expressa em ciclos por segundo ou hertz, simbolizada por Hz. Tenso mxima ( Umx ) o valor de pico da tenso, ou seja, o maior valor instantneo atingido pela tenso durante um ciclo (este valor atingido duas vezes por ciclo, uma vez positivo e uma vez negativo). Corrente mxima ( Imx ) o valor de pico da corrente. Valor eficaz de tenso e corrente ( U e I ) o valor da tenso e corrente contnuas que desenvolvem potncia correspondente quela desenvolvida pela corrente alternada. Pode-se demonstrar que o valor eficaz vale: U = Umx / 2 e I = Imx / 2. Por exemplo: Se ligarmos uma resistncia a um circuito de corrente alternada ( cos = 1 ) com Umx = 311 volts e Imx = 14,14 ampres, a potncia desenvolvida ser: 1 P = U.I. cos = Umx . Imx . cos 2 P = 2.200 watts OBS.: Na linguagem normal, quando se fala em tenso e corrente, por exemplo, 220 volts ou 10 ampres, sem especificar mais nada, estamos nos referindo valores eficazes da tenso ou da corrente, que so empregados na prtica. Defasagem ( ) o atraso da onda de corrente em relao onda da tenso (ver figura 1.4b). Em vez de ser medido em tempo (segundos), este atraso geralmente medido em ngulo (graus) correspondente frao de um ciclo completo, considerando 1 ciclo = 360o. Mas comumente a defasagem expressa pelo cosseno do ngulo (ver item 1.2.5 - Fator de potncia). 1.3.2 Ligaes em srie e paralelo

1.2.7 Relao entre conjugado e potncia Quando a energia mecnica aplicada sob a forma de movimento rotativo, a potncia desenvolvida depende do conjugado C e da velocidade de rotao n. As relaes so: P (cv) C (kgfm) n (rpm) C (Nm) x n (rpm) = = 716 7024

C (kgfm) n (rpm) C (Nm) x n (rpm) P (kW) = = 974 9555 INVERSAMENTE 716 x P (cv) C (kgfm) = n (rpm) 7024 x P (cv) C (Nm) = n (rpm) = 974 x P (kW) n (rpm) 9555 x P (kW) n (rpm)

=

1.3 Sistemas de corrente alternada monofsica 1.3.1 Generalidades A corrente alternada se caracteriza pelo fato de que a tenso, em vez de permanecer fixa, como entre os plos de uma bateria, varia com o tempo, mudando de sentido alternadamente, donde o seu nome. No sistema monofsico uma tenso alternada U (volt) gerada e aplicada entre dois fios, aos quais se liga a carga, que absorve uma corrente I (ampre) - ver figura 1.4a.

Figura 1.5a

Figura 1.5b

Figura 1.4a

Figura 1.4b

Se ligarmos duas cargas iguais a um sistema monofsico, esta ligao pode ser feita em dois modos: - ligao em srie (figura 1.5a), em que as duas cargas so atravessadas pela corrente total do circuito. Neste caso, a tenso em cada carga ser a metade da tenso do circuito para cargas iguais. - ligao em paralelo (figura 1.5b), em que aplicada s duas cargas a tenso do circuito. Neste caso, a corrente em cada carga ser a metade da corrente total do circuito para cargas iguais. 1.4 Sistemas de corrente alternada trifsica O sistema trifsico formado pela associao de trs sistemas monofsicos de tenses U1, U2 e U3 tais que a defasagem entre elas seja de 120o, ou seja, os atrasos de U2 em relao a U1, de U3 em relao a U2 e de U1 em relao a U3 sejam iguais a 120o (considerando um ciclo completo =

Se representarmos num grfico os valores de U e I, a cada instante, vamos obter a figura 1.4b. Na figura 1.4b esto tambm indicadas algumas grandezas que sero definidas em seguida. Note que as ondas de tenso e de corrente no esto em fase, isto , no passam pelo valor zero ao

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ESPECIFICAO

MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA 360o). O sistema equilibrado, isto , as trs tenses tm o mesmo valor eficaz U1 = U2 = U3 conforme figura 1.6. Corrente de linha ( I) a corrente em qualquer um dos trs fios L1, L2 e L3. Tenso e corrente de fase ( Uf e If ) a tenso e corrente de cada um dos trs sistemas monofsicos considerados. Examinando o esquema da figura 1.7b, v-se que: U I I = = = U1 3 . If = 1,732 If If1 + If3 (figura 1.7c)

Exemplo: Temos um sistema equilibrado de tenso nominal 220 volts. A corrente de linha medida 10 ampres. Ligando a este sistema uma carga trifsica composta de trs cargas iguais ligadas em tringulo, qual a tenso e a corrente em cada uma das cargas? Figura 1.6 Ligando entre si os trs sistemas monofsicos e eliminando os fios desnecessrios, teremos um sistema trifsico: trs tenses U1, U2 e U3 equilibradas, defasadas entre si de 120o e aplicadas entre os trs fios do sistema. A ligao pode ser feita de suas maneiras, representadas nos esquemas seguintes. Nestes esquemas, costuma-se representar as tenses com setas inclinadas ou vetores girantes, mantendo entre si o ngulo correspondente defasagem (120o), conforme figuras 1.7a, b e c, e figuras 1.8a, b e c. 1.4.1 Ligao tringulo Se ligarmos os trs sistemas monofsicos entre si, como indicam as figuras 1.7a, b e c, podemos eliminar trs fios, deixando apenas um em cada ponto de ligao, e o sistema trifsico ficar reduzido a trs fios L1, L2 e L3. Tenso de linha ( U ) a tenso nominal do sistema trifsico aplicada entre dois quaisquer dos trs fios L1, L2 e L3. Temos Uf = U1 = 220 volts em cada uma das cargas. Se I = 1,732 . If, temos If = 0,577 . I = 0,577 x 10 = 5,77 ampres em cada uma das cargas. 1.4.2 Ligao estrela Ligando um dos fios de cada sistema monofsico a um ponto comum aos trs, os trs fios restantes formam um sistema trifsico em estrela (figura 1.8a). s vezes, o sistema trifsico em estrela a quatro fios ou com neutro. O quarto fio ligado ao ponto comum s trs fases. A tenso de linha ou tenso nominal do sistema trifsico e a corrente de linha, so definidas do mesmo modo que na ligao tringulo.

ESPECIFICAO

Figura 1.8a - Ligaes

Figura 1.7a - Ligaes

Figura 1.8b - Esquema

Figura 1.8c - Diagrama

Examinando o esquema da figura 1.8b, v-se que: I U Figura 1.7b - Esquema Figura 1.7c - Diagrama U = = = If 3 . Uf = 1,732 Uf Uf1 + Uf2 (figura 1.8c)

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MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA Exemplo: Temos uma carga trifsica composta de trs cargas iguais; cada carga feita para ser ligada a uma tenso de 220 volts, absorvendo 5,77 ampres. Qual a tenso nominal do sistema trifsico que alimenta esta carga em suas condies normais (220 volts e 5,77 ampres)? Qual a corrente de linha? Temos U f = 220 volts (normal de cada carga) U = 1,732 x 220 = 380 volts I = If = 5,77 ampres 1.5 Motor de induo trifsico O motor de induo trifsico (figura 1.9) composto fundamentalmente de duas partes: estator e rotor.3 12 2 8 11

1.5.1 Princpio de funcionamento - campo girante Quando uma bobina percorrida por uma corrente eltrica, criado um campo magntico dirigido conforme o eixo da bobina e de valor proporcional corrente.

Figura 1.10a

Figura 1.10b

a) Na figura 1.10a indicado um enrolamento monofsico atravessado por uma corrente I, e o campo H criado por ela; o enrolamento constitudo de um par de plos (um plo norte e um plo sul), cujos efeitos se somam para estabelecer o campo H. O fluxo magntico atravessa o rotor entre os dois plos e se fecha atravs do nclo do estator. Se a corrente I alternada, o campo H tambm , e o seu valor a cada instante ser representando pelo mesmo grfico da figura 1.4b, inclusive invertendo o sentido em cada meio ciclo. O campo H pulsante pois, sua intensidade varia proporcionalmente corrente, sempre na mesma direo norte-sul.5 6 9 4 7

10

1

Estator m Carcaa ( 1 ) - a estrutura suporte do conjunto; de construo robusta em ferro fundido, ao ou alumnio injetado, resistente corroso e com aletas. m Ncleo de chapas ( 2 ) - as chapas so de ao magntico, tratatas termicamente para reduzir ao mnimo as perdas no ferro. m Enrolamento trifsico ( 8 ) - trs conjuntos iguais de bobinas, uma para cada fase, formando um sistema trifsico ligado rede trifsica de alimentao. Rotor m Eixo ( 7 ) - transmite a potncia mecnica desenvolvida pelo motor. tratado termicamente para evitar problemas como empenamento e fadiga. m Ncleo de chapas ( 3 ) - as chapas possuem as mesmas caractersticas das chapas do estator. m Barras e anis de curto-circuito ( 12 ) - so de alumnio injetado sob presso numa nica pea. Outras partes do motor de induo trifsico: m Tampa ( 4 ) m Ventilador ( 5 ) m Tampa defletora ( 6 ) m Caixa de ligao ( 9 ) m Terminais ( 10 ) m Rolamentos ( 11 ) O foco deste manual o motor de gaiola, cujo rotor constitudo de um conjunto de barras no isoladas e interligadas por anis de curto-circuito. O que caracteriza o motor de induo que s o estator ligado rede de alimentao. O rotor no alimentado externamente e as correntes que circulam nele, so induzidas eletromagneticamente pelo estator, donde o seu nome de motor de induo.

Na figura 1.11, representamos esta soma grfica para seis instantes sucessivos.

Figura 1.11 No instante ( 1 ), a figura 1.6, mostra que o campo H1 mximo e os campos H2 e H3 so negativos e de mesmo valor, iguais a 0,5. Os trs campos so representados na figura 1.11 ( 1 ), parte superior, levando em conta que o campo negativo representado por uma seta de sentido oposto ao que seria normal; o campo resultante (soma grfica) mostrado na parte inferior da figura 1.11 ( 1 ), tendo a mesma direo do enrolamento da fase 1. Repetindo a construo para os pontos 2, 3, 4, 5 e 6 da figura 1.6, observase que o campo resultante H tem intensidade constante, porm sua direo vai girando, completando uma volta no fim de um ciclo. Assim, quando um enrolamento trifsico alimentado por correntes trifsicas, cria-se um campo girante, como se houvesse um nico par de plos girantes, de intensidade constante. Este campo girante, criado pelo

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ESPECIFICAO

Figura 1.9

b) Na figura 1.10b indicado um enrolamento trifsico, que transformado por trs monofsicos espaados entre si de 120o. Se este enrolamento for alimentado por um sistema trifsico, as correntes I1, I2 e I3 criaro, do mesmo modo, os seus prprios campos magnticos H1, H2 e H3. Estes campos so espaados entre si de 120o. Alm disso, como so proporcionais s respectivas correntes, sero defasados no tempo, tambm de 120o entre si e podem ser representandos por um grfico igual ao da figura 1.6. O campo total H resultante, a cada instante, ser igual soma grfica dos trs campos H1, H2 e H3 naquele instante.

MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA enrolamento trifsico do estator, induz tenses nas barras do rotor (linhas de fluxo cortam as barras do rotor) as quais geram correntes, e conseqentemente, um campo no rotor, de polaridade oposta do campo girante. Como campos opostos se atraem e como o campo do estator (campo girante) rotativo, o rotor tende a acompanhar a rotao deste campo. Desenvolve-se ento, no rotor, um conjugado motor que faz com que ele gire, acionando a carga. 1.5.2 Velocidade sncrona ( ns ) A velocidade sncrona do motor definida pela velocidade de rotao do campo girante, a qual depende do nmero de plos (2p) do motor e da freqncia (f) da rede, em hertz. Os enrolamentos podem ser construdos com um ou mais pares de plos, que se distribuem alternadamente (um norte e um sul) ao longo da periferia do ncleo magntico. O campo girante percorre um par de plos (p) a cada ciclo. Assim, como o enrolamento tem plos ou p pares de plos, a velocidade do campo ser: ns = 60 x f 120 x f = p 2p ( rpm ) Portanto, medida que a carga aumenta cai a rotao do motor. Quando a carga zero (motor em vazio) o rotor girar praticamente com a rotao sncrona. A diferena entre a velocidade do motor n e a velocidade sncrona ns chama-se escorregamento s, que pode ser expresso em rpm, como frao da velocidade sncrona, ou como porcentagem desta ns - n ns - n s (rpm) = ns - n ; s = ; s ( % ) = x 100 ns ns Para um dado escorregamento s(%), a velocidade do motor ser, portanto S(%) n = ns x ( 1 - ) 100 Exemplo: Qual o escorregamento de um motor de 6 plos, 50Hz, se sua velocidade de 960 rpm? 1000 - 960 s ( % ) = 1000 s(%) = 4% x 100

Exemplos: a) Qual a rotao sncrona de um motor de 6 plos, 50Hz? ns = 120 x 50 = 1000 rpm 6

b) Motor de 12 plos, 60Hz? ns = 120 x 60 = 12 600 rpm

1.5.4 Velocidade nominal a velocidade (rpm) do motor funcionando potncia nominal, sob tenso e freqncia nominais. Conforme foi visto no item 1.5.3, depende do escorregamento e da velocidade sncrona. s% n = ns x ( 1 - 100 ) ( rpm)

Note que o nmero de plos do motor ter que ser sempre par, para formar os pares de plos. Para as freqncias e polaridades usuais, as velocidades sncronas so: ESPECIFICAO Tabela 1.3 - Velocidades sncronas N de plos 2 4 6 8 10 Rotao sncrona por minuto 60 Hertz 3.600 1.800 1.200 900 720 50 Hertz 3.000 1.500 1.000 750 600

Para motores de dois plos, como no item 1.5.1, o campo percorre uma volta a cada ciclo. Assim, os graus eltricos equivalem aos graus mecnicos. Para motores com mais de dois plos, teremos de acordo com o nmero de plos, um giro geomtrico menor, sendo inversamente proporcional a 360o em dois plos. Por exemplo: Para um motor de seis plos teremos, em um ciclo completo, um giro do campo de 360o x 2/6 = 120o geomtricos. Isto equivale, logicamente, a 1/3 da velocidade em dois plos. Conclui-se, assim, que: Graus geomtricos = Graus mecnicos x p 1.5.3 Escorregamento ( s ) Se o motor gira a uma velocidade diferente da velocidade sncrona, ou seja, diferente da velocidade do campo girante, o enrolamento do rotor corta as linhas de fora magntica do campo e, pelas leis do eletromagnetismo, circularo nele corrente induzidas. Quanto maior a carga, maior ter que ser o conjugado necessrio para acion-la. Para obter o conjugado, ter que ser maior a diferena de velocidade para que as correntes induzidas e os campos produzidos sejam maiores.

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MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA

2. Caractersticas da rede de alimentao2.1 O sistema No Brasil, o sistema de alimentao pode ser monofsico ou trifsico. O sistema monofsico utilizado em servios domsticos, comerciais e rurais, enquanto o sistema trifsico, em aplicaes industriais, ambos em 60Hz. 2.1.1 Trifsico As tenses trifsicas mais usadas nas redes industriais so: l Baixa tenso: 220V, 380V e 440V l Mdia tenso: 2.300 V, 4.160 V e 6.600 V O sistema trifsico estrela de baixa tenso, consiste de trs condutores de fase (L1, L2, L3) e o condutor neutro (N), sendo este, conectado ao ponto estrela do gerador ou secundrio dos transformadores (conforme mostra figura 2.1).

como: 1) Limitao da potncia do ramal potncia nominal do transformador de isolamento; 2) Necessidade reforar o aterramento do transformador de isolamento, pois na sua falta, cessa o fornecimento de energia para todo o ramal

Figura 2.3 - Sistema monofilar com transformador de isolamento c) Sistema MRT na verso neutro parcial empregado como soluo para a utilizao do MRT em regies de solos de alta resistividade, quando se torna difcil obter valores de resistncia de terra dos transformadores dentro dos limites mximos estabelecidos no projeto.

Figura 2.1 - Sistema trifsico 2.1.2 Monofsico As tenses monofsicas padronizadas no Brasil so as de 115V (conhecida como 110V), 127V e 220V. Os motores monofsicos so ligados duas fases (tenso de linha UL) ou uma fase e o neutro (tenso de fase Uf). Assim, a tenso nominal do motor monofsico dever ser igual tenso UL ou Uf do sistema. Quando vrios motores monofsicos so conectados ao sistema trifsico (formado por trs sistemas monofsicos), deve-se tomar o cuidado para distribu-los de maneira uniforme, evitando-se assim, desequilbrio entre as fases. Monofsico com retorno por terra - MRT O sistema monofsico com retorno por terra - MRT -, um sistema eltrico em que a terra funciona como condutor de retorno da corrente de carga. Afigura-se como soluo para o emprego no monofsico a partir de alimentadores que no tm o condutor neutro. Dependendo da natureza do sistema eltrico existente e caractersticas do solo onde ser implantado (geralmente na eletrificao rural), tem-se: a) Sistema monofilar a verso mais prtica e econmica do MRT, porm, sua utilizao s possvel onde a sada da subestao de origem estrela-tringulo. Figura 2.2 - Sistema monofilar Figura 2.4 - Sistema MRT na verso neutro parcial 2.2 Tenso nominal a tenso para a qual o motor foi projetado. 2.2.1 Tenso nominal mltipla A grande maioria dos motores fornecida com terminais do enrolamento religveis, de modo a poderem funcionar em redes de pelo menos duas tenses diferentes. Os principais tipos de religao de terminais de motores para funcionamento em mais de uma tenso so: a) Ligao srie-paralela O enrolamento de cada fase dividido em duas partes (lembrar que o nmero de plos sempre par, de modo que este tipo de ligao sempre possvel). Ligando as duas metades em srie, cada metade ficar com a metade da tenso de fase nominal do motor. Ligando as duas metades em paralelo, o motor poder ser alimentado com uma tenso igual metade da tenso anterior, sem que se altere a tenso aplicada a cada bobina. Veja os exemplos das figuras 2.5a e b.

Figura 2.5a - Ligao srie-paralelo Y b) Sistema monofilar com transformador de isolamento Este sistema possui algumas desvantagens, alm do custo do transformador,

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ESPECIFICAO

MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA Este tipo de ligao exige 12 terminais e a figura 2.7 mostra a numerao normal dos terminais e o esquema de ligao para as trs tenses nominais.

Figura 2.5b - Ligao srie-paralelo Este tipo de ligao exige nove terminais no motor e a tenso nominal (dupla) mais comum, 220/440V, ou seja, o motor religado na ligao paralela quando alimentado com 220V e na ligao srie quando alimentado em 440V. A figura 2.1 mostra a numerao normal dos terminais e o esquema de ligao para estes tipos de motores, tanto para motores ligados em estrela como em tringulo. O mesmo esquema serve para outras duas tenses quaisquer, desde que uma seja o dobro da outra, por exemplo, 230/ 460V b) Ligao estrela-tringulo O enrolamento de cada fase tem as duas pontas trazidas para fora do motor. Se ligarmos as trs fases em tringulo, cada fase receber a tenso da linha, por exemplo, 220V (figura 2.6). Se ligarmos as trs fases em estrela, o motor pode ser ligado a uma linha de tenso igual a 220 x 3 = 380 volts sem alterar a tenso no enrolamento que continua igual a 220 volts por fase, pois, Uf = U 3

Figura 2.7 2.3 Freqncia nominal (Hz) a freqncia da rede para a qual o motor foi projetado. 2.3.1 Ligao em freqncias diferentes Motores trifsicos bobinados para 50Hz podero ser ligados tambm em rede de 60Hz. a) Ligando o motor de 50Hz, com a mesma tenso, em 60Hz - a potncia do motor ser a mesma; - a corrente nominal a mesma; - a corrente de partida diminui em 17%; - o conjugado de partida diminui em 17%; - o conjugado mximo diminui em 17%; - a velocidade nominal aumenta em 20%. Nota: Devero ser observados os valores de potncia requeridas, para motores que acionam equipamentos que possuem conjugados variveis com a rotao.

ESPECIFICAO

b) Se alterar a tenso em proporo freqncia: - aumenta a potncia do motor 20%; - a corrente nominal a mesma; Figura 2.6 - Ligao estrela-tringulo Y - Este tipo de ligao exige seis terminais no motor e serve para quaisquer tenses nominais duplas, desde que a segunda seja igual primeira multiplicada por 3. Exemplos: 220/380V - 380/660V - 440/760V Nos exemplos 380/660V e 440/760V, a tenso maior declarada s serve para indicar que o motor pode ser acionado atravs de uma chave de partida estrela-tringulo. Motores que possuem tenso nominal de operao acima de 660V devero possuir um sistema de isolao especial, apto a esta condio. c) Tripla tenso nominal Podemos combinar os dois casos anteriores: o enrolamento de cada fase dividido em duas metades para ligao srie-paralelo. Alm disso, todos os terminais so acessveis para podermos ligar as trs fases em estrela ou tringulo. Deste modo, temos quatro combinaes possveis de tenso nominal: 1) Ligao tringulo paralelo; 2) Ligao estrela paralela, sendo igual a 3 vezes a primeira; 3) Ligao tringulo srie, valendo o dobro da primeira; 4) Ligao estrela srie, valendo 3 vezes a terceira. Mas, como esta tenso seria maior que 600V, indicada apenas como referncia de ligao estrela-tringulo. Exemplo: 220/380/440(760) V - a corrente de partida ser aproximadamente a mesma; - o conjugado de partida ser aproximadamente o mesmo; - o conjugado mximo ser aproximadamente o mesmo; - a rotao nominal aumenta 20%. Quando o motor for ligado em 60Hz com a bobinagem 50Hz, poderemos aumentar a potncia em 15% para II plos e 20% para IV, VI e VIII plos. 2.4 Tolerncia de variao de tenso e freqncia Conforme norma NBR 7094:1996 (cap. 4 - item 4.3.3). Para os motores de induo, as combinaes das variaes de tenso e de freqncia so classificadas como Zona A ou Zona B, conforme figura 2.8.

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MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA 33% da corrente de partida na ligao tringulo. O conjugado resistente da carga no poder ultrapassar o conjugado de partida do motor (figura 2.9), nem a corrente no instante da mudana para tringulo poder ser de valor inaceitvel. Existem casos onde este sistema de partida no pode ser usado, conforme demonstra a figura 2.10.

Figura 2.8 - Limites das variaes de tenso e de freqncia em funcionamento Um motor deve ser capaz de desempenhar sua funo principal continuamente na Zona A, mas pode no atender completamente s suas caractersticas de desempenho tenso e freqncia nominais (ver ponto de caractersticas nominais na figura 2.8), apresentando alguns desvios. As elevaes de temperatura podem ser superiores quelas tenso e freqncia nominais. Um motor deve ser capaz de desempenhar sua funo principal na Zona B, mas pode apresentar desvios superiores queles da Zona A no que se refere s caractersticas de desempenho tenso e freqncia nominais. As elevaes de temperatura podem ser superiores s verificadas com tenso e freqncia nominais e muito provavelmente superiores quelas da Zona A. O funcionamento prolongado na periferia da Zona B no recomendado. 2.5 Limitao da corrente de partida em motores trifsicos Partida direta A partida de um motor trifsico de gaiola, dever ser direta, por meio de contatores. Deve-se ter em conta que para um determinado motor, as curvas de conjugado e corrente so fixas, independente da carga, para uma tenso constante. No caso em que a corrente de partida do motor elevada podem ocorrer as seguintes conseqncias prejudiciais: a) Elevada queda de tenso no sistema de alimentao da rede. Em funo disto, provoca a interferncia em equipamentos instalados no sistema; b) O sistema de proteo (cabos, contatores) dever ser superdimensionado, ocasionando um custo elevado; c) A imposio das concessionrias de energia eltrica que limitam a queda de tenso da rede. Caso a partida direta no seja possvel, devido aos problemas citados acima, pode-se usar sistema de partida indireta para reduzir a corrente de partida: - chave estrela-tringulo - chave compensadora - chave srie-paralelo - partida eletrnica (soft-starter) 2.5.1 Partida com chave estrela-tringulo (Y-) fundamental para a partida que o motor tenha a possibilidade de ligao em dupla tenso, ou seja, em 220/380V, em 380/660V ou 440/760V. Os motores devero ter no mnimo seis bornes de ligao. A partida estrelatringulo poder ser usada quando a curva de conjugado do motor suficientemente elevada para poder garantir a acelerao da mquina com a corrente reduzida. Na ligao estrela, a corrente fica reduzida para 25 a Figura 2.9 - Corrente e conjugado para partida estrela-tringulo de um motor de gaiola acionando uma carga com conjugado resistente Cr. I - corrente em tringulo I Y - corrente em estrela CY - conjugado em estrela C - conjugado em tringulo Cr - conjugado resistente ESPECIFICAO Na figura 2.9 temos um alto conjugado resistente Cr. Se a partida for em estrela, a motor acelera a carga aproximadamente at 85% da rotao nominal. Neste ponto, a chave dever ser ligada em tringulo. Neste caso, a corrente, que era aproximadamente a nominal, ou seja, 100%, salta repentinamente para 320%, o que no nenhuma vantagem, uma vez que na partida era de somente 190%.

Figura 2.10

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MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA Na figura 2.11 temos o motor com as mesmas caractersticas, porm, o conjugado resistente Cr bem menor. Na ligao Y, o motor acelera a carga at 95% da rotao nominal. Quando a chave ligada em , a corrente, que era de aproximadamente 50%, sobe para 170%, ou seja, praticamente igual a da partida em Y. Neste caso, a ligao estrela-tringulo apresenta vantagem, porque se fosse ligado direto, absorveria da rede 600% da corrente nominal. A chave estrela-tringulo em geral s pode ser empregada em partidas da mquina em vazio, isto , sem carga. Somente depois de ter atingido pelo menos 90% da rotao nominal, a carga poder ser aplicada. O instante da comutao de estrela para tringulo deve ser criteriosamente determinado, para que este mtodo de partida possa efetivamente ser vantajoso nos casos em que a partida direta no possvel. No caso de motores tripla tenso nominal (220/380/440/760V), deve-se optar pela ligao 220/380V ou 440/(760)V, dependendo da rede de alimentao. acelerao. A tenso na chave compensadora reduzida atravs de autotransformador que possui normalmente taps de 50, 65 e 80% da tenso nominal. Para os motores que partirem com uma tenso menor que a tenso nominal, a corrente e o conjugado de partida devem ser multiplicados pelos fatores K1 (fator de multiplicao da corrente) e K2 (fator de multiplicao do conjugado) obtidos no grfico da figura 2.13. RELAO DE TENSES

Figura 2.13 - Fatores de reduo K1 e K2 em funo das relaes de tenso do motor e da rede Um /Un Figura 2.11 I IY C CY C/Cn I/In Cr ESPECIFICAO Exemplo: Para 85% da tenso nominal Ip Ip ( ) = K1 . ( ) 85% In 100% In Ip = 0,8 ( ) In

-

corrente em tringulo corrente em estrela conjugado em tringulo conjugado em estrela relao entre o conjugado do motor e o conjugao nominal relao entre a corrente de partida e a corrente nominal conjugado resistente

100%

Esquematicamente, a ligao estrela-tringulo num motor para uma rede de 220V feita da maneira indicada na figura 2.12, notando-se que a tenso por fase durante a partida reduzida para 127V.

C C C ( ) = K2 . ( ) = 0,66 ( ) 85% Cn 100% Cn Cn

100%

Figura 2.12 2.5.2 Partida com chave compensadora (autotransformador) A chave compensadora pode ser usada para a partida de motores sob carga. Ela reduz a corrente de partida, evitando uma sobrecarga no circuito, deixando, porm, o motor com um conjugado suficiente para a partida e Figura 2.14 - Exemplo das caractersticas de desempenho de um motor de 425cv, VI plos, quando parte com 85% da tenso

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MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA 2.5.3 Comparao entre chaves estrelatringulo e compensadoras automticas 1) Estrela tringulo (automtica) Vantagens a) A chave estrela-tringulo muito utilizada por seu custo reduzido. b) No tem limite quanto ao seu nmero de manobras. c) Os componentes ocupam pouco espao. d) A corrente de partida fica reduzida para aproximadamente 1/3. Desvantagens a) A chave s pode ser aplicada a motores cujos seis bornes ou terminais sejam acessveis. b) A tenso da rede deve coincidir com a tenso em tringulo do motor. c) Com a corrente de partida reduzida para aproximadamente 1/3 da corrente nominal, reduz-se tambm o momento de partida para 1/3. d) Caso o motor no atingir pelo menos 90% de sua velocidade nominal, o pico de corrente na comutao de estrela para tringulo ser quase como se fosse uma partida direta, o que se torna prejudicial aos contatos dos contatores e no traz nenhuma vantagem para a rede eltrica. 2) Chave compensadora (automtica) Vantagens a) No tap de 65% a corrente de linha aproximadamente igual a da chave estrela-tringulo, entretanto, na passagem da tenso reduzida para a tenso da rede, o motor no desligado e o segundo pico bem reduzido, visto que o auto-transformador por curto tempo se torna uma reatncia. b) possvel a variao do tap de 65 para 80% ou at para 90% da tenso da rede, a fim de que o motor possa partir satisfatoriamente. Desvantagens a) A grande desvantagem a limitao de sua freqncia de manobras. Na chave compensadora automtica sempre necessrio saber a sua freqncia de manobra para determinar o auto-transformador de acordo. b) A chave compensadora bem mais cara do que a chave estrela-tringulo, devido ao auto-transformador. c) Devido ao tamanho do auto-transformador, a construo se torna volumosa, necessitando quadros maiores, o que torna o seu preo elevado. 2.5.4 Partida com chave srie-paralelo Para partida em srie-paralelo necessrio que o motor seja religvel para duas tenses, a menor delas igual a da rede e a outra duas vezes maior. Este tipo de ligao exige nove terminais no motor e a tenso nominal mais comum 220/440V, ou seja: durante a partida o motor ligado na configurao srie at atingir sua rotao nominal e, ento, faz-se a comutao para a configurao paralelo. 2.5.5 Partida eletrnica (soft-starter) O avano da eletrnica permitiu a criao da chave de partida a estado slido, a qual consiste de um conjunto de pares de tiristores (SCR) (ou combinaes de tiristores/diodos), um em cada borne de potncia do motor. O ngulo de disparo de cada par de tiristores controlado eletronicamente para aplicar uma tenso varivel aos terminais do motor durante a acelerao. No final do perodo de partida, ajustvel tipicamente entre 2 e 30 segundos, a tenso atinge seu valor pleno aps uma acelerao suave ou uma rampa ascendente, ao invs de ser submetido a incrementos ou saltos repentinos. Com isso, consegue-se manter a corrente de partida (na linha) prxima da nominal e com suave variao. Alm da vantagem do controle da tenso (corrente) durante a partida, a chave eletrnica apresenta, tambm, a vantagem de no possuir partes mveis ou que gerem arco, como nas chaves mecnicas. Este um dos pontos fortes das chaves eletrnicas, pois sua vida til torna-se mais longa. Tabela 2.1 - Mtodos de Partida x MotoresExecuo dos enrolamentos 220/380 220/440/230/460 380/660 220/380/440/760 Tenso de servio 220V 380V 220V/230V/ 440V/460V 380V 220V 380 440 Partida com chave estrelatringulo SIM NO NO NO SIM SIM NO SIM Partida Partida Partida com chave com chave com compensadora srieSoft-starter paralela SIM SIM SIM SIM SIM SIM SIM SIM NO NO SIM NO NO SIM NO NO SIM SIM SIM SIM SIM SIM SIM SIM

2.6 Sentido de rotao de motores de induo trifsicos Um motor de induo trifsico trabalhar em qualquer sentido dependendo da conexo com a fonte eltrica. Para inverter o sentido de rotao, invertese qualquer par de conexes entre motor e fonte eltrica. Os motores WEG possuem ventilador bidirecional, proporcionando sua operao em qualquer sentido de rotao, sem prejudicar a refrigerao do motor.

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ESPECIFICAO

MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA Na curva abaixo destacamos e definimos alguns pontos importantes. Os valores dos conjugados relativos a estes pontos so especificados pela norma NBR 7094 da ABNT, e sero apresentados a seguir: Cmin : Conjugado mnimo - o menor conjugado desenvolvido pelo motor ao acelerar desde a velocidade zero at a velocidade correspondente ao conjugado mximo. Na prtica, este valor no deve ser muito baixo, isto , a curva no deve apresentar uma depresso acentuada na acelerao, para que a partida no seja muito demorada, sobreaquecendo o motor, especialmente nos casos de alta inrcia ou partida com tenso reduzida. Cmx : Conjugado mximo - o maior conjugado desenvolvido pelo motor, sob tenso e freqncia nominal, sem queda brusca de velocidade. Na prtica, o conjugado mximo deve ser o mais alto possvel, por duas razes principais: 1) O motor deve ser capaz de vencer, sem grandes dificuldades, eventuais picos de carga como pode acontecer em certas aplicaes, como em britadores, calandras, misturadores e outras. 2) O motor no deve arriar, isto , perder bruscamente a velocidade, quando ocorrem quedas de tenso, momentaneamente, excessivas. 3.1.2 Categorias - valores mnimos normalizados Conforme as suas caractersticas de conjugado em relao velocidade e corrente de partida, os motores de induo trifsicos com rotor de gaiola, so classificados em categorias, cada uma adequada a um tipo de carga. Estas categorias so definidas em norma (NBR 7094), e so as seguintes: Categoria N Conjugado de partida normal, corrente de partida normal; baixo escorregamento. Constituem a maioria dos motores encontrados no mercado e prestam-se ao acionamento de cargas normais, como bombas, mquinas operatrizes, ventiladores. Categoria H Conjugado de partida alto, corrente de partida normal; baixo escorregamento. Usados para cargas que exigem maior conjugado na partida, como peneiras, transportadores carregadores, cargas de alta inrcia, britadores, etc. Categoria D Conjugado de partida alta, corrente de partida normal; alto escorregamento (+ de 5%). Usados em prensas excntricas e mquinas semelhantes, onde a carga apresenta picos peridicos. Usados tambm em elevadores e cargas que necessitam de conjugados de partida muito altos e corrente de partida limitada. As curvas conjugado X velocidade das diferentes categorias podem ser vistas na figura 3.2.

3. Caractersticas de acelerao3.1 Conjugados 3.1.1 Curva conjugado X velocidade Definio O motor de induo tem conjugado igual a zero velocidade sncrona. medida que a carga vai aumentando, a rotao do motor vai caindo gradativamente, at um ponto em que o conjugado atinge o valor mximo que o motor capaz de desenvolver em rotao normal. Se o conjugado da carga aumentar mais, a rotao do motor cai bruscamente, podendo chegar a travar o rotor. Representando num grfico a variao do conjugado com a velocidade para um motor normal, vamos obter uma curva com aspecto representado na figura 3.1.

ESPECIFICAO

Figura 3.1 - Curva conjugado x rotao C o: Conjugado bsico - o conjugado calculado em funo da potncia e velocidade sncrona. 716 x P (cv) Co (Kgfm) = ns (rpm) 7024 x P (cv) Co (Nm) = ns (rpm) = 974 x P (kW) ns (rpm) 9555 x P (kW) ns (rpm)

=

C n: Conjugado nominal ou de plena carga - o conjugado desenvolvido pelo motor potncia nominal, sob tenso e frequncia nominais. C p: Conjugado com rotor bloqueado ou conjugado de partida ou, ainda, conjugado de arranque - o conjugado mnimo desenvolvido pelo motor bloqueado, para todas as posies angulares do rotor, sob tenso e freqncia nominais. Comentrios 1) Esta definio leva em conta o fato de que o conjugado com o rotor bloqueado pode variar um pouco conforme a posio em que se trava o motor. 2) Este conjugado pode ser expresso em Nm ou, mais comumente, em porcentagem do conjugado nominal. Cp ( % ) = Cp (Nm) Cn (Nm) x 100 Figura 3.2 - Curvas Conjugado X Velocidade, das diferentes categorias Categoria NY Esta categoria inclui os motores semelhantes aos de categoria N, porm,

3) Na prtica, o conjugado de rotor bloqueado deve ser o mais alto possvel, para que o rotor possa vencer a inrcia inicial da carga e possa acelerla rapidamente, principalmente quando a partida com tenso reduzida.

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MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA previstos para partida estrela-tringulo. Para estes motores na ligao estrela, os valores mnimos do conjugado com rotor bloqueado e do conjugado mnimo de partida so iguais a 25% dos valores indicados para os motores categoria N. Categoria HY Esta categoria inclui os motores semelhantes aos de categoria H, porm. previstos para partida estrela-tringulo. Para estes motores na ligao estrela, os valores mnimos do conjugado com rotor bloqueado e do conjugado mnimo de partida so iguais a 25% dos valores indicados para os motores de categoria H. Os valores mnimos de conjugado exigidos para motores das categorias N e H (4, 6 e 8 plos), especificados pela norma NBR 7094, so mostrados nas tabelas 3.1 e 3.2. Para motores da categoria D, de 4, 6 e 8 plos e potncia nominal igual ou inferior a 150cv, tem-se, segundo a NBR 7094, que: a razo do conjugado com rotor bloqueado (Cp) para conjugado nominal (Cn) no deve ser inferior a 2,75. A norma no especifica os valores de Cmn e Cmx. A NBR 7094 no especifica os valores mnimos de conjugados exigidos para motores 2 plos, categorias H e D.

Tabela 3.1 - Conjugado com rotor bloqueado (Cp ), conjugado mnimo de partida (Cmin ) e conjugado mximo (Cmx ) de motores de categoria N, relativos ao conjugado nominal (Cn ). Nmero de plos Faixa de potncias nominais kW >0,4 0,63 > 0,63 1,0 > 1,0 1,6 > 1,6 2,5 > 2,5 4,0 > 4,0 6,3 > 6,3 10 > 10 16 > 16 25 > 25 40 > 40 63 > 63 100 > 100 160 > 160 250 > 250 400 > 400 630 cv > 0,54 0,63 > 0,86 1,4 > 1,4 2,2 > 2,2 3,4 > 3,4 5,4 > 5,4 8,6 > 8,6 14 > 14 22 > 22 34 > 34 54 > 54 86 >86 140 > 140 220 > 220 340 > 340 540 > 540 860 1,9 1,8 1,8 1,7 1,6 1,5 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,75 0,65 1,3 1,2 1,2 1,1 1,1 1,0 1,0 1,0 0,9 0,9 0,8 0,7 0,9 0,6 0,6 0,5 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 1,9 1,9 1,8 1,8 1,7 1,7 1,6 1,6 2,0 1,9 1,9 1,8 1,7 1,6 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,75 0,65 1,4 1,3 1,3 1,2 1,2 1,1 1,1 1,1 1,0 1,0 0,9 0,8 0,8 0,7 0,6 0,5 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 1,9 1,9 1,8 1,8 1,7 1,7 1,6 1,6 Cp 2 C mn C mx Cp 4 C mn C mx Cp pu 1,7 1,7 1,6 1,6 1,5 1,5 1,5 1,4 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,75 0,65 1,2 1,2 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,0 1,0 1,0 0,9 0,8 0,8 0,7 0,6 0,5 1,7 1,8 1,9 1,9 1,9 1,9 1,8 1,8 1,8 1,8 1,7 1,7 1,7 1,6 1,6 1,6 1,5 1,5 1,4 1,4 1,3 1,3 1,3 1,2 1,2 1,2 1,1 1,0 0,9 0,9 0,75 0,65 1,1 1,1 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,9 0,9 0,9 0,8 0,7 0,7 0,7 0,6 0,6 1,6 1,7 1,8 1,8 1,8 1,8 1,7 1,7 1,7 1,7 1,7 1,6 1,6 1,6 1,6 ESPECIFICAO 1,6 6 C mn C mx Cp 8 C mn C mx

Tabela 3.2 Conjugado com rotor bloqueado (Cp ), conjugado mnimo de partida (Cmn ) e mximo ( Cmx ), para motores de categoria H, relativos ao conjugado nominal (Cn ). Nmero de plos Faixa de potncias nominais kW >0,4 0,63 > 0,63 1,0 > 1,0 1,6 > 1,6 2,5 > 2,5 4,0 > 4,0 6,3 > 6,3 10 > 10 16 > 16 25 > 25 40 > 40 63 > 63 100 > 100 160 cv > 0,54 0,63 > 0,86 1,4 > 1,4 2,2 > 2,2 3,4 > 3,4 5,4 > 5,4 8,6 > 8,6 14 > 14 22 > 22 34 > 34 54 > 54 86 >86 140 > 140 220 3,0 2,85 2,85 2,7 2,55 2,4 2,4 2,25 2,1 2,0 2,0 2,0 2,0 2,1 1,95 1,95 1,8 1,8 1,65 1,65 1,65 1,5 1,5 1,4 1,4 1,4 2,1 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 2,55 2,55 2,4 2,4 2,25 2,25 2,25 2,1 2,1 2,0 2,0 2,0 2,0 Cp 4 C mn C mx Cp 6 C mn pu 1,8 1,8 1,65 1,65 1,65 1,65 1,65 1,5 1,5 1,5 1,4 1,4 1,4 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 2,25 2,25 2,1 2,1 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 1,65 1,65 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 C mx Cp 8 C mn C mx

Notas: a) os valores de Cp /Cn so iguais a 1, 5 vezes os valores correspondentes da categoria N, no sendo porm, inferiores a 2,0; b) os valores de Cmn /Cn so iguais a 1,5 vezes os valores correspondentes da categoria N, no sendo porm, inferiores a 1,4; c) os valores de Cmx /Cn so iguais aos valores correspondentes da categoria N, no sendo porm, inferiores a 1,9 ou ao valor correspondente de Cmn /Cn.

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MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA 3.1.3 Caractersticas dos motores WEG Embora os motores WEG sejam, na sua maioria, declarados como pertencendo categoria N, a exemplo da maioria dos motores encontrados no mercado, os valores reais tpicos dos conjugados excedem em muito os exigidos em norma. Na maioria dos casos excedem at mesmo, os mnimos exigidos para a categoria H. Isto significa uma curva conjugado x velocidade bastante alta, trazendo as seguintes vantagens: 1) Rpida acelerao em caso de partida pesada, como bombas de pisto, esteiras carregadas, cargas de alta inrcia, compressores com vlvulas abertas, etc. 2) Atendimentos de casos especiais, como os mencionados acima, com motores padro de estoque, com vantagens de preo, prazo e entrega. 3) Permitem o uso de sistemas de partida com tenso reduzida, como chaves estrela-tringulo, em casos normais, sem prejuzo da perfeita acelerao da carga. 4) Devido ao elevado valor do conjugado mximo, enfrentam, sem perda brusca de rotao, os picos momentneos de carga e as quedas de tenso passageiras. Isto fundamental para o acionamento de mquinas sujeitas a grandes picos de carga, como britadores, calandras, etc. 3.2 Inrcia da carga O momento de inrcia da carga acionada uma das caractersticas fundamentais para verificar, atravs do tempo de acelerao, se o motor consegue acionar a carga dentro das condies exigidas pelo ambiente ou pela estabilidade trmica do material isolante. Momento de inrcia uma medida da resistncia que um corpo oferece a uma mudana em seu movimento de rotao em torno de um dado eixo. Depende do eixo em torno do qual ele est girando e, tambm, da forma do corpo e da maneira como sua massa est distribuda. A unidade do momento de inrcia kgm2. O momento de inrcia total do sistema a soma dos momentos de inrcia da carga e do motor ( Jt = Jm + Jc ). No caso de uma mquina que tem rotao diferente do motor (por exemplo, nos casos de acionamento por polias ou engrenagens), dever ser referida a rotao nominal do motor conforme abaixo: MOMENTO DE INRCIA EM ROTAES DIFERENTES ESPECIFICAO N1 N2 N3 Nc Jce = Jc( )2+ J1( )2+ J2 ( )2 + J3 ( )2 Nn Nn Nn Nn onde: Jce - Momento de inrcia da carga referido ao eixo do motor Jc - Momento de inrcia da carga N c - Rotao da carga N n - Rotao nominal do motor Jt = Jm + Jce A inrcia total de uma carga um importante fator para a determinao do tempo de acelerao. 3.3 Tempo de acelerao Para verificar se o motor consegue acionar a carga, ou para dimensionar uma instalao, equipamento de partida ou sistema de proteo, necessrio saber o tempo de acelerao (desde o instante em que o equipamento acionado at ser atingida a rotao nominal). O tempo de acelerao pode ser determinado de maneira aproximada pelo conjugado mdio de acelerao. 2 . rps . ( Jm + Jce ) 2 . rps . Jt ta = = ( Cmmed - Crmed ) Ca ta Jt rps - tempo de acelerao em segundos - momento de inrcia total em kgm2 - rotao nominal em rotaes por segundo

C mmed - conjugado mdio de acelerao do motor em N.m. C rmed - conjugado mdio de acelerao de carga referido a eixo em N.m. Jm Jce Ca - momento de inrcia do motor - momento de inrcia da carga referido ao eixo - conjugado mdio de acelerao

O conjugado mdio de acelerao obtm-se a partir da diferena entre o conjugado do motor e o conjugado da carga. Seu valor deveria ser calculado para cada intervalo de rotao (a somatria dos intervalos forneceria o tempo total de acelerao). Porm, na prtica, suficiente que se calcule graficamente o conjugado mdio, isto , a diferena entre a mdia do conjugado do motor e a mdia do conjugado da carga. Essa mdia pode ser obtida, graficamente, bastando que se observe que a soma das reas A1 e A2 seja igual a rea A3 e que a rea B1 seja igual a rea B2 (ver figura 3.5).C n = Conjugado nominal Cm = Conjugado do motor Cr Ca = Conjugado da carga = Conjugado mdio de acelerao

Figura 3.3 - Momento de inrcia em rotaes diferentes Nc Jce = Jc ( ) 2 Nn ( kgm2 )

N n = Rotao nominal

Figura 3.4 - Momento de inrcia em velocidades diferentes

Figura 3.5 - Determinao grfica do conjugado mdio de acelerao

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MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA 3.4 Regime de partida Devido ao valor elevado da corrente de partida dos motores de induo, o tempo gasto na acelerao de cargas de inrcia aprecivel resulta na elevao rpida da temperatura do motor. Se o intervalo entre partidas sucessivas for muito reduzido, isto levar a uma acelerao de temperatura excessiva nos enrolamentos, danificando-os ou reduzindo a sua vida til. A norma NBR 7094 estabelece um regime de partida mnimo que os motores devem ser capazes de realizar: a) Duas partidas sucessivas, sendo a primeira feita com o motor frio, isto , com seus enrolamentos temperatura ambiente e a segunda logo a seguir, porm, aps o motor ter desacelerado at o repouso. b) Uma partida com o motor quente, ou seja, com os enrolamentos temperatura de regime. A primeira condio simula o caso em que a primeira partida do motor malograda, por exemplo, pelo desligamento da proteo, permitindo-se uma segunda tentativa logo a seguir. A segunda condio simula o caso de um desligamento acidental do motor em funcionamento normal, por exemplo, por falta de energia na rede, permitindo-se retomar o funcionamento logo aps o restabelecimento da energia. Como o aquecimento durante a partida depende da inrcia das partes girantes da carga acionada, a norma estabelece os valores mximos de inrcia da carga para os quais o motor deve ser capaz de cumprir as condies acima. Os valores fixados para motores de 2, 4, 6 e 8 plos esto indicados na tabela 3.3. Tabela 3.3 - Momento de inrcia (J) Nmero de plos Potencia nominal 2 kW 0,4 0,63 1,0 1,6 2,5 4,0 6,3 10 18 25 40 63 100 160 250 400 630 cv 0,54 0,86 1,4 2,2 3,4 5,4 8,6 14 22 34 54 86 140 220 340 540 860 0,018 0,026 0,040 0,061 0,091 0,139 0,210 0,318 0,485 0,725 1,11 1,67 2,52 3,85 5,76 8,79 13,2 4 kgm2 0,099 0,149 0,226 0,345 0,516 0,788 1,19 1,80 2,74 4,10 6,26 9,42 14,3 21,8 32,6 49,7 74,8 0,273 0,411 0,624 0,952 1,42 2,17 3,27 4,95 7,56 11,3 17,2 26,0 39,3 60,1 89,7 137 206 0,561 0,845 1,28 1,95 2,92 4,46 6,71 10,2 15,5 23,2 35,4 53,3 80,8 123 184 281 423 6 8 m Transmisso: direta, correia plana, correias V, corrente, etc. w Relao de transmisso com croquis das dimenses e distncias das polias, se for transmisso por correia. w Cargas radiais anormais aplicadas ponta do eixo: trao da correia em transmisses especiais, peas pesadas, presas ao eixo, etc. w Cargas axiais aplicadas ponta do eixo: transmisses por engrenagem helicoidal, empuxos hidrulicos de bombas, peas rotativas pesadas em montagem vertical, etc. m Forma construtivas se no for B3D, indicar o cdigo da forma construtiva utilizada. m Conjugados de partida e mximos necessrios: w Descrio do equipamento acionado e condies de utilizao. w Momento de inrcia ou GD2 das partes mveis do equipamento, e a rotao a que est referida. m Regime de funcionamento, no se tratando de regime contnuo, descrever detalhadamente o perodo tpico do regime, no esquecendo de especificar: w Potncia requerida e durao de cada perodo com carga; w Durao dos perodos sem carga (motor em vazio ou motor desligado); w Reverses do sentido de rotao; w Frenagem em contra-corrente. 3.5 Corrente de rotor bloqueado 3.5.1 Valores mximos normalizados Os limites mximos da corrente com rotor bloqueado, em funo da potncia nominal do motor e vlidos para qualquer nmeros de plos, esto indicados na tabela 3.4, expressos em termos da potncia aparente absorvida com rotor bloqueado em relao potncia nominal, kVA/cv ou kVA/kW. Potncia aparente com rotor bloqueado kVA/cv = Potncia nominal 3 Ip . U kVA/cv = P (cv) . 1000 3 . Ip . U ; kVA/kW = P (kW) . 1000 ESPECIFICAO

sendo: Ip - Corrente de rotor bloqueado, ou corrente de partida U - Tenso nominal (V) P - Potncia nominal (cv ou kW) Tabela 3.4 - Potncia aparente com rotor bloqueado (Sp/Pn) para motores trifsicos Faixa de potncias nominais kW > 0,4 6,3 > 6,3 25 > 25 63 > 63 630 cv > 0,54 8,6 > 8,6 34 > 34 140 > 140 860 kVA/cv 9,6 8,8 8,1 7,4 Sp / Sn kVA/kW 13 12 11 10

Notas a) Os valores so dados em funo de massa-raio ao quadrado. Eles foram calculados a partir da frmula: J = 0,04 . P 0.9 . p 2,5 onde: P p - potncia nominal em Kw - nmero de pares de plos

b) Para valores intermedirios de potncia nominal, o momento de inrcia externo, deve ser calculado pela frmula da nota a. Para cargas com inrcia maior que o valor de referncia da tabela 3.3, o que pode ocorrer, principalmente nas potncias maiores ou para determinao do nmero de partidas permitidas por hora, dever ser consultada a nossa engenharia de aplicao, indicando os seguintes dados da aplicao: m Potncia requerida pela carga. Se o regime for intermitente, ver o ltimo item: regime de funcionamento. m Rotao da mquina acionada.

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4.

Regulagem da velocidade de motores assncronos de induo

4.1 Introduo A relao entre velocidade, freqncia, nmero de plos e escorregamento expressa por 2 n = . f . 60 . ( 1 - s ) ( 2p ) onde: n f 2p s = = = = rpm freqncia (Hz) nmero de plos escorregamento

Analisando a frmula, podemos ver que para regular a velocidade de um motor assncrono, podemos atuar nos seguintes parmetros: a) 2p = nmero de plos b) s = escorregamento c) f = freqncia da tenso (Hz) 4.2 Variao do nmero de plos Existem trs modos de variar o nmero de plos de um motor assncrono, quais sejam: - enrolamentos separados no estator - um enrolamento com comutao de plos - combinao dos dois anteriores. Em todos esses casos, a regulao de velocidade ser discreta, sem perdas, porm, a carcaa ser maior do que a de um motor de velocidade nica. 4.2.1 Motores de duas velocidades com enrolamentos separados Esta verso apresenta a vantagem de se combinar enrolamentos com qualquer nmero de plos, porm, limitada pelo dimensionamento eletromagntico do ncleo (estator/rotor) e carcaa geralmente bem maior que o de velocidade nica. 4.2.2 Motores de duas velocidades com enrolamento por comutao de plos O sistema mais comum que se apresenta o denominado ligao Dahlander. Esta ligao implica numa relao de plos de 1:2 com consequente relao de rotao de 1:2. Podem ser ligadas da seguinte forma (figura 4.1): - Conjugado constante O conjugado nas duas rotaes constante e a relao de potncia da ordem de 0,63:1. Neste caso o motor tem uma ligao de /YY. Exemplo: Motor 0,63/1cv - IV/II plos - /YY. Este caso se presta as aplicaes cuja curva de torque da carga permanece constante com a rotao. - Potncia constante Neste caso, a relao de conjugado 1:2 e a potncia permanece constante. O motor possui uma ligao YY/ Exemplo: 10/10cv - IV/II plos - YY/. - Conjugado varivel Neste caso, a relao de potncia ser de aproximadamente 1:4. muito aplicado s cargas como bombas, ventiladores. Sua ligao Y/YY. Exemplo: 1/4cv - IV/II plos - Y/YY.

Figura 4.1 - Resumo das ligaes Dahlander 4.2.3 Motores com mais de duas velocidades possvel combinar um enrolamento Dahlander com um enrolamento simples ou mais. Entretanto, no comum, e somente utilizado em aplicaes especiais. 4.3 Variao do escorregamento Neste caso, a velocidade do campo girante mantida constante, e a velocidade do rotor alterada de acordo com as condies exigidas pela carga, que podem ser: a) variao da resistncia rotrica b) variao da tenso do estator c) variao de ambas, simultaneamente. Estas variaes so conseguidas atravs do aumento das perdas rotricas, o que limita a utilizao desse sistema. 4.3.1 Variao da resistncia rotrica Utilizado em motores de anis. Baseia-se na seguinte equao: s onde: pj2 o T R2 I2 = = = = = = 3R2 I22 o . T = pj2 o . T

ESPECIFICAO

Perdas rotricas (W) Rotao sncrona em rd/s Torque ou conjugado do rotor Resistncia rotrica (ohms) Corrente rotricas (A)

A insero de uma resistncia externa no rotor faz com que o motor aumente o S, provocando a variao de velocidade.

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MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA Na figura a seguir, vemos o efeito do aumento do R2.

Figura 4.2 - Curva de conjugado com variao da resistncia rotrica 4.3.2 Variao da tenso do estator um sistema pouco utilizado, uma vez que tambm gera perdas rotricas e a faixa de variao de velocidade pequena. 4.4 Inversores de freqncia Maiores informaes sobre o uso de inversores de freqncia para controle de velocidade, ver captulo 9.3.

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ESPECIFICAO

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5. Caractersticas em regime5.1 Elevao de temperatura, classe de isolamento 5.1.1 Aquecimento do enrolamento Perdas A potncia til fornecida pelo motor na ponta do eixo menor que a potncia que o motor absorve da linha de alimentao, isto , o rendimento do motor sempre inferior a 100%. A diferena entre as duas potncias representa as perdas, que so transformadas em calor, o qual aquece o enrolamento e deve ser dissipado para fora do motor, para evitar que a elevao de temperatura seja excessiva. O mesmo acontece em todos os tipos de motores. No motor de automvel, por exemplo, o calor gerado pelas perdas internas tem que ser retirado do bloco pelo sistema de circulao de gua com radiador ou pela ventoinha, em motores resfriados a ar. Dissipao do calor O calor gerado pelas perdas no interior do motor dissipado para o ar ambiente atravs da superfcie externa da carcaa. Em motores fechados essa dissipao normalmente auxiliada pelo ventilador montado no prprio eixo do motor. Uma boa dissipao depende: m da eficincia do sistema de ventilao; m da rea total de dissipao da carcaa; m da diferena de temperatura entre a superfcie externa da carcaa e do ar ambiente (text - ta). a) O sistema de ventilao bem projetado, alm de ter um ventilador eficiente, capaz de movimentar grande volume de ar, deve dirigir esse ar de modo a varrer toda a superfcie da carcaa, onde se d a troca de calor. De nada adianta um grande volume de ar se ele se espalha sem retirar o calor do motor. b) A rea total de dissipao deve ser a maior possvel. Entretanto, um motor com uma carcaa muito grande, para obter maior rea, seria muito caro e pesado, alm de ocupar muito espao. Por isso, a rea de dissipao disponvel limitada pela necessidade de fabricar motores pequenos e leves. Isso compensado em parte, aumentando-se a rea disponvel por meio de aletas de resfriamento, fundidas com a carcaa. c) Um sistema de resfriamento eficiente aquele que consegue dissipar a maior quantidade de calor disponvel, atravs da menor rea de dissipao. Para isso, necessrio que a queda interna de temperatura, mostrada na figura 5.1, seja minimizada. Isto quer dizer que deve haver uma boa transferncia de calor do interior do motor at a superfcie externa. O que realmente queremos limitar a elevao da temperatura no enrolamento sobre a temperatura do ar ambiente. Esta diferena total ( t) comumente chamada elevao de temperatura do motor e, como indicado na figura 5.1, vale a soma da queda interna com a queda externa.

Como vimos, interessa reduzir a queda interna (melhorar a transferncia de calor) para poder ter uma queda externa maior possvel, pois esta que realmente ajuda a dissipar o calor. A queda interna de temperatura depende de diversos fatores como indica a figura 5.1, onde as temperaturas de certos pontos importantes do motor esto representadas e explicadas a seguir: A - Ponto mais quente do enrolamento, no interior da ranhura, onde gerado o calor proveniente das perdas nos condutores. AB - Queda de temperatura na transferncia de calor do ponto mais quente at os fios externos. Como o ar um pssimo condutor de calor, importante que no haja vazios no interior da ranhura, isto , as bobinas devem ser compactas e a impregnao com verniz deve ser perfeita. B - Queda atravs do isolamento da ranhura e no contato deste com os condutores de um lado, e com as chapas do ncleo, do outro. O emprego de materiais modernos melhora a transmisso de calor atravs do isolante; a impregnao perfeita, melhora o contato do lado interno, eliminando espaos vazios; o bom alinhamento das chapas estampadas, melhora o contato do lado externo, eliminando camadas de ar que prejudicam a transferncia de calor. BC - Queda de temperatura por transmisso atravs do material das chapas do ncleo. C - Queda no contato entre o ncleo e a carcaa. A conduo de calor ser tanto melhor quanto mais perfeito for o contato entre as partes, dependendo do bom alinhamento das chapas, e preciso da usinagem da carcaa. Superfcies irregulares deixam espaos vazios entre elas, resultando mau contato e, portanto, m conduo do calor e elevada queda de temperatura neste ponto. CD - Queda de temperatura por transmisso atravs da espessura da carcaa. Graas a um projeto moderno, uso de materiais avanados, processos de fabricao aprimorados, sob um permanente Controle de Qualidade, os motores WEG apresentam uma excelente transferncia de calor do interior para a superfcie, eliminando pontos quentes no enrolamento. Temperatura externa do motor Era comum, antigamente, verificar o aquecimento do motor, medindo, com a mo, a temperatura externa da carcaa. Em motores modernos, este mtodo primitivo completamente errado. Como vimos anteriormente, os critrios modernos de projeto, procuram aprimorar a transmisso de calor internamente, de modo que a temperatura do enrolamento fique pouco acima da temperatura externa da carcaa, onde ela realmente contribui para dissipar as perdas. Em resumo, a temperatura da carcaa no d indicao do aquecimento interno do motor, nem de sua qualidade. Um motor frio por fora pode ter perdas maiores e temperatura mais alta no enrolamento do que um motor exteriormente quente. 5.1.2 Vida til do motor Sendo o motor de induo, uma mquina robusta e de construo simples, a sua vida til depende quase exclusivamente da vida til da isolao dos enrolamentos. Esta afetada por muitos fatores, como umidade, vibraes, ambientes corrosivos e outros. Dentre todos os fatores, o mais importante , sem dvida a temperatura de trabalho dos materiais isolantes empregados. Um aumento de 8 a 10 graus na temperatura da isolao reduz sua vida til pela metade. Quando falamos em diminuio da vida til do motor, no nos referimos s temperaturas elevadas, quando o isolante se queima e o enrolamento destrudo de repente. Vida til da isolao (em termos de temperatura de trabalho, bem abaixo daquela em que o material se queima), refere-se ao envelhecimento gradual do isolante, que vai se tornando ressecado, perdendo o poder isolante, at que no suporte mais a tenso aplicada e produza o curto-circuito. A experincia mostra que a isolao tem uma durao praticamente ilimitada, se a sua temperatura for mantida abaixo de um certo limite. Acima deste valor, a vida til da isolao vai se tornando cada vez mais curta, medida que a temperatura de trabalho mais alta. Este limite de temperatura muito mais baixo que a temperatura de queima do isolante e depende do tipo de material empregado. Esta limitao de temperatura se refere ao ponto mais quente da isolao e no necessariamente ao enrolamento todo. Evidentemente, basta um ponto fraco no interior da bobina para que o enrolamento fique inutilizado.

ESPECIFICAO

Figura 5.1

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MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA 5.1.3 Classes de isolamento Definio das classes Como foi visto anteriormente, o limite de temperatura depende do tipo de material empregado. Para fins de normalizao, os materiais isolantes e os sistemas de isolamento (cada um formado pela combinao de vrios materiais) so 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 til. As classes de isolamento utilizadas em mquinas eltricas e os respectivos limites de temperatura conforme NBR-7094, so as seguintes: Classe A (105 C) Classe E (120 C) Classe B (130 C) Classe F (155 C) Classe H (180 C) As classes B e F so as comumente utilizadas em motores normais. 5.1.4 Medida de elevao de temperatura do enrolamento muito difcil medir a temperatura do enrolamento com termmetros ou termopares, pois a temperatura varia de um ponto a outro e nunca se sabe se o ponto da medio est prximo do ponto mais quente. O mtodo mais preciso e mais confivel de se medir a temperatura de um enrolamento atravs da variao de sua resistncia hmica com a temperatura, que aproveita a propriedade dos condutores de variar sua resistncia, segundo uma lei conhecida. A elevao da temperatura pelo mtodo da resistncia, calculada por meio da seguinte frmula, para condutores de cobre: R2 - R1 t = t2 - ta = ( 235 + t1 ) + t1 - ta R1 onde: t = a elevao de temperatura; t1 = a temperatura do enrolamento antes do ensaio, praticamente igual a do meio refrigerante, medida por termmetro; t2 = a temperatura dos enrolamentos no fim do ensaio; t a = a temperatura do meio refrigerante no fim do ensaio; R1 = Resistncia do enrolamento antes do ensaio; R2 = Resistncia do enrolamento no fim do ensaio. 5.1.5 Aplicao a motores eltricos A temperatura do ponto mais quente do enrolamento deve ser mantida abaixo do limite da classe. A temperatura total vale a soma da temperatura ambiente com a elevao de temperatura t mais a diferena que existe entre a temperatura mdia do enrolamento e a do ponto mais quente. As normas de motores fixam a mxima elevao de temperatura t, de modo que a temperatura do ponto mais quente fica limitada, baseada nas seguintes consideraes: a) A temperatura ambiente , no mximo 40 oC, por norma, e acima disso as condies de trabalho so consideradas especiais. b) A diferena entre a temperatura mdia e a do ponto mais quente no varia muito de motor para motor e seu valor estabelecido em norma, baseado na prtica 5 oC, para as classes A e E, 10 oC para as classes B, F e H. As normas de motores, portanto, estabelecem um mximo para a temperatura ambiente e especificam uma elevao de temperatura mxima para cada classe de isolamento. Deste modo, fica indiretamente limitada a temperatura do ponto mais quente do motor. Os valores numricos e a composio da temperatura admissvel do ponto mais quente, so indicados na tabela 5.1 abaixo: Tabela 5.1 - Composio da temperatura em funo da classe de isolamentoClasse de isolamento Temperatura ambiente t = elevao de temperatura (mtodo da resistncia) Diferena entre o ponto mais quente e a temperatura mdia Total: temperatura do ponto mais quenteo

Para motores de construo naval, devero ser obedecidos todos os detalhes particulares de cada entidade classificadora, conforme tabela 5.2. Tabela 5.2 - Correo das temperaturas para rotores navaisEntidades classificadoras para uso naval Mxima temperatura ambiente o C ta Mxima sobreelevao de temperatura permitida por classe de isolamento, t en oC (mtodo de variao de resistncia) A Germanischer Lloyd American Bureau of Shipping Bureau Vritas Norske Vritas Lloyds Register of Shipping RINa 45 50 50 45 45 45 55 55 50 50 50 50 E 70 65 65 65 65 70 B 75 75 70 70 70 75 F 96 95 90 90 90

5.2 Proteo trmica de motores eltricos Os motores utilizados em regime contnuo devem ser protegidos contra sobrecargas por um dispositivo integrante do motor, ou um dispositivo de proteo independente, geralmente com rel trmico com corrente nominal ou de ajuste, igual ou inferior ao valor obtido multiplicando-se a corrente nominal de alimentao a plena carga por: - 1.25: para motores com fator de servio igual ou superior a 1.15; - 1.15: para motores com fator de servio igual a 1.0 (NBR 5410) A proteo trmica efetuada por meio de termoresistncias (resistncia calibrada), termistores, termostatos ou protetores trmicos. Os tipos de detetores a serem utilizados so determinados em funo da classe de temperatura do isolamento empregado, de cada tipo de mquina e da exigncia do cliente. TIPO DE PROTETORES UTILIZADOS PELA WEG: 5.2.1 Termorresistores (PT-100) So elementos onde sua operao baseada na caracterstica de variao da resistncia com a temperatura, intrnseca a alguns materiais (geralmente platina, nquel ou cobre). Possuem resistncia calibrada, que varia linearmente com a temperatura, possibilitando um acompanhamento contnuo do processo de aquecimento do motor pelo display do controlador, com alto grau de preciso e sensibilidade de resposta. Sua aplicao ampla nos diversos setores de tcnicas de medio e automatizao de temperatura nas indstrias em geral. Geralmente, aplica-se em instalaes de grande responsabilidade como, por exemplo, em regime intermitente muito irregular. Um mesmo detector pode servir para alarme e para desligamento. So obrigatrios em motores de segurana aumentada. Desvantagem ESPECIFICAO

A C C C C 40 60 5 105

E 40 75 5 120

B 40 80 10 130

F 40 105 10 155

H 40 125 15 180

Os elementos sensores e os circuitos de controle, possuem um alto custo. Figura 5.2 - Visualizao do aspecto interno e externo dos termoresistores A variao da temperatura poder ser obtida com a frmula 100 - r t C = 0,385

o

o

o

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MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA 5.2.2 Termistores (PTC e NTC) So detectores trmicos compostos de sensores semicondutores que variam sua resistncia bruscamente ao atingirem uma determinada temperatura. PTC - coeficiente de temperatura positivo NTC - coeficiente de temperatura negativo O tipo PTC um termistor cuja resistncia aumenta bruscamente para um valor bem definido de temperatura, especificado para cada tipo. Essa variao brusca na resistncia interrompe a corrente no PTC, acionando um rel de sada, o qual desliga o circuito principal. Tambm pode ser utilizado para sistemas de alarme ou alarme e desligamento (2 por fase). Para o termistor NTC acontece o contrrio do PTC, porm, sua aplicao no normal em motores eltricos, pois os circuitos eletrnicos de controle disponveis, geralmente so para o PTC. Os termistores possuem tamanho reduzido, no sofrem desgastes mecnicos e tm uma resposta mais rpida em relao aos outros detectores, embora no permitam um acompanhamento contnuo do processo de aquecimento do motor. Os termistores com seus respectivos circuitos eletrnicos de controle oferecem proteo completa contra sobreaquecimento produzido por falta de fase, sobrecarga, sub ou sobretenses ou freqentes operaes de reverso ou liga-desliga. Possuem um baixo custo, relativamente ao do tipo Pt-100, porm, necessitam de rel para comando da atuao do alarme ou operao.

Figura 5.5 - Instalao do termostato na cabea da bobina 5.2.4 Protetores trmicos So do tipo bimetlico com contatos normalmente fechados. Utilizados, principalmente, para proteo contra sobreaquecimento em motores de induo monofsicos, provocado por sobrecargas, travamento do rotor, quedas de tenso, etc. So aplicados quando especificados pelo cliente. O protetor trmico consiste basicamente em um disco bimetlico que possui dois contatos mveis, uma resistncia e um par de contatos fixos. O protetor ligado em srie com a alimentao e, devido dissipao trmica causada pela passagem da corrente atravs da resistncia interna deste, ocorre uma deformao do disco, tal que, os contatos se abrem e a alimentao do motor interrompida. Aps ser atingida uma temperatura inferior especificada, o protetor deve religar. Em funo de religamento, pode haver dois tipos de protetores: a) Protetor com religamento automtico, onde o rearme realizado automaticamente. b) Protetor com religamento manual, onde o rearme realizado atravs de um dispositivo manual.

Figura 5.3 - Visualizao do aspecto externo dos termistores 5.2.3 Termostatos So detetores trmicos do tipo bimetlico com contatos de prata normalmente fechados, que se abrem quando ocorre determinada elevao de temperatura. Quando a temperatura de atuao do bimetlico baixar, este volta a sua forma original instantaneamente, permitindo o fechamento dos contatos novamente. Os termostatos podem ser destinados para sistemas de alarme, desligamento ou ambos (alarme e desligamento) de motores eltricos trifsicos, quando solicitado pelo cliente. So ligados em srie com bobina do contator. Dependendo do grau de segurana e da especificao do cliente, podem ser utilizados trs termostatos (um por fase) ou seis termostatos (grupos de dois por fase). Para operar em alarme e desligamento (dois termostatos por fase), os termostatos de alarme devem ser apropriados para atuao na elevao de temperatura prevista do motor, enquanto que os termostatos de desligamento devero atuar na temperatura mxima do material isolante.

ESPECIFICAO

Figura 5.6 - Visualizao do aspecto interno do protetor trmico O protetor trmico tambm tem aplicao em motores trifsicos, porm, apenas em motores com ligao Y. O seguinte esquema de ligao poder ser utilizado:

Figura 5.4 - Visualizao do aspecto interno e externo do termostato Os termostatos tambm so utilizados em aplicaes especiais de motores monofsicos. Nestas aplicaes, o termostato pode ser ligado em srie com a alimentao do motor, desde que a corrente do motor no ultrapasse a mxima corrente admissvel do termostato. Caso isto ocorra, liga-se o termostato em srie com a bobina do contator. Os termostatos so instalados nas cabeas de bobinas de fases diferentes.

Figura 5.7 - Esquema de ligao do protetor trmico para motores trifsicos Vantagens m Combinao de protetor sensvel corrente e temperatura; m Possibilidade de religamento automtico. Desvantagens m Limitao da corrente, por estar o protetor ligado diretamente bobina do motor monofsico; m Aplicao voltada para motores trifsicos somente no centro da ligao Y.

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MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA Tabela 5.3 - Comparativa entre os sistemas de ligao mais comunsTERMORESISTOR (Pt-100) Mecanismo de proteo Disposio Resistncia calibrada Cabea de bobina TERMISTOR (PTC e NTC) Resistor de avalanche Cabea de bobina TERMOSTATO - Contatos mveis - Bimetlicos - Inserido no circuito - Cabea de bobina PROTETOR TRMICO Contatos mveis Inserido no circuito

5.3 Regime de servio o grau de regularidade da carga a que o motor submetido. Os motores normais so projetados para regime contnuo, (a carga constante), por tempo indefinido, e igual a potncia nominal do motor. A indicao do regime do motor deve ser feita pelo comprador, da forma mais exata possvel. Nos casos em que a carga no varia ou nos quais varia de forma previsvel, o regime poder ser indicado numericamente ou por meio de grficos que representam a variao em funo do tempo das grandezas variveis. Quando a seqncia real dos valores no tempo for indeterminada, dever ser indicada uma seqncia fictcia no menos severa que a real. 5.3.1 Regimes padronizados Os regimes de tipo e os smbolos alfa-numricos a eles atribudos, so indicados a seguir: a) Regime contnuo (S1) Funcionamento a carga constante de durao suficiente para que se alcance o equilbrio trmico (figura 5.8). = funcionamento em carga constante tN q mx = temperatura mxima atingida

Forma de atuao

Comando externo de atuao na proteo Corrente de comando

Comando externo - Atuao direta de atuao na - Comando exproteo terno de atuao da proteo Corrente de comando - Corrente do motor - Corrente do comando Corrente e temperatura 3 ou 6 1 ou 3 - Desligamento - Alarme e/ou desligamento

Atuao direta

Limitao de corrente

Corrente do motor

Tipo de sensibilidade Nmero de unidades por motor Tipos de comando

Temperatura 3 ou 6

Temperatura 3 ou 6

Corrente e temperatura 1

Alarme e/ou desligamento

Alarme e/ou desligamento

Desligamento

Tabela 5.4 - Comparativa entre sistemas de proteo de motoresProteo em funo da corrente Causas de sobreaquecimento S fusvel Fusvel e protetor trmico Proteo com sondas trmicas no motor

Figura 5.8 b) Regime de tempo limitado (S2) Funcionamento a carga constante, durante um certo tempo, inferior ao necessrio para atingir o equilbrio trmico, seguido de um perodo de repouso de durao suficiente para restabelecer a igualdade de temperatura com o meio refrigerante (figura 5.9). = funcionamento em carga constante tN q mx = temperatura mxima atingida durante o ciclo

Sobrecarga com corrente 1.2 vezes a corrente nominal Regimes de carga S1 a S10 Frenagens, reverses e funcionamento com partida freqentes Funcionamento com mais de 15 partidas por hora Rotor bloqueado Falta de fase Variao de tenso excessiva Variao de freqncia na rede Temperatura ambiente excessiva Aquecimento externo provocado por rolamentos, correias, polias, etc Obstruo da ventilao

Legenda:

no protegido semi-protegido totalmente protegido

Figura 5.9

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ESPECIFICAO

MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA c) Regime intermitente peridico (S3) Seqncia de ciclos idnticos, cada qual incluindo um perodo de funcionamento a carga constante e um perodo de repouso, sendo tais perodos muito curtos para que se atinja o equilbrio trmico durante um ciclo de regime e no qual a corrente de partida no afete de modo significativo a elevao de temperatura (figura 5.10) tN tR = funcionamento em carga constante = repouso e) Regime intermitente peridico com frenagem eltrica (S5) Seqncia de ciclos de regime idnticos, cada qual consistindo de um perodo de partida, um perodo de funcionamento a carga constante, um perodo de frenagem eltrica e um perodo de repouso, sendo tais perodos muito curtos para que se atinja o equilbrio trmico (figura 5.12). = partida tD = funcionamento em carga constante tN = frenagem eltrica tF = repouso tR q mx = temperatura mxima atingida durante o ciclo tD + tN + tF Fator de durao do ciclo = . 100% tD + tN + tF + tR

qmax = temperatura mxima atingida durante o ciclo tN Fator de durao do ciclo = . 100% tN + tR

Figura 5.10 d) Regime intermitente peridico com partidas (S4) Seqncia de ciclos de regime idnticos, cada qual consistindo de um perodo de partida, um perodo de funcionamento a carga constante e um perodo de repouso, sendo tais perodos mu