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Acionamentos Elétricos

Prof. Marco Túlio F. Hudson Acionamentos Elétricos1

Motores Elétricos

(Conceitos)

Prof. Marco Túlio F. Hudson Acionamentos Elétricos



Motores elétricos – Definição

“Máquina Elétrica capaz de transformar energia elétrica em energia mecânica.”



Classificação

MOTOR C.A.

MONOFÁSICO

UNIVERSAL

TRIFÁSICO

ASSÍNCRONO

SÍNCRONO

ASSÍNCRONO

GAIOLA DE ESQUILO

ROTOR BOBINADO

SPLIT - PHASE

CAP. PARTIDA

CAP. PERMANENTE

CAP. 2 VALORES

PÓLOS SOMBREADOS

REPULSÃO

RELUTÂNCIA

HISTERESE

DE GAIOLA

DE ANÉIS

IMÃ PERMANENTE

PÓLOS SALIENTES

PÓLOS LISOS

MOTOR C.C.

EXCITAÇÃO SÉRIE

EXCITAÇÃO INDEPENDENTE

EXCITAÇÃO COMPOUND

IMÃ PERMANENTE

SÍNCRONO



Motores CA - Funcionamento

Geração de corrente elétrica (Indução):

Movimento relativo

Campo magnético

Condutor elétrico

“Leis de Faraday e de Lenz”




Geração de movimento através da indução:

Corrente elétrica

Campo magnético

Condutor elétrico

“Leis de Faraday e de Lenz”



Motores CA - Construção

Estator

Rotor

(Induzido)



Curso Técnico em Eletrônica – Prof. Marco Túlio F. Hudson

Acionamentos ElétricosMotores CA - Construção



Motores CA - Construção

Motor Trifásico de Indução



Motores monofásicos

O desequilíbrio de forças entre o rotor e o estator é executado através de alguns artifícios.



Motor monofásico de campo distorcido

Possui uma saliência no rotor que distorce o seu campo magnético provocando o desequilíbrio de forças.



Motor monofásico de campo distorcido

No estator existe uma espira instalada transversalmente ao sentido das outras espiras, que provoca o defasamento do campo magnético do estator.

Potência máxima: 300W ou 1/2CV

Rotação: 900 a 3400rpm

Aplicado em situações que requerem baixa potência.



Motor monofásico de fase auxiliar

Dentre os motores monofásicos é o mais utilizado. Sua construção mecânica é muito parecida com a dos motores de indução trifásicos.

Potência: 1/6 a 10CV

Rotação: 1425 a 3515rpm

Aplicado em situações que requerem de baixa a média potência.

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]



Curso Técnico em Eletrônica – Prof. Marco Túlio F. Hudson





O início da rotação do motor (desequilíbrio de forças) é provocado devido a associação da bobina auxiliar e do capacitor.

Essa associação gera uma impedância defasada da impedância da bobina de trabalho.



O defasamento entre as impedâncias provoca o surgimento de um campo magnético girante no estator.

O campo magnético girante do estator induz outro campo no rotor e o atrai.


Interruptor centrífugo

Após ao início de pleno funcionamento do motor o interruptor centrífugo desliga a bobina auxiliar.



Dados nominais – Placa de identificação




Podem funcionar tanto em corrente contínua (CC) como em corrente alternada (AC).

Motor Universal



Motor Universal

O motor universal e o único motor monofásico cujas bobinas do estator são ligadas eletricamente ao rotor por meio de dois contatos deslizantes (escovas). Esses dois contatos, por sua vez, ligam em serie o estator e o rotor.



Motores Síncronos e Assíncronos

Motor síncrono: O rotor gira na mesma velocidade do campo magnético do estator.

Motor assíncrono: O rotor gira em uma velocidade um pouco menor que a velocidade do campo magnético do estator.

N=120xf

PVelocidade do campo girante



Motor de indução trifásico

De construção simples, são amplamente empregados na indústria.




O estator é constituído por três grupos de bobinas dispostos em ângulos de 120º.

O rotor é construído com hastes, formando uma “gaiola”.

Rotor Gaiola de Esquilo



Quando uma corrente elétrica alternada trifásica é aplicada aos enrolamentos do estator, produz-se um campo magnético girante.




A defasagem entre as fases do sistema trifásico provoca o campo magnético girante.





Tipos de motores trifásicos

Motor de rotor em curto-circuito Motor de rotor bobinado



Motor trifásico – Dados nominais

Tensão de alimentação:

220V

380V

440V

Frequência da rede: A frequência interfere diretamente na rotação e no torque do motor.

No Brasil os motores elétricos são fabricados para 60Hz.




Potência nominal: É a potência Mecânica disponível no eixo do motor.

Pode ser fornecida em CV, KW ou HP.

Corrente nominal: É a corrente absorvida da rede pelo motor quando em plena carga.

Rotação nominal: É a velocidade do eixo do motor quando em plena carga.

É dada em rotações por minuto - RPM

Número de polos Rotação

2 3600 rpm

4 1800 rpm

6 1200 rpm

8 900 rpm

10 720 rpm




Fator de serviço:

É a capacidade do motor em suportar sobrecargas, ou seja, uma reserva de potência do motor.

Exemplo: um motor de 10CV com F.S de 1,15 pode suportar até 11,5CV sem queimar-se.




Fator IP/IN:

Indica a relação entre a corrente de partida e a corrente nominal do motor.

Exemplo: Um motor de 10A com fator IP/IN de 8 atinge uma corrente de 80A na sua partida.




Fator de Potência

O fator de potência, indicado por cos, onde é o ângulo de defasagem da tensão em relação à corrente, é a relação entre a potência ativa (P) e a potência aparente (S).

𝑐𝑜𝑠𝜑 =𝑃

𝑆𝑐𝑜𝑠𝜑 =

𝑃𝑒𝑃𝑎

P – Pe: Potência ativa (efetiva)

S – Pa: Potência aparente

Carga resistiva: cos = 1

Carga indutiva: cos atrasado

Carga capacitiva: cos adiantado

Potência ativa do motor trifásico

𝑃𝑒 = 𝐸 ∙ 𝐼 ∙ 3 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜑

3 = 1,732




Fator de Potência

Um motor não consome apenas potência ativa que é depois convertida em trabalho mecânico e calor (perdas), mas também potência reativa, necessária para a produção do campo magnético.

O motor elétrico e uma peca fundamental, pois dentro das industrias, representa mais de 60% do consumo de energia. Logo, e imprescindível a utilização de motores com potência e características bem adequada a sua função, pois o fator de potencia varia com a carga do motor.

A correção do fator de potência é realizado com a ligação de uma carga capacitiva.




Fator de Potência

Assim como qualquer carga ligada à rede elétrica, os motores de indução trifásicos possuem um fator de potência característico.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

Fato

r de P

otê

ncia

Potência (CV)Motor de 2 Pólos

Fonte: Catálogo WEG Série W22

A tendência do fator de potência é aumentar com a potência nominal do motor elétrico.




Fator de Potência

À medida que se aplica carga ao rotor do motor, a corrente da armadura cresce e a defasagem entre a tensão e a corrente diminui.

Assim, conforme o motor recebe carga, o seu fator de potência aumenta.




Rendimento

𝜂 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑚𝑒𝑐â𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑢𝑒 𝑛𝑜 𝑒𝑖𝑥𝑜

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑎 𝑟𝑒𝑑𝑒𝜂 =

𝑃𝑀𝐸𝐶

𝑃𝐸𝐿𝐸𝑇

É a relação entre a potência mecânica fornecida pelo motor e a potência ativa solicitada pelo motor à rede.

Exemplo: Um motor de 10CV com rendimento de 87% absorve uma potência elétrica de:

𝑃𝐸𝐿𝐸𝑇 =7360𝑊

0,87

10𝐶𝑉 = 7360𝑊

𝑃𝐸𝐿𝐸𝑇 = 8459,7𝑊




Rendimento em função da potência nominal

Devido à características relativas à massa de ferro e à espessura do entreferro, embora com baixos carregamentos, o motor trifásico possui uma considerável corrente de armadura.

A resistência elétrica dos condutores das bobinas eleva consideravelmente as perdas no cobre do enrolamento da armadura.

Com pouca carga no motor, o rotor possui baixo escorregamento o que reduz as corrente induzidas no rotor e as perdas sejam pequenas.





Se a potência nominal do motor for pequena, comparativamente, tem perdas elevadas, conduzindo a rendimentos relativamente menores.

De maneira geral, o rendimento aumenta quando a potência nominal aumenta.





Fonte: INMETRO – Portaria Nº 553

Catálogo WEG Série W22

75

80

85

90

95

100

Rendim

ento

(%

)

Potência (CV)Motor de 2 Pólos





A massa de ferro do motor, quando sob pequenos escorregamentos, produz pequenas perdas.

Curva de rendimento típica da linha W22 IR3 Premium WEG

Quando o motor está em vazio, as perdas presentes são, em maior parte, em função do estator: núcleo de ferro e enrolamento.



Motor trifásico

Conjugado (Torque ou Momento)

Consiste na medida do esforço necessário para girar o eixo.

Para o exemplo ao lado, a força F que é preciso aplicar à manivela depende do comprimento Eda mesma. Quanto maior for a manivela, menor será a força necessária.

Se o balde pesa 20N e o diâmetro do tambor é de 0,20m, para equilibrar esse peso é necessário aplicar uma força de 10N na manivela, se o seu comprimento E for de 0,20m.

𝐶 = 20𝑁 × 0,1𝑚 = 2𝑁 ∙ 𝑚 𝐹 =2𝑁 ∙ 𝑚

0,2𝑚= 10𝑁



Motor trifásico

Conjugado (Torque ou Momento)

Cp

Cmín

Cmáx

Cn

nn ns

Co

nju

ga

do

Rotação

s

É o conjunto de forças radiais presentes no eixo do motor.

Cp: Conjugado de rotor bloqueado

Cmin: Conjugado mínimo

Cmáx: Conjugado máximo

Cn: Conjugado nominal



Motor trifásico

Categoria do Conjugado

De acordo com a carga mecânica a ser acionada, há uma curva de conjugado resistente associada.

Em guindastes, talhas e pontes rolantes, o conjugado resistente é praticamente constante, ocorrendo uma aumento de torque na região próxima ao repouso.

Em cargas de ventilação, por exemplo, o conjugado resistente é proporcional ao quadrado da velocidade.



Motor trifásico




Motor trifásico


De acordo com a figura, o ponto de operação do motor ocorre onde a curva de conjugado do motor encontra a curva do conjugado resistente da carga.

O conjugado acelerante é o responsável pela aceleração do motor na fase de partida e é igual à diferença entre o conjugado do motor e o conjugado resistente.



Motor trifásico


Conforme as suas características de conjugado em relação a velocidade e Corrente de partida, os motores de indução trifásicos com rotor de gaiola são classificados em categorias, cada uma adequada a um tipo de carga.

Estas categorias são definidas em norma (ABNT NBR 17094 e IEC 60034-1)



Motor trifásico


Categoria N: Conjugado de partida normal, corrente de partida normal e baixo escorregamento. Constituem a maioria dos motores encontrados no mercado e prestam-se ao acionamento de cargas normais, como bombas, maquinas operatrizes, ventiladores.

Categoria H: Conjugado de partida alto, corrente de partida normal e baixo

escorregamento. Usados para cargas que exigem maior conjugado na partida, como peneiras, transportadores carregadores, cargas de alta inércia, britadores, etc.



Motor trifásico


Categoria D: Conjugado de partida alto, corrente de partida normal; alto

escorregamento (+ de 5%). Usados em prensas excêntricas e máquinas semelhantes, onde a carga apresenta picos periódicos. Usados também em elevadores e cargas que necessitam de conjugados de partida muito altos e corrente de partida limitada.

Categoria NY: Esta categoria inclui os motores semelhantes aos de

categoria N, porém, previstos para partida estrela-triângulo. Para estes motores na ligação estrela, os valores mínimos do conjugado com rotor bloqueado e do conjugado mínimo de partida são iguais a 25% dos valores indicados para os motores categoria N.



Motor trifásico


Categoria HY: Esta categoria inclui os motores semelhantes aos de

categoria H, porém, previstos para partida estrela-triângulo. Para estes motores na ligação estrela, os valores mínimos do conjugado com rotor bloqueado e do conjugado mínimo de partida são iguais a 25% dos valores indicados para os motores de categoria H.



Motor trifásico


Os valores mínimos de conjugado exigidos para motores das categorias N e H, são especificados nas normas ABNT NBR 17094 e IEC 60034-1.

Para motores da categoria D, de 4, 6 e 8 polos e potência nominal igual ou inferior a 150 cv, tem-se, segundo ABNT NBR 17094 e IEC 60034-1, que: a razão do conjugado com rotor bloqueado (Cp) para conjugado nominal (Cn) não deve ser inferior a 2,75. A norma não especifica os valores de Cmín

e Cmáx.



Motor trifásico

Aquecimento do enrolamento

O calor gerado pelas perdas no interior de um motor fechado é dissipado para o ar ambiente através da superfície externa da carcaça. Em motores fechados essa dissipação é normalmente auxiliada pelo ventilador montado no próprio

eixo do motor. Uma boa dissipação depende:

da eficiência do sistema de ventilação;

da área total de dissipação da carcaça;

da diferença de temperatura entre a superfície externa da carcaça e do ar ambiente (text - ta ).



Motor trifásico

Aquecimento do enrolamento

Esta diferença total (Δt) é comumente chamada “elevação de temperatura” do motor e, como é indicado na figura.

O que realmente queremos limitar é a elevação da temperatura no enrolamento sobre a temperatura do ar ambiente.



Motor trifásico

Classes de isolamento

O limite de temperatura depende do tipo de material empregado.

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



Motor trifásico


As classes de isolamento utilizadas em máquinas elétricas e os respectivos limites de temperatura conforme ABNT NBR 17094 e IEC 60034-1, são as seguintes:

• Classe A (105 ºC)

• Classe E (120 ºC)

• Classe B (130 ºC)

• Classe F (155 ºC)

• Classe H (180 ºC)

Pela norma, motores para aplicação normal são instalados em temperaturas ambientes máximas de 40 ºC.



Motor trifásico


Para a proteção dos enrolamentos dos motores utilizam-se sensores térmicos inseridos nas bobinas. Os mais comumente utilizados são termistores, termoresistores, termostatos e protetores térmicos.



Motor trifásico

Regime de serviço

O regime de serviço é definido como a regularidade de carga a que o motor é submetido. O principal fator limitante da potência desenvolvida é a temperatura máxima que o motor atinge.

Segundo a IEC 60034-1, é o grau de regularidade da carga a que o motor é submetido.

Os motores normais são projetados para regime contínuo, (a carga é constante), por tempo indefinido, e igual a potência nominal do motor.

A utilização de outro regime de partida em relação ao informado na placa de identificação pode levar o motor ao sobreaquecimento e consequente

danos ao mesmo.



Motor trifásico

Regime de serviço

A NBR 7094 (Motores de Indução) padroniza dez diferentes tipos de regime de serviço.

Regime de Serviço Característica

S1 Regime contínuo

S2 Regime de tempo limitado

S3 Regime intermitente periódico

S4 Regime intermitente periódico com partida

S5 Regime intermitente periódico com frenagem elétrica

S6 Regime de funcionamento contínuo periódico com carga intermitente

S7 Regime de funcionamento contínuo periódico com frenagem elétrica

S8Regime de funcionamento contínuo com mudança periódica na

relação carga/velocidade de rotação

S9 Regime com variações não periódicas de carga e de velocidade

S10 Regime com cargas constantes distintas



Motor trifásico

Regime de serviço

S1 – Regime contínuo

Funcionamento à carga constante de duração suficiente para que se alcance o equilíbrio térmico.



Motor trifásico

Regime de serviço

S2 – Regime de tempo limitado

Funcionamento à carga constante, durante um certo tempo, inferior ao necessário para atingir o equilíbrio térmico, seguido de um período de repouso de duração suficiente para restabelecer a temperatura do motor próxima à temperatura ambiente.



Motor trifásico

Regime de serviço

S3 – Regime intermitente periódico

Sequência de ciclos idênticos, cada qual incluindo um período de funcionamento com carga constante e um período desenergizado e em repouso. Neste regime o ciclo é tal que a corrente de partida não afeta de modo significativo a elevação de temperatura.



Motor trifásico

Regime de serviço

S4 – Regime intermitente periódico com partidas

Sequência de ciclos de regime idênticos, cada qual consistindo de um período de partida, um período de funcionamento a carga constante e um período de repouso, sendo tais períodos muito curto , para que se atinja o equilíbrio térmico.



Motor trifásico

Regime de serviço

S5 – Regime intermitente periódico com frenagem elétrica

Sequência de ciclos de regime idênticos, cada qual consistindo de um período de partida, um período de funcionamento a carga constante, um período de frenagem elétrica e um período desenergizado e em repouso, sendo tais períodos muito curtos para que se atinja o equilíbrio térmico.



Motor trifásico

Regime de serviço

S6 – Regime de funcionamento contínuo periódico com carga intermitente

Sequência de ciclos de regime idênticos, cada qual consistindo de um período de funcionamento a carga constante e de um período de funcionamento em vazio,nãoexistindo período de repouso.



Motor trifásico

Regime de serviço

S7 – Regime de funcionamento contínuo periódico com frenagem elétrica

Sequência de ciclos de regimes idênticos, cada qual consistindo de um período de partida, de um período de funcionamento a carga constante e um período de frenagem elétrica, não existindo o período de repouso.



Motor trifásico

Regime de serviço

S8 – Regime de funcionamento contínuo com mudança periódica na relação carga/velocidade de rotação

Sequência de ciclos de regimes idênticos, cada ciclo consistindo de um período de partida e um período de funcionamento a carga constante, correspondendo a uma determinada velocidade de rotação, seguidos de um ou mais períodos de funcionamento a outras cargas constantes, correspondentes a diferentes velocidades de rotação. Não existe período de repouso.



Motor trifásico

Regime de serviço

S9 – Regime com variações não periódicas de carga e de velocidade

Regime no qual geralmente a carga e a velocidade variam não periodicamente, dentro da faixa de funcionamento admissível, incluindo frequentemente sobrecargas aplicadas que podem ser muito superiores à carga de referência.



Motor trifásico

Regime de serviço

S10 – Regime com cargas constantes distintas

Regime consistindo em um número específico de valores distintos de cargas (ou cargas equivalentes) e, se aplicável, velocidade, sendo cada combinação carga/velocidade mantida por um tempo suficiente para permitir que a máquina alcance o equilíbrio térmico. A carga mínima durante um ciclo de regime pode ter o valor zero (funcionamento em vazio ou repouzodesenergizado).



Motor trifásico

Grau de proteção IP: Indica o nível de proteção do motor contra a entrada de corpos sólidos e corpos líquidos. Exemplo: IP 54

Grau IP - Tabela

0 Sem proteção

1 Corpos acima de 50mm



5 Proteção contra acúmulo de poeira

6 Proteção total contra poeira

O primeiro algarismo indica a proteção contra corpos sólidos.



Motor trifásico

Grau IP - Tabela

0 Sem proteção

1 Pingos de água na vertical

2 Pingos de água inclinados até 15º com a vertical

4 Pingos de água inclinados até 60º com a vertical

5 Respingos de todas as direções

6 Jatos de água de todas as direções

7 Água de vagalhões

8 Imersão temporária

9 Imersão permanente

O segundo algarismo indica a proteção contra corpos líquidos.



Motor trifásico

Escorregamento (S)

É a diferença entre a rotação do campo girante do estator e a rotação do eixo do motor.

S(%)=ns-nr x 100

ns



Ligações do motor trifásico

Ligação triângulo 220V

O motor trifásico pode ser ligado em estrela ou triângulo

Ligação estrela 380V




O motor de 12 pontas pode ser ligado em 220V, 380V ou 440V.




A ligação para 760V é somente em partida com tensão reduzida.

Não é possível ligar o motor em uma rede de 760V.



Motor trifásico

Formas construtivas



Placa de identificação do motor trifásico



Fatores de seleção de um motor elétrico

Fonte de alimentação:

• Tipo – CA ou CC

• Tensão

• Frequência

• Simetria

• Equilíbrio

Condições ambientais:

• Umidade

• Agressividade

• Altitude

• Temperatura

Consumo e manutenção:

• Consumo de energia

• Custo de manutenção

Exigências de carga

• Potência solicitada

• Rotação

• Esforços mecânicos

• Configuração física

• Ciclos de operação

• Confiabilidade

Controlabilidade

• Posição

• Torque

• Velocidade

• Corrente de partida

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