acionmaneto, comando e controlo de máquinas eléctricas

2008

Richard M. Stephan

Com contribuies de: Adriano A. Carvalho; Jos Luiz da Silva Neto;

Lus Guilherme B. Rolim; Pedro Decourt; Vitor Romano.

UFRJ

2PREFPREFCCIOIO

Este livro resume a experincia na rea de Acionamento de Mquinas Eltricas adquirida nos cursos de Este livro resume a experincia na rea de Acionamento de Mquinas Eltricas adquirida nos cursos de

graduao (Escola Politcnica) e ps-graduao (COPPE) em Engenharia Eltrica da Universidade Federalgraduao (Escola Politcnica) e ps-graduao (COPPE) em Engenharia Eltrica da Universidade Federal

do Rio de Janeiro (UFRJ).do Rio de Janeiro (UFRJ).

Trata-se de um trabalho escrito para motivar o aprofundamento do assunto e o estabelecimento de uma baseTrata-se de um trabalho escrito para motivar o aprofundamento do assunto e o estabelecimento de uma base

de conhecimento que permita o entendimento das questes fundamentais no acionamento, comando e controlede conhecimento que permita o entendimento das questes fundamentais no acionamento, comando e controle

das mquinas eltricas. O texto serve tambm para o concatenamento de idias por parte daqueles que jdas mquinas eltricas. O texto serve tambm para o concatenamento de idias por parte daqueles que j

estudaram os assuntos abordados isoladamente e tem sido empregado com sucesso como material didticoestudaram os assuntos abordados isoladamente e tem sido empregado com sucesso como material didtico

para alunos do quinto ano do curso de Engenharia Eltrica da UFRJ.para alunos do quinto ano do curso de Engenharia Eltrica da UFRJ.

Direta ou indiretamente, os seguintes colegas, listados em ordem alfabtica, contriburam na sua concretizao:Direta ou indiretamente, os seguintes colegas, listados em ordem alfabtica, contriburam na sua concretizao:

Alquindar Pedroso, Antnio Carlos Ferreira, Antnio Carlos Siqueira de Lima, Antnio Guilherme Garcia Lima, Alquindar Pedroso, Antnio Carlos Ferreira, Antnio Carlos Siqueira de Lima, Antnio Guilherme Garcia Lima,

Edson Watanabe, Heloi Jos F. Moreira, Rolf Hanitsch, Walter Sumitsu. Edson Watanabe, Heloi Jos F. Moreira, Rolf Hanitsch, Walter Sumitsu.

Alguns ex-doutorandos e mestrandos deixaram tambm sua contribuio e lembrana: Alberto Soto Lock, Andr Alguns ex-doutorandos e mestrandos deixaram tambm sua contribuio e lembrana: Alberto Soto Lock, Andr

Irani Costa, Andrs Ortiz Salazar, Carlos Vinicius Augusto, Jorge Bello, George Alves Soares, Gustavo Alesso, Irani Costa, Andrs Ortiz Salazar, Carlos Vinicius Augusto, Jorge Bello, George Alves Soares, Gustavo Alesso,

Guilhermo Oscar Garcia, Joo Luz Macacchero, Jos Andrs Santisteban, Lus Oscar Arajo Porto Henriques, Guilhermo Oscar Garcia, Joo Luz Macacchero, Jos Andrs Santisteban, Lus Oscar Arajo Porto Henriques,

Mrcio Amrico, Marco Antnio Cruz Moreira, Paulo Jos da Costa Branco, Wilbert Loaiza Cuba. Mrcio Amrico, Marco Antnio Cruz Moreira, Paulo Jos da Costa Branco, Wilbert Loaiza Cuba.

Tiveram tambm participao os tcnicos Alex Jean de Castro Mello, Ocione Jos Machado e SrgioTiveram tambm participao os tcnicos Alex Jean de Castro Mello, Ocione Jos Machado e Srgio

Ferreira.Ferreira.

Os estudantes Douglas Mota, Fbio de Almeida Rocha, Mrio Nosoline, Pedro Rocha, Rafael Ramos Gomes,Os estudantes Douglas Mota, Fbio de Almeida Rocha, Mrio Nosoline, Pedro Rocha, Rafael Ramos Gomes,

Renata Moreira da Silva e Roberto J.N. Queiroz auxiliaram na soluo dos exerccios apresentados.Renata Moreira da Silva e Roberto J.N. Queiroz auxiliaram na soluo dos exerccios apresentados.

A WEG Automao permitiu que o contedo do livro fosse enriquecido com exemplos de equipamentos A WEG Automao permitiu que o contedo do livro fosse enriquecido com exemplos de equipamentos

produzidos no Brasil, esta colaborao contou principalmente com a participao dos engenheiros Norton produzidos no Brasil, esta colaborao contou principalmente com a participao dos engenheiros Norton

Petry e Maurcio Pereira Costa.Petry e Maurcio Pereira Costa.

O MCT, atravs do programa CATI, o CNPq, a CAPES e a FAPERJ contriburam financeiramente na aquisioO MCT, atravs do programa CATI, o CNPq, a CAPES e a FAPERJ contriburam financeiramente na aquisio

de material bibliogrfico e bolsas de incentivo pesquisa. de material bibliogrfico e bolsas de incentivo pesquisa.

A Sra. Patrcia Coimbra editou grande parte dos manuscritos originais. A Sra. Patrcia Coimbra editou grande parte dos manuscritos originais.

A todos, meu sincero agradecimento.A todos, meu sincero agradecimento.g

Richard M. StephanRichard M. Stephan

DEDICATRIA

Para Marlia, minha esposa.

Indice

Seo 1Introduo

1.1 Motivao .................................................................................................................................1-1

1.2 Objetivo ....................................................................................................................................1-3

1.3 Organizao..............................................................................................................................1-3

Seo 2Dinmica dos Sistemas Mecnicos

2.1 Introduo .................................................................................................................................2-1

2.2 Transmisses Mecnicas..............................................................................................................2-1

2.3 Dinmica das Transmisses Mecnicas.........................................................................................2-4

Seo 3Seleo de Motores Eltricos

3.1 Introduo .................................................................................................................................3-1

3.2 A Famlia dos Motores Eltricos ...................................................................................................3-1

3.2.1 Motor CC.........................................................................................................................3-1

3.2.2 Motor de Induo (MI) ......................................................................................................3-4

3.2.3 Motor Sncrono (MS) .........................................................................................................3-7

3.3 Estabilidade Esttica ...................................................................................................................3-9

3.4 Tempo de Acelerao .................................................................................................................3-9

3.5 Dimenso Estimada de um Motor ..............................................................................................3-11

3.6 Exemplo Ilustrativo....................................................................................................................3-11

Seo 4Caractersticas Construtivas, de Servio e de Ambiente de

Operao de Motores Eltricos

4.1.Introduo .................................................................................................................................4-1

4.2.Caractersticas Construtivas.........................................................................................................4-1

4.3.Caractersticas de Servio............................................................................................................4-3

4.4.Caractersticas de Ambiente ........................................................................................................4-6

4.5 Concluso ...............................................................................................................................4-11

Seo 5Acionamento Eletrnico de Motores Eltricos

5.1 Introduo .................................................................................................................................5-1

5.2 Evoluo dos Dispositivos Semicondutores de Potncia..................................................................5-1

5.3 Evoluo da Micro-Eletrnica......................................................................................................5-3

5.4 Novos Materiais Magnticos .......................................................................................................5-4

5.5 Noes Fundamentais sobre Modulao por Largura de Pulsos - PWM ..........................................5-5

5.6 Topologias de Conversores Eletrnicos para Acionamento de Motores Eltricos.............................5-12

Indice

Seo 6Mtodos de Partida dos Motores Eltricos

6.1 Introduo ................................................................................................................................. 6-1

6.2 Partida de Motores CC .............................................................................................................. 6-1

6.3 Partida de Motores de Induo .................................................................................................... 6-1

6.4 Partida do Motor Sncrono........................................................................................................... 6-5

6.5 Frenagem .................................................................................................................................. 6-6

Seo 7Diagramas de Comando de Motores Eltricos

7.1 Introduo ................................................................................................................................. 7-1

7.2 Contator.................................................................................................................................... 7-1

7.3 Botoeiras ................................................................................................................................... 7-2

7.4 Circuitos Lgicos ........................................................................................................................ 7-6

Seo 8Controladores Digitais

8.1 Introduo ................................................................................................................................. 8-1

8.2 Plataformas Digitais .................................................................................................................... 8-2

8.3 Microcontroladores..................................................................................................................... 8-3

8.4 Processadores Digitais de Sinais (DSP).......................................................................................... 8-7

8.5 Circuitos ASIC............................................................................................................................ 8-7

8.6 Controladores Lgicos Programveis............................................................................................ 8-8

8.7 Redes Industriais....................................................................................................................... 8-10

Seo 9Fundamentos de Controle Clssico

9.1 Introduo ................................................................................................................................. 9-1

9.2 Lugar das Razes......................................................................................................................... 9-3

9.2.1 Conceituao ................................................................................................................... 9-3

9.2.2 Posio de Plos e Resposta no Tempo................................................................................ 9-5

9.2.3 Procedimentos para projeto................................................................................................ 9-7

9.3 Resposta em Freqncia.............................................................................................................. 9-7

9.3.1 Conceituao ................................................................................................................... 9-7

9.3.2 Estabilidade ...................................................................................................................... 9-8

9.3.3 Procedimentos para projeto.............................................................................................. 9-10

9.4 Sistemas Eletromecnicos.......................................................................................................... 9-12

9.5 Saturao aps Integradores ..................................................................................................... 9-13

9.6 Amostradores aps Derivadores ................................................................................................ 9-14

9.7 Concluso ............................................................................................................................... 9-14

Anexo 1......................................................................................................................................... 9-15

Anexo 2......................................................................................................................................... 9-17

Indice

Seo 10Controle de Motores Eltricos

10.1 Introduo ............................................................................................................................. 10-1

10.2 Motor CC.............................................................................................................................. 10-1

10.3 Motor de Induo Gaiola ....................................................................................................... 10-4

10.4 Motor Sncrono .................................................................................................................... 10-12

10.5 Sensores de Posio e Velocidade.......................................................................................... 10-17

Seo 11Efeitos Adversos dos Acionamentos Eletrnicos

11.1 Introduo ............................................................................................................................. 11-1

11.2 Influncia dos Acionamentos Eletrnicos nas Mquinas Eltricas ................................................ 11-1

11.3 Influncia dos Acionamentos Eletrnicos nos Sistemas de Potncia ............................................. 11-5

11.3.1 Conceituao .............................................................................................................. 11-5

11.3.2 Correo do Fator de Potncia ...................................................................................... 11-7

11.3.3 Distores nas Formas de Onda.................................................................................... 11-9

11.4 Perspectivas Futuras .............................................................................................................. 11-11

Seo 12Motores Eltricos Dependentes de Conversores Eletrnicos

12.1 Introduo ............................................................................................................................. 12-1

12.2 Motor de Passo e SR Drive....................................................................................................... 12-2

12.2.1 Equao do Torque de Relutncia......................................................................................... 12-2

12.2.2 Curvas Torque x Velocidade.................................................................................................. 12-4

12.2.3 Controle ............................................................................................................................. 12-5

12.3 Mquina de Induo de Dupla Alimentao............................................................................. 12-5

Seo 13Exerccios Resolvidos

Exerccios Resolvidos....................................................................................................................... 13-1

Seo 14Referncias Bibliogrficas

14.1 Trabalhos Referenciados.......................................................................................................... 14-1

14.2 Livros para Aprofundamento.................................................................................................... 14-3

Indice

Introduo

1-1

1

INTRODUO

1.1 Motivao

Recentemente, ao chegar do supermercado, um estudante de engenharia teve a desagradvel surpresa de

constatar que os elevadores do seu prdio encontravam-se parados por falta de energia eltrica. Como

sada, s restou levar as compras pela escada, como ilustrado pela Figura 1.1. Ele se surpreendeu com os

seguintes clculos:

Dados

Massa das compras transportadas = 10 kg.

Diferena de altura entre o piso da garagem e o piso do seu apartamento no terceiro andar = 10m.

Tempo gasto no deslocamento = 50 s, aproximadamente 1 s para cada degrau de escada.

Massa prpria = 90 kg.

Acelerao da gravidade = 10 m/s2.

Clculos

Trabalho para levar as compras : 10 kg x 10 m/s2 x 10m = 1000 J = 1 kJ = 1kWs

Trabalho para levar as compras e o prprio peso: (10 + 90)kg x 10 m/s2 x 10m = 10 kJ = 10 kWs.

Potncia til neste deslocamento 1kJ/50s = 20 W.

Potncia necessria para o deslocamento: 10kJ/50s = 200 W.

Rendimento = 1/10 = 10%.

Motores eltricos, com rendimento superior a 90%, so empregados diariamente, muitas vezes sem se dar

conta da sua grande utilidade.

O pequeno exerccio acima ajuda a entender alguns fatos histricos:

1) O aperfeioamento das mquinas a vapor pelo cientista ingls Watt, no final do sculo XVIII, permitiu ao

homem a libertao do trabalho braal. O rendimento destas mquinas, da ordem de 30%, j era bastante

superior ao rendimento humano, o que justifica o seu grande sucesso.

2) Os motores eltricos, que comearam a ser empregados no final do sculo XIX, representaram um grande

avano em relao tecnologia disponvel na poca. Isto justifica a disseminao do uso de motores

eltricos nos diversos campos de atividade humana.

3) Os avanos nas reas de materiais eltricos, magnticos e semicondutores, predominantemente no final

do sculo XX, colocam os motores eltricos em uma posio de destaque nas aplicaes industriais,

comerciais e residenciais.

4) Quando os resultados acima so comparados com o consumo mensal de energia de muitas residncias,

superior a 100kWh = 3,6 x 105 kWs, constata-se quo insignificante a capacidade do homem sem a

sua inteligncia e talvez, tambm, o quanto o homem do sculo XXI desperdia energia.

Alm disto, deve-se destacar que, quando h disponibilidade de energia eltrica, os motores eltricos

representam normalmente a melhor opo para a execuo de movimentos mecnicos cobrindo uma ampla

faixa de potncias de mW at MW. Algumas excees, como os motores de brocas de dentistas, empregam

presso de ar ou de fludos, por questes de tamanho e segurana. No entanto, quando se considera o volume

Introduo

1-2

1

ocupado pelos compressores, necessrios no acionamento destes ltimos motores, verifica-se que o espao

necessrio para um acionamento puramente eltrico sempre menor que as demais opes. Por outro lado,

os automveis e outros veculos de transporte, que se valem de motores combusto, s no foram ainda

substitudos por acionamentos integralmente eltricos pelo fato da energia eltrica, nestas aplicaes mveis,

ainda depender de pesadas e caras baterias.

90kg

10kg

d=10m

t=50s

Trabalho = F . d

= 100N . 10m = 1kJ = 1kWs

Potncia = Trabalho/t

= 1000J / 50s

= 20W !!!

= 20W / 200W= 10 %

20 andar

30 andar

10 andar

Trreo

Garagem

Figura 1.1 - A mquina homem

Introduo

1-3

1

1.2 Objetivo

O campo de estudos das mquinas eltricas bastante abrangente. De uma forma geral, pode-se organizar

o domnio sobre este assunto em trs grupos principais:

Projeto da Mquina Eltrica

O conhecimento de materiais eltricos, isolantes ou condutores, de materiais magnticos, suas propriedades

eltricas e trmicas, bem como o conhecimento das leis que regem os circuitos eltricos e magnticos, em

suma, da teoria eletromagntica, condensada nas equaes de Maxwell, alm do conhecimento de ferramentas

de projeto, onde atualmente se destacam os mtodos numricos de simulao por elementos finitos, so

fundamentais para o projeto otimizado de motores eltricos. Ainda relacionado ao projeto das mquinas

eltricas, pertence todo o estudo da dinmica dos rotores, dos eixos e dos mancais de sustentao, da ventilao

e da emisso de rudo acstico, assuntos abordados pela engenharia mecnica.

Anlise da Mquina Eltrica

De posse da mquina eltrica e dos seus parmetros mecnicos e eltricos, o estabelecimento de um modelo

matemtico que represente adequadamente a mquina e que permita a determinao de caractersticas estticas

e dinmicas tambm constitui uma grande rea de estudos. Em particular, os estudos de estabilidade de sistemas

de potncia e da dinmica de mquinas ferramenta e robs dependem muito deste conhecimento.

Acionamento, Comando e Controle da Mquina Eltrica

Estes estudos coroam o conhecimento das mquinas eltricas e dependem integralmente das duas etapas

anteriores. Na verdade, para bem controlar qualquer sistema, necessitam-se seus parmetros e, pelo menos,

algum conhecimento do seu comportamento.

Este livro situa-se nesta ltima rea de conhecimento. Ele objetiva apresentar as solues tcnicas disponveis

para a escolha dos motores eltricos, seus circuitos de acionamento, comando e controle em sistemas

eletromecnicos. Pretende-se, com este texto introdutrio, apresentar o tema de acionamento, comando e

controle de mquinas eltricas como uma totalidade organizada e de forma concisa.

A teoria encontra-se intencionalmente apresentada de forma resumida, deixando-se parte do conhecimento

como desafios lanados em uma srie de exerccios resolvidos.

1.3 Organizao

O livro est estruturado em 12 captulos, alm deste captulo introdutrio.

No captulo 2, apresentam-se as principais caractersticas dos sistemas mecnicos, tendo em vista que apenas

aps o conhecimento das propriedades mecnicas das cargas acionadas pode-se pensar na mquina eltrica

adequada para determinada tarefa.

A partir da, no captulo 3, as caractersticas marcantes dos motores eltricos mais empregados industrialmente

so agrupadas para recordao do leitor. Este captulo termina com um exemplo ilustrativo para despertar o

interesse e justificar a importncia dos captulos que se seguem.

Na sequncia, o captulo 4 destaca a necessidade de se conhecer o tipo de solicitao ao qual o motor eltrico

estar submetido e o ambiente onde ele ir operar.

Introduo

1-4

1

No captulo 5, apresentam-se os conversores eletrnicos que cada vez mais so empregados na alimentao

de motores.

A partir destes conhecimentos, o texto evolui para realar as particularidades de partida e frenagem dos

motores, tratadas no captulo 6, o problema do comando eletromecnico, apresentado no captulo 7, e o

seu acompanhante comando digital, apresentado no captulo 8.

Esta cadeia de informaes completa-se com os captulos 9 e 10, que tratam do problema de controle.

Em toda soluo tcnica, as inovaes e vantagens vm acompanhadas de efeitos adversos, que precisam

ser conhecidos, justificando-se com isto a necessidade do captulo 11.

No captulo 12, so apresentados brevemente alguns motores de uso menos freqente mas que devero ganhar

mais espao na medida em que os conversores eletrnicos de potncia tornam-se mais corriqueiros.

No captulo 13, so propostos vrios exerccios com soluo, preparados para complementar o aprendizado

da matria.

Os trabalhos referenciados limitaram-se aos estritamente necessrios para a compreenso do texto. Finalmente,

so sugeridos livros para auxiliar os leitores no aprofundamento da matria ainda de forma tutelar. A partir

da, o estudo precisa enveredar por artigos tcnicos de revistas e congressos especializados.

Dinmica dos Sistemas Mecnicos

2-1

2

DINMICA DOS SISTEMAS MECNICOS(1)

2.1 Introduo

O desempenho do conjunto mquina eltrica e carga movida influenciado por vrios fatores que podem ocasionar

erros de posio e instabilidade no controle. Os principais deles encontram-se listados na Tabela 2.1.

Tabela 2.1 - Problemas mecnicos

Problema Explicao

BacklashFolga existente entre dentes de engrenagens ou partes mveis de uma transmisso, dimensionada para

permitir a lubrificao e ajuste de imperfeies na fabricao e montagem.

Rigidez da Transmisso

Relacionada com a deformao que ocorre ao se aplicar uma fora/momento no elemento que transmite

potncia, quanto maior a rigidez, menor ser a deformao resultante.

Vibrao Pode ocorrer devido a desbalanceamento no conjunto ou montagem mal realizada.

Freqncia de Ressonncia

Freqncia onde se verificam valores mximos de amplitude de vibrao no conjunto, a freqncia de giro

do motor deve ser sempre menor que este valor.

O projeto completo de um equipamento acionado envolve diversas reas de conhecimento e, neste contexto, o

equipamento pode ser caracterizado como um sistema mecatrnico.

Diversos critrios de otimizao podem ser empregados para nortear o projeto de um equipamento. Apenas para

citar alguns critrios, tem-se: o menor consumo de potncia mecnica, o menor tempo gasto para a realizao

da tarefa, o movimento mais suave, a melhor relao entre carga movida e rigidez da transmisso, etc.

Portanto, convm ao projetista que sejam bem definidas as aplicaes do equipamento, bem como os seus

parmetros de operao para que se obtenha o melhor desempenho possvel do conjunto mquina eltrica

e carga movida. A seguir, sero estudadas as transmisses mecnicas, que constituem o elemento bsico na

conexo carga-mquina eltrica.

2.2 Transmisses Mecnicas

A funo principal de uma transmisso mecnica alterar os parmetros operacionais do motor (torque,

posio, velocidade, acelerao/desacelerao), para torn-los compatveis com a demanda de potncia

mecnica da carga movida.

As transmisses mecnicas mais utilizadas com motores so: redutores de velocidade com engrenagens,

polias e correias, correntes e rodas dentadas, fusos, cabos e polias. H ainda redutores de velocidade com

engrenagens planetrias; redutores tipo harmonic drive; cames; mecanismos; entre outros. A Tabela 2.2

relaciona os principais tipos de transmisso mecnica e suas caractersticas.

Para entendimento do processo de transmisso, ser considerada uma transmisso ideal, sem perdas, constituda

por duas engrenagens cilndricas de dentes retos, como apresentado na primeira linha da Tabela 2.2. Pode-

se considerar que a fora transmitida pela engrenagem motora atravs dos dentes de contato na direo do

movimento compensada por uma reao igual e contrria originada na engrenagem movida.

(1) Captulo preparado com a contribuio de Vitor Romano.


2-2

2

Tabela 2.2 - Principais tipos de transmisso mecnica, caractersticas e desempenho


2-3

2

Tabela 2.2 (cont.) - Principais tipos de transmisso mecnica, caractersticas e desempenho

Assim sendo, os torques de entrada e sada esto relacionados por:

Te = F. re (2.1)

Ts = F. rs (2.2)

Ts / Te = rs / re = Ns / Ne = iT T (2.3)

Em que:

re = raio da engrenagem de entrada

rs = raio da engrenagem de sada

Ne = nmero de dentes da engrenagem de entrada

Ns = nmero de dentes da engrenagem de sada

iT = razo de transmisso.

Considerando ainda que a velocidade tangencial no ponto de contato a mesma, pode-se acrescentar:

ne re = ns rs (2.4)

Em que:

ne = velocidade de rotao da engrenagem de entrada

ns = velocidade de rotao da engrenagem de sada.


2-4

2

Verifica-se aqui que o torque menor onde a velocidade maior e vice-versa. A transmisso mecnica

desempenha o papel semelhante ao de um transformador, respeitados os seguintes equivalentes:

Torque TensoVelocidade Corrente

Mais adiante, na Eq.(2.14), ser visto que o momento de inrcia (J) sofre uma transformao similar a das

impedncias em transformadores.

Para qualquer outro tipo de transmisso, a deduo da relao de transmisso segue o mesmo procedimento

baseado na igualdade das foras e velocidades de contato.

2.3 Dinmica das Transmisses Mecnicas

Seja o conjunto apresentado na Figura 2.1, formado de motor, sistema de transmisso mecnica (TM), tambor,

cabo e uma massa M a ser deslocada.

Motor

1 1

2 2

X

Z

Y

Y

acoplamento

TransmissoMecnica

tambor

Massa M

Carga movida

Figura 2.1 - Exemplo de conjunto acionamento e carga movida

O movimento controlado do conjunto pode ser especificado nas variveis de estado posio e velocidade. A

trajetria da massa M ser composta de trechos de acelerao, movimento uniforme e desacelerao.

O problema pode ser equacionado separando-se as partes envolvidas, como sugerido na Figura 2.2 e

analisado a seguir:

F

M

F

22nC

g

(a) (b)

vy

M.g

Figura 2.2 - Esquema dos elementos da carga movida


2-5

2

a) Anlise da carga movida

Para o deslocamento linear da massa movida, pode-se escrever:

F Mg = M (dvy /dt) = M r (dnc/dt) (2.5)

Em que r o raio do tambor em metros e nc a velocidade angular do tambor em rad/s.

b) Anlise do movimento do tambor

Admitindo-se o cabo inelstico, o torque no tambor dado por:

Tc = F . r (2.6)

Assim, a equao do movimento de rotao do tambor vale:

Ts - Tc = Jc (dnc/dt) (2.7)

Em que Jc a inrcia do tambor e das partes girantes da transmisso mecnica vinculada ao eixo 2-2 e Ts o

torque de sada da transmisso mecnica.

c) Anlise do sistema de transmisso mecnica

A partir da demanda calculada para a carga movida (Tc, nc), deve-se selecionar um tipo de TM que melhor

se adapte s condies de operao e potncias disponveis pelos motores.

Os movimentos de entrada e sada da TM neste exemplo so de rotao, logo a escolha restrita s TMs do

tipo R/R (Tabela 2.2) como redutor de engrenagens, correia-polias, cabo, etc.

Portanto, como parmetros de entrada na TM, tem-se:

- Torque de entrada

Te =TsiT

(2.8)

- Velocidade de entrada

ne = ns. iT . T (2.9)

e

ns = nc. (2.10)

d) Anlise do motor

Admitindo-se Jm como sendo o momento de inrcia do motor acrescido do momento de inrcia da transmisso

mecnica vinculada ao eixo 1-1, pode-se escrever:

Tm ( Ts / iT )= JT m (dne/dt) (2.11)

Em que Tm o torque fornecido pelo motor.


2-6

2

De (2.6) e (2.7) tem-se:

Ts = F r + Jc (dnc/dt) (2.12)

Substituindo-se o valor de F dado por (2.5) segue:

Ts = Mg r + (M r2rr + Jc) (dncc c/dt) (2.13)

Assim, empregando-se (2.8) e (2.9), a equao (2.11) pode ser reescrita como:

Tm ( Mgr / iT )= [ (M rT2rr + Jc ) / iT

2 + Jm ] (dne/dt) (2.14)

Esta relao ensina que:

O motor percebe uma inrcia adicional de carga modificada pelo inverso do quadrado da razo de

transmisso.

A massa movimentada contribui com um torque de restrio ao movimento.

A massa movimentada contribui tambm com um aumento do momento de inrcia das partes girantes.

Quando se atinge uma velocidade constante de operao, a Eq. (2.14) reduz-se a:

Tm = ( Mgr / iT ),T (2.15)

ou seja, a TM condiciona o torque visto pelo motor em funo da razo de transmisso.

A Tabela 2.3 fornece o momento de inrcia equivalente para uma variedade de transmisses mecnicas e os

exerccios de 2.1 a 2.7, no captulo final, exemplificam outros casos.


2-7

2

Tabela 2.3 - Tipos de transmisso, equao da inrcia equivalente e nomenclatura


2-8

2

Tabela 2.3 (cont) - Tipos de transmisso, equao da inrcia equivalente e nomenclatura

Seleo de Motores Eltricos

3-1

3

SELEO DE MOTORES ELTRICOS

3.1 Introduo

A seleo de um motor eltrico para determinada aplicao depende essencialmente do conhecimento da

caracterstica da carga a ser acionada e do conhecimento das caractersticas da famlia de motores eltricos

disponveis.

A operao possvel sempre que a solicitao da carga puder ser atendida pelo motor. Ou seja, o

conhecimento da carga est na raiz do processo de seleo.

A caracterstica mais marcante de uma carga na situao de regime permanente a sua curva torque x

velocidade. Neste particular, destacam-se as cargas (Figura 3.1):

(a) torque constante, como as existentes em elevadores, guindastes e pontes rolantes,

(b) torque linearmente proporcional velocidade, como em plainas e serras,

(c) torque proporcional ao quadrado da velocidade, como em ventiladores e bombas centrfugas,

(d) torque inversamente proporcional velocidade, como em furadeiras e em veculos de transporte (trem,

bonde, carros).

mmmm m

n n n n

m m

(a) (b) (c) (d)

(a) Torque constante (b) proporcional velocidade(c) proporcional ao quadrado da velocidade (d) inversamente proporcional velocidade

Figura 3.1- Curvas torque (m) x velocidade (n) caractersticas

Alm destas caractersticas estticas, o motor deve atender s solicitaes de acelerao e frenagem da carga,

como discutido no captulo anterior.

A seguir, sero relembradas as caractersticas dos principais motores eltricos para, finalmente, ser apresentado

um exemplo de procedimento de seleo.

3.2 A Famlia dos Motores Eltricos

3.2.1 Motor CC

O torque nas mquinas de corrente contnua dado pela relao:

m = k1 . , . ia, (3.1)


3

3-2

em que:

m o torque;

k1 uma constante que depende das caractersticas construtivas da mquina;

o fluxo magntico; eia a corrente de armadura.

Mantendo-se constante, o torque pode ser diretamente modificado pela corrente.Por sua vez, a corrente pode ser obtida da equao:

va = Ra . ia + La . (d ia / dt) + ea (3.2)

em que:

va a tenso de armadura;

Ra a resistncia de armadura;

La a indutncia de armadura; e

ea = k2 . . n (3.3) chamada fora contra eletromotriz,

em que:

n representa a velocidade no eixo da mquina;

k2 uma constante que depende das caractersticas construtivas da mquina.

As Eqs. (3.2) e (3.3) levam ao circuito equivalente apresentado na Figura 3.2.

Ra La

ea = k2n

n

vaia

++

--

Figura 3.2 - Circuito equivalente do motor de corrente contnua

A potncia eltrica convertida em potncia mecnica pode ser determinada por:

pe = ea . ia = k2k . . n . ia (3.4)

O torque est relacionado com a potncia por:

m = pe / n (3.5)

Logo,

m = k2k . . ia (3.6)

Comparando-se as Eqs. (3.1) e (3.6) constata-se que:

k1 = k2k (3.7)

desde que se trabalhe com um sistema coerente de unidades, como o sistema internacional de unidades

(SI).


3-3

3

Da Eq. (3.2) verifica-se que a corrente de armadura (torque) da mquina CC pode ser modificada pela tenso

de armadura.

Para contornar o efeito da fora contra eletromotriz (ea) e melhor controlar o desempenho da mquina, pode-se

empregar uma malha de controle de corrente. Este aspecto ser discutido com mais detalhe no Cap. 10.

Quando o fluxo magntico fornecido por um circuito eltrico independente, a mquina dita de excitao

independente.

A diminuio do fluxo magntico , mantidas as condies de tenso e corrente nominais, permite a operao domotor com velocidade superior nominal, mas com reduo de torque. Isto pode ser concludo da observao

das equaes (3.1) e (3.3) com uma reduo de para ea e ia constantes. Este modo de operao conhecido como enfraquecimento de campo ou como regio de potncia disponvel constante( ea . ia = constante).

A operao em velocidades abaixo da nominal usualmente aproveita o mximo do pacote magntico mantendo

o fluxo no seu valor nominal. Esta regio de operao corresponde a um valor mximo de torque disponvel.

Estas informaes encontram-se na Figura 3.3, de fcil memorizao.

torque

n

Regio detorquedisponvelconstante

= nominal

nnominalRegio de potncia disponvel constante

< nominal

Figura 3.3 - Regies de operao de um motor eltrico

Os exerccios 3.1, 3.2 e 3.3 aprofundam o conhecimento do enfraquecimento de campo.

Mquinas CC de campo fornecido por ims no permitem operao com enfraquecimento de campo.

Quando a prpria corrente de armadura empregada para a produo do campo, o motor classificado

como de excitao srie. Esta mquina tambm conhecida como motor universal, pois aceita alimentao

em corrente alternada, sendo utilizada em muitos eletrodomsticos.

As curvas torque x velocidade dos motores CC so dadas na Figura 3.4.

Os motores de excitao srie, por apresentarem curvas de torque com caractersticas similares ao exigido em

trao (muito torque em baixa velocidade e valores menores de torque para velocidades maiores) encontram-

se em vrias aplicaes de transporte. No entanto, atualmente, com as facilidades advindas dos circuitos de

acionamento eletrnico, a trao eltrica com motores de corrente alternada ou mesmo com motores CC de

excitao independente leva a operaes mais eficientes.


3

3-4

Va1V

torqueVa5VVa6V

Va1VVa2V

Va3V

Va3< Va2< Va1

Va1V > Va2 V >Va3V >0

Va6V < Va5 V 3

23

n

n0

(a) (b)

Figura 3.4 - Curvas torque x velocidade dos motores CC(a) Excitao independente (b) Excitao srie

3.2.2 Motor de Induo (MI)

Os motores de induo podem ser representados pelo circuito equivalente da Figura 3.5.

Nesta figura

Rs representa a resistncia do estator,

RR a resistncia do rotor,

ls a indutncia de disperso do estator,

lR a indutncia de disperso do rotor,

L a indutncia de magnetizao.

s chamado de escorregamento e vale:

s=21

(3.8)

em que:

1 a freqncia da tenso de alimentao e 2, chamada velocidade de escorregamento, vale2 = 1 (3.9)com = p.n (3.10)

em que:

p o nmero de par de plos e

n a velocidade de rotao mecnica.

Nas equaes acima, evidentemente, devem ser empregadas as mesmas unidades de medida para n, , 1e 2 .

Finalmente, va = 2V1 sen(1 t) (3.11)onde V1 a tenso eficaz da alimentao do motor.


3-5

3

Este circuito retrata apenas a condio de regime estacionrio. O estudo de transitrios eltricos s pode ser feito

com base em um modelo bem mais complexo descrito por equaes diferenciais [e.g. Leonhard, 2001].

Rs RRlRls

Lva

+

-

RR(1- s) s

Figura 3.5 - Modelo de regime estacionrio do MI

A potncia dissipada na resistncia RR (1-s)/s representa a potncia convertida de eltrica em mecnica. Este

o aspecto mais interessante deste modelo. A partir desta informao, podem-se traar as curvas de torque

x velocidade de um MI (ver exerccio 3.4). Estas curvas so dependentes dos parmetros do motor, como se

depreende da observao da Figura 3.6.

Percebe-se que a curva de torque pode ser facilmente controlada pela resistncia do rotor, ajustvel no caso do

MI de rotor bobinado. J a alterao da tenso vem acompanhada de uma perda na capacidade de torque,

proporcional ao quadrado da tenso de alimentao. O modelo da Figura 3.5 deixa tambm evidente que

esta mquina opera consumindo potncia reativa.

torqueVl0,8 Vl0,6 Vl0,4 Vl0,2 Vl

1 1

n n

torque

RR2 RR5 RR10 RR20 RR

00

(a) (b)

Figura 3.6 - Principais curvas torque x velocidade dos motores MI(a) Variao da tenso de alimentao (b) Variao da resistncia rotrica

A Figura 3.7 mostra curvas de torque para um motor de induo de 4 plos, 60Hz, enquanto mantida a relao

V1/1 constante [Stephan, Lima, 1993]. Pode-se ver que para valores de 1 suficientemente grandes e mantida a relao V1/1 constante, a expresso do torque s depende de 2. Assim, as curvas na Figura 3.7 estoapenas deslocadas em funo de 1. J para baixas freqncias de alimentao, ainda que mantido V1/1constante, as curvas sofrem uma deformao. O exerccio 3.5 foi elaborado para a fixao deste conceito.


3

3-6

Operao como Motor

Velocidade (rpm)Torq

ue (p

u)

Operao como Gerador

5.0

-5.0

2.5

2Hz

4Hz

6Hz8Hz

10Hz

12Hz

20Hz

30Hz

600 900 1200 1500 1800 2100

40Hz50Hz

f = 60Hz-2.5

-7.5

-10.0

0

Figura 3.7 - Curvas torque x velocidade parametrizadas em funo de freqncia de alimentao

interessante notar a queda significativa no valor do torque mximo na operao como motor. Fisicamente,

esta diminuio causada pela reduo do fluxo de entreferro nas baixas freqncias, resultante da queda

de tenso na resistncia estatrica. Na operao como gerador, o fluxo de potncia revertido no interior

da mquina, resultando num aumento do fluxo de entreferro e, portanto, de torque mximo. No entanto, as

curvas da Figura 3.7 foram obtidas sem considerar a saturao do circuito eletromagntico e, na prtica, os

valores de torque mximo so bem menores. Mais detalhes sobre a operao como gerador, bem como no

modo de operao conhecido como "plugging", sero vistos no captulo 12.

No sentido de se preservar o valor de torque nas operaes em baixa freqncia e tambm na partida do motor,

aconselhvel, como medida de controle, aumentar a relao V1/1 nestas regies (ver curva 2 da Figura 3.8).Para freqncias de alimentao superiores freqncia nominal, a tenso terminal (V1), por no poder ser

elevada, mantida constante. Assim, a razo V1/1 decresce inversamente proporcional a 1. A Figura 3.8 ilustra um comportamento tpico da relao V1 x 1 em acionamentos eletrnicos.

Regio de Potncia Disponvel Constante

Regio de Torque Disponvel Constante

100

00

2

1

f 100/120 Hz50/60 Hz

V (%

)

Figura 3.8 - Relao V1 x 1 para mximo aproveitamento de torque em um acionamento eletrnico


3-7

3

3.2.3 Motor Sncrono (MS)

A principal caracterstica dos MS encontra-se no fato que esta mquina s produz torque na velocidade

sncrona (Figura 3.9). Assim, a partida desta mquina ocorre por meio de um motor auxiliar ou como uma

mquina de induo.

T max

n

Figura 3.9 - Torque x velocidade do Motor Sncrono

O modelo de regime permanente de um MS dado pela Figura 3.10, onde a tenso E pode ser controlada

pela corrente de campo do motor (if). Este modelo vlido para uma mquina de rotor cilndrico, sem eixos

preferenciais de fluxo. A representao de uma MS de plos salientes, como ocorre usualmente com os

geradores em usinas hidroeltricas, exige um modelo mais elaborado. No entanto, para o estudo aqui proposto,

o modelo da Figura 3.10 mostra-se suficiente.

AI B

V E - 0jxs

Figura 3.10 - Modelo de estado estacionrio do MS

A partir deste modelo, algumas concluses podem ser tiradas. Inicialmente, pode-se determinar o fluxo de

potncia do n A para o n B como sendo:

S = P + jQ = VI*= V V - E - *jXSX

(3.12)

Logo: P = sen VEX s

(3. 13)

Q = [V2 VV - VEcos ]1Xs

(3.14)

Da Eq. (3.13), conclui-se que o valor mximo de potncia que pode ser transferido de eltrica para mecnica

dado por:

Pmx = VE / Xs (3.15)

portanto, o torque mximo vale:

Tmx = VE / nXx s , (3.16)

em que n a velocidade de rotao sncrona.

Este ponto de operao, onde =90o , corresponde a um limite eltrico de operao estvel.


3

3-8

A relao entre P, dado na Eq. (3.13), e Q, dado na Eq. (3.14), como funo da tenso E, para V constante,

conhecida como curva de capabilidade, apresentada na Figura3.11 (ver exerccio 3.6). Outra forma de

apresentar os resultados das Eqs. (3.13) e (3.14) atravs das chamadas curvas V (Figura 3.12), onde a

corrente de armadura apresentada como funo de E para valores parametrizados de P (ver exerccio 3.7).

Nestas figuras, fp significa fator de potncia.

Motor

Limite da corrente de campo

fp= 0.8

P

Limite dacorrente de estator

Gerador

if = 0f

if1

if2

if3

if4

if5

if6

if7

Limite deestabilidade

Q

Figura 3.11 - Curvas de Capabilidade

Limite de estabilidade

fp=1.0 Ps =1.0

Ps = 0.5

Ps = 0

fp = 0

if

fp = 0.8 (capacitivo)

fp = 0.8 (indutivo)

[ Is ]

Figura 3.12 - Curvas V

A Eq. (3.13) mostra que a potncia ativa (P) flui do n de maior ngulo de fase para o n de menor ngulo de fase.

J a potncia reativa (Q), para pequenos valores de , flui de A para B se E < V e flui de B para A se E > V.

O motor sncrono, quando E > V dito sobre excitado e comporta-se como uma carga capacitiva. J se

E < V, tem comportamento indutivo. Esta caracterstica permite que o motor sncrono seja empregado para

a correo do fator de potncia.


3-9

3

3.3 Estabilidade Esttica

Conhecidas as curvas caractersticas da carga e do motor eltrico, o ponto de operao fica determinado

pela interseo destas curvas, como ilustrado na Figura 3.13.

torque

Caracterstica do Motor

Caracterstica da Carga

A

B

n

Figura 3.13 - Determinao do ponto de operao de um acionamento eletro-mecnico

No entanto, os pontos onde o torque de carga igual ao torque eltrico, nem sempre correspondem a pontos

de equilbrio estvel. Isto fica bem ilustrado na figura anterior. O ponto "A" representa um ponto de equilbrio

estvel pois qualquer variao de velocidade em torno deste ponto resultar em um torque resultante (torque

do motor - torque da carga) no sentido de retorno ao ponto "A".

J o ponto "B" corresponde a um ponto instvel, impossvel de se obter sem controle, uma vez que qualquer

perturbao de velocidade em torno deste ponto de operao implicar em torque resultante no sentido de

afastamento do ponto "B".

De um modo geral, o ponto de equilbrio ser estvel se, no ponto de equilbrio:

dmcargadn

dmeltricodn

> (3.17)

Os exerccios 3.8 e 3.9 ilustram o problema da estabilidade aqui estudado.

3.4 Tempo deTT Acelerao

Antes de atingir um ponto de operao, o motor passa por um perdo dinmico regido pela Lei de Newton:

mr = meltrico mcarga = J dn/dt, (3.18)

em que mr o torque resultante.r

Quando esta equao recai em uma equao diferencial com soluo conhecida (exerccio 3.9), pode-se

determinar analiticamente o tempo de acelerao bem como de toda a dinmica do processo.


3

3-10

Casos mais complexos so resolvidos numericamente. Para pequenos intervalos de tempo (t), admitindo-se

que o torque resultante (mr) constante no intervalo, pode-se escrever:

J n = mr t (3.19)

Conhecido o momento de inrcia (J) e as caractersitcas estticas de torque x velocidade da carga e do motor,

pode-se estimar o tempo de acelerao atravs da soma de sucessivos intervalos dados pela Eq. (3.19). Os

intervalos devem ser escolhidos de modo a poder se considerar o torque resultante constante nos intervalos.

Esta abordagem s faz sentido se o transitrio mecnico for suficientemente lento para se desprezar os transitrios

eltricos. Esta condio existe quando a inrcia da carga for suficientemente elevada ou quando o transitrio

for intencionalmente lento como nas partidas de motores com tenso reduzida.

A Figura 3.14 ilustra uma situao. O tempo de partida para um motor e carga de inrcia J = 100kg.m2 foi

estimado pela diviso do perodo de acelerao em intervalos, como indicado na Tabela 3.1.

A aproximao adotada levou a um tempo de acelerao de 58,1 segundos. Evidentemente, o clculo pode

ser refinado empregando-se outros mtodos de integrao numrica ou menores intervalos de discretizao

principalmente nas regies onde o torque resultante varia mais significativamente. No entanto, esta simples

abordagem j permite obter uma ordem de grandeza do tempo envolvido.

torque (Nm)

100

motor

carga

Velocidade (rpm)

200

300

400

400 800 1200 1600 2000

500

600

Figura 3.14 - Exemplo de acelerao de carga (J = 100kg . m2)

Tabela 3.1 - Estimativa de tempo de acelerao para o caso da Figura 3.14Intervalo de velocidade (rpm) Intervalo de velocidade (rad/s) Torque resultante mdio t (segundos) Eq. (3.19)

0-400 41,89 (500+450)/2 = 475 8,8400-800 41,89 (450+400)/2=425 9,9

800-1200 41,89 (400+400)/2=400 10,51200-1400 20,94 (400+250)/2=325 6,41400-1600 20,94 (250+100)/2=175 12,01600-1650 5,24 (100+0)/2=50 10,5

Tempo total 58,1s


3-11

3

3.5 Dimenso Estimada de um Motor

O tamanho de uma mquina eltrica est diretamente relacionado com o seu torque. Uma vez que a potncia

dada pelo produto do torque pela velocidade, mquinas de baixo torque e altssima velocidade podem

ser de alta potncia, ainda que suas dimenses sejam pequenas. Por outro lado, mquinas volumosas, de

elevador torque, se projetadas para operar em baixa velocidade, apresentaro potncia modesta. Pode-se

fazer uma analogia com pessoas musculosas, que claramente possuem grande capacidade de fora (torque),

porm no so necessariamente geis.

A seguinte deduo, baseada na Figura 3.15, suporta esta afirmao. A figura mostra um cilindro de raio R

e comprimento l percorrido, na sua superfcie, por uma corrente de densidade J e submetido a um campo

magntico radial de densidade de fluxo B. Sabe-se que:

Torque = Fora x R

Fora = B i l = B J 2 R lTorque = 2 B J R2 l = 2 B J V

em que V o volume do cilindro.

Por outro lado, B est limitado pela saturao magntica e J est limitado pela densidade de corrente de um

condutor.

Assim sendo, conclui-se que o torque depende do volume da mquina, para um dado conjunto de caractersticas

eltricas e magnticas dos materiais empregados na sua construo.

As mquinas eltricas dos dias atuais ocupam um espao bem menor que as suas equivalentes do incio do

sculo XX, principalmente em funo da qualidade dos materiais hoje disponveis. Esta deduo serve tambm

para explicar porque os motores que empregam supercondutores, de elevado J, ocupam menos espao.

1

F

R B

Figura 3.15 - Relacionamento entre torque e volume de uma mquina eltrica

3.6 Exemplo Ilustrativo

Uma carga de 1000 kg deve ser suspensa verticalmente com auxlio de uma corda que se encontra em

um carretel cilndrico de dimetro 0,5m. A velocidade de ascenso deve ser de 0,5 m/s. Para efetuar este

acionamento dispe-se de motores eltricos com rotaes da ordem de 1500 rpm.

a)Especifique a reduo de engrenagem necessria para esta operao.

b)Especifique o motor necessrio para efetuar este translado, desconsiderando o perodo de acelerao.

c)Admita que a acelerao da carga deve ser feita em 1s. Especifique agora o motor para esta tarefa.


3

3-12

Considere a acelerao da gravidade 10m/s2.

Soluo:

a) n = v/R= 0,5/0,25 = 2 rad/s = 2 x 60 / 6,28 = 19 rpm

i = 1500 / 19 ~ 80.

Tomando i = 80, a velocidade do motor deve ser 1520 rpm.

b) torque = fora x raio = 1000 x 10 x 0,25 Nm = 2500 Nm, considerando a acelerao da gravidade 10m/s2.

torque no motor = 2500 / i = 31,25 Nm

potncia = torque x velocidade angular = 31,25 x 1520 x 6,28 /60 = 5000 W

ou ainda

potncia = fora x velocidade = 10000 x 0,5 = 5000 W.

c) Para a acelerao, deve-se considerar o momento de inrcia da carga, no caso:

J = 1000 kg x 0,25 x 0,25 = 62,5 kg m2

Este momento de inrcia, visto pelo motor, vale: 62,5 / i2 = 0,01 kg m2

Considerando a inrcia do carretel e do motor como dando contribuies idnticas, tem-se um momento de

inrcia total de 0,03 kg m2.

O torque necessrio para acelerar em 1 segundo ser de:

Torque de acelerao = 0,03 x 1520 x 6,28 / 60 = 4,77 Nm

Este valor deve ser adicionado ao valor de 31,25 Nm calculado anteriormente. Nesta situao, o prprio

motor escolhido para a situao de regime permanente deve ser capaz de suportar a pequena sobrecarga

durante 1s.

Caso se desejasse uma acelerao em 0,2s, seria necessrio um torque 5 vezes maior, portanto 23,85Nm.

Neste caso, seria necessrio especificar um motor de maior capacidade de potncia.

O exerccio 3.10 prope outra situao semelhante.

Comentrios:

Estes clculos, baseados exclusivamente nas caractersticas da carga, so suficientes para determinar a potncia

do motor. No entanto, a escolha final ainda encontra-se aberta, o que justifica os assuntos que sero tratados

nos prximos captulos.

Por exemplo, no captulo 4, sero apresentadas as caractersticas do regime de servio e do ambiente

de operao dos motores eltricos. O regime de servio define o grau de repetibilidade da operao na

especificao deste motor. O local onde o motor ser instalado especifica o grau de proteo do motor.

Um motor de induo, uma mquina sncrona ou um motor CC poderia, a princpio, ser escolhido para este

acionamento. A disponibilidade de tenso contnua favoreceria um motor CC. A partir de uma alimentao

CA, uma mquina sncrona diretamente conectada rede teria problemas de partida. O emprego de um

motor de induo ligado diretamente rede necessitaria de uma anlise do seu torque de partida.


3-13

3

A velocidade nominal de 1500 rpm do enunciado j deixa implcito, neste caso, um motor de 4 plos com

freqncia de alimentao de 60Hz. Um motor de induo com controle de velocidade seria a soluo ideal,

mas isto exigiria a presena de um conversor eletrnico, como ser visto no captulo 5.

O enunciado do problema tambm no imps nenhuma considerao no que diz respeito partida e

frenagem do motor. Isto ser discutido no captulo 6.

O comando ou operao malha aberta ser visto nos captulos 7 e 8.

A garantia da velocidade de 0,5 m/s s pode ser dada por um sistema de controle malha fechada como

ser estudado nos captulos 9 e 10.

As implicaes adversas da escolha sero discutidas no captulo 11.

Finalmente, outras opes de motores sero tratadas no captulo 12.


3

3-14

4-1

4

Caractersticas Construtivas, de Servio e de Ambiente de Operaes de Motores Eltricos

CARACTERSTICAS CONSTRUTIVAVV S, DE SERVIO E DE AMBIENTE DEOPERAO DE MOTORES ELTRICOS(2)

4.1.Introduo

A aplicabilidade dos motores est condicionada ao seu formato construtivo, que engloba as caractersticas de isolamento e de proteo; s caractersticas de servio, que a forma temporal e de intensidade de gastoenergtico na qual o motor ir operar; e, por fim, s caractersticas do ambiente, que so imprescindveispara definir qual o motor adequado para cada aplicao. A seguir, ser apresentado um resumo do que estabelecem as normas brasileiras sobre o tema.

4.2.Caractersticas Construtivas

Formas e fixao dos motoresA designao da forma construtiva de um motor eltrico dever ser de acordo com a norma NBR-5031. Geralmente, o fabricante fornece os motores na forma construtiva B3, ou seja, para funcionamento emposio horizontal com ps. A NBR-5031 discorre ainda sobre a posio de fixao dos motores. Sob consulta,o fabricante poder fornecer o motor eltrico com flange e eixo com caractersticas especiais. As formasconstrutivas mais usuais so:

B3E = Carcaa com ps, ponta de eixo esquerda, fixao base ou trilhos.B3D = Carcaa com ps, ponta de eixo direita, fixao base ou trilhos.B35E = Carcaa com ps, ponta de eixo esquerda, fixao base ou flange FF.B35D = Carcaa com ps, ponta de eixo direita, fixao base ou flange FF.V1 = Carcaa sem ps, ponta de eixo para baixo, fixao flange FF.

Abaixo, uma tabela com as formas construtivas possveis em um motor eltrico.

Tabela 4.1 - Formas construtivas (Fonte: site da WEG)

Form

aC

onst

rutiv

a

Configurao

Referncia B3E B3D B3T B5E B5D B5T B35E B35D B35T B14E

Det

alhe

s Carcaa com ps com ps sem ps sem ps com ps com ps sem psPonta de Eixo esquerda direita esquerda direita esquerda direita esquerda

Fixao base ou trilhos base ou trilhos flange FF flange FFbase ou flage

FFbase ou flage FF

flage FC

Form

aC

onst

rutiv

a

Configurao

Referncia B14D B14T B34E B34D B34T V5 V5E V5T V6 V6E V6T V1 V3

Det

alhe

s Carcaa sem ps com ps com ps com ps com ps sem ps sem psPonta de Eixo direita esquerda direita para baixo para cima para baixo para cima

Fixao flange FCbase ou

flange FCbase ou

flange FCparede parede flage FF flage FF

Form

aC

onst

rutiv

a

Configurao

V15 V15E V15T V36 V36E V36T V18 V19 B6 B6E B6T B7 B7E B7T B8 B8E B8T

Det

alhe

s Carcaa com ps com ps sem ps sem ps com ps com ps com psPonta de Eixo para baixo para cima para baixo para cima para frente para frente para frente

Fixaoparede ou flange FF

parede ouflange FF

flange C flange C parede parede teto

(2) Captulo preparado com a contribuio de Pedro Decourt e Adriano Carvalho.

4-2

4


Classes de Isolamento

As classes de isolamento estipulam os nveis mximos de temperatura em que o motor poder operar sem que

seja afetada sua vida til. Estas classes so definidas de acordo com os tipos de materiais isolantes utilizados

na construo do motor.

A escolha da classe de isolamento pode determinar o tamanho do motor, pode definir a rea livre necessria

ventilao natural ou mesmo a necessidade de ventilao forada para a mquina eltrica.

Atualmente, o material isolante (fitas de mica ou vernizes) mais utilizado em motores eltricos tem classe

de isolamento B. Isto significa que estes materiais, instalados em locais onde a temperatura ambiente no

mximo 40C, podem trabalhar com uma elevao de temperatura de 80 C continuamente sem perder suas

caractersticas isolantes.

Quando o motor eltrico trabalha com inversor de freqncia (captulo 5), a classe de isolamento dever ser

no mnimo F.

Abaixo esto os valores das temperaturas mximas admitidas para cada classe de isolamento existente,

considerando uma temperatura ambiente de 40C, segundo a NBR-7034.

Tabela 4.2 - Classes de isolamentoClasse Temperatura Mxima (C) Temperatura de servio (C)

Y 90 80A 105 95E 120 110B 130 120F 155 145H 180 170C Acima de 180 Depende do material

Graus de Proteo

Os graus de proteo representam as medidas aplicadas ao invlucro de um equipamento eltrico visando:

i. Proteo de pessoas contra o contato acidental a partes energizadas sem isolamento; contra o contato a

partes mveis no interior do invlucro e proteo contra a entrada de corpos slidos estranhos (poeiras,

fibras e etc.).

ii. Proteo do equipamento contra o ingresso de gua em seu interior.

Assim, por exemplo, um equipamento a ser instalado em um local sujeito a jatos d'gua deve possuir um

invlucro capaz de suportar tais jatos, sob determinados valores de presso e ngulo de incidncia, sem que

haja penetrao excessiva de gua.

Esta proteo definida por duas normas brasileiras: NBR-60529 e NBR-9884. Estas normas foram baseadas

em normas internacionais. Isto significa que o Brasil passou a adotar a terminologia internacional e no mais

a terminologia de proteo de invlucros de origem americana (designao NEMA National Electrical

Manufacturers Association).

4-3

4


A simbologia adotada composta de uma sigla IP (Index of Protection), seguida de dois algarismos. O 1

nmero indica proteo contra entrada de corpos slidos estranhos e contato acidental, e o 2 nmero indica

proteo contra entrada de gua/lquidos, conforme tabelas abaixo:

Tabela 4.3 - 1 ALGARISMO: Indica proteo contra entrada de corpos slidos estranhos e contato acidental

1 AlgarismoAlgarismo Indicao

0 Sem proteo1 Corpos estranhos de dimenses acima de 50 mm2 Corpos estranhos de dimenses acima de 12 mm3 Corpos estranhos de dimenses acima de 2,5 mm4 Corpos estranhos de dimenses acima de 1,0 mm5 Proteo contra acmulos de poeiras prejudiciais ao motor6 Totalmente protegido contra poeira

Tabela 4.4 - 2 ALGARISMO: Indica proteo contra entradade gua/lquidos no interior do equipamento

2 AlgarismoAlgarismo Indicao

0 Sem proteo1 Proteo contra queda vertical de gotas de gua2 Proteo contra queda de gua com inclinao de 15 com a vertical3 Proteo contra queda de gua com inclinao de 60 com a vertical4 Proteo contra projees de gua, respingos de todas as direes5 Proteo contra jatos dgua de todas as direes6 Proteo contra ondas do mar, gua de vagalhes7 Proteo para imerso temporria8 Proteo para imerso permanente

De acordo com a norma, a qualificao do motor em cada grau, no que se refere a cada um dos

algarismos, bem definida atravs de ensaios padronizados e no sujeita a interpretaes, como acontecia

anteriormente.

A norma menciona ainda que, caso haja alguma condio particular na indstria onde o motor vai ser instalado

e que necessite de proteo especial, que no seja contra poeira nem gua, o cliente, ao especificar o grau

de proteo desejado, deve incluir, antes dos dois algarismos, a letra W, que indica haver alguma proteo

adicional alm de objetos slidos e gua, cujas medidas de proteo so fruto de acordo entre o cliente

e o fabricante. Por exemplo, em locais de atmosfera extremamente salina, comum especificar-se grau de

proteo IPW 54, sendo esse W referente proteo que deve ter o invlucro contra a corroso causada

por atmosfera salina.

4.3.Caractersticas de Servio

Um motor eltrico no fica necessariamente ligado o tempo todo. Como ser visto, esse fato influi sobre o

dimensionamento da potncia necessria para acionar uma carga. A norma de motores NBR7094 padroniza

8 principais regimes de servio, classificados de S1, S2, ... S8.

O regime de servio indica o grau de regularidade da carga que o motor submetido. Em geral, os motores so

projetados para o regime contnuo, por tempo indefinido e igual potncia nominal do motor (S1). Os regimes

so definidos por meio de grficos que representam a variao de trs grandezas em funo do tempo:

4-4

4


A primeira indica a potncia (P, em watts).

A segunda, as perdas (eltricas e magnticas) que aparecem durante a fase de funcionamento.

A terceira, a elevao de temperatura que ocorre devido s perdas citadas.

A seguir, um resumo dos oito principais regimes de operao definidos na norma NBR7094.

Regimes de servio

S1: Servio contnuo S2: Servio de breve durao

S3: Servio intermitente sem influncia da partida

Fator de durao tr =tB

tB+tStdo ciclo:

S4: Servio intermitente cominfluncia da partida

Fator de durao tr =tAt + tB

tAt + tB + tStdo ciclo:

PP

P

P

max max

max max

PPPP

PP

t

t

t

t

t

tSt

tSt

tS

tS

tStB

tB tA

t

t

t

t

t

t

t

PP

P

PP

P

PP

max

max

t

t

t

t

t

t

tSt

tS tStL

tB

tB

tBr

S5: Servio intermitente com influncia dafrenagem eltrica

Fator de durao tr =tA t + tB + tBr

tAt + tB + tBr + tStdo ciclo:S6: Servio contnuo comcarga intermitente

Fator de durao tr =tB

tB + tLdo ciclo:

tA

4-5

4


PP

PP PPmax max

t t

t

t

tt

t

tS tS

n

tSttBtA

S7: Servio ininterrupto com partida efrenagem eltricaFator de durao tr = 1do ciclo: S8: Servio ininterrupto com variaes peridicas

de velocidadeFatores de duraodo ciclo:

tAt + tB 1 + tB 2 + tB 3tAt + tB1 + tBr1 + tB2 + tBr2+ tB3

tr1 =

tBr1 + tBr2tAt + tB1 + tBr1 + tB2 + tBr2+ tB3

tr2 =

tBr1

tB1 tB2 tB3

tBr2

tA

Alm dos regimes de servio, faz-se necessrio definir ainda algumas expresses comumente utilizadas quando

se trata de especificaes de motores eltricos.

Potncia nominal: a potncia que o motor pode fornecer, dentro de suas caractersticas nominais, em

regime contnuo. Este conceito est ligado elevao de temperatura do enrolamento.

Como se sabe, o motor pode acionar cargas de potncia acima das nominais, at quase atingir o

conjugado mximo. O fator limitante, entretanto, a sobrecarga suportada pelo material isolante. Se esta

sobrecarga for excessiva, em intensidade e em tempo, a vida til do motor ser diminuda, podendo at

mesmo queimar-se.

Fator de servio (FS): Chama-se fator de servio o fator que, aplicado potncia nominal, indica a

carga permissvel que pode ser aplicada continuamente ao motor. Este fator indica uma capacidade de

sobrecarga contnua, ou seja, uma reserva de potncia que d ao motor a capacidade de suportar melhor

o funcionamento em condies desfavorveis. No entanto, a vida til do motor ser inferior quela com

carga nominal. O fator de servio no deve ser confundido com a capacidade de sobrecarga momentnea

durante alguns minutos. Por exemplo: um motor especificado com fator de servio igual a um significa que

o motor no foi projetado para funcionar continuamente acima de sua potncia nominal. Isto, entretanto,

no muda a sua capacidade para sobrecargas momentneas.

Potncia equivalente para cargas de pequena inrcia: Apesar das inmeras formas normalizadas de

descrio das condies de funcionamento do motor, necessrio definir e avaliar a solicitao imposta

ao motor por um regime mais complexo que aqueles descritos nas normas. Uma forma usual de calcular

a potncia equivalente dada pela frmula:

Pm= P2 (t).T

1T

T

0

em que: Pm=potncia equivalente solicitada ao motor

P(t)= potncia, varivel com o tempo, solicitada ao motor

T = durao total do ciclo

4-6

4


Esta frmula baseada na hiptese de que a carga efetivamente aplicada ao motor acarretar a mesma

solicitao trmica que uma carga fictcia, equivalente, que solicita continuamente a potncia Pm. Baseia-se

tambm no fato de ser assumida uma variao das perdas com o quadrado da carga e que a elevao de

temperatura diretamente proporcional s perdas.

Isto verdadeiro para motores que giram continuamente, mas so solicitados intermitentemente. Assim sendo,

deve-se entender que a especificao de um motor pela potncia equivalente cobre apenas os requisitos

trmicos. A escolha do motor deve respeitar ainda as solicitaes de torque em cada intervalo de operao.

4.4.Caractersticas de Ambiente

Para analisar a viabilidade do uso de um motor em uma determinada aplicao deve-se levar em considerao

mais alguns parmetros do ambiente e da geografia do local onde ser instalado o motor. Entre eles: a altitude,

a temperatura do meio refrigerante e a contaminao do local.

Conforme a NBR-7094, as condies usuais de servio so:

Altitude no superior a 1000 metros

Meio refrigerante com temperatura no superior a 40C

At esses valores, considera-se que o motor opera em condies normais e por isso deve fornecer, sem

sobreaquecimento, sua potncia nominal.

Influncia da altitude

Motores funcionando em altitudes acima de 1000m apresentam problemas de aquecimento causado pela

rarefao do ar, e conseqentemente, diminuio do seu poder de arrefecimento. A insuficiente troca de calor

entre o motor e o ar circundante leva exigncia de reduo de perdas e conseqentemente, reduo de

potncia. Usualmente, tem-se usado as seguintes solues para contornar este problema:

Para altitudes acima de 1000m, deve ser utilizado material isolante de classe superior.

Segundo a norma NBR-7094, a reduo necessria na temperatura ambiente deve ser de 1% dos limites

de elevao de temperatura para cada 100m acima dos 1000m.

Influncia da temperatura ambiente

Motores que trabalham em temperaturas inferiores a 20C apresentam os seguintes problemas:

Excessiva condensao, exigindo drenagem adicional ou instalao de resistncia de aquecimento, caso

o motor fique longo tempo parado.

Formao de gelo nos mancais, exigindo o emprego de lubrificantes especiais ou graxas

anticongelantes.

Ambientes perigosos

Ambientes perigosos so aqueles em que a atividade-meio ou fim tem como subprodutos de seu processo

a emisso de gases, lquidos ou partculas slidas que potencialmente podem prejudicar o funcionamento

seguro.

4-7

4


Dentre os inmeros exemplos dessas atividades, destacam-se: indstria naval, indstria qumica e petroqumica etc.

A seguir, parte das terminologias utilizadas para a definio de ambientes perigosos.

reas de risco

Uma instalao onde produtos inflamveis so continuamente manuseados, processados ou armazenados,

necessita, obviamente, de cuidados especiais que garantam a manuteno do patrimnio e preservem a

vida humana.

Os equipamentos eltricos, por suas prprias caractersticas, podem representar fontes de ignio, quer seja

pelo centelhamento normal, devido abertura e fechamento de contatos, quer seja por superaquecimento

de algum componente, seja ele intencional ou causado por correntes de defeito.

Atmosferas potencialmente explosivas

Os equipamentos e dispositivos eltricos devem possuir caractersticas inerentes que os tornam capazes

de operar em atmosferas potencialmente explosivas, com o mnimo risco de que causem a inflamao

do ambiente onde esto instalados. Para isto existem diversas tcnicas construtivas que so aplicadas de

forma a reduzir o risco de exploso ou incndio provocado pela sua operao.

Uma atmosfera dita potencialmente explosiva quando a proporo de gs, vapor, p ou fibras tal que

uma fasca proveniente de um circuito eltrico ou o aquecimento de um aparelho provoca a exploso.

Para que se inicie uma exploso, trs elementos so necessrios em conjunto:

OXIGNIO + COMBUSTVEL + FONTE DE IGNIO = EXPLOSO

Por isso, as medidas construtivas que so aplicadas aos equipamentos eltricos visam principalmente

eliminao de pelo menos um desses fatores fundamentais, de modo a se quebrar esse ciclo. Essas tcnicas

so normalizadas e possuem o nome de tipos de proteo dos equipamentos eltricos.

Classificao das reas de risco conceito de zona

A ABNT classifica as reas de risco em:

Zona 0:

Regio onde a ocorrncia de mistura inflamvel e/ou explosiva contnua ou ocorre por longos perodos.

A atmosfera explosiva est sempre presente em condies normais de operao.

Ex: regio interna de um tanque de combustvel.

Zona 1:

Regio onde h a probabilidade de ocorrncia de mistura inflamvel e/ou explosiva. A atmosfera explosiva

pode existir em condies normais de operao.

Zona 2:

Locais onde a presena de mistura inflamvel e/ou explosiva no provvel de ocorrer, e se ocorrer,

por poucos perodos. Est associada operao anormal do equipamento e do processo, perdas ou uso

negligente. Quer dizer, a atmosfera explosiva pode ocorrer em condies anormais de operao.

4-8

4


Tipos de proteo

So medidas especficas aplicadas ao equipamento eltrico a fim de evitar a ignio de uma atmosfera

inflamvel ao redor do mesmo. Cabe ressaltar que este termo se refere exclusivamente a equipamentos que

sejam adequados para a aplicao em atmosferas explosivas.

Para cada tipo de proteo atribuda uma simbologia.

Tabela 4.5 - Tipos de proteoTipo de proteo Simbologia Princpio bsico

A prova de exploso dEquipamento encerrado em um invlucro capaz de suportar a presso de exploso interna e no permitir que essa exploso se propague para o meio externo.

Pressurizado pConsiste em manter presente, no interior do invlucro, uma presso positiva superior presso atmosfrica, de modo que se houver presena de mistura inflamvel ao redor do equipamento, esta no entre em contato com partes que possam causar uma ignio.

Imerso em leo oPartes do equipamento que podem produzir centelhamento ou alta temperatura esto imersas em leo.

Imerso em areia qPartes do equipamento que podem produzir centelhamento ou alta temperatura esto imersas em areia. No possui nenhuma parte mvel em contato com a areia.

Imerso em resina mPartes do equipamento que podem produzir centelhamento ou alta temperatura esto imersas em resina.

Segurana aumentada eTipo de proteo aplicvel a equipamentos eltricos que por sua prpria natureza no produ-zem arcos, centelhas ou alta temperatura em condies normais de operao.

No acendvel

nAEquipamentos eltricos no centelhantes que em condies normais de operao no so capazes de provocar a ignio de uma atmosfera explosiva de gs, bem como no prov-vel que ocorra algum defeito que seja capaz de causar a inflamao dessa atmosfera.

nRInvlucros com restrio gs-vapor que em condies normais de operao no so capazes de provocar a ignio de uma atmosfera explosiva de gs, bem como no provvel que ocorra algum defeito que seja capaz de causar a inflamao dessa atmosfera.

nC

Equipamentos eltricos centelhantes cujos contatos estejam protegidos adequadamente exceto para invlucros com restrio gs-vapor, que em condies normais de operao no so capazes de provocar a ignio de uma atmosfera explosiva de gs, bem como no provvel que ocorra algum defeito que seja capaz de causar a inflamao dessa atmosfera.

Segurana intrnsecaia

Equipamentos eltricos que so incapazes de provocar a ignio em operao normal, na condio de um nico defeito ou de qualquer combinao de dois defeitos.

ibEquipamentos eltricos que so incapazes de provocar uma ignio de uma atmosfera explo-siva, em operao normal, ou na condio de um nico defeito qualquer.

Especial sA idia de se prever esse tipo de proteo no sentido de no bloquear a criatividade dos fabricantes e permitir o desenvolvimento de novos tipos de proteo que no seja nenhum daqueles que so previstos por normas, ou ainda elaborar combinaes de tipo de proteo.

No caso de motores eltricos, os tipos de proteo mais comuns e aplicveis so: invlucro a prova de exploso

(d), segurana aumentada (e), no acendvel para equipamento no centelhante (nA), segurana intrnseca

(i) e pressurizado (p).

Grupos de gases

De acordo com a norma ABNT/IEC, as regies de risco so divididas em:

Grupo I:

Para minas susceptveis liberao de grisu (gs a base de metano).

Grupo II:

Para aplicao em outros locais. So as chamadas indstrias de superfcie e os gases so divididos em trs

grupos (IIA, IIB e IIC), de acordo com o grau de periculosidade e em funo da energia liberada durante

a exploso.

4-9

4


Desta forma, de acordo com a tabela, tem-se:

Tabela 4.6 - Grupos de gasesGrupo de gases Substncia inflamvel

I Metano

IIAAcetona, Benzeno, Butano, Propano, Hexano, Gs natural, Etano, Pentano, Heptano, Gasolina, lcoolmetil, lcool etil

IIB Etileno, Ciclopropano, Butadieno 1-3IIC Acetileno, Hidrognio

Classes de temperatura

A temperatura mxima na superfcie exposta do equipamento eltrico deve ser sempre menor que a temperatura

de ignio do gs ou vapor. De acordo com a tabela, podemos ver as classes existentes segundo as normas

correspondentes.

Tabela 4.7 - Classes de temperatura7ABNT / IEC NEC / CEC

Temp. de ignio dos gases e vapores (C)Classe de

temperaturaTemp. mx. desuperfcie (C)

Classe de temperatura

Temp. mx. desuperfcie (C)

T1 450 T1 450 > 450T2 300 T2 300 > 300

T2A 280 > 280T2B 260 > 260T2C 230 > 230T2D 215 > 215

T3 200 T3 200 > 200T3A 180 > 180T3B 165 > 165T3C 160 > 160

T4 135 T4 135 > 135T4A 120 > 120

T5 100 T5 100 > 100T6 85 T6 85 > 85

Marcao de equipamentos Ex

Todo o equipamento produzido, ensaiado e certificado deve apresentar uma marcao especfica para operar

em reas classificadas ou potencialmente explosivas.

Assim, no Brasil, utilizado o seguinte tipo de marcao:

BR Ex

Origemdo

produto Grupo de gases

Tipo de proteo

Classe de temperatura

Equipamentopara atmosferas

explosivas

T3IICd

Figura 4.2 - Marcao segundo normas brasileiras

4-10

4


Certificao de equipamentos Ex

A certificao de conformidade o ato de atestar que um produto ou servio est conforme uma determinada

norma ou especificao tcnica, atravs de ensaios e/ou verificaes baseados em mtodos tambm

normalizados. Esse atestado feito por meio de um Certificado ou Marca de Conformidade.

A Lei 5966, de 11.12.1973, criou para o Brasil, o SINMETRO Sistema Nacional de Metrologia, Normalizao

e Qualidade Industrial, que por sua vez formado basicamente por dois rgos: o CONMETRO Conselho

Nacional de Metrologia, Normalizao e Qualidade Industri-al, e o INMETRO Instituto Nacional de Metrologia,

Normalizao e Qualidade Industrial.

O CONMETRO tem, como principal atribuio, estabelecer a poltica e diretrizes que devem ser adotadas

para o pas, com relao a Metrologia, Normalizao e Qualidade Industrial.

O INMETRO o rgo responsvel pela execuo dessa poltica ditada pelo CONMETRO. Para que o

INMETRO desempenhe as suas funes, ele dispe de trs subsistemas: Metrologia, Normalizao e Qualidade

Industrial.

Os ensaios e certificao dos equipamento prova de exploso so desenvolvidos pelo LABEX- Laboratrio de

Ensaio e Certificao de Equipamentos Eltricos com Proteo contra Exploso. Este laboratrio foi inaugurado

em 12/12/1986 e pertence ao CEPEL, unidade de Adrianpolis.

A ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas uma entidade privada, sem fins lucrativos, reconhecida

como Foro Nacional de Normalizao do SINMETRO, mediante Resoluo do CONMETRO e Termo de

Compromisso firmado com o Governo, qual compete coordenar, orientar e supervisionar o processo de

elaborao de Normas Brasileiras bem como elaborar e editar as referidas Normas.

4.5 Concluso

Este captulo condensou uma vasta gama de informaes oriundas de normas tcnicas e disponveis em

diversas fontes.

Por mais cansativas que possam parecer, as normas guardam a experincia de geraes de engenheiros e

tcnicos para orientar o trabalho seguro dos novos projetistas e, portanto, devem ser consideradas com muita

ateno.

O exerccio 4.1 procura destacar a essncia no estabelecimento destas normas para que no se perca a

motivao para o seu estabelecimento.

Acionamento Eletrnico de Motores Eltricos

5-1

5

ACIONAMENTO ELETRNICO DE MOTORES ELTRICOS

5.1 Introduo

No ltimo sculo, grandes descobertas cientficas permitiram ao ser humano um surpreendente domnio sobre

a matria [Benchimol, 1995]. Como se sabe, estas descobertas influenciaram praticamente todas as atividades

humanas. No caso particular dos motores eltricos, esta evoluo se faz presente especialmente atravs de

trs reas de conhecimento tecnolgico:

Semicondutores de potncia

Micro-eletrnica (semicondutores de baixa potncia)

Materiais magnticos.

Este exponencial avano tecnolgico fica mais gritante quando alguns pontos marcantes da evoluo da

humanidade so colocados em uma escala logartmica, como mostrado na Figura5.1.

-100.000 t (anos)

HomoSapiens-Sapiens

Idade daPedra Polida

Nascimentode Cristo

Tiristor (1958)

Transistor (1948)(Revoluo Eletrnica)

Inveno do Motor de Induo(Revoluo Eltrica)

Inveno da Mquina a Vapor

(Revoluo Industrial)

Novos Materiais Magnticos e Supercondutores

Dias Recentes

-10.000 -1.000 -100 -10 -1 -0.1

Figura 5.1 - A histria em escala logartmica

5.2 Evoluo dos Dispositivos Semicondutores de Potncia

Em 1958, a disponibilidade comercial dos tiristores representou o incio de uma nova era para o acionamento de

mquinas de corrente contnua. As dcadas de 70 e 80 presenciaram o aparecimento de novos semicondutores

de potncia com controle de conduo e bloqueio, abrindo perspectivas espetaculares para o controle de

motores de corrente alternada [Bose, 1992, 1995]. Pode-se tentar dividir esta evoluo em trs geraes:


5-2

5

1a. gerao (1958-1975): Tiristor (SCR)

2a. gerao (1975-1985): Transistor de potncia (BJT)

MOSFET de potncia

GTO (Gate Turn-Off Thyristor)

3a. gerao (1985 .....): IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

SIT (Static Induction Transistor)

SITH (Static Induction Thyristor)

MCT (MOS Controlled Thyristor)

Cada dispositivo citado possui capacidade de potncia e caractersticas de conduo e bloqueio (uni-direcional,

bi-direcional, controlvel, no-controlvel) bem como sinais de controle (contnuo, pulsante, na forma de

tenso ou corrente) particulares.

Idealmente, procura-se um dispositivo com:

- elevada capacidade de conduo de corrente,

- elevada capacidade de suportar tenses em estado de bloqueio,

- corrente de fuga desprezvel, quando bloqueado,

- queda de tenso desprezvel, quando conduzindo,

- pequeno tempo para iniciar a conduo (turn-on) e para bloquear (turn-off),

- potncia necessria para comando desprezvel.

Estes dispositivos so empregados como chaves (on- off) eletrnicas. Quando se trata de condicionamento

de sinais de potncia, esta a nica forma eficiente de operao, pois as perdas com os semicondutores

conduzindo ou bloqueados so praticamente nulas. As perdas concentram-se principalmente nos tempos

de turn-on e turn-off. Nestes momentos, tenso e corrente esto simultaneamente presentes sobre o

semicondutor e as perdas no so desprezveis (Figura 5.2). Entende-se a a importncia de dispositivos com

pequenos tempos de comutao, o que permite operao em freqncias elevadas.

Von

Io

potncia

turn-on turn-off

0

t

t

0

Vd Vd

Figura 5.2 - Perdas nas chaves eletrnicas

As pesquisas continuam com o objetivo de se aproximar do dispositivo perfeito. Observando-se a evoluo

tecnolgica, verifica-se que grandes passos j foram dados neste sentido.


5-3

5

A Figura 5.3 resume as caractersticas mais marcantes das chaves semicondutoras mais utilizadas em

acionamento de mquinas eltricas.

Figura 5.3 - Dispositivos semicondutores e suas faixas de utilizao

5.3 Evoluo da Micro-Eletrnica

Paralelamente a este avano da eletrnica de potncia, as ltimas dcadas presenciaram tambm uma

grande evoluo na micro-eletrnica. Evoluo esta que percebida mais claramente pela sociedade em

funo dos micro-computadores, televisores, video-cassetes, brinquedos, etc. No acionamento de mquinas,

a disponibilidade de micro-computadores, micro-controladores, DSPs, etc... vem permitindo a aplicao de

tcnicas de controle sofisticadas (controle vetorial, controle fuzzy, redes neurais, controle sem sensores) alm

de facilitar enormemente o projeto de sistemas de controle, atravs de programas de simulao, e tambm

o projeto das mquinas eltricas, atravs de programas de clculo de campos eltricos e magnticos por

elementos finitos [Bastos, 1989].

Atualmente, so pesquisados dispositivos que combinam a micro-eletrnica com a eletrnica de potncia

gerando os chamados smart power devices, que pode-se traduzir como mdulos de potncia inteligentes.

A Figura 5.4 esquematiza as partes constituintes deste tipo de componente. Conhecimentos tecnolgicos para

desenvolver dispositivos eficientes e confiveis j esto disponveis.

A micro-eletrnica pode colaborar muito na evoluo destes mdulos fornecendo componentes ASIC

(Application Specific Integrated Circuits). Isto ir aumentar a confiabilidade e diminuir os problemas de

compatibilidade eletro-magntica (EMC) encontrados na eletrnica de potncia [Schulze & Tscharn,1994,

Kiel & Schumacher, 1995].


5-4

5

Interfacecom

o usurio

Circuito de

Potncia

Estgio dePotncia

e Sensores Circuito de proteo

V

I

Eletrnicade Controle

Isoladorde

Porncial

Lgicade

Controle

Figura 5.4 - Mdulo de potncia inteligente

5.4 Novos Materiais Magnticos

Os novos materiais magnticos como SmCo (Samrio Cobalto) e NdFeB (Neodmio Ferro Boro) so outro

elemento essencial nesta nova gerao de mquinas. A Figura 5.5 compara algumas curvas de magnetizao

destes materiais, fornecidas por um fabricante, com as da Ferrita e do AlNiCo.

Constata-se uma combinao de fora coercitiva e magnetismo remanente bem superior aos materiais

tradicionais. Com isto possvel projetar mquinas com maior relao torque/volume e mais eficientes

[Hanitsch,1990].

1000 kA/m

(NdFeB) Vacodym 370 BR

Vacomax 225 HR

(SmCo) Vaco a 70Vacomax 170

-800 -600 -400 -200

0

0

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

T

AlNiCo

acionmaneto, comando e controlo de máquinas eléctricas

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