MOTORES ELTRICOS

1. HISTRICO

O ano de 1866 pode ser considerado, em termos prticos, como o ano de nascimento da mquina eltrica, pois foi nesta data que o cientista alemo Werner Siemens inventou o primeiro gerador de corrente contnua auto-induzido. Entretanto, deve-se mencionar que esta mquina eltrica, que revolucionou o mundo em poucos anos, foi o ltimo estgio de um processo de estudos, pesquisas e invenes de muitos outros cientistas, durante quase trs sculos. Em 1600 o cientista ingls William Gilbert publicou, em Londres, a obra intitulada De Magnete, descrevendo a fora de atrao magntica. O fenmeno da eletricidade esttica j havia sido observado pelo grego Tales, em 641 AC, ele verificou que ao atritar uma pea de mbar com pano esta adquiria a propriedade de atrair corpos leves, como pelos, penas, cinzas, etc. A primeira mquina eletrosttica foi construda em 1663, pelo alemo Otto Guericke, e aperfeioada em 1775 pelo suo Martin Planta. O fsico dinamarqus Hans Christian Oersted, ao fazer experincias com correntes eltricas, verificou ao acaso, em 1820, que a agulha magntica de uma bssola era desviada de sua posio norte-sul quando esta passava perto de um condutor no qual circulava corrente eltrica. Esta observao permitiu a Oersted reconhecer a ntima relao entre magnetismo e eletricidade, dando assim o primeiro passo em direo ao desenvolvimento do motor eltrico.

O sapateiro ingls William Sturgeon - que, paralelamente sua profisso, estudava eletricidade nas horas de folga - baseando-se na descoberta de Oersted constatou, em 1825, que um ncleo de ferro envolto por um fio condutor eltrico transformava-se em im quando se aplicava uma corrente eltrica, observando tambm que a fora do im cessava to logo a corrente fosse interrompida. Estava inventando o eletrom, que seria de fundamental importncia na construo de mquinas eltricas girantes. Mas as experincias com o magnetismo e a eletricidade no cessaram. Em 1832, o cientista italiano S. Dai Negro construiu a primeira mquina de corrente alternada com movimento de vaivm. J no ano de 1833 o ingls W. Ritchie inventou o comutador, construindo um pequeno motor eltrico onde o ncleo de ferro enrolado girava em torno de um im permanente. Para dar uma rotao completa, a polaridade do eletrom era alternada a cada meia volta atravs do comutador. A inverso da polaridade tambm foi demonstrada pelo mecnico parisiense H. Pixii ao construir um gerador com um im em forma de ferradura que girava diante de duas bobinas fixas com um ncleo de ferro. A corrente alternada era transformada em corrente contnua pulsante atravs de um comutador. Grande sucesso obteve o motor eltrico desenvolvido pelo arquiteto e professor de fsica Moritz Hermann Von Jacobi - que, em 1838, aplicou-o a uma lancha. Somente em 1866 Siemens construiu um gerador sem a utilizao de im permanente, provando que a tenso necessria para o magnetismo podia ser retirada do prprio enrolamento do rotor, isto , que a mquina podia auto-excitar-se. O primeiro dnamo de Werner Siemens possua uma potncia de aproximadamente 30 watts e uma rotao de 1200rpm. A mquina de Siemens no funcionava somente como gerador de eletricidade. Podia tambm operar como motor, desde que se aplicasse aos seus bornes uma corrente contnua. Em 1879, a firma Siemens & Halske apresentou, na feira industrial de Berlim, a primeira locomotiva eltrica, com uma potncia de 2kW.

A nova mquina de corrente contnua apresentava vantagens em relao mquina a vapor, roda dgua e fora animal. Entretanto, o alto custo de fabricao e sua vulnerabilidade em servio (por causa do comutador) marcaram-na de tal modo que muitos cientistas dirigiram suas atenes para o desenvolvimento de um motor eltrico mais barato, mais robusto e de menor custo de manuteno. Entre os pesquisadores preocupados com esta idia destacam-se o iugoslavo Nicola Tesla, o italiano Galileu Ferraris e o russo Michael Von Dolivo Dobrowolsky. Os esforos no se restringiram somente ao aperfeioamento do motor de corrente contnua, mas tambm se cogitou de sistemas de corrente alternada, cujas vantagens j eram conhecidas desde 1881. Em 1885, o engenheiro eletricista Galileu Ferraris construiu um motor de corrente alternada de duas fases. Ferraris, apesar de ter inventado o motor de campo girante, concluiu erroneamente que motores construdos segundo este princpio poderiam, no mximo, obter um rendimento de 50% em relao potncia consumida. E Tesla apresentou, em 1887, um pequeno prottipo de motor de induo bifsico com rotor em curto-circuito. Tambm este motor apresentou rendimento insatisfatrio, mas impressionou de tal modo a firma norte-americana Westinghouse, que esta lhe pagou um milho de dlares pelo privilgio da patente, alm de se comprometer ao pagamento de um dlar para cada HP que viesse a produzir no futuro. O baixo rendimento deste motor inviabilizou economicamente sua produo e trs anos mais tarde as pesquisas foram abandonadas. Foi o engenheiro eletricista Dobrowolsky, da firma AEG, de Berlim, que, persistindo na pesquisa do motor de corrente alternada entrou, em 1889, com o pedido de patente de um motor trifsico com rotor de gaiola. O motor apresentado tinha uma potncia de 80 watts, um rendimento aproximado de 80% em relao potncia consumida e um excelente conjugado de partida. As vantagens do motor com rotor de gaiola em relao ao de corrente contnua eram marcantes: construo mais simples, silencioso, menor manuteno e alta segurana em operao. Dobrowolsky desenvolveu, em 1891, a primeira fabricao em srie de motores assncronos, nas potncias de 0,4 a 7,5kW.

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2. NOES FUNDAMENTAIS

Universo Tecnolgico em Motores Eltricos

2.1. MOTOR SNCRONO

Os motores sncronos so motores de velocidade constante e proporcional com a frequncia da rede. Os plos do rotor seguem o campo girante imposto ao estator pela rede de alimentao trifsica. Assim, a velocidade do motor a mesma do campo girante. Basicamente, o motor sncrono composto de um enrolamento estatrico trifsico, que produz o que se designa de campo girante, e de um rotor bobinado (de plos salientes ou de plos lisos) que excitado por uma tenso CC. Esta tenso CC de excitao gera um campo estacionrio no rotor que interagindo com o campo girante produzido pelo enrolamento estatrico, produz torque no eixo do motor com uma rotao igual ao prprio campo girante.

Motor sncrono

O maior conjugado que o motor pode fornecer est limitado pela mxima potncia que pode ser cedida antes da perda de sincronismo, isto , quando a velocidade do rotor se torna diferente da velocidade do campo girante, ocasionando a parada do motor (tombamento). A excitao determina tambm as porcentagens de potncia ativa e reativa que o motor retira da rede, para cada potncia mecnica solicitada pela carga. Este tipo de motor tem a sua

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aplicao restrita a acionamentos especiais, que requerem velocidades invariveis em funo da carga (at o limite mximo de torque do motor). A sua utilizao com conversores de frequncia pode ser recomendada quando se necessita uma variao de velocidade aliada a uma preciso de velocidade mais apurada. A rotao do eixo do motor (rotao sncrona) expressa por:

2.2. MOTOR ASSNCRONO

Os motores assncronos ou de induo, por serem robustos e mais baratos, so os motores mais largamente empregados na indstria. Nestes motores, o campo girante tem a velocidade sncrona, como nas mquinas sncronas. Teoricamente, para o motor girando em vazio e sem perdas, o rotor teria tambm a velocidade sncrona. Entretanto ao ser aplicado o conjugado externo ao motor, o seu rotor diminuir a velocidade na justa proporo necessria para que a corrente induzida pela diferena de rotao entre o campo girante (sncrono) e o rotor, passe a produzir um conjugado eletromagntico igual e oposto ao conjugado externamente aplicado. Este tipo de mquina possui vrias caractersticas prprias, que so definidas e demonstradas em uma larga gama de obras dedicadas exclusivamente a este assunto. A rotao do eixo do motor expressa por:

Basicamente os motores assncronos se subdividem em dois tipos principais, os quais so:

2.2.1. ROTOR DE GAIOLA

Os motores deste tipo tambm so comumente chamados de motores de GAIOLA DE ESQUILO, pois as barras rotricas tem a caracterstica de serem curto-circuitadas, assemelhando-se a tal, como mostrado na figura a seguir:

Motor assncrono de rotor de gaiola

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2.2.2. ROTOR BOBINADO

O motor de anis possui a mesma caracterstica construtiva do motor de induo com relao ao estator, mas o seu rotor bobinado com um enrolamento trifsico, acessvel atravs de trs anis com escovas coletoras no eixo. Graas a caracterstica do ajuste da curva de conjugado x rotao em funo do aumento da resistncia rotrica pela incluso de resistores externos, so estes motores largamente utilizados no acionamento de sistemas de elevada inrcia e nos casos em que o conjugado resistente em baixas rotaes seja alto comparativamente ao conjugado nominal. Por outro lado, para acionamentos com baixa inrcia, estes motores podem apresentar correntes de acelerao reduzidas.

Motor as sncrono de rotor de anis

2.3. MOTOR CC

As mquinas de corrente contnua, em funo do seu princpio de funcionamento, permitem variar a velocidade de zero at a velocidade nominal aliada com a possibilidade de se ter conjugado constante. Esta caracterstica de fundamental importncia, pois dessa forma torna-se possvel fazer o acionamento em vrias aplicaes que exigem ampla faixa de variao de velocidade com uma tima regulao e preciso de velocidade. Sendo um sistema especfico e direcionado a aplicaes dedicadas, os motores de corrente contnua so dimensionados de forma a ter as suas caractersticas definidas especialmente ao acionamento, vindo com isto a acarretar em uma elevao dos custos de produo e ser considerado como uma mquina diferenciada, onde na maior parte das situaes produzida sob encomenda.

O sistema de acionamento por corrente contnua ainda um sistema largamente utilizado, pois em muitas aplicaes necessrio que se tenha uma tima preciso de velocidade (at 0,01%), principalmente nas aplicaes de sincronismo entre vrios motores.Para que isto possa ocorrer, a maioria dos acionamentos CC so realimentados, isto , possuem no motor CC um tacogerador acoplado ao seu eixo que fornece informao da velocidade do motor com o intuito de melhorar a sua regulao de velocidade.Outra caracterstica destes motores que possuem em sua maioria ventilao independente e classe de isolamento melhorada (classe F), para que permitam a sua operao em velocidades reduzidas sem problemas de sobreaquecimento e reduo de sua vida til. A rotao do motor de corrente contnua expressa por:

Os motores de corrente contnua permitem tambm a operao com rotaes alm da rotao nominal, utilizando-se o que se caracteriza por ENFRAQUECIMENTO DE CAMPO, que o aumento da rotao atravs da reduo do fluxo magnetizante e conseqente reduo de torque, conforme descrito na regio II da figura a seguir:

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- Caracterstica do conjugado x rotao do motor CC

Motor Corrente Contnua

3. CONCEITOS BSICOS

3.1. CONJUGADO

O conjugado, tambm chamado de torque ou binrio, a medida do esforo necessrio para girar o eixo. Para medir o esforo necessrio para fazer girar o eixo no basta definir a fora empregada, preciso tambm dizer a que distncia do eixo a fora aplicada. O esforo medido pelo conjugado, que o produto da fora pela distncia.

C=F x l

A unidade utilizada para o conjugado no Sistema Internacional de Unidades (SI) o Newton.metro (N.m).

Exemplo: Deseja-se levantar um peso por um processo semelhante ao usado em poos, onde, a fora F que preciso aplicar manivela, depende do comprimento ( l ) da manivela. Quanto maior for a manivela, menor ser a fora necessria para suspender o balde. Se o balde pesa 20N e o dimetro do tambor 0,20m, a corda transmitir uma fora de 20N na superfcie do tambor, isto , a 0,l0m do centro do eixo. Para contrabalanar esta fora , precisam de 10N na manivela, se o comprimento for de 0,20m. se for o dobro, isto , 0,40m, a fora F ser a metade, ou seja 5N. Neste caso, o conjugado ser:

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3.2. ENERGIA E POTNCIA MECNICA

A potncia mede a rapidez com que a energia aplicada ou consumida. Como no exemplo anterior, a energia gasta ou o trabalho realizado para trazer o balde do fundo at a superfcie sempre a mesma, porm a potncia exprime a rapidez com que esta energia aplicvel para erguer o balde at a boca, ou seja, a potncia a energia ou trabalho total realizado dividido pelo tempo total para realiz-lo. A unidade utilizada para a potncia mecnica no SI o Watt (W), porm a unidade mais usual para a potncia mecnica o c.v.(cavalo-vapor), equivalente a 736W.

3.3. ENERGIA E POTNCIA ELTRICA

Embora a energia seja uma s, ela pode ser obtida de formas diferentes. Se ligar uma resistncia a uma rede eltrica com tenso, passar uma corrente eltrica que ir aquecer a resistncia. A resistncia absorve energia e a transforma em calor, que tambm uma forma de energia. Um motor eltrico absorve energia eltrica da rede e a transforma em energia mecnica disponvel na ponta do eixo.

3.4. VELOCIDADE NOMINAL

a velocidade (rpm) do motor funcionando potncia nominal, sob tenso e frequncia nominais. A velocidade nominal depende do escorregamento e da velocidade sncrona.

3.5. CORRENTE NOMINAL

a corrente que o motor absorve da rede quando funciona potncia nominal, sob tenso e frequncia nominais. O valor da corrente nominal depende do rendimento () e do fator de potncia (cos) do motor:

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3.6. POTNCIA APARENTE, ATIVA E REATIVA

Potncia aparente (S): o resultado da multiplicao da tenso pela corrente ( S = U . I para sistemas monofsicos e , para sistemas trifsicos S = 3 .U.I ). Corresponde a potncia real ou potncia ativa que existiria se no houvesse defasagem da corrente, ou seja, se a carga fosse formada por resistncia. Ento,

Para as cargas resistivas, cos = 1 e a potncia ativa se confunde com a potncia aparente. A unidade de medidas para potncia aparente o volt-ampre (v.a.) ou seu mltiplo, o quilovolt-ampre (kva.).

Potncia ativa (P): a parcela da potncia aparente que realiza trabalho, ou seja, que transformada em energia.

Potncia reativa (Q): a parcela da potncia aparente que no realiza trabalho. Apenas transferida e armazenada nos elementos passivos (capacitores e indutores) do circuito.

3.7. POTNCIA EQUIVALENTE

Evidentemente um motor eltrico dever suprir mquina acionada a potncia necessria, sendo recomendvel que haja uma margem de folga, pois pequenas sobrecargas podero ocorrer; ou ainda, dependendo do regime de servio, o motor pode eventualmente suprir mais ou menos potncia. Apesar das inmeras formas normalizadas de descrio das condies de funcionamento de um motor, freqentemente necessrio na prtica, avaliar a solicitao imposta ao motor por um regime mais complexo que aqueles descritos nas normas. Uma forma usual calcular a potncia equivalente pela frmula:

O mtodo baseado 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:

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Funcionamento com carga varivel e com repouso entre os tempos de carga

3.8. TRINGULO DE POTNCIA

3.9. FATOR DE POTNCIA

O fator de potncia, indicado por cos, onde o ngulo de defasagem da tenso em relao corrente; a relao entre a potncia real (ativa) P e a potncia aparente S. Assim,

Os termos, atrasado e adiantado, referem-se fase da corrente em relao fase da tenso.

3.10. RENDIMENTO

O motor eltrico absorve energia eltrica da linha e a transforma em energia mecnica disponvel no eixo. O rendimento define a eficincia com que feita esta transformao. Chamado potncia til (Pu), a potncia mecnica disponvel no eixo e, potncia absorvida (Pa), a potncia eltrica que o motor retira da rede, o rendimento ser a relao entre as duas, ou seja:

3.10.1. IMPORTNCIA DO RENDIMENTO

importante que o motor tenha um rendimento alto, por dois motivos:

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Primeiro, porque, um rendimento alto significa perdas baixas e, portanto, um menor aquecimento do motor; Segundo, porque, quanto maior o rendimento, menor a potncia absorvida da linha, e portanto, menor o custo da energia eltrica paga nas contas mensais. O rendimento varia com a carga do motor. Os catlogos dos motores indicam os valores tpicos do rendimento em funo da carga. Estes valores so representados genericamente na figura.

Curvas caractersticas tpicas de motores de induo trifsicos

3.11. RELEO ENTRE UNIDADES DE POTNCIA

3.12. RELAO ENTRE CONJUGADO E POTNCIA

Quando a energia mecnica aplicada sob a forma de movimento rotativo, a potncia desenvolvida depende do conjugado C e da velocidade de rotao n. As relaes so:

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3.13. SISTEMAS DE CORRENTE ALTERNADA MONOFSICA

3.13.1. GENERALIDADES

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

Representando em um grfico os valores de U e I, a cada instante, vamos obter a figura acima, esto tambm indicadas algumas grandezas que sero definidas em seguida. Note que as ondas de tenso e de corrente no esto em fase, isto , no passam pelo valor zero ao mesmo tempo, embora tenha a mesma frequncia, isto acontece para muitos tipos de carga, por exemplo, enrolamentos de motores (cargas reativas).

Frequncia: o nmero de vezes por segundo que a tenso muda de sentido e volta a condio inicial. E expressa em ciclos por segundo ou hertz, simbolizada por Hz; Tenso Mxima (U): o valor de pico da tenso, ou seja, o maior valor instantneo atingido pela tenso durante um ciclo (este valor atingido duas vezes por ciclo, uma vez positivo e uma vez negativo). Corrente Mxima (I): o valor de pico da corrente; Valor eficaz de tenso e corrente (U e 1): o valor da tenso e corrente contnuas que desenvolvem potncia correspondente quela desenvolvida pela corrente alternada. Pode-se demonstrar que o valor eficaz vale:

Obs.: Na linguagem normal quando se fala em tenso e corrente, por exemplo, 220 volts ou 10 ampres, sem especificar mais nada, refere-se a valores eficazes da tenso ou da corrente, que so empregados na prtica.

Defasagem (): o atraso da onda da corrente em relao a onda da tenso. Em vez de ser medido em tempo (segundos), este atraso geralmente medido em ngulo (grau) correspondente frao de um ciclo completo, considerando 1 ciclo = 3600. Mas comumente a defasagem expressa pelo coseno do ngulo.

3.13.2 LIGAES EM SRIE E PARALELO

(a) ligao em srie (b) ligao em paralelo

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Se ligar duas cargas iguais a um sistema monofsico, esta ligao pode ser feita de dois modos: Ligao em srie (figura a), em que duas cargas so atravessadas pela corrente total do circuito. Neste caso, a tenso em cada carga ser a metade da tenso do circuito para cargas iguais; e ligao em paralelo (figura b), em que aplicada s duas cargas a tenso do circuito. Neste caso, a corrente em cada carga ser a metade da corrente total do circuito para cargas iguais.

3.14. SISTEMAS DE CORRENTE ALTERNADA TRIFSICA

O sistema trifsico formado pela associao de trs sistemas monofsicos de tenses U1, U2 e U3 tais que a defasagem entre elas seja de 1200, ou seja, os atrasos de U2 em relao a U1, de U3 em relao a U2 e de U1 em relao a U3 sejam iguais a 1200 (considerando um ciclo completo = 3600). O sistema equilibrado, isto , as trs tenses tm o mesmo valor eficaz U1 U2 = U3 conforme figura.

Ligando entre si os trs sistemas monofsicos e eliminando os fios desnecessrios, tem- se um sistema trifsico: trs tenses U1, U2 e U3 equilibradas, defasadas entre si de 1200 e aplicadas entre os trs fios do sistema. A ligao pode ser feita de duas maneiras, representadas nos esquemas seguintes. Nestes esquemas costuma-se representar as tenses com setas inclinadas ou valores girantes, mantendo entre si o ngulo correspondente defasagem (1200).

3.14.1. LIGAO TRINGULO

Ligando-se os trs sistemas monofsicos entre si, como indica a figura abaixo, pode-se eliminar trs fios, deixando apenas um em cada ponto de ligao, e o sistema trifsico ficar reduzido a trs fios L1, L2 e L3.

Tenso de linha (UL): a tenso nominal do sistema trifsico aplicada entre dois quaisquer dos trs fios L1, L2 e L3.

Corrente de linha (IL): a corrente em qualquer um dos trs fios L1, L2, e L3.

Ligao tringulo

Tenso e corrente de fase (UF e IF): a tenso e corrente de cada um dos trs sistemas monofsicos considerados.

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Ligao tringulo

3.14.2. LIGAO ESTRELA

Ligando um dos fios de cada sistema monofsico a um ponto comum aos trs, os trs fios restantes formam um sistema trifsico em estrela. As vezes, o sistema trifsico em estrela a quatro fios, ou com neutro. O quarto fio ligado ao ponto comum s trs fases. A tenso de linha ou tenso nominal do sistema trifsico e a corrente de linha, so definidas do mesmo modo que na ligao tringulo.

Ligao estrela

Quando liga-se uma carga trifsica em estrela, e a potncia das cargas em cada fase for igual, no h necessidade de se ligar o ponto central (comum) ao neutro, pois no ir circular corrente alguma por este ponto, neste caso tem-se um sistema equilibrado. Caso as potncias forem diferentes deve-se ligar o ponto central ao neutro, pois do contrrio ficariam tenses diferentes em cima de cada carga e teramos um sistema desequilibrado.

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Ligao estrela

4. MOTOR DE INDUO TRIFSICO

4.1. PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO

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

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

Na figura (b) indicado um enrolamento trifsico, que transformado por trs monofsicos espaados entre si de 1200. Se este enrolamento for alimentado por um sistema trifsico, as correntes I1, 12 e 13 criaro, do mesmo modo, os seus prprios campos magnticos H1, H2 e H3. Estes campos so espaados entre si de 1200 . Alm disso, como so proporcionais s respectivas correntes, sero defasados no tempo, tambm de 1200 entre si. O campo total H resultante, a cada instante, ser igual soma grfica dos trs campos H1, H2 e H3 naquele instante.

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Soma grfica dos campos para seis instantes sucessivos (a)

Sistema trifsico (b)

No instante (1), a figura (b) mostra que o campo H1 mximo e os campos H2 e H3 so negativos e de mesmo valor, iguais a 0,5. Os trs campos so representados na figura (a ) (1), parte superior, levando em conta que o campo negativo representado por uma seta de sentido oposto ao que seria normal; o campo resultante (soma grfica) mostrado na parte inferior da figura (a), tendo a mesma direo do enrolamento da fase 1. Repetindo a construo para os pontos 2, 3, 4, 5 e 6 da figura (b), observa-se que o campo resultante H tem intensidade constante, porm sua direo vai girando, completando uma volta no fim de um ciclo. Assim, quando um enrolamento trifsico alimentado por correntes trifsicas, cria-se um campo girante, como se houvesse um nico par de plos girantes, de intensidade constante. Este campo girante, criado pelo enrolamento trifsico do estator, induz tenses nas barras do rotor (linhas de fluxo cortam as barras do rotor) as quais geram correntes, e consequentemente, um campo no rotor, de polaridade oposta do campo girante. Como campos opostos se atraem e como o campo do estator (campo girante) rotativo, o rotor tende a acompanhar a rotao deste campo. Desenvolve-se ento, no rotor, um conjugado motor que faz com que ele gire, acionando a carga.

4.2. VELOCIDADE SNCRONA

A velocidade sncrona do motor definida pela velocidade de rotao do campo girante, a qual depende do nmero de plos (p) do motor e da frequncia (f) da rede, em hertz.Os enrolamentos podem ser construdos com um ou mais pares de plos, que se distribuem alternadamente (um norte e um sul) ao longo da periferia do ncleo magntico. O campo girante percorre um par de plos (p) a cada ciclo. Assim, como o enrolamento tem plos ou p pares de plos, a velocidade do campo ser:

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Note que o nmero de plos do motor ter que ser sempre par, para formar os pares de plos. Para as frequncias e polaridades usuais, as velocidades sncronas so:

Velocidades sncronas para os diferentes nmeros de plos

Para motores de dois plos, o campo percorre uma volta a cada ciclo. Assim, os graus eltricos equivalem aos graus mecnicos. Para motores com mais de dois plos, tem-se, de acordo com o nmero de plos, um giro geomtrico menor, sendo inversamente proporcional a 3600 em dois plos.

Por exemplo, para um motor de seis plos tem-se, em um ciclo completo, um giro do campo

geomtricos. Isto equivale, logicamente, a 1/3 da velocidade em dois plos. Conclui-se, assim, que:

Graus geomtricos = Graus mecnicos x p

4.3. ESCORREGAMENTO (S)

Em um motor eltrico assncrono, o rotor sempre ir girar com rotao abaixo da rotao do campo girante e, portanto, haver corrente e torque (conjugado eletromecnico) induzidos. A diferena relativa entre as velocidades do rotor e do fluxo do estator (sncrona) conhecida como escorregamento e representada por:

Se o motor gira a uma velocidade diferente da velocidade sncrona (rotao do campo girante), o enrolamento do rotor corta as linhas de fora magnticas do campo girante e, pelas leis do eletromagnetismo, circularo nele correntes induzidas. Quanto maior a carga, maior ter que ser o conjugado necessrio para acion-la. Para obter um maior conjugado, proporcionalmente ter que ser maior a diferena de velocidades entre rotor e o campo girante no estator para que as correntes induzidas e os campos produzidos sejam maiores. Portanto, medida que a carga aumenta, cai a rotao do motor. Quando a carga for zero (motor a vazio) o rotor ir girar praticamente na rotao sncrona.

A frequncia da corrente induzida no rotor igual ao escorregamento vezes a frequncia do estator. Ou seja:

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A vazio o escorregamento muito pequeno, portanto, como no rotor, sua reatncia e sua f.e.m. induzida so todas muito pequenas. Assim, a corrente do rotor reduzida, apenas suficiente para produzir o torque necessrio a vazio. O fator de potncia extremamente baixo e em atraso, com cos < 0,3, pois a corrente que circula pelo motor utilizada apenas para a sua magnetizao.

Quando uma carga mecnica aplicada ao rotor, a velocidade decresce um pouco. O pequeno decrscimo na velocidade causa um aumento no escorregamento, na frequncia da corrente rotrica, na sua reatncia e na sua fora eletromotriz induzida. O aumento da corrente induzida no rotor reflete-se num aumento da corrente primria do estator (componente esta que produz potncia). Uma corrente maior ser produzida no estator, com um melhor fator de potncia, tendendo a produzir mais potncia mecnica e solicitar mais potncia da linha. A plena carga o motor de induo ir girar a um escorregamento que promove o equilbrio entre o torque desenvolvido pelo motor e o torque resistente da carga.

O fator de potncia a plena carga varia de 0,8 (em pequenos motores de aproximadamente 1 cv) a aproximadamente 0,95 (nos grandes motores, acima de 150 cv). Em primeira anlise pode parecer que aumentos alm da plena carga produziro melhoria no fator de potncia, e aumento na corrente de fase do estator. Porm, com o aumento da carga e do escorregamento, a frequncia da corrente rotrica continua a aumentar e o aumento na reatncia do rotor produz uma diminuio no fator de potncia do mesmo. Portanto, com cargas acima da plena carga, o fator de potncia aproxima-se de um mximo e ento decresce rapidamente.

4.4. EQUACIONAMENTO

4.4.1.CIRCUITO EQUIVALENTE

Nas situaes em que o escorregamento diferente de 0 e 1, haver f.e.m. induzida no secundrio e, consequentemente haver converso eletromecnica com potncia em jogo, onde tem-se ento um circuito equivalente com os parmetros e variveis para o primrio e para o secundrio.

Circuito equivalente por fase de uma mquina assncrona com escorregamento s, com secundrio (rotor) no referido ao primrio (estator).

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4.4.2. FORA ELETROMOTRIZ E CORRENTE INDUZIDA

Considere a mquina com um escorregamento no nulo. Haver induo de f.e.m. no rotor e ela pode ser definida em funo do escorregamento. Com o rotor parado, o campo rotativo estatrico gira com a mesma velocidade relativamente aos enrolamentos do rotor e estator, induzindo no rotor, f.e.m. proporcionais frequncia f1 (frequncia da corrente estatrica).

Pela teoria, para motor com rotor bloqueado, tem-se que as tenses induzidas no rotor (f.e.m) e no estator (f.c.e.m) so dadas respectivamente por:

Que determina sucintamente a relao do fluxo de magnetizao entre rotor e estator com a tenso e a frequncia aplicada na mquina (estatrica), frequncia esta que est relacionada com a rotao no eixo da mquina, no considerando o escorregamento existente entre rotor e estator.

4.4.3. CONJUGADO ELETROMAGNTICO

A interao entre a corrente do rotor e o fluxo produzido por cada plo unitrio do campo magntico girante que concatena o condutor do rotor, resulta o conjugado motor, o qual dado por:

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Nota-se ento que o conjugado desenvolvido funo do escorregamento, isto , com o aumento da carga aplicada mquina, aumenta-se o escorregamento e consequentemente o torque desenvolvido. Esta relao apresenta um limite, com o qual se consegue obter o conjugado mximo, e a partir do qual, aumentando-se o escorregamento aumenta-se a impedncia rotrica diminuindo-se o conjugado, conforme descrito no item a seguir.

4.4.4. CONJUGADO DE PARTIDA

Do desenvolvimento do modelo matemtico da mquina assncrona, demonstra-se que o conjugado descrito por:

Ou seja, o torque de partida apenas funo da tenso aplicada ao enrolamento do estator. Ao reduzir-se a tenso nominal, tambm se reduzir a corrente secundria e a primria. Este processo de diminuio da corrente de partida bastante utilizado nos mdios e grandes motores do tipo gaiola, nos casos onde a acentuada reduo do conjugado de partida no comprometa o acionamento da carga.

4.5. DISTRIBUIO DE POTNCIAS E PERDAS

No caso de um acionamento em que a potncia solicitada ao motor permanece constante ao longo do tempo, a determinao da potncia relativamente simples, conhecidos o conjugado resistente da carga e a rotao de funcionamento, tem-se:

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importante ter em mente que a potncia solicitada ao motor definida pelas caractersticas da carga, isto , independentemente da potncia nominal do motor.A potncia transmitida carga pelo eixo do motor menor que a potncia absorvida da rede, devido s perdas no motor. Essas perdas podem ser classificadas em:

perdas joule no enrolamento estatrico (perdas no cobre); perdas joule no enrolamento (ou gaiola) rotrico; perdas por atrito e ventilao; perdas magnticas no ncleo (perdas no ferro).

A figura a seguir representa a distribuio destas perdas:

Distribuio da potncia e de perdas em mquinas assncronas.

Para o caso de acionamento de um motor de induo por conversor de frequncia, a forma de onda da corrente produzida pelos conversores no perfeitamente senoidal, pois contm harmnicas de 5a, 7a, 11a e 13a ordem. Portanto as perdas nos motores so maiores. Alm disso, para operaes acima da frequncia nominal (50 ou 60 Hz), haver uma reduo adicional de conjugado, a qual deve-se ao aumento das perdas no ferro do motor. Para utilizao de motores em frequncias superiores nominal devem portanto ser considerados o aumento das perdas no ferro e tambm as velocidades limites, funo da fora centrfuga nos enrolamentos rotricos e outras partes mecnicas, como por exemplo, esforo adicional nos rolamentos devido ao desbalanceamento do rotor bem como a velocidade limite do mesmo.

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5. CARACTERSTICAS DA REDE

5.1. TENSO NOMINAL a tenso de rede para a qual o motor foi projetado.

5.2.TENSO DA REDE DE ALIMENTA O EM FUNO DA POTNCIA DO MOTOR

Tenses normalmente utilizadas em funo da potncia do motor

5.3. TENSO NOMINAL MLTIPLA

A grande maioria dos motores fornecida com terminais do enrolamento religveis, de modo a poderem funcionar em redes de pelo menos duas tenses diferentes. Os principais tipos de religao de terminais de motores para funcionamento em mais de uma tenso so:

5.3.1. LIGA O SRIE-PARALELA

O enrolamento de cada fase dividido em duas partes (lembrar que o nmero de plos sempre par, de modo que este tipo de ligao sempre possvel). Ligando as duas metades em srie, cada metade ficar com a metade da tenso de fase nominal do motor. Ligando as duas metades em paralelo, o motor poder ser alimentado com uma tenso igual metade da tenso anterior, sem que se altere a tenso aplicada a cada bobina.

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Este tipo de ligao exige nove terminais no motor e a tenso nominal (dupla) mais comum, 220/440V, ou seja, o motor religado na ligao paralela quando alimentado com 220V e na ligao srie quando alimentado em 440V.A figura acima mostra a numerao normal dos terminais e o esquema de ligao para estes tipos de motores, tanto para motores ligados em estrela como em tringulo. O mesmo esquema serve para outras duas tenses quaisquer, desde que uma seja o dobro da outra, por exemplo, 230/460V.

5.3.2. LIGAO ESTRELA-TRINGULO O enrolamento de cada fase tem as duas pontas trazidas para fora do motor. Se ligar as trs fases em tringulo, cada fase receber a tenso da linha, por exemplo, 220 volts (figura a seguir). Se ligar as trs fases em estrela, o motor pode ser ligado a uma linha com tenso igual a 220 3 = 380 volts sem alterar a tenso no enrolamento que continua igual a 220 volts por fase, pois:

Ligao estrela-tringulo

5.3.3. TRIPLA TENSO NOMINAL Pode-se combinar os dois casos anteriores: o enrolamento de cada fase dividido em duas metades para ligao srie-paralelo. Alm disso, todos os terminais so acessveis para poder-se ligar as trs fases em estrela ou tringulo. Deste modo, tem-se quatro combinaes possveis de tenso nominal: 1) Ligao tringulo paralelo; 2) Ligao estrela paralela, sendo igual a 3 vezes a primeira; 3) Ligao tringulo srie, valendo o dobro da primeira; 4) Ligao estrela srie, valendo 3 vezes a terceira. Mas, como esta tenso seria maior que 600V, indicada apenas como referncia de ligao estrela-tringulo.

Como exemplo, 220/380/440/(760) V .Este tipo de ligao exige 12 terminais e a figura a seguir mostra a numerao terminais e o esquema de ligao para as trs tenses nominais.

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5.3.4. TENSES DE LIGAES NORMAIS

A tabela mostra as tenses nominais mltiplas mais comuns e sua aplicao s tenses de rede usuais:

Observaes: A partida direta ou com chave compensadora possvel em todos os casos abaixo; A ligao para 660V ou 760V usada somente para ligao com chave estrela- tringulo. Todas as ligaes para as diversas tenses so feitas pelos terminais, localizados na caixa de ligao; Todo motor traz o esquema para estas ligaes, impresso na placa de identificao.

Ligaes normais dos enrolamentos dos motores trifsicos

5.4. FREQUNCIA NOMINAL (HZ) a frequncia da rede para a qual o motor foi projetado. 5.4.1. TOLERNCIA DE VARIAO DE TENSO E FREQUNCIA

Conforme a norma NBR 7094, o motor eltrico de induo deve ser capaz de funcionar de maneira satisfatria dentro das possveis combinaes das variaes de tenso e frequncia classificados em zona A ou zona B, conforme figura.

Limites das variaes de tenso e de frequncia em funcionamento

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Zona A:

O motor dever desempenhar sua funo principal continuamente (assegurar o seu conjugado nominal); O motor ter desvios em suas caractersticas de desempenho tenso e frequncias nominais (rendimento, fator de potncia, etc.); Haver elevaes de temperatura superiores quelas a tenso e frequncia nominais (podem exceder em aproximadamente 10K os limites especificados pela norma);

Zona B:

O motor dever desempenhar sua funo principal (assegurar o seu conjugado nominal); O motor ter desvios em suas caractersticas de desempenho, tenso e frequncia nominais, superiores queles da zona A Existir elevaes de temperatura superiores quelas a tenso e frequncia nominais e superiores s da zona A;

Ainda quanto aos limites de tenso e frequncia, a norma define um acrscimo na elevao de temperatura ou na temperatura total do motor quando h uma variao simultnea da tenso e da frequncia. Para as condies de operao nos limites da zona A (ver figura anterior), as elevaes de temperatura e a temperatura total podem exceder em aproximadamente 10K os limites especificados, em contra partida o motor deve assegurar o seu conjugado nominal. Quanto as caractersticas de desempenho, elas podem sofrer variaes (tanto na zona A quanto na zona B mais acentuada nesta ltima, por este motivo a NBR recomenda o no funcionamento prolongado na periferia da zona B). Entretanto a norma no estabelece os limites. Assim sendo, o motor deve ser capaz de funcionar dentro das zonas A e B, fornecendo conjugado nominal. O efeito aproximado da variao da tenso sobre as caractersticas do motor est mostrado na tabela abaixo:

Efeito aproximado da variao da tenso

O efeito aproximado da variao da frequncia sobre as caractersticas do motor est mostrado na tabela a seguir.

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Variao no funcionamento de motores de 50Hz ligados em 60Hz.

5.4.2. LIGAO EM FREQUNCIAS DIFERENTES

Motores trifsicos bobinados para 50Hz podero ser ligados tambm em rede de 60Hz.

a) Ligando o motor de 50Hz, com a mesma tenso, em 60Hz: A potncia do motor ser a mesma; A corrente nominal a mesma; A corrente de partida diminui em 17%; conjugado de partida diminui em 17%; conjugado mximo diminui em 17%; A velocidade nominal aumenta em 20%.

Nota: devero ser observados os valores de potncia requeridas, para motores que acionam equipamentos que possuem conjugados variveis com a rotao.

b) Se alterar a tenso em proporo frequncia: Aumenta a potncia do motor 20%; A corrente nominal a mesma; A corrente de partida ser aproximadamente a mesma; conjugado de partida ser aproximadamente o mesmo; A rotao nominal aumenta 20%.

Quando o motor for ligado em 60Hz com a bobinagem 50Hz, pode-se aumentar a potncia em 15% para II plos e 20% para IV, VI e VIII plos.

6. LIMITAO DA CORRENTE DE PARTIDA DE MOTORES TRIFASICOS

Sempre que possvel, a partida de um motor trifsico de gaiola, dever ser direta, por meio de contatores. Deve ter-se em conta que para um determinado motor, as curvas de conjugado e correntes so fixas, independente da dificuldade de partida, para uma tenso constante. Nos casos em que a corrente de partida do motor elevada podem ocorrer as seguintes conseqncias prejudiciais:

Elevada queda de tenso no sistema de alimentao da rede. Em funo disto, provoca a interferncia em equipamentos instalados no sistema; Os sistema de proteo (cabos, contatores) dever ser superdimensionado, ocasionando um custo elevado; A imposio das concessionrias de energia eltrica que limitam a queda de tenso da rede. Caso a partida direta no seja possvel, devido aos problemas citados acima, pode-se usar sistema de partida indireta para reduzir a corrente de partida. Estes sistemas de partida indireta (tenso reduzida) so:

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Chave estrela-tringulo; Chave compensadora; Chave srie-paralelo; Reostato; Partidas eletrnicas (soft-starter e inversor de frequncia).

6.1. PARTIDA COM CHAVE ESTRELA-TRINGULO (Y-) fundamental para a partida com a chave estrela-tringulo que o motor tenha a possibilidade de ligao em dupla tenso, ou seja, em 220/380V, em 380/660V, 440/760V, em 1350/2300V, em 2400/4160Vou 3800/6600V. Os motores devero ter no mnimo seis bornes de ligao. A partida estrela-tringulo poder ser usada quando a curva de conjugados do motor suficientemente elevada para poder garantir a acelerao da mquina com corrente reduzida. Na ligao estrela, o conjugado fica reduzido par 25 a 33% do conjugado de partida na ligao tringulo. Por este motivo, sempre que for necessria uma partida estrela-tringulo, dever ser usado um motor com curva de conjugado elevado.

Antes de decidir por uma partida estrela-tringulo, ser necessrio verificar se o conjugado de partida ser suficiente para operar a mquina. O conjugado resistente da carga no poder ultrapassar o conjugado de partida do motor (figura abaixo), nem a corrente no instante da mudana para tringulo poder ser de valor inaceitvel.

Corrente e conjugado para partida estrela-tringulo de um motor de gaiola acionando uma carga com conjugado resistente Cr.

Esquematicamente, a ligao estrela-tringulo num motor para uma rede de 200V feita da maneira indicada na figura abaixo, notando que a tenso por fase durante a partida reduzida para 127V.

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6.2. PARTIDA COM CHAVE COMPENSADORA (AUTO-TRANSFORMADOR)

A chave compensadora pode ser usada para a partida de motores sob carga. Ela reduz a corrente de partida, evitando uma sobrecarga no circuito, deixando, porm, o motor com um conjugado suficiente para a partida e acelerao. A tenso na chave compensadora reduzida atravs de auto-transformador que possui normalmente taps de 50, 65 e 80% da tenso nominal.Para os motores que partirem com uma tenso menor que a tenso nominal, a corrente e o conjugado de partida devem ser multiplicados pelos fatores K1 (fator de multiplicao da corrente) e K2 (fator de multiplicao do conjugado) obtidos na figura abaixo.

Fatores de reduo K1 e K2 em funo das relaes de tenso do motor e da rede Um/Un

Exemplo das caractersticas de desempenho de um motor de 425 cv, VI plos, quando parte com 85% da tenso

6.3.PARTIDA COM CHAVE SRIE-PARALELO Para partida em srie-paralelo necessrio que o motor seja religvel para duas tenses, a menor delas igual a da rede e a outra duas vezes maior. Este tipo de ligao exige nove terminais no motor e a tenso nominal mais comum 220/440V, ou seja: durante a partida o motor ligado na configurao srie at atingir sua rotao nominal e, ento, faz-se a comutao para a configurao paralelo.

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6.4. PARTIDA COM REOSTATO PARA MOTORES DE ANIS O motor de induo de anis pode ter uma famlia de curvas conjugado x velocidade, atravs da insero de resistncias externas no circuito rotrico. Desta maneira, para uma dada velocidade, possvel fazer o motor fornecer qualquer valor de conjugado, at o limite do conjugado mximo. Assim possvel fazer com que o motor tenha altos conjugados na partida com correntes relativamente baixas, bem como faz-lo funcionar numa dada velocidade com o valor de conjugado desejado.Em cada uma das curvas da famlia de curvas, o motor comporta-se de maneira que medida que a carga aumenta, a rotao cai gradativamente. A velocidade sncrona, o conjugado motor torna-se igual a zero.

Famlia de curvas de conjugado x rotao para motores de anis.

A utilizao de motores de anis, baseia-se na seguinte equao:

A insero de uma resistncia externa no rotor faz com que o motor aumente o s, provocando a variao de velocidade. Na figura anterior, v-se o efeito do aumento da resistncia externa inserida ao rotor.

6.5. PARTIDAS ELETRNICAS ( SOFT-STARTER )

O avano da eletrnica permitiu a criao da chave de partida a estado slido a qual consiste de um conjunto de pares de tiristores (SCR, ou combinaes de tiristores/diodos), um em cada borne de potncia do motor. O ngulo de disparo de cada par de tiristores controlado eletronicamente para uma tenso varivel aos terminais do motor durante a acelerao. Este comportamento , muitas vezes, chamado de partida suave (soft-starter). No final do perodo de partida, ajustvel conforme a aplicao, a tenso atinge seu valor pleno aps uma acelerao suave ou uma rampa ascendente, ao invs de ser submetido a incrementos ou saltos repentinos, como ocorre com os mtodos de partida por auto-transformador, ligao estrela-tringulo, etc. Com isso, consegue-se manter a corrente de partida prxima da nominal e com suave variao, como desejado. Alm da vantagem do controle da tenso (e por conseqncia da corrente) durante a partida, a chave eletrnica apresenta, tambm, a vantagem de no

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possuir partes mveis ou que gerem arco eltrico, como nas chaves mecnicas. Este um dos pontos fortes das chaves eletrnicas, pois sua vida til bem mais longa (at centenas de milhes de manobras).

Partida direta e com soft-starter

7. SENTIDO DE ROTAO DE MOTORES DE INDUO TRIFASICOS

Um motor de induo trifsico trabalhar em qualquer sentido dependendo da conexo com a fonte eltrica. Para inverter o sentido de rotao, inverte-se qualquer par de conexes entre motor e fonte eltrica.

8. CONJUGADOS

Conforme suas caractersticas de conjugado em relao a velocidade e corrente de partida, os motores de induo trifsicos com rotor de gaiola so classificados em categorias, cada uma adequada a um tipo de carga. Estas categorias so definidas em norma (NBR 7094), e so as seguintes:

8.1 CATEGORIA N

Conjugado de partida normal, corrente de partida normal, baixo escorregamento. Constituem a maioria dos motores encontrados no mercado e prestam-se ao acionamento de cargas normais, com baixo conjugado de partida, como: bombas e mquinas operatrizes (conjugado linear e parablico).

8.2. CATEGORIA H

Conjugado de partida alto, corrente de partida normal, baixo escorregamento. Usados para cargas que exigem maior conjugado na partida, como peneiras, transportadores carregados, cargas de alta inrcia, etc., (conjugado constante).

8.3. CATEGORIA D

Conjugado de partida alto, corrente de partida normal, alto escorregamento (mais de 5%). Usados em prensas excntricas e mquinas semelhantes, onde a carga apresenta picos peridicos e cargas que necessitam de conjugados de partida muito altos e corrente de partida limitada.

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As curvas conjugado x velocidade das diferentes categorias so mostrados na figura abaixo. A norma NBR-7094 especifica os valores mnimos de conjugados exigidos para motores de categoria N, H e D.

Curvas Conjugados x Velocidade das Diferentes Categorias

9. REGULAO DE VELOCIDADE DE MOTORES ASSNCRONOS DE INDUO

A relao entre velocidade, freqncia, nmero de plos e escorregamento expressa por:

Analisando a frmula, pode-se perceber que para regular a velocidade de um motor assncrono, pode-se atuar nos seguintes parmetros:

9.1.VARIAO DE NMEROS DE PLOS

Existem trs modos de variar o nmero de plos de um motor assncrono, que so:

Enrolamentos separados no estator; Um enrolamento com comutao de plos; Combinao dos dois anteriores.

Em todos esses casos, a regulao de velocidade ser discreta, sem perdas, porm, a carcaa ser maior do que a de um motor de velocidade nica.

9.1.1. MOTORES DE DUAS VELOCIDADES EM ENROLAMENTOS SEPARADOS

Esta verso apresenta a vantagem de se combinar enrolamentos com qualquer nmero de plos, porm, limitada pelo dimensionamento eletromagntico do ncleo (estator/rotor) e carcaa geralmente bem maior que o de velocidade nica.

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9.1.2. MOTORES DE DUAS VELOCIDADES COM ENROLAMENTOS POR COMUTAO DE PLOS

O sistema mais comum que se apresenta o denominado ligao Dahlander. Esta ligao implica numa relao de plos de 1:2 com conseqente relao de rotao de 1:2. Podem ser ligadas da seguinte forma:

Conjugado constante: O conjugado nas duas rotaes constante e a relao de potncia da ordem de 0,63:1. Neste caso o motor tem uma ligao de /YY. Exemplo: Motor 0,63/1 cv - IV/II plos - /YY. Este caso se presta as aplicaes cuja curva de torque da carga permanece constante com a rotao.

Potncia constante: Neste caso, a relao de conjugado 1:2 e a potncia permanece constante. O motor possui uma ligao YY/.. Exemplo: 10/10 cv - IV/II plos - YY/.

Conjugado varivel Neste caso, a relao de potncia ser de aproximadamente 1:4. E muito aplicado s cargas como bombas, ventiladores. Sua ligao Y/YY. Exemplo: 1/4 cv - IV-II plos Y/YY.

9.1.3. MOTORES COM MAIS DE DUAS VELOCIDADES

possvel combinar um enrolamento Dahlander com um enrolamento simples ou mais. Entretanto, no comum, e somente utilizado em aplicaes especiais.

Resumo das ligaes Dahlander

9.2. VARIAO DO ESCORREGAMENTO

Neste caso, a velocidade do campo girante mantida constante, e a velocidade do rotor alterada de acordo com as condies exigidas pela carga, que podem ser:

Variao da resistncia rotrica; Variao da tenso do estator;

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Variao de ambas, simultaneamente. Estas variaes so conseguidas atravs do aumento das perdas rotricas, o que limita a utilizao desse sistema.

9.2.1. VARIAO DA RESISTNCIA ROTRJCA

Utilizado em motores de anis. Baseia-se na seguinte equao:

A insero de uma resistncia externa no rotor faz com que o motor aumente o escorregamento (s), provocando a variao de velocidade. Na figura a seguir, v-se o efeito do aumento do R2.

Curva de conjugado com variao da resistncia rotrica

9.2.2. VARIAO DA TENSO DO ESTATOR

um sistema pouco utilizado, uma vez que tambm gera perdas rotricas e a faixa de variao de velocidade pequena.

9.3. VARIAO DA FREQNCIA

Ao se variar a freqncia da tenso do estator, est se variando a velocidade do campo girante. Com isso pode-se variar a velocidade do rotor, mantendo-se constante o escorregamento da mquina e, portanto, as perdas podem ser otimizadas de acordo com as condies da carga.Ao se variar a freqncia de alimentao do motor CA, varia-se sua velocidade sncrona, o que significa que todas as velocidades sncronas variam desde f 0 at a mxima freqncia do conversor, O comportamento do motor, que corresponde a sua curva conjugado x velocidade, permanece da mesma forma, entretanto deslocada na rotao conforme a freqncia, como mostra a figura abaixo.

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Exemplo de curva de conjugado com tenso proporcional a freqncia

Teoricamente, existem duas faixas de atuao: uma com fluxo constante, at a freqncia nominal, e outra com enfraquecimento de campo, correspondente quela acima da freqncia nominal, ou seja:

Entretanto, na realidade, para que essa duas faixas se tornem possveis de serem realizadas, h necessidade das seguintes consideraes:

Se um motor auto-ventilado trabalha com velocidade menor do que a nominal, ter sua capacidade de refrigerao diminuda. A tenso de sada dos conversores apresenta uma forma no perfeitamente senoidal, o que implica em harmnicas de ordem superior, que provocam um aumento de perdas no motor.

Devido a isto, necessrio reduzir conjugado e potncia admissveis no motor. aconselha-se normalmente seguir a seguinte curva:

Curva de torque x velocidade para usu de motor com conversor de frequncia.

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10. CLASSES DE ISOLAMENTO

O limite de temperatura depende do tipo de material empregado. Para fins de normalizao, os materiais isolantes e os sistemas de isolamento (cada um formado pela combinao de vrios materiais) so agrupados em CLASSES DE ISOLAMENTO, cada qual definida pelo respectivo limite de temperatura, ou seja, pela maior temperatura que o material pode suportar continuamente sem que seja afetada sua vida til.As classes de isolamento utilizadas em mquinas eltricas e os respectivos limites de temperatura conforme NBR 7094, so as seguintes:

Classe A (105C); Classe E (120C); Classe B (130C); Classe F (155C); Classe H (180C).

As classes B e F so as comumente utilizadas em motores normais.

10.1. MEDIDA DE ELEVAO DE TEMPERATURA DO ENROLAMENTO

muito dificil medir a temperatura do enrolamento com termmetros ou termopares, pois a temperatura varia de um ponto a outro e nunca se sabe se o ponto da medio est prximo do ponto mais quente. O mtodo mais seguro e mais confivel de se medir a temperatura de um enrolamento atravs da variao de sua resistncia hmica com a temperatura, que aproveita a propriedade dos condutores de variar sua resistncia, segundo uma lei conhecida. A elevao da temperatura pelo mtodo da resistncia, calculada por meio da seguinte frmula, para condutores de cobre:

10.2. APLICAO A MOTORES ELTRICOS

A temperatura do ponto mais quente do enrolamento deve ser mantida abaixo do limite da classe. A temperatura total vale a soma da temperatura ambiente com a elevao de temperatura t mais a diferena que existe entre a temperatura mdia do enrolamento e a do ponto mais quente. As normas de motores fixam a mxima elevao de temperatura t, de modo que a temperatura do ponto mais quente fica limitada, baseada nas seguintes consideraes:

A temperatura ambiente , no mximo 40C, por norma, e acima disso as condies de trabalho so consideradas especiais; A diferena entre a temperatura mdia e a do ponto mais quente, no varia muito de motor para motor e seu valor estabelecido em norma, baseado na prtica 5 0C, para as classes A e E, 10 0C para a classe B e 15 0C para as classes F e H.

As normas de motores, portanto, estabelecem um mximo para a temperatura ambiente e especificam uma elevao de temperatura mxima para cada classe de isolamento. Deste modo, fica indiretamente limitada a temperatura do ponto mais quente do motor. Os valores numricos e a composio da temperatura admissvel do ponto mais quente, so indicados na tabela abaixo.

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Composio da temperatura em funo da classe de isolamento.

Para motores de construo naval, devero ser obedecidos todos os detalhes particulares de cada entidade classificadora, conforme tabela a seguir.

10.3. PROTEO TRMICA DE MOTORES ELTRICOS

A proteo trmica efetuada por meio de termo-resistncias (resistncia calibrada), termistores, termostatos ou protetores trmicos. Os tipos de detetores a serem utilizados so determinados em funo da classe de temperatura do isolamento empregado, de cada tipo de mquina e da exigncia do cliente.

10.3.1. TERMO-RESISTNCIA (PT-100)

So elementos onde sua operao baseada na caracterstica de variao da resistncia com a temperatura intrnseca a alguns materiais (geralmente platina, nquel ou cobre). Possuem resistncia calibrada, que varia linearmente com a temperatura, possibilitando um acompanhamento contnuo do processo de aquecimento do motor pelo display do controlador, com alto grau de preciso e sensibilidade de resposta. Sua aplicao ampla nos diversos setores de tcnicas de medio e automatizao de temperatura nas indstrias em geral. Geralmente, aplica-se em instalaes de grande responsabilidade como, por exemplo, em regime intermitente muito irregular. Um mesmo detetor pode servir para alarme e para desligamento. A desvantagem so os sensores e o circuito de controle possuem alto custo.

Visualizao do aspecto interno e externo dos termo-resistores.

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10.3.2. TERMISTORES (PTC E NTC)

So detetores trmicos compostos de sensores semicondutores que variam sua resistncia bruscamente ao atingirem uma determinada temperatura.

PTC - coeficiente de temperatura positivo; NTC- coeficiente de temperatura negativo.

O tipo PTC um termistor cuja resistncia aumenta bruscamente para um valor bem definido de temperatura, especificado para cada tipo. Essa variao brusca na resistncia interrompe a corrente no PTC, acionando um rel de sada, o qual desliga o circuito principal. Tambm pode ser utilizado para sistemas de alarme ou alarme e desligamento (2 por fase). Para o termistor NTC acontece o contrrio do PTC, porm, sua aplicao no normal em motores eltricos, pois os circuitos eletrnicos de controle disponveis, geralmente so para o PTC.

Os termistores possuem tamanho reduzido, no sofrem desgastes mecnicos e tm uma resposta mais rpida em relao aos outros detetores, embora permitam um acompanhamento contnuo do processo de aquecimento do motor. os termistores com seus respectivos circuitos eletrnicos de controle oferecem proteo completa contra sobreaquecimento produzido por falta de fase, sobrecarga, sob ou sobretenses ou freqentes operaes de reverso ou liga-desliga. Possuem um baixo custo, relativamente ao do tipo PT-l00, porm, necessitam de rel para comando da atuao do alarme ou operao.

Visualizao do aspecto externo dos termistores.

10.3.3. TERMOSTATOS

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

Visualizao do aspecto interno e externo do termostato.

Os termostatos tambm so utilizados em aplicaes especiais de motores monofsicos. Nestas aplicaes, os termostato pode ser ligado em srie com a alimentao do motor, desde que a corrente do motor no ultrapasse a

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mxima corrente admissvel do termostato. Caso isto ocorra, liga-se o termostato em srie com a bobina do contator. Os termostatos so instalados nas cabeas de bobinas de fases diferentes.

10.3.4. PROTETORES TRMICOS

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

Protetor com religamento automtico, onde o rearme realizado automaticamente; Protetor com religamento manual, onde o rearme realizado atravs de um dispositivo manual.

Visualizao do aspecto interno do protetor trmico.

O protetor trmico tambm tem aplicao em motores trifsicos, motores com ligao Y. O seguinte esquema de ligao poder ser utilizado:

Esquema de ligao do protetor trmico para motores trifsicos.

Vantagens: Combinao de protetor sensvel corrente e a temperatura; Possibilidade de religamento automtico.

Desvantagens: Limitao da corrente, por estar o protetor ligado diretamente bobina do motor monofsico; Aplicao voltada para motores trifsicos somente no centro da ligao Y.

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A tabela a seguir mostra uma comparao entre os sistemas de proteo mais comuns.

11. REGIME DE SERVIO

o grau de regularidade da carga a que o motor submetido. Os motores normais so projetados para regime contnuo, (a carga constante), por tempo indefinido, e igual a potncia nominal do motor. A indicao do regime do motor deve ser feita pelo comprador, da forma mais exata possvel. Nos casos em que a carga no varia ou nos quais varia de forma previsvel, o regime poder ser indicado numericamente ou por meio de grficos que representam a variao em funo do tempo das grandezas variveis. Quando a seqncia real dos valores no tempo for indeterminada, dever ser indicada uma seqncia fictcia no menos severa que a real.

Comparativa entre os sistemas de proteo mais comuns.

Regimes de Servios Padronizados: Regime Contnuo (S1) - Regime de Tempo Limitado (S2) - Regime Intermitente Peridico (S3) - Regime Intermitente Peridico com Partidas (S4) - Regime Intermitente Peridico com Frenagem Eltrica (S5) - Regime de Funcionamento Contnuo com Carga Intermitente (S6) - Regime de Funcionamento Contnuo com Frenagem Eltrica (S7) - Regime de Funcionamento Contnuo com Mudana Peridica na Relao Carga/Velocidade de Rotao (S8).

12. POTNCIA NOMINAL

potncia que o motor pode fornecer, dentro de suas caractersticas nominais, em regime contnuo. O conceito de potncia nominal, ou seja, a potncia que o motor pode fornecer, est intimamente ligado elevao de temperatura do enrolamento. Sabe-se que o motor pode acionar cargas de potncias bem acima de sua potncia nominal, at quase atingir o conjugado mximo. O que acontece, porm, que, se esta sobrecarga for excessiva, isto , for exigida do motor uma potncia muito acima daquela para a qual foi projetado, o aquecimento normal ser ultrapassado e a vida do motor ser diminuda, podendo ele, at mesmo, queimar-se rapidamente. Deve-se sempre ter em mente, que a potncia solicitada ao motor definida pelas caractersticas da carga, isto , independentemente da potncia do motor, ou seja: para uma carga de 90 cv solicitada de um motor, por exemplo, independentemente deste ser de 75 cv ou 100 cv, a potncia solicitada ao motor ser de 90 cv.

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13. FATOR DE SERVIO (FS)

Chama-se fator de servio (FS) o fator que, aplicado potncia nominal, indica a carga permissvel que pode ser aplicada continuamente ao motor sob condies especificadas. Note que trata-se de uma capacidade de sobrecarga contnua, ou seja, uma reserva de potncia que d ao motor uma capacidade de suportar melhor o funcionamento em condies desfavorveis. O fator de servio no deve ser confundido com a capacidade de sobrecarga momentnea, durante alguns minutos. Os motores em geral podem suportar sobrecargas at 60% da carga nominal, durante 15 segundos. O fator de servio FS = 1,0, 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. A NBR 7094 especifica os FS usuais por potncia.

14. CARACTERSTICAS DO AMBIENTE

A potncia admissvel do motor de induo determinada levando-se em considerao, principalmente, dois fatores: Altitude em que o motor ser instalado; Temperatura do meio refrigerante.

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

a) Altitude no superior a 1.000m acima do nvel do mar; b) Meio refrigerante (na maioria dos casos, o ar ambiente) com temperatura no superior a 40 0C e isenta de elementos prejudiciais.

At estes valores de altitude e temperatura ambiente, considera-se condies normais e o motor deve fornecer, sem sobreaquecimento, sua potncia nominal.

15. ALTITUDE

Motores funcionando em altitudes acima de l000m, apresentam problemas de aquecimento causado pela rarefao do ar e, consequentemente, diminuio do seu poder de arrefecimento. A insuficiente troca de calor entre o motor e o ar circundante, leva a exigncia de reduo de perdas, o que significa, tambm, reduo de potncia. Os motores tm aquecimento diretamente proporcional s perdas e estas variam, aproximadamente, numa razo quadrtica com a potncia. Existem ainda trs solues possveis:

a) A instalao de um motor em altitudes acima de 1000 metros pode ser feita usando- se material isolante de classe superior; b) Motores com fator de servio maior que 1,0 (1,15 ou maior) trabalharo satisfatoriamente em altitudes acima de 1.000m com temperatura ambiente de 40 0C desde que seja requerida pela carga, somente a potncia nominal do motor; c) Segundo a norma NBR 7094 (antiga EB 120), os limites de elevao de temperatura devero ser reduzidos de 1% para cada 100m de altitude acima de 1.000m. Esta reduo deve ser arredondada para o nmero de C inteiro imediatamente superior.

16. TEMPERATURA AMBIENTE

Motores que trabalham em temperaturas inferiores a -20C, apresentam os seguintes problemas: a) Excessiva condensao, exigindo drenagem adicional ou instalao de resistncia de aquecimento, caso o motor fique longos perodos parado. b) Formao de gelo nos mancais, provocando endurecimento das graxas ou lubrificantes nos mancais, exigindo o emprego de lubrificantes especiais ou graxa anticongelante.

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Em motores que trabalham temperaturas ambientes constantemente superiores a 40C, o enrolamento pode atingir temperaturas prejudiciais isolao. Este fato tem que ser compensado por um projeto especial do motor, usando materiais isolantes especiais ou pela reduo da potncia nominal do motor.

17. GRAUS DE PROTEO

Os invlucros dos equipamentos eltricos, conforme as caractersticas do local em que sero instalados e de sua acessibilidade, devem oferecer um determinado grau de proteo. Assim, por exemplo, um equipamento a ser instalado num local sujeito a jatos dgua, devem possuir um invlucro capaz de suportar tais jatos, sob determinados valores de presso e ngulo de incidncia, sem que haja penetrao de gua.

1.7.1.CDIGO DE IDENTIFICAO

A norma NBR 6146 define os graus de proteo dos equipamentos eltricos por meio das letras caractersticas IP, seguida por dois algarismos.

1 Algarismo: indica o grau de proteo contra penetrao de corpos slidos estranhos e contato acidental.

2 Algarismo: indica o grau de proteo contra penetrao de gua no interior do motor

As combinaes entre os dois algarismos, isto , entre os dois critrios de proteo, esto resumidos na tabela a seguir. Nota-se que, 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.

17.2. TIPOS USUAIS DE PROTEO

17.2.1. MOTORES DE BAIXA TENSO

Como no caso acima, somente alguns tipos de proteo so empregados nos casos normais. So eles: IP21, IP22, IP23 e IP44. Os trs primeiros so motores abertos e o ltimo motor totalmente fechado. Para aplicaes especiais mais rigorosas, so comuns tambm os graus de proteo IP54 (ambientes muito empoeirados) e IP55 (casos em que os equipamentos so lavados periodicamente com mangueiras, como em fbricas de papel). Outros graus de proteo para motores so raramente fabricados, mesmo porque, qualquer grau de proteo satisfaz plenamente os

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graus de proteo inferiores (algarismos mais baixos). Assim, por exemplo, um motor IP44 substitui com vantagem os IP21, IP22 e IP23, apresentando maior segurana contra exposio acidental a poeiras e gua. Isto permite padronizao da produo em um nico tipo que atenda a todos os casos, com vantagem adicional para o comprador nos casos de ambientes menos exigentes.

17.2.2. TIPOS USUAIS DE PROTE O PARA O MOTOR CC

Embora os algarismos indicativos de graus de proteo possam ser combinados de muitas maneiras, somente alguns tipos de proteo so empregados nos casos normais para os motores CC. So eles: IP21, IP22, IP23 e IP44. Os trs primeiros so motores abertos e o ltimo motor totalmente fechado. Para aplicaes especiais mais rigorosas, so comuns tambm os graus de proteo IP54 (ambientes muito empoeirados) e IP55 (casos em que os equipamentos so lavados periodicamente com mangueiras, como em fbricas de papel). Assim, por exemplo, um motor IP44 substitui com vantagem os IP12, IP22 e IP23, apresentando maior segurana contra exposio acidental a poeira e gua. Isto permite padronizao da produo em um nico tipo que atenda a todos os casos, com vantagem adicional para o comprador nos casos de ambientes menos exigentes

17.2.3. MOTORES A PROVA DE INTEMPRIES (MOTORES CA)

Como visto anteriormente, a letra (W), colocada entre as letras IP e os algarismos indicativos do grau de proteo, indica que o motor protegido contra intempries.

Exemplo: IP(W)55 significa motor com grau de proteo IP55 quanto a penetrao de poeiras e gua, sendo, alm disso, protegido contra intempries (chuva, maresia, etc.), tambm chamados motores de uso naval. Ambientes agressivos exigem que os equipamentos que neles trabalham, sejam perfeitamente adequados para suportar tais circunstncias com elevada confiabilidade, sem apresentar problemas de qualquer espcie.

Graus de proteo.