Anais do V Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos, Foz do Iguaçu – PR, Brasil. 22-25/04/2014 ISSN 2177-6164
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Resumo – Apesar de sua pequena potência, os motores de
indução monofásicos de capacitor permanente são largamente
utilizados em aplicações de circulação de ar e refrigeração
doméstica, somando grande potência instalada. Atualmente, o
elevado número de cargas não lineares produz distorção na
tensão dos sistemas elétricos de baixa tensão afetando a operação
dos motores monofásicos. Assim, este trabalho tem por objetivo
analisar o comportamento de motores monofásicos de capacitor
permanente operando com tensões distorcidas. O motor em
estudo foi alimentado por uma fonte geradora de sinais
arbitrários com uma tensão senoidal e posteriormente com
tensões distorcidas com diferentes conteúdos harmônicos. Para
observar o comportamento do motor sob essas condições foi
construída uma bancada específica composta de motor, carga,
fonte em conjunto com sistema de aquisição de sinais. Os dados
coletados foram utilizados para a observação do comportamento
do motor em diferentes situações de distorção. Os resultados são
apresentados na forma de gráficos e seus valores são comparados
e discutidos.
Palavras chave – motor monofásico, distorção harmônica,
capacitor permanente,
I. INTRODUÇÃO
observação dos atuais sistemas elétricos mostra que o
uso de cargas não lineares é muito grande e com tendência a
crescer cada vez mais, inclusive em ambientes de cargas
monofásicas de pequena potência como as residências e
escritórios. Nos ambientes residenciais, comerciais e em
prédios públicos, as correntes não senoidais drenadas por
cargas eletrônicas circulam pelos alimentadores produzindo
tensões não senoidais que tendem a afetar todas as demais
cargas conectadas [1]. Dentre as cargas que mais sofrem com
estas tensões distorcidas estão os motores elétricos, que são
projetados para operação em condições senoidais. Os motores
operando com tensão distorcida sofrerão aumentos de perdas
elétricas, aumento na vibração e temperatura de operação além
de redução de sua vida útil [2].
Contudo, a grande maioria dos estudos realizados com
motores de indução em sistemas elétricos com distorção
harmônica é referente aos motores trifásicos, que operam em
ambientes industriais, na maioria das vezes acionados por
conversores de frequência. Estes estudos são justificados pelo
fato de os motores de indução serem cargas muito
representativas em qualquer processo produtivo [3].
________________ B.E.P. Mancussi ([email protected]), R.C. Creppe
([email protected]), J.A.C. Ulson ([email protected]) G.A.M. Clerice
([email protected]) e L. Gonçalves Jr ([email protected]) estão
associados do Depto. De eng. Elétrica da Unesp de Bauru.
Relatórios da ABINEE (Associação Brasileira da Industria
Eletro e Eletrônica) [4] indicam que os motores monofásicos
de capacitor permanente representam cerca de metade dos
quatro milhões de motores monofásicos vendidos anualmente
no Brasil. Apesar da pequena potência individual, este tipo de
máquina aciona refrigeradores, ventiladores, condicionadores
de ar, pequenos sistemas de bombeamento, entre outros. Dessa
forma, o conjunto de motores elétricos representa um consumo
de energia significativo segundo dados do PROCEL [5].
Da mesma forma como os motores trifásicos, os motores
monofásicos são projetados para operar com sinais senoidais
mas, atuam em sistemas nos quais a a tensão apresenta
distorção harmônica devido ao elevado número de cargas não
lineares operando em paralelo [6] ocasionando aumento de
perdas, de temperatura e vibração.
Assim, o objetivo deste trabalho é investigar as
características de operação de um motor monofásico de
indução de capacitor permanente operando sob diversas
condições de distorção de tensão.
II. MOTORES MONOFÁSICOS COM CAPACITOR PERMANENTE
Ao contrário dos motores de indução trifásicos, os motores
de indução monofásicos não apresentam um conjugado de
partida. Isso acontece porque o enrolamento principal do
motor produz apenas um campo magnético pulsante. Este
campo pulsante pode ser entendido como sendo o resultante da
soma de dois campos magnéticos girantes iguais e opostos.
Desta forma, para o motor em repouso, o conjugado resultante
é nulo e o motor monofásico não apresenta conjugado de
partida, exigindo-se sistemas auxiliares para iniciar seu
movimento.
Os motores de indução monofásicos são classificados de
acordo com seus métodos de partida e, usualmente, são
referidos por nomes que descrevem esses métodos [7], sendo
os mais utilizados os motores: de fase dividida, de capacitor de
partida, de capacitor permanente e os motores de duplo
capacitor. Todos eles possuem dois enrolamentos, conhecidos
como principal e auxiliar, alimentados por uma mesma fonte
de energia monofásica.
Nos motores de fase dividida de fase dividida as
impedâncias dos enrolamentos são diferentes fazendo com que
a corrente em cada um apresente módulo e fase distintas,
dando origem a um campo girante que é suficiente para
promover sua partida. Após sua aceleração o enrolamento
auxiliar é desligado para evitar seu sobreaquecimento e o
motor passa a operar apenas com o enrolamento auxiliar.
Bruno E. P. Mancussi, Renato C. Creppe, José A. C. Ulson, Guilherme A. M. Clerice, Luiz Gonçalves Jr.
Departamento de Engenharia Elétrica – UNESP - Bauru
Motores Monofásicos de Capacitor Permanente
Alimentados por Tensões Não Senoidais
A
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Os motores de capacitor de partida possuem um capacitor
ligado em série com o enrolamento auxiliar para aumentar o
ângulo de deslocamento das correntes e tornar mais intenso o
conjugado de partida. Devido às características dos
capacitores utilizados, o enrolamento auxiliar também deve
ser desligado após a aceleração do motor.
Os motores de capacitor permanente possuem um capacitor
dimensionado para permanecer ligado ao enrolamento auxiliar
durante toda a operação do motor. A Fig. 01 apresenta um
esquema simplificado de uma motor de capacitor permanente.
Fig. 1. Esquema do motor de fase dividida com capacitor de partida.
Para os propósitos deste trabalho foi escolhido o motor
monofásico de indução de capacitor permanente (MMCP)
devido a sua ampla aplicação condicionadores de ar e
compressores para refrigeradores. Nestas aplicações a potência
consumida, a vibração e os ruídos produzidos são condições
mais críticas que em outras aplicações. Também, devido à
necessidade de produção de motores de menor custo, o projeto
de MMCP faz com que sua operação esteja sempre próxima
aos limites térmicos dos materiais utilizados e aquecimento
extra como o produzido por componentes harmônicas podem
levar a perda do equipamento [8].
Em motores elétricos monofásicos com capacitor
permanente o enrolamento auxiliar não é desconectado após a
partida com operação semelhante ao motor de indução
bifásico. Desta forma existe uma interação entre os campos
produzidos pelo enrolamento principal com os campos
produzidos pelo enrolamento auxiliar, totalizando quatro
campos girantes, sendo dois em sentido direto (mesmo do
eixo) e dois em sentido reverso (contrário ao do eixo) [9].
O enrolamento principal e o enrolamento auxiliar estão
defasados no espaço. Isto implica que o fluxo produzido por
um enrolamento não induz uma FMM no outro, ou seja, a ação
“transformador” pode ser desprezada.
Os parâmetros reatância de fuga, reatância de magnetização
e resistência do rotor referente ao enrolamento auxiliar podem
ser expressos como uma função dos respectivos parâmetros do
enrolamento principal e da relação de espiras (a) entre esses
dois enrolamentos. Considerando a existência dos dois
enrolamentos em atuação permanente, o motor monofásico
pode ser visto como um sistema de 4 equações diferenciais
apresentadas na matriz de (1). Nesta matriz R representa a
resistência, L a indutância própria e M a indutância mútua dos
enrolamentos. Os índices R e S estão associados ao rotor e ao
estator, respectivamente, enquanto que os índices d e q
referen-se aos eixos direto e quadratura. A velocidade é
indicada por
.
Rq
Rd
Sq
Sd
RRR
RRR
SS
SS
Rq
Rd
Sq
Sd
i
i
i
i
pLRL
LpLR
pMM
MpM
pM
pM
pLR
pLR
V
V
V
V
21
21
2
1
22
11
0
0
0
0
(1)
A solução do sistema de equações mostrado em (1) pode ser
feita com auxílio de programas como o Matlab/Simulink,
fazendo as corretas considerações como a tensão de rotor nula
para motores de gaiola e a inclusão dos parâmetros através da
realização dos ensaios em vazio e rotor bloqueado.
III. MOTORES DE INDUÇÃO E DISTORÇÃO HARMÔNICA
Os motores de indução monofásicos ou trifásicos são
dispositivos sensíveis a presença de componentes harmônicas
no sinal de tensão aplicado ao seu estator. Características
como conjugado, rendimento e distorção de corrente podem
ser comprometidas de acordo com o nível de distorção da
tensão aplicada. A distorção harmônica total da tensão, ou
THDV – (Total Harmonic Distortion), pode ser determinada a
partir da análise das harmônicas presentes no sinal analisado e
é calculada segundo a expressão (1).
...3,2%,1002
1
2
hV
VTHDv
h (1)
Onde:
V1 é a componente fundamental da tensão.
Vh é a componente harmônica de ordem h (h>1).
De acordo com o Módulo 8 do Prodist/Aneel o THDv
também pode ser denominado de Distorção Harmônica Total
de Tensão (DTT)[10]. Uma das consequências de se ter
conteúdo harmônico em fontes de alimentação de motores
elétricos é a presença de componentes harmônicas de campo
magnético girante. Harmônicas de sequência negativa tendem
a produzir campos girantes em sentidos opostos ao campo
produzido pela componente fundamental. Harmônicas de
sequência positiva tendem a criar campos que giram no
mesmo sentido do campo fundamental [3],[5].
Como os MMCP operam em ambientes com inúmeras
cargas não lineares (reatores eletrônicos e estágios
retificadores de equipamentos eletrônicos) sua tensão fica
distorcida pela circulação de correntes harmônicas pela
impedância equivalente dos alimentadores, além do próprio
motor colaborar com novas correntes harmônicas produzidas
pela saturação de seu circuito magnético.
IV. BANCADA DE ENSAIOS PARA MOTORES MONOFÁSICOS
Com o propósito de se observar a distorção harmônica da
corrente do MMCP produzida pela alimentação não senoidal
foi criada uma bancada para a realização dos ensaios. Os
principais componentes da banca são: fonte de tensão
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programável Pacific Power AMX 360, Placa de aquisição de
dados NI-DAQ6211, motor monofásico de 1/4cv, 220V, 60Hz
com capacitor permanente de 4µF.
O motor utilizado nos ensaios é um motor comumente
encontrado em aparelhos de ar condicionado de 18000BTU.
Neste tipo de aplicação o motor funciona por várias horas por
dia em instalações como bancos, escolas e prédios comerciais,
sujeitos a forte distorção de tensão.
A Fig. 3 mostra esquematicamente a disposição dos
equipamentos na bancada que foi especialmente construída
para os ensaios.
Fig. 3. Esquema da bancada utilizada nos ensaios
Para aquisição de dados foi utilizada a plataforma
LabView® e o tratamento dos dados foi realizado com o
programa Matlab/Simulink®.
Após a montagem da bancada e teste do sistema de
aquisição de dados, foram definidas 4 condições de tensão de
alimentação. A primeira condição é aquela onde o THDv=0%,
considerada como operação padrão. As três outras condições
são com sinais de tensão não senoidais com 30% de terceira
harmônica, 30% de quinta harmônica e 30% de sétima
harmônica.
Com distorção de tensão nula considera-se que o motor
opera na forma ideal e seus resultados são utilizados para
comparação com os demais valores. Para cada um dos valores
distorções de tensão, o motor foi ensaiado observando-se seu
conjugado e sua corrente de entrada.
V. RESULTADOS DOS ENSAIOS
De acordo com cada uma das condições estipuladas o motor
foi acionado com alimentação proveniente da fonte
programável. Após sua aceleração e aplicação da carga, com o
motor em regime, eram coletados os sinais de corrente e
tensão do motor. Os tópicos seguintes apresentam os
resultados de medições com o motor operando com o
capacitor sugerido pelo fabricante (4µF).
A. Tensão Aplicada Senoidal (THDv=0%)
Inicialmente o motor instalado na bancada foi alimentado
por uma tensão puramente senoidal (THDv=0). A Fig. 3
mostra o sinal de corrente do motor para tensão puramente
senoidal e capacitor de 4µF.
Fig. 3. Corrente do motor para tensão com THDv=0%.
Por meio da Transformada Rápida de Fourier (FFT) é
possível observar que a corrente do motor com tensão
puramente senoidal apresenta distorção mostrada na Fig. 4,
onde, é possível observar-se a presença de 3ª harmônica
(180Hz) na corrente do motor, com um THDi=10%, devido às
características do circuito magnético do motor.
Fig. 4. Espectro da corrente para tensão THDv=0% e C=4µF.
B. Tensão Aplicada Não Senoidal (30% de 3ª harmônica)
Para a primeira condição de tensão não senoidal (30% de
3ª harmônica) o sinal de tensão aplicado ao motor foi o
apresentado na Fig. 5.
Fig. 5. Tensão aplicada ao motor com 30% de 3ª harmônica.
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Com tensão não senoidal contendo 30% de terceira
harmônica a corrente do motor apresentou o comportamento
mostrado na Fig. 6.
Fig. 6. Corrente do motor para tensão com 30% de terceira harmônica.
A análise da corrente da Fig. 6 mostra que seu THDi=
98,6%, com espectro mostrado pela Fig. 7, na qual se observa
a presença significativa de 3ª harmônica de corrente.
Fig. 7. Espectro corrente para tensão com 30% de 3ª harmônica.
C. Tensão Aplicada Não Senoidal (30% de 5ª harmônica)
Como segunda condição de operação, a tensão fornecida
pela fonte programável apresentava 30% de 5ª harmônica .
Para esta situação as formas de onda de tensão e corrente do
motor foram as mostradas nas Figs. 8 e 9, respectivamente.
Fig. 8. Tensão aplicada ao motor com 30% de quinta harmônica
Fig. 9. Corrente do motor para tensão com 30% de quinta harmônica.
Para esta condição a distorção harmônica observada na
corrente do motor foi de THDi=67%, com espectro harmônico
mostrado na Fig. 10.
Fig. 10. Espectro da corrente para motor com 30% de quinta harmônica.
D. Tensão Aplicada Não Senoidal (30% de 7ª harmônica)
Como última condição de operação a fonte foi programada
para aplicar ao motor um sinal de tensão com 30% de 7ª
harmônica, que é mostrado na Fig. 11.
Fig. 11. Tensão aplicada ao motor com 30% de 7ª harmônica
.
A corrente circulante pelo motor apresentou forma de onda
mostrada na Fig. 12, com THDi=46,6% e espectro harmônico
mostrado na Fig. 13.
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Fig. 12. Corrente do motor para tensão para 30% de 7ª harmônica.
Fig. 13. Espectro da corrente para tensão com 30% de 7ª harmônica.
Uma segunda fase de medições foi realizada substituindo-se
o capacitor de 4µF por um de 7,5µF, que produz maiores
conjugados de partida e que, eventualmente, pode ser utilizado
em uma manutenção. As medições foram realizadas da mesma
forma e foi possível observar que os valores de distorção
harmônica de corrente aumentaram juntamente com o valor da
capacitância..
A a distorção de corrente aumenta significativamente com a
distorção de tensão, aumentando as perdas e a vibração do
motor, além de contribuir para a geração de tensões
distorcidas em alimentadores de baixa impedância [9][10].
Das observações sobre o conjugado, foi possível observar
seu valor instantâneo sofre forte influência da presença de
harmônicas, com aumento na vibração do sistema. A figura 14
mostra o comportamento instantâneo do do conjugado para
tensão de alimentação senoidal. Este conjugado é tomado
como referência e admitido como sendo o ideal para a
operação do MMCP.
Fig. 14. Conjugado do motor para tensão senoidal.
As figs. 15,16 e 17 mostram as demais situações onde a
tensão de alimentação é não senoidal com 30% de terceira,
quinta e sétima harmônicas respectivamente.
Fig. 15. Espectro de conjugado para tensão com 30% de terceira harmônica.
Fig. 16. Espectro de conjugado para tensão com 30% de quinta harmônica.
Fig. 17. Espectro de conjugado para tensão com 30% de sétima harmônica.
E. Comparação dos Resultados
Comparando-se os valores obtidos nos de ensaios realizados
é possível construir um gráfico que relaciona a distorção
harmônica observada na corrente do motor em função da
distorção harmônica da tensão aplicada, conforme gráfico
mostrado na Fig. 18. Nesta figura pode-se observar o resultado
da simulação numérica das distorções de corrente através do
modelo tradicional do motor monofásico [9].
Comparando-se os resultados de conjugado, observa-se que
os diferentes níveis de distorção produzem vibrações que são
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intensas para a terceira harmônica. As vibrações vão sendo
reduzidas para distorção de 5ª e 7ª harmônicas, quando os
elementos mecânicos do sistema absorvem parte destas
oscilações.
Fig. 18. Distorção de corrente em função da distorção de tensão.
.
VI. CONCLUSÕES
Os ensaios realizados mostraram que um motor
monofásico de capacitor permanente quando alimentado por
tensões não senoidais opera com correntes fortemente
distorcidas e aumento de vibração, notadamente para
conteúdos de 3ª harmônica de tensão. Dessa forma, os
motores passam a solicitar correntes com níveis de
distorção muito elevados em relação ao sinal de tensão que
recebem.
Como este tipo de motor é amplamente utilizado em
diversos tipos de instalação, estas unidades são submetidas
a um aumento das perdas e da vibração mecânica . Nos
ambientes com distorção de tensão os motores monofásicos
podem apresentar correntes altamente distorcidas,
produzindo tensões distorcidas em alimentadores de elevada
impedância comumente utilizados em pontos terminais da
instalação.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à CAPES pela concessão da bolsa
de mestrado, à FAPESP pela aquisição da fonte AMX360,
ao professor Edson Alberto de Antonio e ao engenheiro
Edson Oshiro e ao Sr. Osmar Lus Martinelli pelos auxílios e
esforços para a construção da bancada de ensaios.
VII. REFERÊNCIAS
[1] R.C. Dugan, S.Santoso, M.F. McGranaghan, H.W. Beaty Electrical power
systems quality. Editora McGraw-Hill, 1ª edição, 2003, 528 p.
[2] J.K. Phipps;J.P. Nelson;P.K. Sen, "Power quality and harmonic distortion
on distribution systems," Industry Applications, IEEE Transactions on ,
vol.30, no.2, pp.476,484, Mar 1994
[2] E. B. Agamloh, Scott Peele, Joe Grappe, “An Experimental Evaluation of
the Effect of Voltage Distortion on the Performance of Induction Motors”, Annual IEEE Conference Record Publications of 2012.
[3] P. Gnacinski , “Prediction of windings temperature rise in induction motors supplied with distorted voltage,” Energy Conversion and
Management, Elsevier, vol. 49, 2008 pp.707-717.
[4] ABINEE, Associação Brasileira da Industria Elétrica e Eletrônica.
Relatório de Produção de Motores Elétricos no Brasil. 2011.
[5] C.A. Ferreira; R. R. A. Góes; M. A. R. G. Moreira; B. R. C. Motta; H.
Moya; H.L. Oliveira “Atuação da Eletrobrás, através do Procel, na
Eficiência Energética de Indústrias Brasileiras” The 8th latin-american congress on electricity generation and transmission – CLAGTEE, pp. 1 –
7, 2009.
[6] E. R. Collings, J. R. Shirley, J. Cortiss Fox, “An Experimental
Investigation of Third Harmonic Current Distortion in Single-Phase
Induction Motors”, Harmonics and Quality of Power, 2008. ICHQP 2008.
[7] Fitzgerald, A.E., Kingsley Jr., C., Umans, S.D., Electric Machinery, Ed.
McGraw-Hill Science. 6ª ed., 2006.
[8] M lder, H.; Vinnal, T.; Beldjajev, V.; , "Harmonic losses in induction
motors caused by voltage waveform distortions," Electric Power Quality and Supply Reliability Conference (PQ), pp.143-150, 16-18 June 2010
[9] T. Batan, E.F. Fuchs, “Harmonic Losses of Single-phase Induction Motors under Nonsinusoidal Voltages”, IEEE Transactions on Energy
Conversion, Vol. 11, No. 2, June 1996.
[10] E. R. Collins and J. Jiang, “The Effect of Harmonic Loads on Elevated
Neutral-to-Earth Voltage,” Proc. of the 2006 IEEE International
Conference on Harmonics and Quality of Power, Lisbon, Portugal, October 2006.
[11] Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL - PRODIST – Módulo 08 Rev. 04/2012, disponível em: http:www.aneel.gov.br, acesso em
04/01/2013.