ADEMIR PELIZARI UM ESTUDO DA INFLUNCIA DAS CONFIGURAES DOS ENROLAMENTOS NO DESEMPENHO DE MOTORES DE INDUO MONOFSICOS COM CAPACITOR DE PARTIDA So Paulo 2009 iiADEMIR PELIZARI UM ESTUDO DA INFLUNCIA DAS CONFIGURAES DOS ENROLAMENTOS NO DESEMPENHO DE MOTORES DE INDUO MONOFSICOS COM CAPACITOR DE PARTIDA

Dissertao apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Eltrica rea de Concentrao: Sistemas de Potncia Orientador: Prof. Dr. Ivan Eduardo Chabu So Paulo 2009 iii Este exemplar foi revisado e alterado em relao verso original, sobresponsabilidade nica do autor e com a anuncia de seu orientador. So Paulo, de agosto de 2009. Assinatura do autor ____________________________ Assinatura do orientador _______________________ FICHA CATALOGRFICA DEDICATRIA Pelizari, Ademir Um estudo da influncia das configuraes dos enrolamen- tos no desempenho de motores de induo monofsicos com capacitor de partida / A. Pelizari. -- ed.rev. -- So Paulo, 2009. 110 p. Dissertao (Mestrado) - Escola Politcnica da Universidade de So Paulo. Departamento de Engenharia de Energia e Auto-mao Eltricas. 1. Motores de induo 2. Mquinas eltricas 3. Motores el - tricos (Simulao) 4. Mtodo dos elementos finitosI.Universi- dade de So Paulo. Escola Politcnica. Departamento de Enge- nharia de Energia e Automao Eltricas II. t. iv Dedicoestetrabalhominha esposaAlice,peloincansvel incentivo,pelocarinhoepela compreenso. vAGRADECIMENTOS AoProf.Dr.IvanEduardoChabu,meussincerosagradecimentos,pela orientao, pacincia e pela amizade firmada durante a elaborao deste trabalho. AosprofessoresSilvioNabeta,LuizLebensztajn,VivianeCristine,Pedro PauloPereiraeJosRobertoCardosoqueinmerasvezesajudaram-mecom sugestesecrticasnassoluesdosproblemas.AoscolegasdoLMAGpelo companheirismo e amizade, Maurcio Caldora, Lucas, Otvio, Cassiano e Mrio. Aos colaboradoresdasbibliotecasdaEltrica,doIEEedasSecretariasdePs Graduao. Ao LMAG pela disponibilizao dos recursos computacionais.EscolaSENAIHermenegildoCamposdeAlmeidaquedisponibilizouos equipamentos e aos professores Adilson Lzaro, Ftima Maia, Jair Alavase, Manoel FranciscoPansani,JooCarlosNichele,PauloMilagre,Demtrius,JairPereirae Ricardo Vieira pelas sugestes na montagem do prottipo e pela compreenso para as sadas em perodo de trabalho. Universidade Cruzeiro do Sul pela oportunidade e pela disponibilizao dos recursos computacionais em especial ao professor e colega Robmilson Gundim. Aomeugrandeamigoequeridopai,AdhemarM.Pelizari,minhame Neuza e minha irm Nereide pelo incentivo. Efinalmente,UniversidadedeSoPaulo,pelapossibilidadederealizareste trabalho. vi Medeoquemensurveletorna mensurvel o que no (Galileo Galilei) viiRESUMO Osmotoresdeinduomonofsicosnecessitamdedoisenrolamentos estatricos para criao de um campo magntico girante: um enrolamento principal e umenrolamentoauxiliar.Esteltimotemoobjetivodecriarumcampogirante apenasnapartidadomotor,desligando-selogoemseguida,atravsdeum interruptor centrfugo acoplado ao eixo do rotor da mquina. Oobjetivodestetrabalhoavaliarainflunciadasdiferentesconfiguraes de enrolamentos sobre as caractersticas externas do motor de induo monofsico.Sendo assim, atravs desta anlise, pretende-se verificar se h algum benefcio em seudesempenho.Nestetrabalho,duasconfiguraesdeenrolamentosforam desenvolvidasetestadasemlaboratrio.Naprimeiraconfigurao,oenrolamento principalfoialocadonaparteinferiordasranhuras.Nasegundaconfigurao,as posies dos enrolamentos foram invertidas. As duas configuraes de enrolamento foram aplicadas a um prottipo de 0,37 kW, quatro plos. A simulao foi realizada atravsdeumprogramacomputacionaldeelementosfinitos,possibilitandoa extraoeanlisederesultados,comasdensidadesdefluxonasduas configuraes. Os resultados dos ensaios realizados no prottipo permitiram analisar ocomportamentodegrandezascomocorrenteeltrica,torque,potnciae rendimento que so apresentados e comparados no final deste trabalho. viiiABSTRACT Thesinglephaseinductionmotorneedstwostatorwindingstoproducethe rotatingmagneticfield:amainwindingandanauxiliarywinding.Theaimofthe auxiliarywindingistocreatetherotatingelectromagneticfieldwhenthemachineis startingandafterwardsturnedoff,generallythroughacentrifugalswitchcoupledtothe shaft of the machine.The main purpose of this work is to evaluate the influence that the position of thetwowindingshaveontheexternalcharacteristicsofthesinglephaseinduction motor. For this purpose, two different kinds of winding configurations were carried out and simulated in a prototype. In the first configuration, the main winding was located inthebottomoftheslot.Inthesecondconfiguration,thepositionsofthewindings were inverted.Performance analysis and computational simulation by Finite Element Method werecarriedoutaftertheprototype0.37kW,fourpoleswasprepared.Inthisway, through this analysis, improvements on its performance are expected. Theelectricalquantitiessuchasfluxdensity,electriccurrent,torque,power and efficiency are compared in the end of this document. ixLISTA DE SMBOLOS a Relao entre o nmero de espiras do enrolamento principal e auxiliarBDensidade de fluxo magnticoBg Densidade de fluxo magntico no entreferro do motorDR Dimetro do rotor fFreqncia da alimentaoFFora magnetomotriz da rede eltricaFAFora magnetomotriz produzida pelo enrolamento auxiliarFP Fora magnetomotriz produzida pelo enrolamento principal HA Intensidade de campo magntico produzida pelo enrolamento auxiliar HgIntensidade de campo magntico no entreferro do motorHP Intensidade de campo magntico produzida pelo enrolamento principal ICorrente eltrica da fonte de alimentao xIACorrente eltrica no enrolamento auxiliarIAT Corrente eltrica transitria no enrolamento auxiliarICCCorrente eltrica eficaz obtida pelo ensaio de curto circuitoIPCorrente eltrica no enrolamento principalIPrps Corrente eltrica em regime permanente senoidal no enrolamento principalIPT Corrente transitria no enrolamento principalIT Corrente total do enrolamentoI0Corrente eltrica eficaz obtida pelo ensaio em vazioJ Densidade de corrente eltrica KE Fator de enrolamento KP Fator de passo da bobina KPE Fator de passo da bobina externa KPI Fator de passo da bobina intermediria xiKPi Fator de passo da bobina interna KPT Fator de passo total KSFator de disperso de ranhura em funo do passo do enrolamentoLA Indutncia do enrolamento auxiliarLCB Indutncia de disperso de cabea de bobinaLg Comprimento do entreferro LINF Indutncia de disperso na parte inferior da ranhura LP Indutncia do enrolamento principal LR Comprimento axial do rotor LSUP Indutncia de disperso na parte superior da ranhura LSI, LIS Indutncia mtua de disperso na parte superior e inferior da ranhura L1 Indutncia de disperso de cabea de bobina usada no circuito eltrico externoNA Nmero de espiras do enrolamento auxiliar xiiNBA Nmero de bobinas do enrolamento auxiliar NBP Nmero de bobinas do enrolamento principal NESP Nmero de espiras dentro da ranhura NEX Nmero de espiras da bobina exploratrizNF Nmero de fases da alimentaoNP Nmero de espiras do enrolamento principal NPE Nmero de espiras da bobina externa NPi Nmero de espiras da bobina interna NPI Nmero de espiras da bobina intermediria NRVelocidade do rotor em rotaes por minuto NRANH Nmero de ranhuras do estator NSVelocidade sncrona em rotaes por minuto pNmero de pares de plos do motor xiiiPB Percentual de espiras por bobinaPBE Percentual de espiras da bobina externaPBI Percentual de espiras da bobina intermediria PBi Percentual de espiras da bobina interna PCB Permencia de disperso na cabea de bobinaPIS,PSI Permenciamtuadedispersoentreosenrolamentosnaparteinferiore superior da ranhuraR2 Resistncia eltrica do rotor referida ao enrolamento principalRA Resistncia eltrica do enrolamento auxiliarR1A Resistncia eltrica do enrolamento auxiliar do circuito equivalenteRP Resistncia eltrica do enrolamento principalR1P Resistncia eltrica do enrolamento principal do circuito equivalente sEscorregamento relativo xivs(%)Escorregamento percentual sDEscorregamento relativo de campo direto sREscorregamento relativo de campo reverso SSeco transversal do enrolamento principalSPrea do plo do motor TTorque resultanteTPRTTorque de partidaVTenso de alimentao da rede eltrica VBOBINATenso eficaz induzida por plo VEX Tenso eficaz induzida na bobina exploratriz VIPTenso eficaz induzida no enrolamento principal VNTenso nominal da alimentao W0 Potncia eltrica de perdas obtida pelo ensaio em vazioxvWCC Potncia eltrica de perdas obtida pelo ensaio em curto circuito XC Reatncia capacitiva do capacitor de partida.XLA Reatncia indutiva do enrolamento auxiliar.XMA Reatncia de magnetizao do enrolamento auxiliar.XMP Reatncia de magnetizao do enrolamento principal.X1A Reatncia de disperso do enrolamento auxiliarX2A Reatncia de disperso do rotor referida ao enrolamento auxiliarX1P Reatncia de disperso do enrolamento principalX2P Reatncia de disperso do rotor referida ao enrolamento principal YBE Passo da bobina externa YBi Passo da bobina interna YBI Passo da bobina intermediria YF Passo da fase xviYP Passo do plo Encurtamento de bobina Graus eltricos por ranhura A Fator de potncia do enrolamento auxiliarP Fator de potncia do enrolamento principal g Fluxo magntico por plo0 Constante de permeabilidade magntica do ar m Constante de permeabilidade magntica do material e ngulo de referncia estacionria no estatorFreqncia angular da alimentaoR Velocidade angular do rotorS Velocidade angular sncrona do campo rotativo no entreferro em rad/s xviiLISTA DE FIGURAS Figura 1.1 Desenvolvimento de prottipos.................................................................23 Figura 1.2 Primeiro motor de induo monofsico comercializado............................24 Figura 1.3 Evoluo dos motores trifsicos................................................................24 Figura 1.4 Comparao entre motor monofsico e motor trifsico............................25 Figura 1.5 Mercado de motores monofsicos............................................................26 Figura 2.1 Representao de primeiro modelo de circuito equivalente.....................33 Figura 2.2 Representao de segundo modelo de circuito equivalente....................33 Figura 2.3 Representao de terceiro modelo de circuito equivalente......................33 Figura 2.4 Diagrama de ligao de motor com capacitor nico.................................37 Figura 3.1 Ligao de motor monofsico...................................................................39 Figura 3.2 Representao de ngulo de referncia estacionria..............................40 Figura 3.3 Representao de campo direto e campo reverso...................................41 Figura 3.4 Torques resultante, direto e reverso em motor monofsico genrico.......44 Figura 3.5 Motor monofsico com fase auxiliar..........................................................45 Figura 3.6 Diagrama fasorial com enrolamento principal e auxiliar............................46 Figura 3.7 Motor monofsico com enrolamento auxiliar e capacitor de partida.........47 xviiiFigura 3.8 Correntes transitrias e de regime nos enrolamentos..............................48 Figura 4.1 Detalhe construtivo do prottipo utilizado.................................................52 Figura 4.2 Vistas tridimensionais do rotor e estator...................................................53 Figura 4.3 Defasamento angular dos enrolamentos..................................................60 Figura 4.4 Interligao das bobinas no enrolamento principal...................................63 Figura 4.5 Diagrama planificado do estator................................................................66 Figura 4.6 Disposio dos enrolamentos dentro das ranhuras..................................67 Figura 5.1 Circuitos equivalentes do motor de induo monofsico..........................68Figura 5.2 Detalhe das ranhuras e enrolamentos para clculo de disperso............70 Figura 5.3 Fator de disperso de ranhura..................................................................72 Figura 5.4 Detalhe dos enrolamentos para clculo de disp. de cabea de bobina....72 Figura 6.1 Configurao do enrolamento para acoplamento de circuito eltrico.......77 Figura 6.2 Circuito eltrico externo.............................................................................77Figura 6.3 Curva de magnetizao do ao 1010........................................................78 Figura 6.4 Condies de contorno.............................................................................79 Figura 6.5 Mapa de Cores Simulao Magnetodinmica........................................80 Figura 6.6 Detalhe de linha para amostragem de campo..........................................81 xixFigura 6.7 Nveis de densidade de fluxo no entreferro da mquina...........................81 Figura 6.8 Harmnicas- densidade de fluxo no entreferro Config. A....................82 Figura 6.9 Harmnicas - densidade de fluxo no entreferro Config. B.....................83 Figura 6.10 Valores de potncia e corrente eltrica Config. A...............................84 Figura 6.11 Valores de potncia e corrente eltrica Config. B...............................84 Figura 7.1 Montagem experimental............................................................................85 Figura 7.2 Grfico de comparao dos torques.........................................................87 Figura 7.3 Grfico de comparao das correntes......................................................88 Figura 7.4 Grfico de comparao das potncias ativas...........................................88 Figura 7.5 Grfico de comparao das potncias mecnicas...................................89 Figura 7.6 Grfico de comparao dos fatores de potncia.......................................89 Figura 7.7 Grfico de comparao dos rendimentos.................................................90 Figura 7.8 Disposio dos enrolamentos e bobina exploratriz...................................91 Figura 7.9 Disposio do enrolamento principale bobina exploratriz.......................92 Figura 7.10 Formas de onda obtidas na bobina exploratriz.......................................92 Figura 8.1 Quadro Geral de Desempenho.................................................................95 Figura 10.1 Arranjo para clculo das resistncias e harmnicas.............................105 xx10.2 Indicao de linha de referncia.......................................................................106 Figura 10.3 Detalhe das barras rotricas.................................................................108 Figura 10.4 Detalhe das bobinas efase de montagem do motor............................108 Figura 10.5 Verificao da forma de onda e ensaio de motor em freio....................109 xxiLISTA DE TABELAS Tabela 5.1 Tabela comparativa de indutncias de disperso.................................73 Tabela 7.1 Resultados obtidos do ensaio sob carga configurao A..................86Tabela 7.2 Resultados obtidos do ensaio sob carga configurao B..................87 Tabela 10.1 Valores obtidos Arranjos do Enrolamento Principal.......................107 Tabela 10.2 Valores obtidos Arranjos do Enrolamento Auxiliar.........................107 xxiiSUMRIO 1.Introduo.............................................................................................................23 1.1 Motivao do Trabalho....................................................................................27 1.2 Organizao do Trabalho................................................................................29 2.Estado da Arte......................................................................................................31 3.Enrolamentos Principal e Auxiliar na Criao de Campo Magntico Girante.......39 4.Detalhes Construtivos, Configurao e Formatao dos Enrolamentos..............52 4.1 Clculos dos enrolamentos.............................................................................55 4.2 Disposio dos enrolamentos..........................................................................66 5.Caracterizao do Modelo de Circuito Equivalente de Motor Monofsico............68 5.1 Indutncias de Disperso de Ranhura e de Cabea de Bobina......................70 6.Simulao em Elementos Finitos..........................................................................75 6.1 Etapas do processo de simulao...................................................................75 7.Resultados Obtidos...............................................................................................85 7.1 Resultados da Configurao A........................................................................85 7.2 Resultados da Configurao B........................................................................86 7.3 Resultado de ensaio de tenso em bobina exploratriz....................................91 7.3.1 Configurao A.......................................................................................93 7.3.2 Configurao B.......................................................................................94 8.Concluses...........................................................................................................95 9.Referncias Bibliogrficas.....................................................................................98 10. Apndice A - Efeito do Nmero de Espiras nas Bobinas dos Enrolamentos .....104 Apndice B - Fotos dos Equipamentos e Dispositivos.......................................108 23 1.INTRODUO EmumaexposiorealizadanacidadedeLondres,em1879,WalterBaily apresentouumdispositivoeletromecnicoquepossuatrseletroms.Estes eletroms, que estavam ligados em estrela, eram chaveados manualmente na rede eltrica e causavam a rotao de um disco de cobre que ficava sustentado por uma haste, acima das bobinas, visualizado na fig. 1.1 a.Apartirdesteevento,oengenheiroitalianoGalileoFerrarisiniciouseustrabalhos sobrecampomagnticogirante.Em1885atravsdeseuprottipo(fig.1.1b) comprovouquesedoisenrolamentosdiferentesdefasadosde90eltricosfossem percorridosporduascorrentesalternadasseparadas,podiamcriarcampos magnticos independentes e que quando combinados, produziam campo magntico girantesemnecessidadedechaveamentoexterno,utilizando-sedeumafontede alimentaomonofsicaoubifsica.ApsoprottipodeGalileoFerraris,Nikola Tesla desenvolveu em 1888, outro motor de induo bifsico (fig. 1.1c).

(a) (b) (c) Fig. 1.1 Desenvolvimento de prottipos. a) Dispositivo de Walter Baily. b) Rplica do quarto modelo de Galileo Ferraris.c) Prottipo do motor de Nikola Tesla.

24 A partir dos prottipos de Galileo Ferraris e Nikola Tesla, surgiu em 1893, o primeiro motor monofsico produzido em escala industrial projetado pela BBC (Brown Boveri Company),maisprecisamentepeloentoengenheiroeletricistaCharlesEugene LancelotBrown,oqualfoimembrofundadordacompanhiajuntamentecomWalter Boveri. Fig. 1.2 - Primeiro motor de induo monofsico com fase auxiliar produzido pela BBC (potncia 3.5 HP patente 5941- n 988) Em1889,surgeoprimeiromotordeinduotrifsicopatenteadopelaempresa alem AEG atravs de seu engenheiro, o russo Michail O. Doliwo-Dobrowolsky. Os primeirosmotoresdeinduotrifsicoseramextremamentegrandesepossuam alta relao peso/potncia. Observa-se a evoluo dos mesmos na figura 1.3. Fig. 1.3 Evoluo de motor trifsico AEG 4 kW com 2 plos Fonte WEG 25 Quando comparamos mquinas de induo trifsicas e monofsicas de mesma faixa de potncia, verificamos que as ltimas, apresentam algumas desvantagens: menor rendimento,maiorcorrenteeltrica,inexistnciadetorquedepartidacapazde acionar o rotor da mquina sem a utilizao de enrolamento auxiliar alm de serem mais pesadas e volumosas. Fig. 1.4 Comparao de Motor Monofsico (1 CV) x Motor Trifsico(1 CV) - Fabricante WEG Mesmo com todas estas desvantagens, o motor de induo monofsico ainda um dosmotoresmaisempregadosemaplicaesresidenciaisecomerciais,comopor exemplo,pequenoscompressores,bombas,secadoras,refrigeradoresemquinas delavar,fatojustificadopeloperfildaredeeltricaentreguenosestabelecimentos comerciais/residenciais(C.A.monofsicaoubifsica).SegundoaABINEE,no Brasil, o nmero de motores vendidos em 2006, alcanou a marca dos sete milhes de unidades. 26 A figura 1.5 apresenta a quantidade de motores monofsicos vendidos no Brasil at 2006: Fig. 1.5 Mercado de motores monofsicos no Brasil 1980/2006 Fonte: Abinee. 27 1.1 MOTIVAO DO TRABALHO. Sabe-sequeoenrolamentoauxiliarnosmotoresmonofsicos,criacampogirante juntamentecomoenrolamentoprincipal,poisoltimo,funcionandoisoladamente, temcaracterstica decampomagnticopulsante,tornando-seincapazdeacionar o rotor na partida.

fatoquenosmotoresmonofsicos,oenrolamentoprincipalnormalmente alocadonaparteinferiordasranhurasestatricas(prximodacoroa)e,por conseguinte,oenrolamentoauxiliarnapartesuperiordasmesmas(prximodo entreferro). Sabe-setambmqueaindutnciadedispersoderanhuravariaemfunoda posiodoenrolamentodentrodamesma.Baseadonestefato,estetrabalho,tem comoobjetivoprincipal,arealizaodeumaanlisededesempenhodeummotor deinduoassncronomonofsico,medianteamudanadeposiodasbobinas dosenrolamentosprincipaleauxiliardentrodasranhurasestatricascoma finalidadedeobter-sealgumbenefcioemsuaeficincia.Paraisto,foiutilizadoum prottipo de 0.37 kW, 127 V, quatro plos. Duas configuraes de enrolamento foram preparadas e montadas: Naprimeiraconfigurao(configuraoA),oenrolamentoprincipalfoialocadona parte inferior da ranhura, junto coroa, e conseqentemente, o enrolamento auxiliar na parte superior da mesma, prxima ao entreferro. Aps a montagem do prottipo, 28 ensaiosdedesempenhoforamrealizados(ensaiosemvazio,rotorbloqueado,em carga).Nasegundaconfigurao(configuraoB),aposiodosenrolamentosdentroda ranhura foi invertida. Novamente aps a montagem do prottipo, os mesmos ensaios realizadosparaaconfiguraoA,foramrealizadosparaaconfiguraoB.As grandezas obtidas nestes ensaios (corrente, potncia, torque) foram posteriormente comparadas. Utilizou-sealmdosenrolamentosconvencionais,umabobinaexploratrizdefluxo acima do enrolamento de trabalho (enrolamento principal). A utilizao deste recurso permitiuamediodastensesinduzidasnoentreferrodomotorparaasduas configuraes de enrolamento. Os valores medidos das tenses permitiram o clculo das densidades de fluxo no entreferro do motor. Almdisso,foramrealizadassimulaescomputacionais,atravsdesoftware grficodeelementosfinitos,CEDRATFlux2DVerso8.10,comafinalidadede analisarocomportamentodocampomagnticonoentreferrodamquina,paraas duasconfiguraesdeenrolamentos.Assimulaesforamfeitasemregime permanentesenoidal(magnetodinmico)comtensodealimentaoe escorregamento impostos com acoplamento de circuito eltrico. Aps o trmino das simulaes os valores de densidade de fluxo foram comparados. 29 1.2 ORGANIZAO DO TRABALHO. Deformaafacilitaroentendimentoeaapresentaodestetrabalho,faz-seuma rpida descrio do contedo de cada captulo: No primeiro captulo, faz-se a introduo e a motivao deste trabalho. Nosegundocaptulo,faz-seumabreveabordagemdepublicaesfeitascom motoresdeinduoassncronosmonofsicos.Algunsdestestrabalhosabordam estratgiasdesimulaodomotoremquestocomafinalidadedeestimar grandezascomocorrente,torque,densidadedefluxo.Emoutrostrabalhos, apresentam-sepropostasdeaumentonaeficinciadosmesmos,atravsde modificaes realizadas no projeto: utilizao de diferentes aos eltricos, utilizao de diferentes configuraes nos enrolamentos, utilizao de capacitores de partida e permanente com diferentes valores. No terceiro captulo, realiza-se o estudo do comportamento dos campos magnticos paraaomotordeinduomonofsicocomenrolamentoprincipalchegando-seao equacionamentodecampopulsante.Posteriormente,feitaumaanlisedas interaescomosdoisenrolamentosfuncionandosimultaneamente(enrolamento principaleenrolamentoauxiliar),equacionando-seassim,ocampogirante propriamente dito. 30 Apresentam-senoquartocaptulo,ascaractersticasconstrutivasdoprottipo utilizado no trabalho e os detalhes referentes aos enrolamentos principal e auxiliar. Noquintocaptulo,calculam-seasindutnciasdedispersodasranhuras estatricaseasindutnciasdedispersodecabeadebobina,nasduas configuraes propostas de enrolamento indicando-se suas respectivas diferenas. No sexto captulo, apresentam-se os resultados das simulaes computacionais com softwaredeelementosfinitosCEDRATFlux2DVerso8.10,comoobjetivode determinar a densidade de fluxo no entreferro do motor para as duas configuraes de enrolamento, uma vez que este software permite tal processo. Nostimocaptulocomparam-seosresultadosobtidosnosensaiosdasduas configuraes e tambm das simulaes computacionais. No oitavo captulo so apresentadas as concluses do trabalho. Noapndiceapresentadoumestudorelativoaocomportamentodasharmnicas decampomedianteavariaodaquantidadedeespirasnasbobinasexternas, intermedirias e internas. Tambm so apresentadas fotos dos equipamentos e dos dispositivos utilizados para realizao deste trabalho. 31 2.O ESTADO DA ARTE. O motor de induo monofsico tem sido objeto de diversos trabalhos e publicaes, nosomentepeloseuprincpiodefuncionamento,mastambmporsuagrande utilizao e aplicao em acionamentos domsticos e comerciais. Neste captulo, algumas publicaes feitas no IEEE sero brevemente comentadas. Deummodogeral,grandepartedaspublicaestratamdomesmoobjetivo,que consistenaanlisededesempenhodomotordeinduomonofsico,orafocadas em ensaios prticos ora focadas em simulaes computacionais. Estimar o comportamento das grandezas eltricas e magnticas de motores na fase deprojetotornou-seextremamentevantajoso,umavezquepode-seprever eventuaisproblemasantesdafabricaodosmesmos.Asgrandezasdeinteresse podemserestimadasatravsdesoftwaressimuladores,quesebaseiamem modelos matemticos j consagrados. Osmodelosmatemticosutilizadosnasimulaodemotoresdeinduo monofsicos dividem-se basicamente em modelos em regime permanente senoidal, baseadosnateoriadoscamposgirantesduplosatravsdevariveiscomplexas (Fitzgerald,1975;Falcone,1979;McPherson,Laramore,1981;Alger,1995;Cathey, 2001) e modelos em regime transitrio, que utilizam-se de equaes diferenciais de eixodiretoequadratura.Asimulaotransitriapodeserrealizadautilizando-se softwarestpicosutilizadosnaengenhariaeltrica(Pspice,EMTP,MatLab) possibilitandoestimargrandezascomotorqueeletromagntico,potncia(Faiz, 32 Keyhami,1999)ouqualquergrandezadeinteressecomotensoecorrentede partida (Adkins,1975;Alger,1995). Umavezqueamaioriadosacionamentoseletrnicospossuiestratgiasde simulaojestabelecidascomo,porexemplo,controlevetorialecontroleescalar, torna-sepossveltambmsimularmotoresdeinduomonofsicosquando alimentados por acionamentos eletrnicos.Utilizando-se de um modelo em regime permanente senoidal (Rahim,Shaltout,2002) atravs de variveis complexasfoi possvel simular o motor de induo monofsico conectadoauminversordefrequnciabifsicoemsoftwareMatLabeestimar grandezascomocorrenteeltrica,torqueeletromagnticoepotnciaeltrica.Os valores obtidos na simulao foram comparados posteriormente com valores obtidos emensaiosrealizadosemumprottipo.Osvaloresdecorrente,torqueepotncia obtidos na simulao e nos ensaios prticos foram praticamente iguais. Sabe-sequeautilizaodecircuitosequivalentesbaseadosnateoriadoscampos girantes duplos consiste basicamente no emprego de impedncias de campo direto ecamporeverso.Nestemodelo,observa-sequeparadeterminadosvaloresde escorregamento,osresultadossimuladosapresentamdiferenasemrelaoa ensaios obtidos em prottipos no que tange aos valores de corrente e torque. Assim, foram propostos trs circuitos equivalentes para um motor monofsico (Collins,Boyd, 1993)comintuitodeotimizarodesempenhodomesmo,atravsdainserodas resistncias de perdas em diferentes pontos do circuito.Noprimeirocircuitoequivalente(figura2.1)utilizou-searesistnciadeperdasno ferro (RFE) em paralelo com a fonte de alimentao, antes da impedncia do estator. 33 Fig. 2.1 Representao de circuito equivalente com perdas no ferro Primeiro modelo proposto (Collins,Boyd, 1993) No segundo circuito equivalente (figura 2.2), as perdas no ferro foram inseridas aps a impedncia do estator, ou seja, em paralelo com o circuito referido do rotor. Fig. 2.2 Representao de circuito equivalente com perdas no ferro Segundo modelo proposto (Collins,Boyd, 1993) Noterceirocircuitoequivalente(figura2.3),asperdasnoferroforamdivididasem duas parcelas (resistncia direta e reversa), ambas no circuito referido do rotor. Fig. 2.3 Representao de circuito equivalente com perdas no ferro Terceiro modelo proposto (Collins,Boyd, 1993) FE RFE RFE R34 Verificou-se que grandezas como corrente, potncia e torque, obtidas com o terceiro modelo,apresentarammargemdeerrodesprezvelemrelaoaosvaloresobtidos em ensaio com um prottipo. Asgrandezasdenaturezaeltricaemagnticatambmpodemserestimadas atravsdesimulaocomputacionalbaseadanomtododoselementosfinitos (MEF).Duassimulaes2D(Enokizono,Yoshioka,1987)foramrealizadascomsoftware de elementos finitos com acoplamento de circuito, com objetivo de melhorar odesempenhodeummotordeinduomonofsico.Osvaloresdascorrentesno enrolamento principal e no enrolamento auxiliar foram obtidos nas simulaes, assim como as perdas no ferro atravs das distribuies das correntes parasitas, para dois valores de escorregamento. Os valores das correntes medidas em um prottipo e os valores simulados apresentaram margem de erro desprezvel.

Noqueserefereotimizaodomotordeinduomonofsico,umasimulao magneto-transitria2Dbaseadanomtododoselementosfinitosfoirealizada (Enokizono, Miyazaki, 1999) com objetivo de aumentar o torque de partida do motor medianteainclinaodasranhurasestatricas.Foramsimuladosnovengulosde inclinaodiferentesnasranhurasestatricas:-6o,-4.5o,-3o,-1.5o,0o,+1.5o, +3o,+4.5o,+6o. Verificou-se atravs de ensaio que o mximo torque foi obtido quando o ngulo de inclinao das ranhuras era +4.5 o.Utilizando-se de um software grfico baseado em elementos finitos, trs simulaes emdomniobidimensional,deummotordeinduomonofsicoforamrealizadas operandonosmodosmotor,geradorefrenagem(Rajanatham,Watson,1996).A simulaoemelementosfinitosfoirealizadacomacoplamentodecircuitoeltrico. 35 Foramrealizadostambmensaiosemumprottiponostrsmodosdeoperao citados acima. No modo motor, as formas de onda dos sinais de tenso, corrente e torqueforammonitoradosporumsistemadeaquisiodedadoseposteriormente comparadoscomosresultadosdassimulaes.Nomodogerador,astenses geradas no prottipo foram medidas pelo sistema de aquisio e comparadas com a simulao no modo gerador e da mesma forma, o torque necessrio para frenagem foi medido e comparado, no modo frenagem. Os valores obtidos nas simulaes do motormonofsicoutilizadonostrsmodosforamconsideradosaceitveisem relao aos valores medidos pelo sistema de aquisio de dados. Osmotoresde induomonofsicos,nasuagrandemaioria, sofabricadoscom o nmerodeplosfixo,ouseja,comavelocidadedefinida.Emmotorescomduas velocidades, usados em mquinas de lavar, por exemplo, os mesmos possuem dois enrolamentosindependentes,umenrolamentocom4plosparaaltavelocidadee outroenrolamentoparabaixavelocidadede6ou8plos.Foipossvel,atravsde umasimulaocomputacional2Dbaseadanomtododoselementosfinitos, visualizarasdistribuies de campo de um motorcom duas velocidadesutilizando-se um enrolamento comum (Fei, Lloyd,1995) com opo de ligao em 4 ou 8 plos. Foramrealizadostambmensaioscomprottipocomprovando-seaeficciadesta configuraodeenrolamento.Ficoucomprovadatambmareduonaquantidade de fio usado no prottipo decorrente da utilizao de um enrolamento apenas. Sabe-sequeodesempenhodosmotoreseltricosvariaemfunodosmateriais ferromagnticosempregadosnafabricaodoestatoredorotor,dosarranjosdas ranhurasestatricaserotricas,dasdisposiesdosenrolamentosnoestator,etc. 36 Combasenestesfatores,buscou-seotimizarodesempenhodeummotorde induomonofsicoatravsdacombinaodediversosaspectos(Huang,Fuchs, White, 1990) tais como: os aos eltricos utilizados na fabricao do estator e rotor, osvaloresdoscapacitorespermanentesassociadosaocircuitodomotorea distribuio dos enrolamentos.Foram utilizados trs materiais ferromagnticos, duas configuraes de enrolamento (passoplenoepassofracionrio)equatrovaloresdecapacitoresdiferentes.Cada materialferromagnticofoisubmetidoaensaioscomcadaconfiguraode enrolamento e cada valor de capacitor.Paratodasascombinaesrealizadas,foiobservadoqueorendimentodomotor aumentouquandoseutilizoumaterialferromagnticocombaixaperdanoferro, porm,verificou-sequeofatordepotnciadomotordiminuiu.Foiobservado tambmqueautilizaodepassofracionrio,aumentouorendimentodomotor devido reduo de campos harmnicos. Na mesma linha, uma anlise de desempenho foi realizada em motores de induo monofsicos(Fuchs,Vandenput,White,1990)atravsdainserodediferentes valores de capacitores permanentes (12 F, 50F, 93F, 123F). Concluiu-se que o aumentodorendimentofoiobtidocomcapacitorpermanentedemaiorvalor,por outrolado,quandoseutilizoucapacitoresacimade123F,nofoipossvelcriar campo girante na partida. Aindanoqueserefereutilizaodecapacitoresemmotoresmonofsicoscom dois capacitores (partida e permanente), foi proposto um mtodo de partida (Muljadi, Zhao,Liu,Lipo,1991)quesubstituaachavecentrfugaeocapacitorpermanente 37 convencionalporumcapacitorchaveadocontroladoatravsdeumretificador bidirecionalligadoemparalelo(figura2.4),possibilitandoocontroledacorrentedo enrolamentoauxiliarnapartidaedepoisemregimepermanenteatravsdo chaveamento eletrnico. Fig. 2.4 Representao de circuito equivalente de motor monofsico com capacitor nico Modelo proposto (Muljadi, Zhao, Liu, Lipo, 1991) Emoutrotrabalho, (MerweC.V.Merwe, F.S.,1995),foram propostosecomparados doismtodosparaestimargrandezascomocorrenteetorqueemmotoresde induo monofsicos.No primeiromtodo proposto, osparmetros domotor foramcalculadosbaseando-se em medies monofsicas, utilizando-se do mtodo clssico dos campos girantes duplos.Nesteprimeiromtodo,comosdoisenrolamentosnoestator(principale auxiliar), realizam-se os ensaios em vazio e rotor bloqueado. A partir destes ensaios, calculam-seosparmetrosdocircuitoequivalenteemtermosdascomponentesde campo direto e reverso.No segundo mtodo, o motor de induo monofsico tratado como motor bifsico, ou seja, o enrolamento auxiliar passa a ser a outra fase do motor. Assumiu-se neste segundomtodoqueonmerodeespirasnosenrolamentosprincipaleauxiliar eram iguais, assim como as correntes nos dois enrolamentos tambm. Realizam-se os mesmos ensaios feitos no primeiro mtodo. Calculam-se os parmetros do motor 38 obtidosnosegundomtodo.Calculam-seposteriormente,apartirdosparmetros obtidos nos dois mtodos torque, potncia e corrente de linha. Dois prottipos, HP e 1 HP, foram utilizados para comparar valores prticos com valores tericos obtidos atravsdosmtodospropostos.Conclui-sequeosegundomtodo(motorbifsico) fornece resultados mais precisos do que o primeiro mtodo (medies monofsicas) para os dois prottipos utilizados. 39 3.ENROLAMENTO PRINCIPAL E ENROLAMENTO AUXILIAR NA CRIAO DE CAMPO MAGNTICO GIRANTE. Afigura3.1representaaligaodeummotordeinduomonofsicocomrotor gaioladeesquilo,naqualoenrolamentoprincipalestconectadoaumafontede tenso alternada. Supomos neste caso, que o enrolamento principal esta distribudo nas ranhuras do estator.

Fig. 3.1 Ligao de motor monofsico. Impondo-se no enrolamento principal, uma fonte de tenso senoidal na forma:

(3.1) Emregimepermanente,surgenomesmoenrolamento,umacorrenteeltrica conforme equao 3.2 do tipo: (3.2) MAX V(t) = V cos(t)MAX P P I (t) = I cos( -t) V(t)P I (t)40 OndeP na equao 3.2 o ngulo de defasagem entre a tenso e a corrente no respectivo enrolamento, calculado conforme equao 3.3: (3.3) OndeXLPeRPsorespectivamenteareatnciaindutivaearesistnciaeltricado enrolamento principal.Neste tipo de motor, o rotor est sob a ao de uma fora magnetomotriz produzida pelas NP espiras do enrolamento principal conforme equao 3.4: (3.4) Sabe-sequemotorescomenrolamentosmonofsicosproduzemcampomagntico com comportamento espacialmente estacionrio e caracterstica pulsante no tempo. Reescrevendoaequao3.4,agoraemfunodeumareferncianoestatore, representado na figura 3.2 tem-se: Fig. 3.2 Representao de ngulo de referncia estacionria. MAX MAX P P. P P P P F (t) = N Icos( -t) = F cos( -t) arctanP LPPX= R41 (3.5) Aplicando as propriedades trigonomtricas do produto de cossenos em 3.5, resulta: (3.6) Destaca-senoprimeirotermodaexpressoacomponentedaforamagnetomotriz de campo diretoD Fe no segundo termo a componente da fora magnetomotriz de camporeversoR F .Ambasvariandosenoidalmentenafrequnciaangularda correnteeltrica( )eespacialmente( e)emsentidosopostos,commetadeda amplitude da fora magnetomotriz mxima. Fig. 3.3 Representao de campo direto e campo reverso no entreferro de um motor monofsico apenas com enrolamento principal. Reescrevendoaequao3.6,emfunodascomponentesdecampodiretoe reverso, temos: ) ) MAXP P. P .P F (t,e) N I cos( -t cos(e =1 1) )2 2MAXMAXP P. P P P. P P F (t,e) N I cos( t e N I cos( t e = + + + +ESTATORROTORENTREFERRO42 (3.7) Damesmaformaqueaforamagnetomotriz,podemosdescreveraintensidadede campo magnticoH(t,e) , a induo magnticaB(t,e) e o fluxo no entreferro por plog (t,e) em funo das componentes de campo direto e reverso. Sendo Lg o comprimento do entreferro, da equao 3.8 temos: (3.8) Substituindo 3.8 em 3.6, temos que a intensidade de campo magntico no entreferro se torna: (3.9) Ou (3.10) A induo magntica no entreferroBg pode ser calculada a partir da equao 3.11: (3.11) onde 0 a constante de permeabilidade magntica no ar. Resulta que a induo magntica no entreferro : (3.12) Ou P D R (t,e) (t,e) (t,e) F F F = +1 1) )2 2MAX MAX P PP Pg gN .I N .IHg (t,e) cos( t e cos( t eL L = + + + +1 1. ) . )2 20 0MAX MAXP Pg gN.I N.IBg (t,e) cos( cos(L Lt e t e = + + + +gF N.IF =H. H = Hg = L LN.I =L 1 1) )2 2MAX MAX P P Hg (t,e) H cos( t e H cos( t e = + + + +0 0gN.IBg = g Bg = L.H 43 (3.13) E seu fluxo no entreferro por plo g (t,e) conforme equao 3.14: (3.14) onde p o nmero de pares de plos do estator. Ainteraoentreas correntes induzidas produzidas pelo enrolamento principalcria consequentemente torques de direes opostas no rotor, fazendo com que o mesmo permanea parado quando energizado o estator. Casoorotorsejacolocadoemmovimento(poralgummeioexterno),omesmo estarafetadodeescorregamentosdiferentesemrelaoacadacomponentede campo. Assim o escorregamento SD em relao ao campo direto se torna ento: (3.15) OndeNsavelocidadesncronaeNRavelocidadedorotoremrotaespor minuto. E o escorregamento SR em relao ao campo reverso ser: (3.16) S RDSN -N== Ns s S R S+ R S SRS S S SN -(-N ) N N N N (1-s)=2 - sN N N Ns = = + =2. Bg (t,e)dsg (t,e) =pS1 1) )2 2MAX MAX P P Bg (t,e) B cos( t e B cos( t e = + + + +44 Entootorquediretoemfunodoescorregamento,dadopelaequao3.17se torna (Puchstein, 1942): (3.17) Similarmente,otorquereversoemfunodoescorregamento,dadopelaequao de 3.18, (Puchstein, 1942) ser: (3.18) Portanto, o torque resultante no rotor, conforme equao 3.19, ser: (3.19) Fig. 3.4 Torques Resultante, Direto e Reverso em motor de induo monofsico genrico. R D T T T = +| |22 2DS . R . (I )=N.mNTs| |22 2RS . R . (I )= - N.mN ( )T2-s45 Oequacionamentodescritoatomomentorefere-seaomotordeinduo monofsicoapenascomenrolamentoprincipalalojadonoestator,quenaverdade noproduztorquedepartida.Paraproduodetorquedepartida,aloja-seno estatorumenrolamentoauxiliarposicionado90eltricosemrelaoao enrolamento principal. Aconfiguraodeummotormonofsicocomenrolamentoauxiliarpodeser visualizada na figura 3.5: Fig. 3.5 Motor monofsico com fase auxiliar (split-phase). Pela figura verifica-se que as tenses nos enrolamentos principal e auxiliar so iguais, portanto: (3.20) Lembrandoque osvalores de resistncia eltricaRAede reatncia indutivaXLAdo enrolamentoauxiliardiferem dosvaloresderesistnciaeltricaereatnciaindutiva doenrolamentoprincipal,obtemosassim,diferentesngulosdedefasagens. Portanto,orespectivongulodefasedacorrentedoenrolamentoauxiliar A se torna: MAX P A V (t) = V (t) = Vcos(t)V(t)P I (t)A I (t)I(t)46 (3.21) Podemosrepresentarento,ascorrentesnosenrolamentosnaformafasorial conforme figura 3.6: Fig. 3.6 Diagrama fasorial do motor monofsico com fase auxiliar (split-phase). Outro mtodo de partida, proposto por Steinmetz, inclua a ligao de um capacitor emsriecomoenrolamentoauxiliar,produzindoumtorquedepartidamais vigoroso,obtidopelodefasamentode90eltricosentreascorrentesdos enrolamentos (Puchstein, 1942), ou seja: [Newton-metro](3.22) Naequao3.22,otermo2 R aresistnciadorotorreferidaaoenrolamento principal,aconstanteaarelaodeespirasentreoenrolamentoprincipale auxiliareaconstante19,10ofatordeconversoparaoreferidosistemade unidades. LA

AAX=arctanR( )2PRT P A A PS19,10 R'T . I . I .sen a = P P I

A A I

I

V

ref.47 (a) (b) Fig. 3.7 a) Motor monofsico com enrolamento auxiliar e capacitor de partida.b) Diagrama fasorial das correntes nos enrolamentos. Comoaconexoentreenrolamentoprincipaleauxiliarocorreduranteumcurto perodo, convm referir as equaes de corrente a este intervalo. Sendo a corrente total do motor obtida conforme equao 3.23:

(3.23) Pode-sedividiracorrentenoenrolamentoprincipal,emcomponentetransitriae componente de regime (Rashid, 1993) conforme equao 3.24: (3.24) OndeaconstanteBovalormximodacorrenteemregime,Aoacrscimode corrente no valor de B durante a partida, LP a indutncia do enrolamento principal e RP a resistncia eltrica do mesmo enrolamento.No enrolamento auxiliar, a sua respectiva componente transitria obtida conforme equao 3.25: ( )PP R-t2LP P P I (t) A.e cos( t) Bcos( t) = + = P A I(t) I (t)+I (t) P P I

A A I

V

I

48 (3.25) Onde a constante C a corrente mxima de pico alcanada na partida, RA, LA, CAP eRa2La so respectivamente a resistncia eltrica do enrolamento auxiliar, a indutncia doenrolamentoauxiliar,ovalordocapacitordepartidaeocoeficientede amortecimento.AsconstantesA,B,C,RA,LA,RPeLPpodemserdeterminadas atravsdeinstrumentaoapropriadautilizadanosensaiosemvazio,curtoe resistncia cc medida diretamente nos enrolamentos. Assim,asformasdeondadascorrentespossuemcaractersticasvisualizadasna figura 3.8: Fig. 3.8 Comportamento transitrio e de regime das correntes nos enrolamentos. Ento, com os dois enrolamentos, a fora magnetomotriz total se torna: (3.26) ( )( ) ( )2AA R-tA2LAA A APR 1I (t) C.e cos t2L L .C= | | | |\ .P A F(t,e) F (t,e) F (t,e) = +49 E sabendo-se que a fora magnetomotriz produzida pelo enrolamento proporcional a quantidade de espiras e a corrente eltrica que por ele passa, tem-se: (3.27) Substituindo-seasequaes3.24e3.25naequao3.27obtm-se respectivamente: (3.28) e (3.29) Ento a fora magnetomotriz total com os dois enrolamentos se torna: (3.30) Da mesma forma, a intensidade de campo magntico no entreferro ser: (3.31) ( )( ) ( )2AAR-tA 2LA A APA AR 1C.e cos t2L L .CF (t,e) = N .| || | | | ||\ .\ .F(t,e) N.I(t,e) =( )Rp-t2LpP P P P F (t,e) N . A.e cos( t)cos(e) Bcos( t)cos(e) = + | | |\ .( )( )( ) ( )2AAPPR-tA 2LA A APR-t2LP P PAR 1C.e cos t2L L .CF(t,e) N . A.e cos( t)cos(e) Bcos( t)cos(e) N . cos(e) | |= + + |\ .| || || | | | | | ||\ .\ .\ .( )( )( )( ) ( )( ) ( ) ( )2PPRA2LAR2LAA A AP-tP-tR 12L L .CAP P A.e cos( t)cos(e) Bcos( t)cos(e)Hg (t,e) N .LgC.e cos t cos(e) N .Lg + = +50 E tambm a induo magntica no entreferro:

(3.32) Nestecaptuloequacionam-seoscamposmagnticosnoentreferrodomotor. Primeiramentesomentecomoenrolamentoprincipalenergizadopelafontede alimentao. Lembrando que nesta situao o rotor fica parado sob a ao de foras magnetomotrizesdesentidoscontrrios,criandocomponentesdecampodiretoe reverso.Depoisoequacionamentosefazparaasituaoemqueoutroenrolamento defasadode90grauseltricosdoenrolamentoprincipal(enrolamentoauxiliar) alojado no estator da mquina. Neste caso a mquina passa a trabalhar como motor eltricobifsicodesequilibrado,criando-secamporesultantegiranteeobtendo-se torquecapazdeacionarorotordamquina.Umavezqueorotoratingede6075%desuavelocidadenominalderotao,oenrolamentoauxiliardesacoplado da fonte de alimentao atravs de um interruptor centrfugo. O enrolamento auxiliar possui resistncia eltrica e reatncia indutiva diferentes dos valores de resistncia e reatnciadoenrolamentoprincipaleumavezqueoperodoqueomesmose mantmenergizadomuitocurto,justifica-seautilizaodeumamenorbitolade ( )( )( )( ) ( )( ) ( ) ( )020RP2LPRA2LA AA A AP-t-tR 12L L .CAP PPA.e cos( t)cos(e) Bcos( t)cos(e)Bg (t,e) N .LgC.e cos t cos(e)N .Lg + = +| | | |\ .| | | | |\ .51 fio,ocasionandoemdiferentesngulosdedefasagemdascorrentesentreo enrolamento principal e o enrolamento auxiliar. Para obter um torque mais vigoroso, liga-seumcapacitordepartidaemsriecomoenrolamentoauxiliarqueadiantaa corrente eltrica do mesmo, tornando o ngulo entre as correntes dos enrolamentos prximo de 90 graus.Ascorrentesnestesenrolamentosforamdescritasemtermosdecomponentes transitrias,componenteemregimepermanentesenoidalecoeficientesde amortecimento.No captulo seguinte so apresentados clculos referentes ao enrolamento principal, aoenrolamentoauxiliar,adistribuionasranhurasetambmsuasrespectivas caractersticas eltricas. 52 4.DETALHES CONSTRUTIVOS, CONFIGURAO E FORMATAO DOS ENROLAMENTOS DO PROTTIPO. Nesta fase do trabalho, so fornecidos os detalhes construtivos do prottipo, no que serefereaoformatodoestator,rotor,clculoseformataodosenrolamentosdo mesmo.Afigura4.1,mostraodetalhamentodageometriadasestruturas ferromagnticas utilizadas no motor. Figura 4.1 Detalhe construtivo do prottipo e dimenses das ranhuras. 53 Nas figuras 4.2 a e 4.2 b so representadas as vistas tridimensionais do rotor e estator respectivamente. (a) (b) Figura 4.2 Vista tridimensional (a) rotor (b) estator. DADOS GERAIS DO PROTTIPO Modelo:............................................................................A560877 NEMA56 (WEG) Freqncia:......................................................................................................60 Hz Potncia Nominal:........................................................................................1/2 C.V. Tenso Nominal:...............................................................................................127V Nmero de Plos:..........................................................................................4 plos Fator de Servio:.....................................................................................................1 Regime de Trabalho:............................................................................................S1 Classe de Isolamento:................................................................................Classe B Refrigerao:................................................................................Ventilador InternoGrau de Proteo:.............................................................................................IP21 Capacitor Eletroltico:...............................................................215 259 F / 127V 54 DADOS DO ESTATOR. Espessura das Chapas:................................................................................0,5 mm Tipo de Ranhuras:............................................................................Semi AbertasNmero de Ranhuras Estatricas:......................................................32 Ranhuras Dimetro Interno da Coroa Estatrica:.........................................................100 mm rea da Coroa Estatrica:...................................................................2001,82 mm2 Comprimento do Pacote do Estator:...........................................................46,4 mm Peso do Pacote de Chapas:...........................................................................5,1 Kg DADOS DO ROTOR. Tipo:..................................................................................Gaiola de Esquilo (Skew)Espessura das Chapas:..............................................................................0,5 mm Tipo de Ranhuras:.....................................................................................Fechadas Nmero de Ranhuras Rotricas:..........................................................44 Ranhuras Dimetro do Rotor:......................................................................................99,5 mm Comprimento do pacote do rotor:...............................................................46,4 mm Peso do Rotor:...............................................................................................1,8 Kg 55 4.1 CLCULOS DOS ENROLAMENTOS. O enrolamento principal e o enrolamento auxiliar foram executados em formato concntrico, camada simples, com distribuio definida em funo da quantidade de dentes do estator, nmero de plos e os passos das bobinas, que neste caso foram encurtadas para reduo das harmnicas de campo (ver figura 4.5) 1.Nmero de Ranhuras do Estator (NRANH) O pacote de lminas do prottipo encontrava-se pronto e, portanto o nmero de ranhuras do estator j estava definido. NRANH = 32 ranhuras 2.Nmero de Plos (2p) O nmero de plos do motor foi executado para uma velocidade sncrona de 1800 rotaes por minuto. 2p = 4 plos 3.Nmero de Fases (NF) O prottipo foi montado para um nico valor de tenso, no caso 127 Volts.NF = 1 fase 4.Encurtamento de Bobina ()A bobina externa foi encurtada para reduo das harmnicas de campo. = 1 ranhura

56 5.Passo Polar (Y P 180 eltricos)O passo polar o nmero de dentes ocupado por um plo da mquina equivalente a 1800 eltricos. YP = D N2p = 324= 8 dentes ou 1 9 ranhura (4.1) 6.Passo da bobina externa (YBE)O passo da bobina externa foi executado com encurtamento de um dente em relao ao passo polar (ver figura 4.15). YBE = YP = 8 - 1 = 7 dentes ou 1 8 ranhura (4.2) 7.Passo da bobina intermediria (YBI)Como se trata de enrolamento concntrico, o passo da bobina intermediria foi executado com encurtamento de trs dentes em relao ao passo polar (figura 4.15). YBI = YP 3 = 8 - 3 = 5 dentes ou 2 7 ranhura(4.3) 8.Passo da bobina interna (YBi) O passo da bobina interna foi executado com encurtamento de cinco dentes em relao ao passo polar (ver figura 4.15). YBi = YP 5 = 8 - 5 = 3 dentes ou 3 6 ranhura (4.4) 57 9.Graus eltricos por ranhura () a relao entre arco polar e o nmero de ranhuras abrangido pelo mesmo. = P180 eltricosY = 180 eltricos8 ranhuras= 22,5 eltricos (4.5) 10.Passo de Fase (YF) a distncia em nmero de dentes ou em ranhuras entre o enrolamento principal e o enrolamento auxiliar. YF = 90 eltricos 90 eltricos22,5 eltricos = = = 4 dentes ou 1 5 ranhura (4.6) 11.Fator de passo das bobinas (KP) Para que a fora magnetomotriz presente no entreferro do motor tenha forma de onda senoidal, o nmero de espiras em cada bobina foi determinado em funo do fator de passo KP (Veinott, C.G. 1948): Bobina Externa (KPE) O fator de passo da bobina externa foi calculado com base no passo da bobina externa e o passo polar. KP bobina externa = BEPY 7sen . 90 = sen . 90 = 0,98Y 8 (4.7) 58 Bobina Intermediria (KPI) O fator de passo da bobina intermediria foi calculado em funo do passo da bobina intermediria e o passo polar. KP bobina intermediria = BIPY 5sen . 90 = sen . 90 = 0,831Y 8 (4.8) Bobina Interna (KPi) O fator de passo da bobina interna foi calculado em funo do passo da bobina interna e o passo polar. KP bobina interna = BiPY 3sen . 90 = sen . 90 = 0,555Y 8(4.9) Fator de passo total (KPT) Somando-se os fatores obtidos nas equaes 4.7, 4.8 e 4.9 obtm-se: KPT = KPE + KPI + KPI = 0,98 + 0,831 + 0,555 = 2,366(4.10)

12.Percentual de espiras por bobina (PB) Com os fatores obtidos em 4.7, 4.8, 4.9 e 4.10, determinam-se as porcentagens de espiras (PBE, PBI e PBi) para cada bobina do enrolamento principal, que no nosso caso foi executado com trs bobinas por plo e fase, portanto, temos para a bobina externa: PBE = PEPTK 0,98. 100% = . 100% = 41%K 2,366 (4.11) 59 Para a bobina intermediria: PBI = PIPTK 0,831. 100% = . 100% = 35%K 2,366(4.12) E para a bobina interna: PBi = PiPTK 0,555. 100% = . 100% = 23%K 2,366 (4.13) 13.Nmero de Bobinas Enrolamento Principal (NBP)Para enrolamentos concntricos, camada simples, trs bobinas por plo e fase (NPF), quatro plos, a quantidade de bobinas do enrolamento principal calculada em 4.14: NBP = NPF. 2p = 12 bobinas (4.14) 14.Nmero de Bobinas Enrolamento Auxiliar (NBA) A quantidade de bobinas do enrolamento auxiliar foi produzida com a mesma quantidade do nmero de bobinas do enrolamento principal: NBA = NBP = 12 bobinas (4.15) 15.Nmero de espiras do enrolamento principal (NP) Para o clculo do nmero de espiras utilizou-se a equao 4.16: 60 BOBINAPMAX P E.N= V4,44.f.K B .S (4.16) Onde VBOBINA a tenso induzida em cada bobina, f a frequncia da rede eltrica, KE o fator de enrolamento, BMAX a induo mxima no entreferro do motor e SP a rea do plo. O fator de enrolamento KE foi calculado conforme equao 4.17 (Jordo,1980) com base no esquema da Figura 4.3: Figura 4.3 Defasamento angular das bobinas no enrolamento principal. 61

E K= 0,82(4.17) A rea do plo pode ser calculada (Liwschitz, 1963) conforme equao 4.18: ROTOR ROTOR-3 2P. D . LS=mp2,19 .10 =(4.18) Com2bobinasemsrie(figura4.4)atensoemcadabobinadoplosetornaa metadedatensodaredeeltrica.Portanto,onmerodeespirasdoenrolamento principal,considerando-separaefeitodesimplificao,ainduomximano entreferro com valor de 1 Tesla, temos

BOBINAP-3MAX P E.N= V 127/2== 133 espiras4,44.f.K B .S 4,44 . 60 . 0,82 . 1. 2,19.10 (4.19) 16.Nmero de espiras de cada bobinaCom as porcentagens obtidas em 4.11, 4.12 e 4.13 calcula-se o nmero de espiras de cada bobina. Para a bobina externa PE P N= N. PBE(4.20) PE N= 133 . 0,41 = 55 espiras 21. 2. 3. 3. 2. 1.j11,25 j33,75 j56,25 -j56,25 -j33,75 -j11,25E1 2 3K= N e + N e + N e + N e + N e + N eN +N +N62 Para a bobina intermediria PI P N= N. PBI (4.21) PI N= 133 . 0,35 = 46 espiras Para a bobina interna Pi P N= N. PBi(4.22) Pi N= 133 . 0,23 = 32 espiras 17. Seo transversal dos condutores (S) Abitoladoscondutoresfoiescolhidaemfunodacorrentedoenrolamentoem condies nominais e pela densidade de corrente (J) do mesmo.Considerando-sequeomotorpossuiventilaointerna,considerou-seuma densidade de corrente com valor de 4 A/mm2 . Acorrente total emcondies nominaisfoi calculadaconformeequao 4.23,onde osvaloresdepotnciaativaefatordepotnciaforamextradosdatabela7.2 plena carga:

| |TNI= P 570== 8,9AV .cos127 . 0,5 (4.23) Paraatensonominal(VN)doenrolamentoem127V,asbobinassointerligadas conforme Figura 4.4: 63 Figura 4.4 Interligao das bobinas no enrolamento principal. Portantoa corrente eltricaem cada bobina(IBOB)ametadedacorrentetotale a seo transversal do enrolamento principal : BOB28,92S =mmI == 1,1125 J 4 ( (4.24) Utilizou-se 2 condutores paralelos com metade da bitola encontrada em 4.24. T IBOB IN V64 DADOS DO ENROLAMENTO PRINCIPAL Bitola:.......................................................................19 AWG (2 circuitos paralelos) Resistncia Eltrica do Enrolamento Ensaio CC:..................4,1 (cada circuito) Resistncia Eltrica do fio ( / km 20C):.......................................................26,5 Nmero de Espiras por Plo:..............................................................................133Nmero de Espiras (Bobina Externa): .................................................................55Nmero de Espiras (Bobina Intermediria): .........................................................46Nmero de Espiras (Bobina Interna): ...................................................................32 Nmero de Bobinas por Plo e Fase:.....................................................................3 Oenrolamentoauxiliarfoiexecutadocom55%donmerodeespirasdo enrolamento principal (Veinott, C.G. 1948): BOBINAAMAX P E.N= . 0,55V4,44.f.K B .S(4.25) A-3N= . 0,55 127/2= 75 espiras4,44 . 60 . 0,8 . 1. 2,19.10 Distribui-se o enrolamento auxiliar da mesma forma que o enrolamento principal, ou seja,executou-senoformatoconcntrico.Entocomasmesmasporcentagens obtidasem4.11,4.12e4.13,calculou-seaquantidadedeespirasemcadabobina do enrolamento auxiliar conforme 4.21, 4.22 e 4.23. 65 DADOS DO ENROLAMENTO AUXILIAR. Bitola:.......................................................................20 AWG (2 circuitos paralelos) Resistncia Eltrica do Enrolamento Ensaio CC:..................3,3 (cada circuito) Resistncia Eltrica do fio ( / km 20C):.......................................................33,5 Nmero de Espiras por Plo:................................................................................75Nmero de Espiras (Bobina Externa):..................................................................33Nmero de Espiras (Bobina Intermediria):..........................................................26Nmero de Espiras (Bobina Interna):....................................................................16 Nmero de Bobinas por Plo e Fase:.....................................................................3 DADOS DA BOBINA EXPLORATRIZ. Como mencionado no captulo introdutrio, foi utilizada uma bobina exploratriz de fluxo que permitiu a medio das tenses induzidas no entreferro do motor. Por questo de espao disponvel nas ranhuras, a bobina exploratriz foi executada com a metade do nmero de espiras do enrolamento principal, com menor seo transversal e formato concntrico, com quantidade de espiras por bobina calculadas da mesma maneira que o enrolamento auxiliar. Bitola:..........................................................................................................32 AWG Nmero de Espiras:..............................................................................................66 Nmero de Espiras (Bobina Externa):..................................................................28Nmero de Espiras (Bobina Intermediria):..........................................................23Nmero de Espiras (Bobina Interna):....................................................................1566 4.2DISPOSIO DOS ENROLAMENTOS PRINCIPAL E AUXILIAR. NaFigura4.5observa-seoarranjofinaldosenrolamentosprincipaleauxiliarnas ranhuras do estator do prottipo: Figura 4.5 Diagrama planificado do estator. Enasfiguras4.6ae4.6bobservam-serespectivamenteasposiesdos enrolamentos nas ranhuras nas duas configuraes de enrolamento: 67 (a) (b) Figura 4.6 - Disposio dos enrolamentos nas ranhuras.a) Configurao A (Enrolamento Principal na parte inferior da ranhura).b) Configurao B (Enrolamento Principal na parte superior da ranhura). 68 5.CARACTERIZAO DO MODELO DE CIRCUITO EQUIVALENTE DO MOTOR MONOFSICO. Nestecaptulosofornecidosdetalhesdomodelodocircuitoequivalentedomotor monofsicoemfunodascomponentesdecampodiretoereverso,referentes ligao apresentada na figura 3.5.

(b)

(a) Fig. 5.1-Circuitos equivalentes do motor de induo monofsico (SEN,1996). a) Antes da abertura da chave centrfuga.b) Depois da abertura da chave centrfuga. 1P X1P R2P 0.5R'S2P 0.5R'2-SMP X2MP X22P 0.5X'2P 0.5X'1A X 1A R2A 0.5R'S2A 0.5R'2-SMA X2MA X22A 0.5X'2A 0.5X'C XV(t)CHAVE CENTR.1P X1P R2P 0.5R'S2P 0.5R'2-SMP X2MP X22P 0.5X'2P 0.5X'V(t)69 Nafigura5.1sorepresentadososcircuitosequivalentesdomotordeinduo monofsicoemtermosdesuascomponentesdecampodiretoereverso,parao enrolamentoprincipaleparaoenrolamentoauxiliar(SEN1996).Asequaesde campo girante e de torque foram descritas no captulo trs. O circuito equivalente da figura5.1-arefere-seaoinstanteanterioraberturadachavecentrfugaligadaem sriecomoenrolamentoauxiliar.Osparmetroscomsub-ndicePreferem-seao enrolamento principal e os parmetros com sub-ndice A, ao enrolamento auxiliar.O circuito da figura 5.1-b representa a mquina apenas com o enrolamento principal, ou seja, aps a abertura da chave centrfuga. Os parmetros do circuito equivalente com sub-ndice 1 referem-se ao estator, enquanto que os parmetros com sub-ndice 2 so os parmetros do rotor referidos ao estator. OparmetroX1 queareatnciadedispersototaldoenrolamentodoestator, contempla a disperso de cabea de bobina e a disperso das ranhuras.Neste captulo, as indutncias de disperso de ranhura e de cabea de bobina, so calculadasanaliticamenteparaaconfiguraoAeparaaconfiguraoB(figuras4.6ae4.6b)ecomparadasposteriormentecomobjetivodeverificarqual dasconfiguraesdeenrolamentooferecermaiordispersoumavezquea disperso de fluxo varia em funo da posio dos enrolamentos dentro da ranhura. Osvalorescalculadostambmseroutilizadosnasimulaododispositivono capitulo 6. Comoditoanteriormente,paraasduasconfiguraes,ocorremassituaesantes (figura 5.1 a) e depois (figura 5.1 b) da abertura da chave centrfuga, portanto sero calculadas as indutncias de disperso de ranhura e cabea de bobina referentes s duas situaes.70 5.1INDUTNCIASDEDISPERSODERANHURASESTATRICASE DISPERSO DE CABEA DE BOBINA. Asdevidasindutnciasdedispersoderanhuraforamcalculadasparaas configuraesderanhurasvisualizadasnafigura5.2.Asdimensesencontram-se no captulo 4. (a)(b)(c) Figura 5.2 Detalhe das Ranhuras e Enrolamentos para clculo de disperso. (a) Enrolamento na parte inferior da ranhura (b) Parte superior (c) Dois Enrolamentos. SendoNSaquantidadedeespiraseLRocomprimentodorotor,aindutnciade disperso de ranhura para uma camada de enrolamento na parte inferior da ranhura, ser (Liwschitz, 1963; Alger, 1995): (5.1) ||2 82 2 3 40, 4. . . . .103 0 0 (| | | | | | | |= + + + ||||(+\ . \ . \ . \ . INF ESP Rh1 h h hL N L Hbs bs bs b b71 Para enrolamentos com uma camada, na parte superior da ranhura, a indutncia de disperso de ranhura se torna (Liwschitz, 1963; Alger, 1995): (5.2)

Paradoisenrolamentosnaranhura,aindutnciadedispersoderanhura calculada conforme a equao 5.3: (5.3) OndeMSIaindutnciamtuaentreosdoisenrolamentosepodesercalculada atravs da equao 5.4: (5.4) OndeIS apermenciamtuadedispersoporunidadedecomprimento calculada na equao 5.5: (5.5) ||2 82 2 3 40, 4. . . .103 0 0 (| | | | | | | |= + + + ||||(+\ . \ . \ . \ . SUP ESP Rh1 h' h hL N .L Hbs bs bs b b||-8SI IS SUPINFSI L =L =(L +L +2.Ks.M ).10 H||2 -8SI IS ESP R. IS M =M =0,4..N .L ( ).10 H IS SIh1 h'2 2h3 h4= = + + +2bs bs bs+b0 b0 (| || || || | | | | |(\ .\ .\ .\ . 72 O fator Ks da equao 5.3 o fator de disperso de ranhura em funo do passo do enrolamento, obtido atravs do grfico (Alger, 1995) representado na figura 5.3: Fig. 5.3 Fator de disperso de ranhura em funo do passo do enrolamento. Asindutnciasdedispersodecabeadebobinaforamcalculadasparaoarranjo visualizado na figura 5.4:

Figura 5.4 Detalhe dos enrolamentos para clculo de disperso de cabea de bobina. 73 SendoBOB lo comprimento da cabea de bobina,S qo nmero de ranhuras por plo e fase,S lo comprimento do pacote do estator ey o passo da bobina, a permencia decabeadebobinaporladoporunidadedecomprimentoparaenrolamentos concntricos (Nasar, Boldea, 2001) ser: (5.6) E sua respectiva indutncia de disperso de cabea de bobina por lado se torna: (5.7) Apresentam-se na tabela 5.1 os valores das indutncias de disperso de cabea de bobina e de ranhura calculadas para as duas configuraes de enrolamento. Tabela 5.1 Tabela comparativa das indutncias de disperso de ranhura e de cabea de bobina. ( ) ( )SCB BOBSq= 0,34 . l - 0,64.yl (| | |(\ . ||2 -8CB ESP CB =0,4..N . . 10 H L74 Observando-se os valores calculados na tabela 5.1, verificamos que na configurao B as indutncias de disperso de ranhura, com os dois enrolamentos ou somente com enrolamento principal, so menores em relao configurao A. No que se refere aos valores calculados disperso de cabea de bobina, nas duas configuraes, os resultados apresentaram-se iguais, devido ao fato de que a indutncia de disperso de cabea de bobina no varia em funo da posio do enrolamento dentro da ranhura. 75 6. SIMULAO POR SOFTWARE DE ELEMENTOS FINITOS Nestaetapadotrabalho,apresentam-seasduassimulaescomputacionais realizadas com o software de elementos finitos Cedrat - Flux 2D. Com a utilizao destesoftwarefoipossvelobtergraficamenteosnveisdeinduomagnticano entreferrodomotoremambasasconfiguraesdeenrolamento.Analisandoestes grficos,foramobservadasvariaesnosnveisdeinduo,medianteamudana deposicionamentodasbobinasdentrodasranhuras.Oobjetivoprincipaldestas simulaesconsistiuemanalisararelevnciadestasvariaesdeinduoatravs dosgrficosdedensidadedefluxonoentreferrodomotor.Foipossveltambm obterosvaloresdecorrenteeltricaeasharmnicasdecamponoentreferrodo motor nas duas configuraes possibilitando posterior comparao. 6.1 ETAPAS DO PROCESSO DE SIMULAO. Oprocessodesimulaodomotordeinduomonofsicoemsoftwarede elementos finitos consistiu de trs etapas: Pr processamento; Processamento; Ps processamento; Detalharemosaquisomenteosprocessosdepreps-processamento,umavez queoprocessamentoumaetaparealizadapelosoftware,queconsistena resoluodosistemalineardeequaes,noqualmontadoapartirdetodasas informaesdomodeloatravsdaspropriedadesdosmateriaisecondiesde contorno, e solucionado por mtodos iterativos consagrados como ICCG.76 CONDIES DE SIMULAO Abaixo seguem os dados gerais da simulao do dispositivo: Tipo de simulao: Magnetodinmica; Condio de escorregamento: Escorregamento nominal percentual S% = 4.167; Velocidade nominal N= 1725 r.p.m.; Com acoplamento de circuito externo: somente enrolamento principal; Apresenta indutncia de disperso de cabea de bobina calculada no captulo 5; Tenso da fonte: 63,5 Volts (para um plo da mquina - da geometria); Freqncia f = 60 Hz; Enrolamento do estator: cobre - resistividade 1.724E-8 .m; Barras do rotor: alumnio - resistividade 2.777E-8 .m; ACOPLAMENTO DE CIRCUITO ELTRICO EXTERNO Afinalidadedoacoplamentodecircuitoeltricoexternoconsistiuemvincularas regies do dispositivo a ser simulado com as respectivas fontes de alimentao. 77 Afigura6.1apresentaasligaesdasbobinasdomotorsimuladoqueserviram como base para elaborao do circuito eltrico externo: Fig. 6.1 Configurao de enrolamento utilizada para acoplamento de circuito eltrico externo. Atravsdosensaiosemvazio,comcarga,ensaioderesistnciadeenrolamentoe dos valores de indutncia de disperso de cabea de bobina calculadas no captulo 5(L1nafigura6.2),osparmetrosdomotorforamassociadosaomodelo visualizado figura 6.2: Fig. 6.2 Circuito eltrico externo utilizado na simulao. 78 CURVA DE MAGNETIZAO DO MATERIAL FERROMAGNTICO Nas regies do estator e rotor foram utilizados ao 1010. Na figura 6.3, visualiza-se a curva de magnetizao do material: Fig. 6.3 Curva de Magnetizao do Ao 1010 utilizado na simulao. 79 CONDIES DE CONTORNO

So condies impostas nas regies de fronteira para simulao do dispositivo: 1.) Dirichlet (Raio externo coroa estatrica) Neste contorno, assumimos que o campo tangente linha da coroa estatrica, onde o vetor potencial magntico nulo.

2.) Anti-Cclica (Bordas laterais) Utilizou-se deste recurso para representao de um plo da mquina somente. Fig. 6.4 Modelo e condies de contorno. DirichletAnticclica A=0G80 PS - PROCESSAMENTO Apsaresoluodosistemadeequaesnafasedeprocessamento,aprxima etapa consistiu na extrao e explorao dos resultados atravs de mapa de cores e grficosdasgrandezasdeinteresse,quenonossocaso,foiadensidadedefluxo. Asfiguras6.5ae6.5brepresentamrespectivamente,osresultadosdassimulaes magnetodinmicas do motor de induo sob condies nominais.

(a)(b) Fig. 6.5 Mapa de Cores para escorregamento nominal. a) Configurao A. b) Configurao B. Adensidadedefluxo naconfiguraoAapresentavalores marginalmente menores em comparao quela da configurao B. Os nveis de densidade no entreferro do motortambmforamexploradosatravsdeumalinhainseridanestelocal visualizado na figura 6.6: 81 Fig. 6.6 Detalhe de linha inserida no entreferro do motor para obteno da densidade de fluxo. Afigura6.7apresentaosnveisdeinduoobtidosnoentreferrodomotorapartir dos resultados da simulao da figura 6.5. Observa-se neste caso, que no entreferro tambm ocorre um leve acrscimo na densidade de fluxo na configurao B:

(a) (b) Fig. 6.7 Nveis de densidade de fluxo no entreferro da mquina em mdulo. a) Configurao A. b) Configurao B. 82 HARMNICAS NO ENTREFERRO

Apartirda mesmalinhainserida no entreferrodomotor quefoi utilizada paraobter asformasdeondadasfiguras6.7-ae6.7-b,foramobtidososespectrosde freqncia da densidade de fluxo normal mesma linha para as duas configuraes de enrolamento. Observam-se na figura 6.8 os resultados obtidos na configurao A at 31 harmnica. Fig. 6.8 Espectro de freqncia da densidade de fluxo obtida no entreferro do motor configurao A. De maneira similar, a figura 6.9 apresenta os valores obtidos na configurao B: 83 Fig. 6.9 Espectro de freqncia da densidade de fluxo obtida no entreferro do motor configurao B. Observando-seasfiguras6.8e6.9percebe-setambmumleveaumentona1 harmnica na configurao B. As diferenas encontradas na 13 harmnica devem-sesvariaesnasaturaodomotordevidosmudanasnaposiodos enrolamentos. VALORES DE POTNCIA E CORRENTE ELTRICA OBTIDOS Apsotrminodassimulaesdomotor,foipossveltambmobterosvaloresde potnciaecorrenteeltricaparadageometria.Osresultadossoapresentados nas figuras 6.10 e 6.11. 84 CONFIGURAO A Fig. 6.10 Valores de potncia e corrente eltrica Configurao A. CONFIGURAO B Fig. 6.11 Valores de potncia e corrente eltrica Configurao B. Observa-se que os valores de corrente eltrica e potncia eltrica obtidos na configurao B sofreram um leve acrscimo em relao aos valores obtidos na configurao A. 85 7. RESULTADOS OBTIDOS NO PROTTIPO. Nestecaptulosoapresentadososresultadosobtidosnosensaiosdecargado prottiponasduasconfiguraesdeenrolamentoatravsdamontagem experimental esquematizada na figura 7.1, sendo que a descrio da instrumentao utilizada foi detalhada no anexo deste trabalho. Figura 7.1 Montagem experimental realizado no prottipo Padro IEEE. Foram realizados os ensaios em vazio, rotor travado e sob carga. Os resultados so apresentados a seguir:7.1CONFIGURAO A Ensaio em vazio Potncia : W0=165,35 W Tenso : V0 =127 V Corrente : I0 =6,21 A Cos 0 = 0,2 Ensaio de rotor bloqueado Potncia : WCC=4205 W Tenso : VCC =127 V Corrente : ICC =43 A Cos CC= 0,77 86 Ensaio sob Carga Tabela 7.1 Tabela dos resultados obtidos do ensaio sob carga no prottipo Configurao A.

Valelembrarquenatabela7.1,osvaloresdepotnciaativa,tenso,corrente, rotao e fator de potncia foram obtidos a partir das instrumentaes utilizadas na figura7.1.Asdemaisforamcalculadasapartirdosmesmosvaloresobtidos(% carga,escorregamentopercentual,torque,potnciamecnicaerendimento percentual). 7.2CONFIGURAO B Os mesmos ensaios realizados para a configurao A, foram realizados para a configurao B: Ensaio em Vazio Potncia: W0= 167,48 W Tenso: V0 =127 V Corrente:I0= 6,28 A Cos 0:= 0,21 Ensaio de Rotor Bloqueado Potncia: WCC=4267 W Tenso: VCC =127 V Corrente:ICC= 44,8A Cos CC = 0,75 %CARGAS(%)POT. AT. (W)TENS.(V) CORR.(A) T(N.m) N(rpm)POT. MEC.(W) F.P. (%)00, 278165,35 W127 6, 21 0, 22 1795 42, 26 0,2025,55201, 111214,63127 6, 52 0, 34 1780 64, 00 0,2529,81301, 389252,71127 6, 75 0, 55 1775 102, 92 0,29440,70401, 722269,24127 6, 83 0, 72 1769 133, 00 0,30649,40502, 167323,47127 6, 91 0, 92 1761 168, 80 0,36852,18602, 556378,73127 7, 22 1, 09 1754 198, 80 0,41052,49703, 056459,20127 7, 64 1, 35 1745 246, 00 0,470 53,20803, 333472,48127 7, 75 1, 51 1740 274, 30 0,47157,89903, 667531,26127 8, 45 1, 74 1734 315, 28 0,48659,181004, 167567,50127 8, 82 1, 93 1725 347, 02 0,50061,14ENSAIO SOBCARGA-MOTOR DE I NDUO MONOFSICO COM CAPACITOR DE PARTIDA -CONFI GURAO A87 Ensaio sob Carga Tabela 7.2 Tabela dos resultados obtidos do ensaio sob carga no prottipo Configurao B. Apartirdastabelas7.1e7.2,foipossvelobterosgrficoscomparativosdas grandezasdeinteressedasduasconfiguraes.0bserva-senafigura7.2queos valoresdetorqueemregime,obtidosapartirdevalorescalculados,nasduas configuraes so praticamente os mesmos. Fig. 7.2 Comparao dos torques obtidos na configurao A e na configurao B. %CARGAS(%)POT. AT.(W)TENS(V) CORR(A) T(kgf. m) N(rpm) POT. MEC(W) F.P.(%)00,278167,48127 6,28 0,23 1795 42,94 0,2125,64201,111216,28127 6,55 0,35 1780 64,79 0,2629,96301,389252,88127 6,75 0,56 1775 103, 38 0, 29540,88401,722270,07127 6,86 0,73 1769 134, 30 0,3149,72502,167325,17127 6,92 0,93 1761 170, 32 0,3752,38602,556381,96127 7,30 1,10 1754 200, 66 0, 41252,53703,056461,18127 7,71 1,35 1745 246, 81 0, 47153,51803,333474,33127 7,83 1,52 1740 275, 06 0, 47757,98903,667533,09127 8,48 1,75 1734 315, 59 0, 49559,201004,167571,59127 8,93 1,95 1725 349, 83 0, 50461,20ENSAIO SOB CARGA - MOTOR DE INDUO MONOFSICO COM CAPACITOR DE PARTIDA -CONFIGURAO B88 Acorrenteeltricaconsumidapelomotornoapresentoudiferenassignificativas deumaconfiguraoparaaoutra.Umpequenoaumentofoiobservadona configurao B. Fig. 7.3 Comparao das correntes obtidas na configurao A e na configurao B. A potncia ativa da mquina foi outro parmetro analisado. Novamente, percebe-se pouca diferena nos valores.

Fig. 7.4 Comparao das potncias de entrada obtidas na configurao A e na configurao B. 89 A potncia mecnica no eixo tambm foi impressa para efeito de comparao. Nas duas situaes, as diferenas de valores so quase imperceptveis. Fig. 7.5 Comparao das potncias mecnicas obtidas na configurao A e na configurao B. Na figura 7.6 apresentam-se os fatores de potncia obtidos nas configuraes. Fig. 7.6 Comparao dos fatores de potncia obtidos na configurao A e na configurao B. 90 Os fatores de potncia no apresentaram variaes relevantes, sendo que para alguns valores de carga, so praticamente iguais. O rendimento percentual foi o ltimo parmetro comparado. Observa-se que o motor da configurao A possui valores muito prximos comparado quele da configurao B. Fig. 7.7 Comparao dos rendimentos percentuais obtidos na configurao A e na configurao B. 91 7.3SINAIS OBTIDOS COM AS BOBINAS EXPLORATRIZES. Em condies nominais, foi possvel observar atravs da bobina exploratriz, o nvel de tenso induzida no entreferro do motor, para as duas configuraes de enrolamento. As figuras 7.8-a e 7.8-b ilustram a posio dos enrolamentos e da respectiva bobina exploratriz no prottipo utilizado. Figura 7.8 - Disposio dos enrolamentos nas ranhuras.a) Configurao A (Enrolamentos Principal, Auxiliar e Bobina Exploratriz).b) Configurao B (Enrolamentos Principal, Auxiliar e Bobina Exploratriz). Observa-se que a bobina exploratriz nas duas configuraes, fica alojada sob o enrolamento principal, pois em regime permanente, somente o mesmo permanece 92 ligado. Na figura 7.9 representa-se a ligao das bobinas do enrolamento principal e da bobina exploratriz:

Fig. 7.9 Disposio do enrolamento principal e bobina exploratriz. As formas de onda nas bobinas exploratrizes obtidas em osciloscpio atenuado em dez vezes, podem ser observadas nas figuras 7.10-a e 7.10-b: (a) (b) ATENUAO: 10 XATENUAO: 10 X Fig. 7.10 Formas de onda de tenso induzida em bobina exploratriz.a) Configurao A. b) Configurao B. Observa-sepelosvaloresmedidosqueatensonabobinaexploratrizna configuraoBfoimaiordoquenaconfiguraoA.Comosvaloresdetenso EX V93 induzidanasbobinasexploratrizescalculam-seosfluxoseasdensidadesdefluxo noentreferrodomotor.Sabendo-seonmerodeespirasporplodoenrolamento principal(NP),onmerodeespirasdabobinaexploratriz(NEX)eatensoinduzida da bobina exploratriz (VEX) em cada configurao, calculam-se as tenses induzidas porplonoenrolamentoprincipal(V1P)apartirdeumarelaodetransformao. Seguem os clculos para as duas configuraes de enrolamento: 7.3.1CONFIGURAO A (7.1) O fluxo mximo produzido pela bobina do enrolamento principal : (7.2) E a densidade de fluxo de pico se torna: (7.3) EX EXIPIPP IPN V 29,49= V =V = 59,43 VN V 0,4962 MAX59,43= 1,99 mWb4,44.60.133.0,84 = 2 2. .-3MAXR R1,99.10Bg Bg Bg 0,9045 T D .L0,1.0,0442p 4 = = = 94 7.3.2CONFIGURAO B Para a configurao B segue respectivamente a tenso induzida por plo, o fluxo mximo produzido pela bobina do enrolamento principal e a densidade de fluxo: EX EX1P1P P 1PN V 31,02V = V = 62,51VN V 0,4962= (7.4) (7.5) (7.6) Comparando-se os resultados das equaes 7.3 e 7.6 verifica-se que a densidade de fluxo calculada maior na configurao B. MAX 62,51=4,44.60.133.0,842,1 mWb = 2 2. .-3MAXR R2,1.10Bg Bg Bg D .L0,1.0,0442p 40,9545 T = = = 95 8. CONCLUSES Estetrabalhotevecomoprincipalmotivao,avaliarodesempenhodeummotor monofsicosobaexpectativademelhorar,deummodogeral,orendimentodo mesmo a partir da reduo da reatncia de disperso de ranhura.Apartirdosensaiosesimulaesrealizadas,pode-seresumirestaanliseno quadro geral de desempenho, observado na figura 9.1: Fig.8.1 Quadro geral de desempenho das duas configuraes. ValelembrarquenaconfiguraoA,oenrolamentoprincipalaloja-senaparte inferiordaranhuraenaconfiguraoB,omesmoalojadonapartesuperiorda ranhura.Observando-seafigura8.1,nosvaloresdeindutnciatotalnasduas primeirasbarras,referem-sesituaoanterioraaberturadachavecentrfuga, portanto,aindutnciadedispersoderanhuracalculadaparaosdois enrolamentos nas ranhuras juntamente com a indutncia de disperso de cabea de bobina. Nas duas barras seguintes, os valores encontrados referem-se indutncia de disperso de ranhura e de cabea de bobina somente do enrolamento principal. 96 Da proposta inicial do trabalho, at os ensaios finais, pode-se concluir que: Atravsdamudanadeposicionamentodosenrolamentosdoestator,foi observadamaiorindutnciadedispersoderanhuranaconfiguraoA(ver figura8.1-2enr.naranhuraesomentecomenrolamentoprincipal),oque acarretou num maior fluxo de disperso. Com a elevao do fluxo de disperso, foi verificada uma reduo no fluxo no entreferro do motor, fato confirmado pela menor tenso medida na bobina exploratriz de fluxo. NocasodaconfiguraoA,comaelevaodaindutnciadedispersode ranhura,aumentoutambmareatnciadedispersodamesma,elevandopor suavezaimpednciatotaldoestator,dessaformareduzindocorrenteeltrica da rede. AindanocasodaconfiguraoA,comasreduesdasparcelasdefluxono entreferroecorrentenosenrolamentos,foramobservadosmenoresvaloresde potncia mecnica e torque. Os resultados obtidos acima descritos podem ser verificados nos ensaios e nas simulaesrealizadas.Referindo-seaogrficofinaldecomparao,nafigura 9.1,verifica-sequefoialcanadaumavariaomarginaldasgrandezasde interessecomotorque,potnciamecnicaecorrentenominal,com exceoda corrente de curto-circuito. Foi verificado tambm que os valores obtidos estavam abaixo da margem de erro da instrumentao utilizada. 97 Emfacedosresultadosobtidosedassimulaesfeitas,pode-seconcluircom certograudesegurana,queamodificaodaposiorelativados enrolamentos, no altera significativamente a caracterstica do motor. 98 9. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS [1]ADKINS,B.&HALLEY,R.G.TheGeneralTheoryofAlternatingCurrent Machines, Ed. Chapman and Hall,1975. [2]ALGER,P.L.InductionMachines,Ed.GordonandBreachPublishes,New York , 1995. [3]CATHEY,J.J.ElectricMachines:AnalysisandDesignApplyingMatlab, Ed. Mc Graw Hill , 2001. [4]CHABU, I.E. Contribuio ao Estudo e Projeto dos Motores de Relutncia ,Tese de Doutorado , EPUSP,1997. 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Nonossocaso,paraoenrolamentoprincipal,foramobtidas133espirasporplo com55espirasnabobina externa,46espirasnabobinaintermediria e 32espiras na bobina interna com uma resistncia de enrolamento de 2,05 (4,1 por circuito). Seestaordemforalterada,asharmnicaspresentesnoentreferroearesistncia eltrica dos enrolamentos sofrero variaes.

Oprincipalobjetivodesteapndicefoirealizarumestudodadistoroharmnica totalcausadapelavariaodaquantidadedeespirasnasbobinasexterna, intermediriaeinternaetambmoseuefeitonaresistnciaeltricados enrolamentos, uma vez que a quantidade de fio utilizada para a fabricao do motor esta diretamente ligada quantidade de espiras utilizadas em cada bobina. 105 EFEITO NO CONTEDO HARMNICO TOTAL, NO COMPRIMENTO DO FIO E NA RESISTNCIA ELTRICA DO ENROLAMENTO. Osclculosdasharmnicasdecampoforamrealizadosparaoarranjodebobina visualizado na figura 10.1 Figura 10.1 Arranjo para clculo das harmnicas e resistncias. O contedo harmnico total at a 17 harmnica foi calculado pela equao 10.1: (10.1) Onde CHT(%) o contedo harmnico total na forma percentual, h a ordem da harmnica e KEMh o fator de enrolamento harmnico mdio que pode ser calculado atravs da equao 10.2: (%) = 217EMhh=1,3,5,...CHT 100 . Kh| | |\ .106 (10.2) Onde N1, N2 e N3 so as respectivas espiras e KEHh o fator de enrolamento harmnico, calculado atravs da equao 10.3: (10.3) Onde1 ,2 e3 so as respectivas distncias angulares em relao linha de referncia indicada pela seta na figura 10.2: Figura 10.2 Seta de indicao de linha de referncia para o enrolamento. 1 1 2 2 3 31 1 2 2 3 3EHh =K N .cos(h. ) + N .cos(h. ) + N .cos(h. ) -N .cos(h.( - )) - N .cos(h.( - )) - N .cos(h.( - )) 1 2+ 3EHhEMh = KKN +N N2107 Foram analisados seis arranjos e os resultados podem ser verificados na tabela 10.1 para o enrolamento principal e na tabela 10.2 para o enrolamento auxiliar. Tabela 10.1 Valores Obtidos Arranjos do Enrolamento Principal. Tabela 10.2 Valores Obtidos Arranjos do Enrolamento Auxiliar. Percebe-se, para o enrolamento principal, que o maior contedo harmnico ocorreu no arranjo nmero 5 (4,21%) e que neste mesmo arranjo, obteve-se a maior reduo na resistncia eltrica e no comprimento dos fios (8,05%).Noenrolamentoauxiliar,oarranjonmero5apresentoutambmomaiorcontedo harmnico (4,8%) e tambm maior reduo na resistncia eltrica e no comprimento dos fios (7,06%).Medianteosresultadosapresentadosnastabelas,umaanlisetcnico-econmica faz-se necessria para verificao do melhor arranjo. Tal estudo fica como proposta de futuros trabalhos. 108 APNDICE B - DISPOSITIVOS E EQUIPAMENTOS USADOS. A figura 10.3 ilustra o rotor e o detalhe das barras rotricas. Fig.10.3 Detalhe das barras rotricas em rotor idntico ao utilizado no prottipo. As figuras 10.4-a e 10.4-b ilustram as bobinas dos enrolamentos principal e auxiliar e na fase de montagem das mesmas no estator da mquina. (a) (b)Fig.10.4 (a) Bobinas dos enrolamentos. (b) Fase de montagem do motor 109 Aps a preparao do prottipo, ensaios de carga foram realizados em freio eletromagntico e foram obtidos sinais na bobina exploratriz com osciloscpio. (a) (b) Fig.10.5 (a) Verificao de forma de onda em osciloscpio. (b) Ensaio de motor em freio eletromagntico. 110 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS F Freqencmetro Digital, 3 Dgitos -Escalas: 0 2 kHz -Classe de Preciso: 0,5% -Marca: Minipa A Ampermetro Analgico -Tipo: Ferro Mvel -Escalas: 0 5 A 0 20 A -Classe de Preciso: 0,5% -Marca: Lier V Voltmetro Analgico -Tipo: Ferro Mvel -Escalas: 0 240 V -Classe de Preciso: 0,5% -Marca: LierW Wattmetro Analgico -Tipo: Ferro Mvel -Escalas: 10kW 48 480 V 5A -Classe de Preciso: 0,5% -Marca: HB Brasil COS Cosifmetro Analgico -Tipo: Ferro Mvel -Escalas: 2,5 A 5 A / 120 V 240 V -Marca: LierTacmetro Digital -Escalas: 0,5 19999 rpm -Classe de Preciso: 0,05% + 1 dgito -Marca: Instrutherm