motor eletrico - principio basico

APOSTILA COMANDO E MOTORES ELTRICOS

Curso Tcnico em Plsticos Professor Jorge Eduardo Uliana E-mail [email protected]

Comando e Motores Eltricos

1 - Introduo Geral1.1 - Eletromagnetismo Sempre que uma corrente eltrica percorre um condutor, um campo magntico gerado ao redor do mesmo. Os princpios do magnetismo so uma parte importante da eletricidade, pois alm dos motores, eletroms so utilizados em vrios componentes eltricos.

1.2 - Motor Eltrico uma mquina que converte a energia eltrica e energia mecnica (movimento rotativo), possui construo simples e custo reduzido, alm de ser muito verstil e no poluente. O motor eltrico tornou-se um dos mais notrios inventos do homem ao longo de seu desenvolvimento tecnolgico. A finalidade bsica dos motores o acionamento de mquinas, equipamentos mecnicos, eletrodomsticos, entre outros, no menos importantes. Seu princpio de funcionamento, construo e mtodos de partida, sero conhecidos ao longo desta disciplina.

1.3 - Mtodos de Partida Os motores so comandados atravs de chaves de partida, sendo que as mais empregadas so: Partida Direta/ Reversora; Acionamento de pequenos motores; Partida Estrela Tringulo; Acionamento de grandes motores sem carga; Partida Compensadora; Acionamento de grandes motores com carga; Partida com Soft-Starter; Acionamento de grandes motores com carga; Partida com Inversor de Freqncia. Acionamento de pequenos e grandes motores;

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1.4 - Tipos de Circuitos Todas as chaves de partida mencionadas anteriormente possuem um circuito principal e um circuito de comando. O circuito principal ou de fora com tambm conhecido, o responsvel pela alimentao do motor, ou seja, ele o responsvel pela conexo dos terminas/fios do motor a rede eltrica. O circuito de comando, como o prprio nome diz responsvel por comandar o circuito de fora, determinando quando o motor ser ligado ou desligado. 1.5 - Componentes das Chaves de Partida As chaves de partida so compostas pelos seguintes dispositivos: Dispositivos de Proteo: Fusvel, Rele Trmico, Disjuntor Motor; Dispositivos de Comando: Boto, Contator, Temporizador; Dispositivos de Sinalizao: Sinaleiro, Voltmetro, Ampermetro;



2 - ELETROMAGNETISMO2.1 - Cargas Positivas e Negativas Os eltrons na faixa exterior de um tomo so deslocados facilmente pela aplicao de alguma fora externa. Os eltrons que so forados para fora de suas rbitas podem resultar na falta de eltrons no tomo de onde saem e em um excesso no tomo para onde vo. A falta dos eltrons cria uma carga positiva porque h mais prtons do que eltrons e o excesso dos eltrons cria uma carga negativa.

2.2 - Atrao e Repulso Em eletricidade, o velho ditado os opostos se atraem verdadeiro. Todos os corpos carregados eletricamente possuem um campo invisvel ao seu redor. Quando dois corpos carregados com cargas iguais so colocados juntos, seus campos eltricos trabalharam para repel-los e quando dois corpos carregados com cargas contrrias so colocados juntos, seus campos eltricos trabalharam para atra-los. O campo eltrico em torno de um corpo carregado representado por linhas invisveis de fora e estas linhas representam um campo eltrico invisvel que causa a atrao e a repulso.

2.3 - Magnetismo Denominamos de magnetismo, as linhas invisveis de fora criadas pelos ms naturais e pelos eletroms. Os trs tipos mais comuns de ims naturais so a ferradura, a barra e a agulha de bssola. Os ms possuem duas caractersticas principais, atraem e se prendem ao ferro e se livres para se moverem como a agulha da bssola, apontam para os plos norte e sul.

2.4 - Linhas do Fluxo Magntico Cada m possui dois plos, um plo norte e um plo sul. As linhas invisveis do fluxo magntico saem do plo norte e entram no plo sul. Mesmo que as linhas do fluxo sejam invisveis, os efeitos do campo magntico gerado pelas mesmas, pode se tornar visvel. Se colocarmos uma folha de papel sobre um m natural ou sobre um eletrom, e despejarmos limalha de ferro sobre essa folha, as limalhas de ferro arranjar-se-o ao longo das linhas invisveis do fluxo.



Extraindo as linhas na maneira como as limalhas de ferro se arranjaram, teremos a seguinte imagem:

As linhas tracejadas indicam o trajeto das linhas do fluxo magntico. As linhas do campo existem dentro e fora do m e formam sempre laos fechados. As linhas magnticas do fluxo saem do plo norte e entram no plo sul, retornando ao plo norte atravs do m. 2.5 - Interao entre dois ms Quando dois ms so aproximados, o fluxo magntico em torno destes ir causar uma interao entre os mesmos. Se os ms forem aproximados com os plos contrrios, os mesmos iram se atrair e se forem com os plos iguais iram se repelirem.

2.6 - Eletrom Uma bobina de fio condutor, percorrida por uma corrente eltrica age como um m. Os laos individuais da bobina agem como pequenos ms. Os campos individuais se somam formando o campo principal. A fora do campo pode ser aumentada adicionando mais voltas bobina ou ainda, se ainda se aumentarmos a corrente que circula pela mesma.



3 - MOTORES ELTRICOSMotor eltrico a mquina destinada a transformar energia eltrica em energia mecnica. O motor de induo o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da utilizao de energia eltrica, baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando com sua construo simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptao s cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos. Os tipos mais comuns de motores eltricos so: 3.1 - Motores de Corrente Contnua So motores de custo mais elevado e, alm disso, precisam de uma fonte de corrente contnua, ou de um dispositivo que converta a corrente alternada comum em contnua. Podem funcionar com velocidade ajustvel entre amplos limites e se prestam a controles de grande flexibilidade e preciso. Por isso, seu uso restrito a casos especiais em que estas exigncias compensam o custo muito mais alto da instalao. 3.2 - Motores de Corrente Alternada So os mais utilizados, porque a distribuio de energia eltrica feita normalmente em corrente alternada. Os principais tipos so: Motor sncrono: Funciona com velocidade fixa, utilizado somente para grandes potncias (devido ao seu alto custo em tamanhos menores) ou quando se necessita de velocidade invarivel. Motor de induo: Funciona normalmente com velocidade constante, que varia ligeiramente com a carga mecnica aplicada ao eixo. Devido a sua grande simplicidade, robustez e baixo custo o motor mais utilizado de todos, sendo adequado para quase todos os tipos de mquinas acionadas, encontradas na prtica. Atualmente possvel controlarmos a velocidade dos motores de induo com o auxlio de inversores de freqncia.



3.3 - Constituio do Motor de Induo O motor assncrono constitudo basicamente pelos seguintes elementos: um circuito magntico esttico, constitudo por chapas ferromagnticas empilhadas e isoladas entre si, ao qual se d o nome de estator; por bobinas localizadas em cavidades abertas no estator e alimentadas pela rede de corrente alternada; por um rotor constitudo por um ncleo ferromagntico, tambm laminado, sobre o qual se encontra um enrolamento ou um conjunto de condutores paralelos, nos quais so induzidas correntes provocadas pela corrente alternada das bobinas do estator. O rotor apoiado num veio, que por sua vez transmite carga a energia mecnica produzida. O entreferro (distncia entre o rotor e o estator) bastante reduzido, de forma a reduzir a corrente em vazio e, portanto as perdas, mas tambm para aumentar o fator de potncia em vazio. Como exemplo apresentamos a "projeo" dos diversos elementos o motor assncrono de rotor em gaiola de esquilo.



3.4 - Funcionamento de um Motor Assncrono A partir do momento que os enrolamentos localizados nas cavidades do estator so sujeitos a uma corrente alternada, gera-se um campo magntico no estator, consequentemente, no rotor surge uma fora eletromotriz induzida devido ao fluxo magntico varivel que atravessa o rotor. A f.e.m. induzida d origem a uma corrente induzida no rotor que tende a opor-se causa que lhe deu origem, criando assim um movimento giratrio no rotor. Como podemos constatar o princpio de funcionamento do motor de induo baseia-se em duas leis do Eletromagnetismo, a Lei de Lenz e a Lei de Faraday. Faraday: "Sempre que atravs da superfcie abraada por um circuito tiver lugar uma variao de fluxo, gera-se nesse circuito uma fora eletromotriz induzida. Se o circuito fechado ser percorrido por uma corrente induzida". Lenz: "O sentido da corrente induzida tal que esta pelas suas aes magnticas tende sempre a opor-se causa que lhe deu origem". 3.5 - Explicao Terica O motor eltrico transforma a potncia eltrica fornecida em potncia mecnica e uma reduzida percentagem em perdas.

As perdas, que so inerentes ao processo de transformao, so quantificadas atravs do rendimento (mais frente analisamos melhor os vrios tipos de perdas nos motores).

A Potncia Mecnica traduz-se basicamente no torque que o motor gera no eixo do rotor. O torque conseqncia direta do efeito originado pela induo magntica do estator em interao com a do rotor. T = K . Best . Brot . sen T = Torque K - Constante Best - Induo magntica criada pelo estator Brot - Induo magntica criada pelo rotor - ngulo entre Best e BrotB B

A velocidade de um motor de induo essencialmente determinada pela frequncia da energia fornecida ao motor e pelo numero de pares de plos existentes no estator. No motor assncrono ou de induo o campo girante roda a velocidade sncrona, como nos motores sncronos. A velocidade do campo girante obtm-se pela seguinte expresso:



Vg = velocidade do campo girante f = frequncia n = numero de pares de plos Uma caracterstica fundamental dos motores de induo o escorregamento, da tratarem-se de motores assncronos, o seu valor dado pela seguinte expresso:

s escorregamento V - velocidade do rotor A velocidade sofre um ligeiro decrscimo quando o motor passa de um funcionamento em vazio (sem carga) para um funcionamento em carga mxima. 3.6 - Motores de Induo Monofsicos Os motores monofsicos so assim chamados porque os seus enrolamentos de campo so ligados diretamente a uma fonte monofsica. Os motores de induo monofsicos so a alternativa natural aos motores de induo trifsicos, nos locais onde no se dispe de alimentao trifsica, como residncias, escritrios, oficinas e em zonas rurais. Apenas se justifica a sua utilizao para baixas potncias (1 a 2 KW). Entre os vrios tipos de motores eltricos monofsicos, os motores com rotor tipo gaiola destacam-se pela simplicidade de fabricao e, principalmente, pela robustez e manuteno reduzida. Por terem somente uma fase de alimentao, no possuem um campo girante como os motores trifsicos, mas sim um campo magntico pulsante. Isto impede que tenham torque de arranque, tendo em conta que no rotor se induzem campos magnticos alinhados com o campo do estator. Para solucionar o problema de arranque utilizam-se enrolamentos auxiliares, que so dimensionados e posicionados de forma a criar uma segunda fase fictcia, permitindo a formao do campo girante necessrio para o arranque. Tipos de Motores de induo monofsicos: Motor de Plos Sombreados; Motor de Fase Dividida; Motor de Condensador de Partida; Motor de Condensador Permanente; Motor com dois Condensadores. 3.6.1 - Motor de Plos Sombreados O motor de plos sombreados, tambm chamado de motor de campo distorcido (ou shaded pole), graas ao seu processo de arranque, o mais simples, fivel e econmico dos motores de induo monofsicos. Construtivamente existem diversos tipos, sendo que uma das formas mais comuns a de plos salientes. Cada plo vai ter uma parte (em geral 25% a 35% do mesmo) abraada por uma espira de cobre em curto-circuito. A corrente induzida nesta espira faz com que o fluxo que a atravessa sofra um atraso em relao ao fluxo da parte no abraada pela mesma. O resultado disto semelhante a um campo girante que se move na direo da parte no abraada para a parte abraada do plo, produzindo o torque que far o motor partir e atingir a rotao nominal. O sentido de rotao, portanto, depende do lado em que se situa a parte abraada do plo. Consequentemente, o motor de campo distorcido apresenta um nico sentido de rotao. Este geralmente pode ser invertido, mudando-se a posio da ponta de eixo do rotor em relao ao estator. Existem outros mtodos para se obter inverso de rotao, mas muito mais dispendiosos. Quanto ao desempenho, os motores de campo distorcido apresentam baixo torque de arranque (15% a 50% do nominal), baixo rendimento e baixo fator de potncia. Devido a esse fato, eles so normalmente fabricados para pequenas potncias, que vo de alguns milsimos de cv a 1/4 cv. 9Curso Tcnico em Plsticos - Jorge Eduardo Uliana - [email protected]


Pela sua simplicidade, robustez e baixo custo so ideais em aplicaes tais como: movimentao de ar (ventiladores, exaustores, purificadores de ambiente, unidades de refrigerao, secadores de roupa e de cabelo), pequenas bombas e compressores, projetores de slides, gira-discos e aplicaes domsticas. Apesar de sua aparente simplicidade, o projeto deste tipo de motor de extrema complexidade, envolvendo conceitos de duplo campo girante, campos cruzados e complexa teoria eletromagntica.

3.6.2 - Motor de Fase Dividida Este motor possui um enrolamento principal e um auxiliar (para o arranque), ambos defasados de 90 graus. O enrolamento auxiliar cria um deslocamento de fase que produz o torque necessrio para a rotao inicial e a acelerao. Quando o motor atinge uma rotao predeterminada, o enrolamento auxiliar desligado da rede atravs de uma chave que normalmente atuada por uma fora centrfuga (chave ou disjuntor centrfugo) ou em casos especficos, por rel de corrente, chave manual ou outros dispositivos especiais. Como o enrolamento auxiliar dimensionado para atuar apenas no arranque, se no for desligado logo aps o arranque danifica-se. O ngulo de defasagem que se pode obter entre as correntes do enrolamento principal e do enrolamento auxiliar pequeno e, por isso, estes motores tm torque de arranque igual ou pouco superior ao nominal, o que limita a sua aplicao a potncias fracionrias e a cargas que exigem pouco torque de arranque, tais como mquinas de escritrios, ventiladores e exaustores, pequenos polidores, compressores hermticos, bombas centrfugas, etc. 3.6.3 - Motor de Condensador de Partida um motor semelhante ao de fase dividida. A principal diferena reside na incluso de um condensador eletroltico em srie com o enrolamento auxiliar de arranque. O condensador permite um maior ngulo de defasagem entre as correntes dos enrolamentos principal e auxiliar, proporcionando assim, elevados torques de arranque. Como no motor de fase dividida, o circuito auxiliar desligado quando o motor atinge entre 75% a 80% da velocidade sncrona. Neste intervalo de velocidades, o enrolamento principal sozinho desenvolve quase o mesmo torque que os enrolamentos combinados. Para velocidades maiores, entre 80% e 90% da velocidade sncrona, a curva do torque com os enrolamentos combinados cruza a curva de torque do enrolamento principal de maneira que, para velocidades acima deste ponto, o motor desenvolve menor torque, para qualquer escorregamento, com o circuito auxiliar ligado do que sem ele. Devido ao fato de o cruzamento das curvas no ocorrer sempre no mesmo ponto e, ainda, o disjuntor centrfugo no abrir sempre exatamente na mesma velocidade, prtica comum fazer com que a abertura acontea, na mdia, um pouco antes do cruzamento das curvas. Aps a abertura do circuito auxiliar, o seu funcionamento idntico ao do motor de fase dividida. Com o seu elevado torque de arranque (entre 200% e 350% do torque nominal), o motor de condensador de partida pode ser utilizado numa grande variedade de aplicaes e fabricado para potncias que vo de cv a 15 cv. 3.6.4 - Motor de Condensador Permanente Neste tipo de motor, o enrolamento auxiliar e o condensador ficam permanentemente ligados, sendo o condensador do tipo eletrosttico. O efeito deste condensador o de criar condies de fluxo muito semelhantes s encontradas nos motores polifsicos, aumentando, com isso, o torque mximo, o rendimento e o fator de potncia, alm de reduzir sensivelmente o rudo. Construtivamente so menores e isentos de manuteno, pois no utilizam contactos e partes mveis, como nos motores anteriores. Porm o seu torque de arranque inferior ao do motor de fase dividida (50% a 100% do conjugado nominal), o que limita sua aplicao a equipamentos que no 10Curso Tcnico em Plsticos - Jorge Eduardo Uliana - [email protected]


requerem elevado torque de arranque, tais como: mquinas de escritrio, ventiladores, exaustores, sopradores, bombas centrifugas, esmeris, pequenas serras, furadeiras, condicionadores de ar, pulverizadores, etc. So fabricados normalmente para potncias de 1/50 a 1,5 cv. 3.6.5 - Motor com Dois Condensadores um motor que utiliza as vantagens dos dois anteriores: arranque como o do motor de condensador de partida e funcionamento em regime idntico ao do motor de condensador permanente. Porm, devido ao seu alto custo, normalmente so fabricados apenas para potncias superiores a 1 cv.

3.7 - Motores Trifsicos O motor de induo trifsico o tipo mais utilizado, tanto na indstria como no ambiente domstico, devido maioria dos sistemas atuais de distribuio de energia eltrica serem trifsicos de corrente alternada. A utilizao de motores de induo trifsicos aconselhvel a partir dos 2 KW, Para potncias inferiores justifica-se o uso de monofsicos. O motor de induo trifsico apresenta vantagens ao monofsico, como o arranque mais fcil, menor nvel de rudo e menor preo para potncias superiores a 2KW. 3.7.1 - Gaiola de Esquilo Este o motor mais utilizado na indstria atualmente. Tem a vantagem de ser mais econmico em relao aos motores monofsicos tanto na sua construo como na sua utilizao. Alm disso, escolhendo o mtodo de arranque ideal, tem um leque muito maior de aplicaes. O rotor em gaiola de esquilo constitudo por um ncleo de chapas ferromagnticas, isoladas entre si, sobre o qual so colocadas barras de alumnio (condutores), dispostos paralelamente entre si e unidas nas suas extremidades por dois anis condutores, tambm em alumnio, que curtocircuitam os condutores. O estator do motor tambm constitudo por um ncleo ferromagntico laminado, que nas cavidades do qual so colocados os enrolamentos alimentados pela rede de corrente alternada trifsica. A vantagem deste rotor relativamente ao rotor bobinado que resulta numa construo do induzido mais rpida, mais prtico e mais barato.

As barras condutoras da gaiola so colocadas geralmente com certa inclinao, para evitar as trepidaes e rudos que resultam da ao eletromagntica entre os dentes das cavidades do estator e do rotor. A principal desvantagem refere-se ao fato de o torque de arranque ser reduzido em relao corrente absorvida pelo estator. Trata-se essencialmente de um motor de velocidade constante.



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

Na figura ao lado mostrado um enrolamento monofsico atravessado por uma corrente I, e o campo H criado por ela; o enrolamento constitudo de um par de plos (um plo norte e um plo sul), cujos efeitos se somam para estabelecer o campo H. O fluxo magntico atravessa o rotor entre os dois plos e se fecha atravs do ncleo do estator. Se a corrente I alternada, o campo H tambm , e inverte seu sentido em cada meio ciclo. O campo H pulsante, pois sua intensidade varia proporcionalmente corrente, sempre na mesma direo norte--sul.

Na figura ao lado mostrado um enrolamento trifsico, que composto por trs monofsicos espaados entre si de 120 graus. Se este enrolamento for alimentado por um sistema trifsico, as correntes I1, I2 e I3 criaro, do mesmo modo, os seus prprios campos magnticos H1, H2 e H3. Estes campos so espaados entre si de 120 graus. O campo total H resultante, a cada instante, ser igual soma dos trs campos H1, H2 e H3 naquele instante.



Fusveis So os elementos mais tradicionais para proteo contra curto-circuito de sistemas eltricos. Sua operao baseada na fuso do elemento fusvel, contido no seu interior. O elemento fusvel um condutor de pequena seo transversal, que sofre, devido a sua alta resistncia, um aquecimento maior que o dos outros condutores, passagem da corrente. O elemento fusvel um fio ou uma lmina, geralmente, prata, estanho, chumbo ou liga, colocado no interior de um corpo, em geral de porcelana, hermeticamente fechado. Possuem um indicador, que permite verificar se operou ou no; ele um fio ligado em paralelo com o elemento fusvel e que libera uma mola que atua sobre uma plaqueta ou boto, ou mesmo um parafuso, preso na tampa do corpo. Os fusveis contm em seu interior, envolvendo por completo o elemento, material granulado extintor; para isso utiliza-se, em geral, areia de quartzo de granulometria conveniente. A figura abaixo mostra a composio de um fusvel (no caso mais geral). O elemento fusvel pode ter diversas formas. Em funo da corrente nominal do fusvel, ele compese de um ou mais fios ou lminas em paralelo, com trecho(s) de seo reduzida. Nele existe ainda um ponto de solda, cuja temperatura de fuso bem menor que a do elemento e que atua por sobrecargas de longa durao.

Rel bimetlico de sobrecarga So dispositivos baseados no princpio da dilatao de partes termoeltricas (bimetlicos). A operao de um rel est baseado nas diferentes dilataes que os metais apresentam, quando submetidos a uma variao de temperatura. Rels de sobrecarga so usados para proteger INDIRETAMENTE equipamentos eltricos, como motores e transformadores, de um possvel superaquecimento.



O superaquecimento de um motor pode, por exemplo, ser causado por: Sobrecarga mecnica na ponta do eixo; Tempo de partida muito alto; Rotor bloqueado; Falta de uma fase; Desvios excessivos de tenso e freqncia da rede. Em todos estes casos citados acima, o incremento de corrente (sobre-corrente) no motor monitorado em todas as fases pelo rel de sobrecarga. Os terminais do circuito principal dos rels de sobrecarga so marcados da mesma forma que os terminais de potncia dos contatores. Os terminais dos circuitos auxiliares do rel so marcados da mesma forma que os de contatores, com funes especficas, conforme exemplos a seguir. O nmero de seqncia deve ser `9' (nove) e, se uma segunda seqncia existir, ser identificada com o zero.


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