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  • 117 9 MOTORES DE CORRENTE ALTERNADA 9.1 MÁQUINA DE INDUÇÃO ELEMENTAR A máquina de indução transforma a energia elétrica em energia mecânica, seu funcionamento consiste em criar um fluxo magnético girante no enrolamento do estator, o qual induz um fluxo magnético no enrolamento rotor. O fluxo induzido no rotor tende a se orientar pelo fluxo do estator, criando neste instante um momento de giro. Uma vista em corte do motor de indução é mostrado na figura 9.1 Fig. 9.1 Vista em corte do motor de corrente alternada 9.2 CAMPO MAGNÉTICO GIRANTE Para compreender a teoria de máquinas de corrente alternada polifásicas assíncronas é necessário estudar a natureza do Campo Magnético produzido por um enrolamento polifásico. Em um motor trifásico, os enrolamentos das fases individuais são defasados em 120º elétricos ao longo da circunferência do entre ferro, como mostrado nas bobinas a, -a, b, -b, c, -c da figura 9.2 As bobinas concentradas de passo pleno, mostradas aqui, podem ser vistas como representações de enrolamentos distribuídos, produzindo ondas senoidais de Fmm centradas nos eixos magnéticos das respectivas fases. Cada fase é excitada por uma corrente alternada que varia senoidalmente com o tempo, sob condições trifásicas balanceadas as correntes instantâneas são: Ia = Imax sen (wt + 0º ) A EQ. 9.1 Ib = Imax sen (wt - 120º ) A Ic = Imax sen (wt + 120º ) A Elaboração: Professor Sérgio Luiz Volpiano
  • 118 Onde Imax é o valor máximo da corrente e a origem do tempo é tomada arbitariamente como o instante onde a corrente da fase (a) é um máximo positivo. A sequência das fases é tomada como (abc), as correntes instantâneas são mostradas na figura 9.3. Os pontos e cruzes nos lados da bobinas (figura 9.2) indicam as direções de referências para correntes de fase positiva. Figura 9.2 representação simplificada do motor de corrente alternada. As ondas de Fmm variam senoidalmente com o tempo, cada componente é uma distribuição senoidal estacionária pulsante de fmm ao redor do entreferro, com o máximo localizado ao longo do eixo magnético de sua fase e amplitude proporcional à corrente de fase instantânea. A Fmm resultante e a soma vetorial das Fmm de cada fase. Fig. 9.3 Sequência de fases no sistema ABC Considere a figura 9.3, onde para t = 0, representa o momento em que a corrente da fase (a) está em seu valor máximo, a Fmm da fase (a) é máxima sendo representada pelo vetor (Fa) desenhado ao longo do eixo magnético da fase (a) conforme figura 9.4. Elaboração: Professor Sérgio Luiz Volpiano
  • 119 Neste mesmo momento Ib e Ic são ambas (Imax /2) na direção negativa como mostrado pelos pontos e cruzes na figura 9.4, as Fmm das fase b e c são mostradas pelos vetores Fb e Fc ambos iguais a (Fmax/2), desenhados na direção negativa ao longo do eixo magnéticos das fases b e c. A resultante pela adição das contribuições individuais das três fases, é um vetor mostrado na equação 9.2 3 EQ. 9.2 F= .F , F = 1,5 . F 2 max max O vetor (F) está alinhado com o eixo da fase (a), a mesma análise deve ser realizada para t = ( π/3 ) e t = ( 2π/3 ) gerando as figuras 9.5 e 9.6 Fig. 9.4 Fig. 9.5 Fig. 9.6 Figs. 9.4, 9.5, 9.6 Força Magnetomotriz dos Enrolamentos Distribuídos No projeto das máquinas de corrente alternada, são realizados inúmeros esforços para distribuir os enrolamentos no núcleo do motor com o objetivo de obter uma distribuição espacial senoidal das Fmm. Portanto um enrolamento distribuído faz melhor uso do ferro e cobre e melhora a forma de onda do campo magnético girante produzido no estator do motor. Quando utiliza-se enrolamentos distribuídos, deve ser considerado um fator de distribuição (kw), porque as Fems induzidas nas bobinas individuais de qualquer grupo monofásico não estão em fase no tempo. Para a maioria dos enrolamentos trifásicos, (kw) é cerca de (0,85 a 0,95), portanto para enrolamentos distribuídos a expressão da (Fem) em um enrolamento é mostrada pela equação 9.3 : volts Eef = 4,44 . f . kw . n . φ ⇒ EQ. 9.3 fase Elaboração: Professor Sérgio Luiz Volpiano
  • 120 9.3 VELOCIDADE SÍNCRONA E DO ROTOR A velocidade síncrona do motor é definida pela velocidade de rotação do campo girante, a qual depende do número de pólos (np) do motor e da frequência (f) da rede. Os enrolamentos podem ser construídos com um ou mais pares de pólos, que se distribuem alternadamente (um norte e um sul) ao longo da periferia do núcleo magnético. O campo girante percorre um par de pólos a cada ciclo, como o enrolamento tem pólos ou (p) pares de pólos, a velocidade do campo girante será : (rpm ) , NR = ( 1 − S ) NS 120 . f NS = EQ. 9.4 np Para as freqüências e polaridades usuais, as velocidades síncronas serão : Nº DE PÓLOS ROTAÇÃO SÍNCRONA (NS) 60 Hz 50 Hz 2 3600 3000 4 1800 1500 6 1200 1000 8 900 750 12 600 500 9.4 ESCORREGAMENTO A diferença entre a velocidade do rotor (nr) e a velocidade do campo girante (ns), chama-se escorregamento (s) que pode ser expresso em rpm ou como fração da velocidade síncrona, ou como porcentagem desta. Se o rotor gira a uma velocidade diferente da velocidade do campo girante, o enrolamento do rotor corta as linhas de força magnética do enrolamento do estator e pelas leis do eletromagnetismo, circularão no rotor correntes induzidas. Quanto maior a carga, maior será o conjugado necessário para acioná-la, para obter um maior conjugado, deve-se aumentar a diferença entre as velocidades, para que as correntes induzidas e os campos produzidos sejam maiores. Portanto , à medida que a carga aumenta, cai a rotação do motor, o conjugado aumenta e se restabelece a velocidade do motor Quando a carga é zero (motor em vazio) o rotor girará praticamente com a mesma velocidade do campo girante. Para se calcular o escorregamento deve-se utilizar a equação 9.5 ns - nr ns − nr EQ. 9.5 S(rpm) = ns - nr , S = , S(%) = × 100% ns ns 9.5 TIPOS DE LIGAÇÃO A grande maioria dos motores são fornecidos com terminais dos enrolamentos religáveis, de modo a poderem funcionar em redes de pelo menos duas tensões diferentes. Os principais tipos de ligações de motores para funcionar em mais de uma tensão são: • Ligação Série – Paralela • Ligação Estrela – Triângulo • Ligação em Tripla tensão nominal: (Duplo triângulo para 220V), (Dupla estrela para 380V) (Ligação Triângulo para 440V). Elaboração: Professor Sérgio Luiz Volpiano
  • 121 9.5.1 LIGAÇÃO SÉRIE – PARALELA (ESTRELA - DUPLA ESTRELA) A ligação mostrada na figura 9.7 é chamada de (estrela – dupla estrela) exige nove terminais no motor e a tensão nominal (dupla) mais comum é 440/220V ou 760/380V, sendo a ligação em 760V apenas usada para a partida na ligação série. 440V 220V 127V 254V Fig. 9.7 Ligação série – paralela para tensões de 440 / 220 V 9.5.2 LIGAÇÃO SÉRIE - PARALELA (TRIÂNGULO - DUPLO TRIÂNGULO) A ligação mostrada na figura 9.8 é chamada de (triângulo - duplo triângulo) exige doze terminais do motor e a tensão nominal dupla mais comum é 440/220V sendo a ligação em 440V usada apenas na partida em série. 440V 220V Fig. 9.8 Ligação série – paralela para tensões de 220V ou 440V Elaboração: Professor Sérgio Luiz Volpiano
  • 122 9.5.3 LIGAÇÃO ESTRELA – TRIÂNGULO Este tipo de ligação exige seis terminais no mínimo no motor e utiliza tensões nominais duplas , desde que a segunda seja à primeira multiplicada por √ 3. Exemplo : 220/380V ; 380/660V ; 440/760 V 220V 380V Fig. 9.9 Ligação estrela triângulo 9.5.4 LIGAÇÃO EM TRIPLA TENSÃO NOMINAL Este tipo de ligação exige doze terminais a figura 9.10 mostra a numeração normal dos terminais e o esquema de ligação para as três tensões nominais. 220V 380V 440V Duplo Triângulo para 220V Dupla estrela para 380V Triângulo para 440V Fig. 9.10 Ligação para motores de 12 pontas (tripla tensão) Elaboração: Professor Sérgio Luiz Volpiano
  • 123 9.6 CARACTERÍSTICA DE ACELERAÇÃO 9.6.1 Curva de Conjugado x Velocidade O motor de indução possui conjugado igual a zero à velocidade síncrona, à medida que a carga vai aumentando, a rotação do motor diminui gradativamente, até um ponto em que o conjugado atinge o valor máximo. Se o conjugado da carga aumentar mais, a rotação do motor cai bruscamente, podendo chegar a travar o rotor. A figura 9.11 mostra o gráfico da variação do conjugado em função da velocidade síncrona do motor. Fig. 9.11 Curva característica do conjugado em função da velocidade síncrona Co ⇒ Conjugado Básico - É o conjugado calculado em função da potência e velocidade síncrona (ns). 716 × P (cv ) 794 × P( kW ) Co( Kgfm ) = = EQ. 9.6 ns(rpm ) ns(rpm ) 7094 × P (cv ) 9555 × P( kw ) Co( Nm ) = = ns(rpm ) ns(rpm ) Cn ⇒ Conjugado Nominal ou de plena carga – É o conjugado desenvolvido pelo motor à potência nominal, sob tensão e freqüência nominais. Cp ⇒ Conjugado de Partida ou Conjugado com Rotor Bloqueado. É o conjugado mínimo desenvolvido pelo motor bloqueado, para todas as posições angulares do rotor, sob tensão e freqüência nominais. Elaboração: Professor Sérgio Luiz Volpiano
  • 124 Este conjugado pode ser expresso em Nm ou, mais comumente, em porcentagem do conjugado nominal. EQ. 9.7 Cp(Nm) Cp = × 100 (%) Cn(Nm) Na prática, o conjugado de rotor bloqueado deve ser o mais alto possível, para que o rotor possa vencer a inércia inicial da carga e possa acelerá-la rapidamente, principalmente quando a partida é com tensão reduzida. Cmin ⇒ Conjugado mínimo - É o menor conjugado desenvolvido pelo motor ao acelerar desde a velocidade zero até a velocidade correspondente ao conjugado máximo. Na prática este valor não deve ser muito baixo, isto é, a curva não deve apresentar uma depressão acentuada na aceleração, para que a partida não seja muito demorada, sobreaquecendo o motor, especialmente nos casos de alta inércia ou partida com tensão reduzida. Cmax ⇒ Conjugado Máximo é o maior conjugado desenvolvido pelo motor, sob tensão e freqüência nominais, sem queda brusca de velocidade. Na prática o conjugado máximo deve ser o mais alto possível, por duas razões principais: 1 - O motor deve ser capaz de vencer, sem grandes dificuldades, eventuais picos de carga como pode acontecer em certas aplicações, como em britadores, calandras, misturadores. 2- O motor não deve perder bruscamente a velocidade, quando ocorrem quedas de tensão, momentaneamente, excessivas. 9.7 CATEGORIAS - VALORES MÍNIMOS NORMALIZADOS De acordo com as características de conjugado em relação a velocidade e corrente de partida, os motores de indução trifásicos com rotor de gaiola, são classificados em categorias, cada uma adequada a um tipo de carga. 9.7.1 Categoria N Conjugado de partida normal, corrente de partida normal, baixo escorregamento. Constituem a maioria dos motores encontrados no mercado sendo utilizados em acionamento de cargas normais, como bombas, máquinas operatrizes, ventiladores. 9.7.2 Categoria H Conjugado de partida alto, corrente de partida normal; baixo escorregamento. Usados para cargas que exigem maior conjugado na partida, como peneiras, transportadores carregadores, cargas de alta inércia, britadores. 9.7.3 Categoria D Conjugado de partida alto, corrente de partida normal, alto escorregamento (> 5%). Usados em prensas excêntricas e máquinas semelhantes, onde a carga apresenta picos periódicos. Usados também em elevadores e cargas que necessitam de conjugados de partida muito alto e corrente de partida limitada. Elaboração: Professor Sérgio Luiz Volpiano
  • 125 As curvas Conjugado x Velocidade das diferentes categorias podem ser vistas na figura 9.12 Fig.9.12 Curva característica do conjugado em função da velocidade 9.8 CLASSES DE ISOLAMENTO Para fins de normalização, os materiais isolante e os sistemas de isolamento são agrupados em CLASSES DE ISOLAMENTO , cada qual definida pelo respectivo limite de temperatura, ou seja pela maior temperatura que o material pode suportar continuamente sem que seja afetada sua vida útil As classes de isolamento utilizadas em máquinas elétricas e os respectivos limites de temperatura são: Classe A ( 105ºC ) Classe E ( 120ºC ) Classe B ( 130ºC ) Classe F ( 155ºC ) Classe H ( 180ºC ) As classes B e F são as utilizadas em motores normais 9.8.1 Composição da temperatura em função da classe de isolamento CLASSE DE ISOLAMENTO A E B F H Temperatura Ambiente ºC 40 40 40 40 40 ∆t = elevação de temperatura ºC 60 75 80 100 125 Diferença entre o ponto mais quente e a temperatura ºC 5 5 10 15 15 média Total : temperatura do ponto mais quente ºC 105 120 130 155 180 Elaboração: Professor Sérgio Luiz Volpiano
  • 126 9.9 CALCULO DA POTÊNCIA EM MOTORES TRIFÁSICOS DE INDUÇÃO S = 3 × VL × IL ⇒ ( VA ) EQ. 9.8 S P = 3 × VL × IL × cos ϕ ⇒ ( W ) Q Q = 3 × VL × IL × sen ϕ ⇒ ( VAR ) Q ϕ = arctan g ϕ P P 9.10 CALCULO DO RENDIMENTO DO MOTOR : P(eixo) × 736 η(%) = × 100 P(rede) P(rede) = 3 × VL × IL × cos ϕ P(eixo) × 736 P(rede) = η EQ. 9.9 P(eixo) × 736 3 × VL × IL × cos ϕ = η P(eixo) × 736 IL = 3 × VL × cos ϕ × η Onde : S → Potência Aparente (VA) P → Potência Ativa (W) Q → Potência Reativa (VAR) ϕ → Ângulo de carga Cosϕ → Fator de Potência Elaboração: Professor Sérgio Luiz Volpiano