Diversos

Motores Trifásico e Monofásico

Eletricidade

terça-feira, 14 de outubro de 2008

MOTORES DE INDUÇÃO

MOTORES DE INDUÇÃO 1-Introdução O motor de indução converteu-se no tipo de motor mais usado na industria. Este fato deve-se à maioria dos sistemas atuais de distribuição de energia elétrica serem de corrente alternada. Comparando com o motor de corrente contínua, o motor de indução tem como vantagem a sua simplicidade, que se traduz em baixo custo e máxima eficácia com manutenção mínima. O rendimento é elevado para média e máxima carga, e pode-se assegurar um bom fator de potência com uma seleção correta. 2-Motores Elétricos e a sua Importância O acionamento de máquinas e equipamentos mecânicos por motores elétricos é um assunto de extraordinária importância econômica. No campo de acionamentos industriais, avalia-se que de 70 a 80% da energia elétrica consumida pelo conjunto de todas as industrias seja transformada em energia mecânica através de motores elétricos. O nosso estudo torna-se mais relevante, já que a maioria dos motores elétricos utilizados na industria são de motores de indução gaiola de esquilo. 3-Tipos de motores elétricos 4-Fatores de seleção Na seleção do motor vários fatores vão ser determinantes. A importância destes fatores depende da utilização a que o motor vai ser sujeito e das possibilidades do investidor. - Tipo de fonte de alimentação (DC ou AC, monofásico ou polifásico) - Condições ambientais (limitações à poluição produzida pelo motor: principalmente sonora) - Relação Binário/Velocidade; conseqüência direta das características da carga. - Consumo e Manutenção; varia com os interesses econômicos, perspectiva a curto ou longo prazo. - Controlabilidade: Posição, Binário, Velocidade, Corrente de arranque; depende das exigências da carga. Um aspecto importante na seleção do motor é o tipo de carga mecânica a que vai estar sujeito. Assim, convêm referir e caracterizar os diversos tipos, que são apresentados na figura seguinte acompanhada com exemplos ilustrativos. 5 - Constituição do Motor de Indução O motor assíncrono é constituído basicamente pelos seguintes elementos: - um circuito magnético estático, constituído por chapas ferromagnéticas empilhadas e isoladas entre si, ao qual se dá o nome de estator; - por bobines (n. de grupos, consoante o motor monofásico ou polifásico) localizadas em cavas abertas no estator e alimentadas pela rede de corrente alternada; - por um rotor constituído por um núcleo ferromagnético, também laminado, sobre o qual se encontra um enrolamento ou um conjunto de condutores paralelos, nos quais são induzidas correntes provocadas pela corrente alternada das bobinas do estator. O rotor é apoiado num veio, que por sua vez transmite à carga a energia mecânica produzida. O entreferro (distância entre o rotor e o estator) é bastante reduzido, de forma a reduzir a corrente em vazio e, portanto as perdas, mas também para aumentar o fator de potência em vazio. Como exemplo apresentamos a "projeção" dos diversos elementos o motor assíncrono de rotor em gaiola de esquilo. 6-Funcionamento de um Motor Assíncrono A partir do momento que os enrolamentos localizados nas cavas do estator são sujeitos a uma corrente alternada, gera-se um campo magnético no estator, conseqüentemente, no rotor surge uma força eletromotriz induzida devido ao fluxo magnético variável que atravessa o rotor. A f.e.m. induzida dá origem a uma corrente induzida no rotor que tende a opor-se à causa que lhe deu origem, criando assim um movimento giratório no rotor. Como podemos constatar o princípio de funcionamento do motor de indução baseia-se em duas leis do Eletromagnetismo, a Lei de Lenz e a Lei de Faraday. Faraday: "Sempre que através da superfície abraçada por um circuito tiver lugar uma variação de fluxo, gera-se nesse circuito uma força eletromotriz induzida. Se o circuito é fechado será percorrido por uma corrente induzida". Lenz: "O sentido da corrente induzida é tal que esta pelas suas ações magnéticas tende sempre a opor-se à causa que lhe deu origem". 6.1-Explicação Teórica O motor elétrico transforma a potência elétrica fornecida em potência mecânica e uma reduzida percentagem em perdas. As perdas, que são inerentes ao processo de transformação, são quantificadas através do rendimento (mais à frente analisamos melhor os vários tipos de perdas nos motores). A Potência Mecânica traduz-se basicamente, no Binário que o motor gera no veio do rotor. O Binário é conseqüência direta do efeito originado pela indução magnética do estator em interação com a do rotor. T = K . Best . aBrot. sen T - Binário K - Constante Best - Indução magnética criada pelo estator Brot - Indução magnética criada pelo rotor -a ângulo entre Best e Brot A velocidade de um motor de indução é essencialmente determinada pela freqüência da energia fornecida ao motor e pelo numero de pares de pólos existentes no estator. No motor assíncrono ou de indução o campo girante roda a velocidade síncrona, como nos motores síncronos. A velocidade do campo girante obtêm-se pela seguinte expressão: Vg - velocidade do campo girante f - freqüência n - numero de pares de pólos Uma característica fundamental dos motores de indução é o escorregamento, daí tratarem-se de motores assíncronos, o seu valor é dado pela seguinte expressão: s - escorregamento V - velocidade do rotor A velocidade sofre um ligeiro decréscimo quando o motor passa de um funcionamento em vazio (sem carga) para um funcionamento em carga máxima. 6.2-Curvas Características São apresentadas as principais curvas do motor de indução, no intuito de visualizarmos o comportamento dos vários fenômenos de uma forma geral. 7- Aplicações O motor assíncrono tem atualmente uma aplicação muito grande tanto na industria como em utilizações domésticas, dada a sua grande robustez, baixo preço, arranque fácil (pode mesmo ser direto, em motores de baixa potência). Não possui coletor (órgão delicado e caro) tratando-se de uma gaiola de esquilo; não produz faíscas e tem, portanto uma manutenção muito mais reduzida do que qualquer outro motor. É utilizado o motor monofásico para baixas potências (até 1 a 2 Kw) e o polifásico para potências superiores. Na figura seguinte visualiza-se a utilização de motores em casos específicos: Há que destacar que o motor de indução ideal está numa faixa de velocidade entre 900 e 1800rpm, e com potências inferiores a alguns milhares de KW. Associados aos conversores eletrônicos de tensão e freqüência variáveis (variadores eletrônicos de velocidade), os motores de indução tendem a assumir um papel quase que exclusivo nos acionamentos elétricos. 8 - Perdas no Motor As perdas que ocorrem num motor dividem-se em quatro diferentes tipos: - Perdas elétricas - Perdas magnéticas - Perdas mecânicas - Perdas parasitas - As perdas elétricas são do tipo { RI2}, aumentam acentuadamente com a carga aplicada ao motor. Estas perdas, por efeito de Joule podem ser reduzidas, aumentando a secção do estator e dos condutores do rotor. - As perdas magnéticas ocorrem nas lâminas de ferro do estator e do rotor. Ocorrem devido ao efeito de histerese e às correntes induzidas (neste caso, correntes de Foucault), e variam com a densidade do fluxo e a freqüência. Podem ser reduzidas através do aumento da secção do ferro no estator e rotor, através do uso de lâminas delgadas e do melhoramento dos materiais magnéticos. - As perdas mecânicas são devido à fricção dos procedimentos, ventilação e perdas devido à oposição do ar. Podem ser reduzidas, usando procedimentos com baixa fricção e com o aperfeiçoamento do sistema de ventilação. - As perdas parasitas (stray losses) ou perdas extraviadas são devidas a fugas do fluxo, distribuição de corrente não uniforme, imperfeições mecânicas nas aberturas para escoamento do ar, e irregularidades na densidade do fluxo do ar ao ser escoado pelas aberturas. Podem ser reduzidas através da optimização do projeto do motor e ainda de uma produção ou fabrico cuidadoso. Apresentamos seguidamente a distribuição das perdas no motor, as perdas parasitas não são representadas por terem um valor insignificante. ________________________________________ 9 - Motores de Indução Monofásicos Os motores monofásicos são assim chamados porque os seus enrolamentos de campo são ligados diretamente a uma fonte monofásica . Os motores de indução monofásicos são a alternativa natural aos motores de indução polifásico, nos locais onde não se dispõe de alimentação trifásica, como residências, escritórios, oficinas e em zonas rurais. Apenas se justifica a sua utilização para baixas potências (1 a 2 KW). Entre os vários tipos de motores elétricos monofásicos, os motores com rotor tipo gaiola destacam-se pela simplicidade de fabricação e, principalmente, pela robustez, fiabilidade e manutenção reduzida. Por terem somente uma fase de alimentação, não possuem um campo girante como os motores polifásicos, mas sim um campo magnético pulsante. Isto impede que tenham binário de arranque, tendo em conta que no rotor se induzem campos magnéticos alinhados com o campo do estator. Para solucionar o problema de arranque utilizam-se enrolamentos auxiliares, que são dimensionados e posicionados de forma a criar uma segunda fase fictícia, permitindo a formação do campo girante necessário para o arranque. Tipos de Motores de indução monofásicos: Motor de Pólos Sombreados (ou shaded pole); Motor de Fase Dividida (ou split phase); Motor de Condensador de Partida (ou capacitor - start); Motor de Condensador Permanente (ou permanent - split capacitor); Motor com Dois Condensadores (ou two-value capacitor). Seguidamente vamos apresentar o funcionamento, características, vantagens e aplicações dos vários tipos de motores monofásicos. 9.1 - Motor de Pólos Sombreados O motor de pólos sombreados, também chamado de motor de campo distorcido (ou shaded pole), graças ao seu processo de arranque, é o mais simples, fiável e econômico dos motores de indução monofásicos. Construtivamente existem diversos tipos, sendo que uma das formas mais comuns é a de pólos salientes. Cada pólo vai ter uma parte (em geral 25% a 35% do mesmo) é abraçada 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 relação ao fluxo da parte não abraçada pela mesma. O resultado disto ‚ semelhante a um campo girante que se move na direção da parte não abraçada para a parte abraçada do pólo, produzindo o binário que fará o motor partir e atingir a rotação nominal. O sentido de rotação, portanto, depende do lado em que se situa a parte abraçada do pólo. Conseqüentemente, o motor de campo distorcido apresenta um único sentido de rotação. Este geralmente pode ser invertido, mudando-se a posição da ponta de eixo do rotor em relação ao estator. Existem outros métodos para se obter inversão de rotação, mas muito mais dispendiosos. Quanto ao desempenho, os motores de campo distorcido apresentam baixo binário de arranque (15% a 50% do nominal), baixo rendimento e baixo fator de potência. Devido a esse fato, eles são normalmente fabricados para pequenas potências, que vão de alguns milésimos de cv a 1/4 cv. Pela sua simplicidade, robustez e baixo custo, são ideais em aplicações tais como: movimentação de ar (ventiladores, exaustores, purificadores de ambiente, unidades de refrigeração, secadores de roupa e de cabelo, pequenas bombas e compressores, projetores de slides, gira-discos e aplicações domésticas. Apesar de sua aparente simplicidade, o projeto deste tipo de motor é de extrema complexidade, envolvendo conceitos de duplo campo girante, campos cruzados e complexa teoria eletromagnética. 9.2 - Motor de Fase Dividida (Split. Phase) 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 binário necessário para a rotação inicial e a aceleração. Quando o motor atinge uma rotação predeterminada, o enrolamento auxiliar‚ é desligado da rede através de uma chave que normalmente é atuada por uma força centrífuga (chave ou disjuntor centrífugo) ou em casos específicos, por relé de corrente, chave manual ou outros dispositivos especiais. Como o enrolamento auxiliar é dimensionado para atuar apenas no arranque, se não for desligado logo após o arranque danifica-se. O ângulo de desfasamento que se pode obter entre as correntes do enrolamento principal e do enrolamento auxiliar é pequeno e, por isso, estes motores têm binário de arranque igual ou pouco superior ao nominal, o que limita a sua aplicação a potências fracionárias e a cargas que exigem pouco binário de arranque, tais como máquinas de escritórios, ventiladores e exaustores, pequenos polidores, compressores herméticos, bombas centrífugas, etc. 9.3 - Motor de Condensador de Partida (Capacitor-Start) É um motor semelhante ao de fase dividida. A principal diferença reside na inclusão de um condensador eletrolítico em série com o enrolamento auxiliar de arranque. O condensador permite um maior ângulo de desfasamento entre as correntes dos enrolamentos principal e auxiliar, proporcionando assim, elevados binários de arranque. Como no motor de fase dividida, o circuito auxiliar é desligado quando o motor atinge entre 75% a 80% da velocidade síncrona. Neste intervalo de velocidades, o enrolamento principal sozinho desenvolve quase o mesmo binário que os enrolamentos combinados. Para velocidades maiores, entre 80% e 90% da velocidade síncrona, a curva do binário com os enrolamentos combinados cruza a curva de binário do enrolamento principal de maneira que, para velocidades acima deste ponto, o motor desenvolve menor binário, para qualquer escorregamento, com o circuito auxiliar ligado do que sem ele. Devido ao fato de o cruzamento das curvas não ocorrer sempre no mesmo ponto e, ainda, o disjuntor centrífugo não abrir sempre exatamente na mesma velocidade, é prática comum fazer com que a abertura aconteça, na média, um pouco antes do cruzamento das curvas. Após a abertura do circuito auxiliar o seu funcionamento é idêntico ao do motor de fase dividida. Com o seu elevado binário de arranque (entre 200% e 350% do binário nominal), o motor de condensador de partida pode ser utilizado numa grande variedade de aplicações e‚ fabricado para potências que vão de ¼ cv a 15 cv. 9.4 - Motor De Condensador Permanente (Permanent.Split Capacitor) Neste tipo de motor, o enrolamento auxiliar e o condensador ficam permanentemente ligados, sendo o condensador do tipo eletrostático. O efeito deste condensador é o de criar condições de fluxo muito semelhantes às encontradas nos motores polifásicos, aumentando, com isso, o binário máximo, o rendimento e o fator de potência, além de reduzir sensivelmente o ruído. Construtivamente são menores e isentos de manutenção, pois não utilizam contactos e partes móveis, como nos motores anteriores. Porém o seu binário de arranque, é inferior ao do motor de fase dividida (50% a 100% do conjugado nominal), o que limita sua aplicação a equipamentos que não requerem elevado binário de arranque, tais como: máquinas de escritório, ventiladores, exaustores, sopradores, bombas centrifugas, esmeris, pequenas serras, furadeiras, condicionadores de ar, pulverizadores, etc. São fabricados normalmente para potências de 1/50 a 1,5 cv. 9.5 - Motor Com Dois Condensadores (Two. Value Capacitor) É um motor que utiliza as vantagens dos dois anteriores: arranque como o do motor de condensador de partida e funcionamento em regime idêntico ao do motor de condensador permanente. Porém, devido ao seu alto custo, normalmente são fabricados apenas para potências superiores a 1 cv. ________________________________________ 10 - Motores Polifásicos O motor de indução polifásico é o tipo mais utilizado, tanto na industria como no ambiente doméstico, devido à maioria dos sistemas atuais de distribuição de energia elétrica serem trifásicos de corrente alternada. O nosso estudo recaiu essencialmente nos motores de indução trifásicos, já que na prática constituem o grande leque dos motores de indução polifásicos e também porque o numero de fases varia o seu comportamento de uma forma já relatada, nomeadamente com a variação do numero de pares de pólos que provoca alterações conhecidas. A utilização de motores de indução trifásicos é aconselhável a partir dos 2 KW , Para potências inferiores justifica-se o monofásico. O motor de indução trifásico apresenta vantagens relativamente ao monofásico, nomeadamente um arranque mais fácil, o ruído é menor e são mais baratos para potências superiores a 2Kw. - Lubrificação A manutenção freqüente é necessária para reduzir ao mínimo a fricção do procedimento. A energia desperdiçada devido aos procedimentos com fricção, aumenta a temperatura de funcionamento do motor, diminui a sua performance e o tempo de vida do lubrificante. O lubrificante a aplicar deve ser o correto, caso contrário pode provocar perdas por fricção elevadas e um curto período de vida dos procedimentos. Adicionalmente, o excesso de massa lubrificante pode causar a acumulação da mesma e afetar os enrolamentos do motor com resíduos, levando à sua degradação. O uso de lubrificantes sintéticos pode conduzir a uma redução substancial nas perdas por fricção. - Verificação periódica A temperatura, juntamente com as condições elétricas e mecânicos do motor devem ser verificadas periodicamente. Já que a eficiência mecânica dos componentes do motor afetam diretamente a eficiência de todo o sistema. Visualizar o uso e a erosão dos componentes é extremamente importante, já que a eficiência pode ser afetada drasticamente. Uma boa manutenção traduz-se numa inspeção ao comportamento do motor de seis em seis meses. - Limpeza e condições ambientais Limpar a carcaça do motor com freqüência é necessário em industrias em que o pó abunda. Este fator é bastante importante porque a temperatura de funcionamento aumenta com o pó, provocando assim possíveis danos no motor. O mesmo acontece quando o ambiente no qual o motor opera não é o melhor. Um aumento da temperatura conduz a um aumento de resistividade dos enrolamentos o provoca perdas maiores. Um aumento de 25 graus na temperatura do motor aumenta as perdas de Joule em cerca de 10%. 12-Avarias mais freqüentes no motor assíncrono Avaria Causas prováveis Marcha trepidante - carcaça mal fixa - acoplamento mal equilibrado - condutor de alimentação interrompido - corpo estranho no entreferro O motor não arranca - interrupção da alimentação - as escovas não assentam sobre os anéis - tensão excessivamente baixa - interrupção no arrancador Arranque brusco - resistência demasiado baixa, no arranque (rotor bobinado) - arrancador parcialmente interrompido ou com contactos queimados - arrancador mal ligado - curto-circuito entre espiras do enrolamento do rotor O motor arranca com dificuldade - tensão na rede muito baixa - queda de tensão excessiva nos condutores de alimentação - carga excessiva - um terminal do motor polifásico está ligado por erro ao neutro O motor produz um zumbido no arranque - resistências diferentes no reóstato de arranque - curto-circuito entre espiras do rotor - interrupção num enrolamento do rotor Aquecimento excessivo do motor, em funcionamento - carga excessiva - tensão demasiado elevada (perdas elevadas no ferro) - tensão demasiado baixa (consumo excessivo de corrente) - condutor de fase partido (consumo excessivo de corrente) - interrupção num dos enrolamentos do estator (consumo excessivo de corrente)

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