Máquinas Elétricas I: maio 2023

segunda-feira, 29 de maio de 2023

Aula 21 - Trabalho, Potencia Elétrica, Mecânica e Rendimento em Motores de indução

A potência mecânica é definida como sendo a força aplicada sobre um corpo, para deslocá-lo uma certa distância em um determinado intervalo de tempo.

Figura 01 - Força e Potência.

James Watt foi um engenheiro que celebrizou-se por seu trabalho a respeito e foi o criador dos termos watts e hp (Horse Power).

Em avaliações que ele realizou junto aos cavalos que retiravam carvão das minas, Watt concluiu que em média, cada cavalos era capaz de içar dos fundos das minas, cerca de 330 libras (149.7 kg) de carvão, por uma distância de 100 pés (30.48 metros) em um intervalo de 1 minuto (60 Segundos), ou seja, 33000 lb.ft/min (746,7 W). Tal potência ficou conhecida e é utilizada até hoje, como sendo o equivalente a 1 hp.

O Trabalho e Potência Mecânica de um motor é definido pela força do motor. A Força é o produto da massa pela aceleração, peso é uma força que age sobre a massa pela aceleração da gravidade (g = 9,81 m/s2), sua unidade é N ou Kgf.

Define-se como trabalho mecânico o produto da força aplicada a um determinado corpo pelo deslocamento do mesmo, sua unidade é o [Nm] ou [J]. O trabalho necessário para elevar um corpo de 150 kgf a uma altura de 30 m é: 4500 Kgf.m

Força, Potencia Mecânica e Elétrica em Motores

Força é o produto da massa pela aceleração, peso é uma força que age sobre a massa pela aceleração da gravidade (g = 9,81 m/s2), sua unidade é N ou Kgf.

Figura 02 - Potência mecânica.

A potência mecânica é o trabalho mecânico realizado na unidade de tempo (1 j/s = 1 watts). A potência mecânica necessária para elevar um corpo de 150 kgf a uma altura de 30 m em 60 segundos é: 75 Kgf.m/s. Como a força (da gravidade) que se opõe ao movimento é de 9,81 m/s2, temos 75 x 9,81 = 736 Watts = 1 cv.

Para movimentos circulares, a distância é substituída pela velocidade periférica, isto é, pelo caminho percorrido em metros na periferia da peça girante em um segundo.
Onde: v = Velocidade angular em m/s, d = Diâmetro da peça em metros e n = Velocidade em rpm.

O dispositivo mais antigo, utilizado até os dias de hoje, para medir a potência do motor é constituído por um volante circundado por uma cinta conectada a um braço cuja extremidade se apoia sobre a plataforma de uma balança. O volante, acionado pelo motor, tem o seu movimento restringido pela pressão aplicada à cinta, que transmite o esforço ao braço apoiado sobre a balança. A partir das leituras da balança, calcula-se o esforço despendido pelo motor. Esse dispositivo é conhecido como FREIO DE PRONY.

Com os elementos acima, sabendo-se que a periferia do volante percorre, no intervalo de uma rotação, a distância 2π r contra a força de atrito f, aplicada pela cinta, então, em cada rotação, tem-se:
Trabalho=2π rf. O conjugado resistente ao atrito é formado pelo produto da leitura P da balança pelo valor do comprimento do braço de alavanca R e será exatamente igual ao produto r vezes f, conjugado que tende a mover o braço. Logo: r.f=P.R e, em uma rotação, Trabalho = 2π PR. Se o motor funcionar a N rpm, o Trabalho por minuto será dado por: = 2π PRN.
A expressão acima define a potência desenvolvida pelo motor, que pode ser expressa em HP (Horsepower) ou em CV (Cavalo-vapor), dependendo das unidades empregadas.

Figura 03 - Potência elétrica ativa.

A potência elétrica (P) é calculada pela fórmula ao lado que representa o consumo de energia. Onde: U = tensão da rede em volts; I = intensidade da corrente em amperes e cos* é o fator de potência.

Potência ativa é a parte da potência aparente que é realmente transformada em energia. É obtida do produto entre a potência aparente e o fator de potência. Se a carga for puramente resistiva o cos ϕ = 1, a potência ativa e a potência aparente terão o mesmo valor.

Figura 04 - η (Rendimento)

O Fator de potência é indicado usualmente pela expressão e representa o ângulo de defasagem da tensão em relação à corrente, além de representar a relação entre a potência real P (ativa, efetivamente transformada em trabalho) e a potência aparente S.

A potência aparente é a soma vetorial da potência ativa e da potência reativa Q, potência esta que não realiza trabalho e é transferida e armazenada nos elementos passivos (capacitores e indutores) do circuito.

O rendimento, também conhecido pelo símbolo η, representa a relação entre a potência real ou útil Pu (efetivamente transferida para a ponta do eixo) e a potência total absorvida da rede Pa, ambas são potências ativas. O rendimento é calculado pela fórmula ao lado. Onde: Pu = Potência mecânica e Pa = Potência elétrica.

Figura 04 - Rendimento.

Rendimento: também conhecido pelo símbolo η, representa a relação entre a potência real ou útil Pu (efetivamente transferida para a ponta do eixo) e a potência total absorvida da rede Pa, ambas são potências ativas. O rendimento indica a eficiência do motor na transformação de energia elétrica em mecânica. Seu valor varia de acordo com a carga do motor. Com pequenas cargas o rendimento é baixo, ou seja, a maior parte da energia consumida é transformada em calor. É importante dimensionar os motores para uma condição de funcionamento entre 75% e 100% do valor nominal, onde estes apresentam valores de rendimento mais elevados, o que proporciona uma redução nos gastos com energia elétrica.

A rotação do motor é calculada pela fórmula ao lado que representa o as rotações por minuto do rotor. Onde: n = velocidade nominal do eixo do motor assíncrono; F. frequência da rede; P. pares de pólos do motor e S o escorregamento do rotor.
É importante dimensionar os motores para uma condição de funcionamento entre 75% e 100% do valor nominal, onde estes apresentam valores de rendimento mais elevados, o que proporciona uma redução nos gastos com energia elétrica.

Exemplo: Para um motor de potência mecânica a ser calculada, foi medido: raio: r = 42 cm; peso: P = 1 Kgf e rotação: 1720 Rpm.

Calculamos: perímetro: p = 2πr => 2 x 3,14 x 0,42 => 2,64 metros;
Calculamos: velocidade: n = (p . rpm)/60 => (2,64 x 1720) / 60 => 75,65 m/s;
Calculamos: potência mecânica: P = m x n x g => 1 x 75,65 x 9,81 = 742, 12 Kgf m2 / s3;

Logo este motor tem a potencia mecânica de: 742,12 Watts .

Neste motor de potência elétrica a ser calculada também foi medido: tensão: V = 220 v; corrente: I = 3,80 A e cos : 0,98.

Calculamos: potência elétrica: P = 1,73 VI cos => 1,73 x 220 x 3,80 x 0,98 => 1419,03 Watts;
Calculamos: rendimento: n = (P mecânica / P elétrica) x 100% => 742,12 / 1419,03 = 52,29 %.

A ficha de análise de grandezas elétricas - Medidores digitais – Máquina Ligada a plena carga está disponível em: 23_08_06 FRT - Análise -Tensão Corrente Potência Elétrica em Máquinas com medidores digitais e freio.

Veja resumo de motores no link: 16_02_001 Manual de Motores Voges.

segunda-feira, 22 de maio de 2023

Aula 20 - Diagramas para energização de motores elétricos

A energização direta de motores através de chaves eletromecânicas foi um método de partida de motores na qual o motor é conectado a rede elétrica através de chaves mecânicas manuais diretamente a rede elétrica, geralmente protegida por fusíveis ou disjuntores.

Figura 01 - Chave manual eletromecânica tipo tambor.

Este antiga sistema de partida direta de motores elétricos foi considerada como recurso ideal quando desejava-se usufruir do desempenho máximo nominais de um motor elétrico.

Umas das características deste sistema era o torque de partida (uma das principais características do motor elétrico).

No entanto, este sistema de partida provocava afundamento da tensão elétrica devido á alta corrente de partida, falhas nos componentes devido á faiscamento durante a abertura e fechamento das chaves, além de risco de acidentes com o operador devido á este faiscamento mesmo para motores que possuíam pequena potência mecânica ( até 10 cv de potência).

A aplicação é simples, há três terminais de entrada de energia elétrica na chave tipo tambor e três ou mais terminais para interligação ao motor, porém internamente nesta chave tambor talvez haja necessidade de alteração ou até mesmo fazer o sistema reversão de fase, para que no momento de girar a alavanca o motor comece a funcionar no sentido correto. Para chaves onde há dois sentidos de giro deve esperar o motor parar totalmente a rotação antes de ligar no sentido contrário. Neste link há o manual de chaves rotativas manuais.
Há também o link para diagramas de sistemas eletromecânicos para acionamento de motores de indução monofásicos, trifásicos, dahlander e de corrente contínua. Vale lembrar que estes sistemas de partida estão fora de normas de segurança NR10 e NR12.

segunda-feira, 15 de maio de 2023

Aula 19 - Energização de Motores Monofásicos

Figura 01 - Motores monofásicos.

Os motores monofásicos são assim chamados porque os seus enrolamentos de campo (estator) são ligados diretamente a uma fonte monofásica. Entre os vários tipos de motores elétricos monofásicos, os motores com rotor gaiola destacam-se pela simplicidade de fabricação e, principalmente, pela robustez, confiabilidade e manutenção reduzida. Por terem somente uma fase de alimentação, não possuem um campo girante como os motores polifásicos, mas um campo magnético pulsante.
Isso impede que tenham torque de partida, tendo em conta que no rotor se induzem campos magnéticos alinhados ao campo do estator.
Para solucionar o problema de partida, 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 a partida. Assim, teremos um enrolamento de armadura com duas partes: um enrolamento principal, que é conectado diretamente à rede de alimentação.
A outra parte é o enrolamento secundário que pode ser ligado em série com um capacitor e esse circuito é ligado em paralelo com o circuito principal. Desta maneira, a corrente elétrica que circula pelo enrolamento auxiliar está adiantada em aproximadamente 90° da corrente do enrolamento principal.

01 - Motor Monofásico com Imã Permanente
No motor monofásico de Imã Permanente o rotor é um ímã permanente que gira entre dois eletroímãs estacionários. Como os eletroímãs são alimentados por corrente alternada, seus pólos invertem suas polaridades conforme o sentido da corrente inverte. O rotor gira enquanto seu pólo norte é 'puxado' primeiramente para o eletroímã esquerdo e 'empurrado' pelo eletroímã direito.

Figura 02 - Esquema de Motor de imã permanente

Cada vez que o pólo norte do rotor está a ponto de alcançar o pólo sul de um eletroímã estacionário, a corrente inverte e esse pólo sul transforma-se um pólo norte. O rotor gira continuamente, terminando uma volta para cada ciclo da corrente alternada. Como sua rotação é perfeitamente sincronizada com as reversões da C.A, este motor é denominado 'motor elétrico síncrono da C. A.'. O motor da bomba d'água de máquinas de lavar roupa, por exemplo, são desse tipo. Os motores de C.A síncronos são usados somente quando uma velocidade angular constante é essencial para o projeto.
Veja dados técnico de motores com polo distorcido no link: << 16_03_001 Motor Monofásico – Imã Permanente e Shaded-Pole >>

Figura 03 - Motor Polo Distorcido.

02 - Motor Monofásico com Campo Distorcido Motor de indução monofásico com campo distorcido ou pólos sombreados (Shaded–Pole) apresenta um enrolamento auxiliar curto-circuitado.

O motor de campo distorcido se destaca entre os motores de indução monofásicos, por seu método de partida, que é o mais simples, confiável e econômico.

Uma das formas construtivas mais comuns é a de pólos salientes, sendo que cerca de 25 a 35% de cada pólo é enlaçado 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 enlaçada pela mesma.

O resultado disto é semelhante a um campo girante que se move na direção da parte não enlaçada para a parte enlaçada do pólo, produzindo conjugado que fará o motor partir e atingir a rotação nominal.

Figura 04 - Esquema de Motor de imã permanente
e Gráfico de Torque x Velocidade

O sentido de rotação depende do lado que se situa a parte enlaçada do pólo, conseqüentemente o motor de campo distorcido apresenta um único sentido de rotação. Este geralmente pode ser invertido, mudando a posição da ponta de eixo do rotor em relação ao estator.
Os motores de campo distorcido apresentam baixo conjugado de partida (15 a 50% do nominal), baixo rendimento (35%) e baixo fator de potência (0,45). Normalmente são fabricados para pequenas potências, que vão de alguns milésimos de cv até o limite de 1/4cv. Pela sua simplicidade, robustez e baixo custo, são ideais em aplicações tais como: ventiladores, exaustores, purificadores de ambiente, unidades de refrigeração, secadores de roupa e de cabelo, pequenas bombas e compressores, projetores de slides, toca discos e aplicações domésticas.

Veja dados técnico de motores para micro ventiladores no link: << 16_03_002 Motor Monofásico – Micro ventiladores >>.

03 - Motor Monofásico com Capacitor Permanente

Figura 05 - Esquema de Motor de capacitor permanente

No Motor Monofásico com Capacitor Permanente (Permanent-Split Capacitor) o enrolamento auxiliar e o capacitor ficam permanentemente energizados. O efeito deste capacitor é o adiantamento da corrente no enrolamento auxiliar aumentando, com isso, o conjugado máximo, o rendimento e o fator de potência, além de reduzir sensivelmente o ruído.

Construtivamente são menores e isentos de manutenção pois não utilizam contatos e partes móveis, como nos motores anteriores. Porém, seu conjugado de partida normalmente é inferior ao do motor de fase dividida (50% a 100% do conjugado nominal), o que limita sua aplicação a equipamentos que não requeiram elevado conjugado de partida, tais como: máquinas de escritório, ventiladores, exaustores, sopradores, bombas centrífugas, esmeris, pequenas serras, furadeiras, condicionadores de ar, pulverizadores, etc. São fabricados normalmente para potências de 1/50 a 1,5 cv.

Figura 06 - Torque x Velocidade em
Motor de capacitor permanente

No gráfico há características do conjugado x velocidade. O baixo torque de partida ocorre pois o capacitor não está dimensionado para proporcionar o equilíbrio na partida, mas para condições de rotação nominal.

Eliminando o interruptor centrífugo pode reduzir significativamente o custo de fabricação.
Veja dados técnico de motores com polo distorcido no link: << 16_03_004 Motor Monofásico com Capacitor Permanente >>.

04 - Motor monofásico com fase dividida com dois terminais

O Motor Monofásico de Fase Dividida (Split-phase) possui um enrolamento principal e um auxiliar (para a partida), ambos defasados no espaço de 90 graus elétricos. O enrolamento auxiliar cria um deslocamento de fase que produz o conjugado necessário para a rotação inicial e a aceleração.

Figura 07 - Esquema de Motor de fase dividida

Quando o motor atinge uma rotação de cerca de 75% da velocidade nominal o enrolamento auxiliar é desconectado da rede através de uma chave que normalmente é atuada por uma força centrífuga. Após desligamento do enrolamento auxiliar o motor continua a rodar através de em um único campo oscilante, o que em conjunto com a rotação do rotor, resulta em um efeito de campo rotativo. Como o enrolamento auxiliar é dimensionado para atuação somente na partida, seu não desligamento provocará a sua queima.

O ângulo de defasagem que se pode obter entre as correntes do enrolamento principal e do enrolamento auxiliar é pequeno e, por isso, esses motores têm conjugado de partida igual ou pouco superior ao nominal, o que limita a sua aplicação a potências fracionárias e a cargas que exigem reduzido ou moderado conjugado de partida, tais como máquinas de escritórios, ventiladores e exaustores, pequenos polidores, compressores herméticos, bombas centrífugas, etc. Normalmente são construídos em potências fracionárias que não excedem ¾ de CV.

Figura 08 - Gráfico de Torque x Velocidade

Um motor de fase dividida não tem nenhuma capacitância no circuito auxiliar. A mudança de fase em relação à corrente principal é conseguida por utilização de condutores muito finos para alcançar uma elevada resistência à relação de reatância. O aumento da resistência do enrolamento auxiliar traz como consequência o fato dele só poder ser utilizada durante a partida.
Um motor de fase dividida tem o torque significativamente menores devido à redução do ângulo de fase entre as correntes do enrolamento principal e auxiliar.

05 - Motor monofásico com fase dividida com 4 terminais

Figura 09 - Ligação de Motor de fase dividida

O Motor monofásico com fase dividida pode ser construído com dois ou quatro terminais. Quando construído com dois terminais é destinado apenas a um valor de tensão, e não pode ser adaptado a diferentes valores de tensão. Assim, a tensão aplicada na placa deve ser igual à tensão da rede de alimentação. Outro inconveniente é o fato de não ser possível a inversão do seu sentido de rotação, pois ele tem somente dois terminais em que são ligados os condutores de fase (L) e neutro (N). A inversão dos cabos de alimentação fase e neutro não provoca a inversão do sentido de giro.

Figura 10 - Esquema de Motor de capacitor de partida

No caso de ter acesso ás 4 pontas dos enrolamentos ou a 3 ( uma delas é a comum ), pode,os medir a resistência Ohmica dos dois enrolamentos, o enrolamento auxiliar ( enrolamento de arranque ) tem aproximadamente o dobro da resistência do enrolamento de trabalho, o interruptor é ligado durante o arranque. Caso encontre dois enrolamentos com a mesma resistência, então é um motor que trabalha com capacitor permanente, devemos ligá-lo exatamente do mesmo modo mas tendo atenção que a chave de partida que abre após o arranque não é montada.

Diagrama elétrico disponível em:
15_02 _002 Motor Monofasico Polo Distorcido.pdf

No Motor monofásico com quatro terminais o enrolamento é dividido em duas partes iguais. Torna-se possível a instalação do motor a dois valores de tensão, que são chamados de tensão maior e tensão menor.
O valor de tensão maior é sempre igual a duas vezes o valor de tensão menor, sendo que os valores mais utilizados são 220V para o de maior tensão e 110V para o de menor tensão. Não é possível inverter o sentido de rotação desse motor. Pelo diagrama a seguir, os terminais 1 e 2 são conectados a uma metade e os terminais 3 e 4 à segunda metade do enrolamento. As duas partes do enrolamento devem ser ligadas em série se a tensão de alimentação for de 220V. Se a tensão de alimentação for 110V, as duas partes do enrolamento devem ser ligadas em paralelo, como mostra a figura ao lado.
Veja dados técnico de motores com polo distorcido no link: << 16_03_004 Motor Monofásico com duas tensões >>.

06 - Motor monofásico com fase dividida e capacitor de partida

Figura 11 - Esquema de Motor de capacitor de partida
e Gráfico de Torque x Velocidade

O Motor Monofásico com Capacitor de Partida é semelhante ao de fase dividida. A principal diferença reside na inclusão de um capacitor eletrolítico em série com o enrolamento auxiliar de partida.

O capacitor permite um maior ângulo de defasagem entre as correntes dos enrolamentos principal e auxiliar, proporcionando assim elevados conjugados de partida.

Como no motor de fase dividida, o circuito auxiliar é desconectado quando o motor atinge entre 75% a 80% da velocidade síncrona. Neste intervalo de velocidades, o enrolamento principal sozinho desenvolve quase o mesmo conjugado que os enrolamentos combinados.

Diagrama elétrico disponível em:
15_02 _002 Motor Monofasico Capacitor de Partida.pdf

Para velocidades maiores, entre 80% e 90% da velocidade síncrona, a curva de conjugado com os enrolamentos combinados cruza a curva de conjugado do enrolamento principal de maneira que, para velocidades acima deste ponto, o motor desenvolve menor conjugado, 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 na mesma velocidade, é prática comum fazer com que a abertura aconteça, na média, um pouco antes do cruzamento das curvas. Após a desconexão do circuito auxiliar, o seu funcionamento é idêntico ao do motor de fase dividida.

Com o seu elevado conjugado de partida (entre 200% e 350% do conjugado nominal), o motor de capacitor de partida pode ser utilizado em uma grande variedade de aplicações e é fabricado em potências que vão de 1/4 cv a 1,5 cv.

07 - Motor Monofásico com Dois Capacitores

Figura 12 - Esquema de Motor de dois capacitores
e Gráfico de Torque x Velocidade

O Motor monofásico com dois Capacitores é uma "mistura" dos 2 anteriores: possui um capacitor de partida, desligado através de chave centrífuga quando o motor atinge cerca de 80% de sua rotação síncrona, e um outro que se encontra permanente mente ligado.

Com isso, possui todas as vantagens daqueles motores: alto conjugado de partida, alta eficiência e fator de potência elevado. No entanto seu custo é elevado e só é fabricado para potências superiores a 1 cv.
O motor com dois capacitores (Two Value Capacitor) é um motor que utiliza as vantagens dos dois anteriores: arranque como o do motor de capacitor de partida e funcionamento em regime idêntico ao do motor de condensador permanente.

08 - Motor Monofásico de Pólos Salientes

Figura 13 - Esquema de Motor de polo saliente
e Gráfico de Torque x Velocidade

O motor Monofásico de pólos salientes é uma variação do motor de campo distorcido, que se destaca entre os motores de indução monofásicos por seu processo de partida, que é o mais simples, confiável e econômico. Uma das formas mais comuns de motores de indução monofásicos é a de polos salientes, ilustrada esquematicamente na figura.

Observa-se que uma parte de cada polo (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 é semelhante a um campo girante que se move na direção da parte não abraçada para a parte abraçada do polo, produzindo conjugado que fará o motor partir e atingir a rotação nominal.

Diagrama elétrico disponível em:
15_02 _001 Motor Monofasico Capacitor Permanente.pdf

O sentido de rotação, portanto, depende do lado em que se situa a parte abraçada do polo. Consequentemente, 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.

Quanto ao desempenho dos motores de campo distorcido, apresentam baixo conjugado de partida (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 até 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 e aplicações domésticas.

terça-feira, 9 de maio de 2023

Aula 18 - Motores elétricos trifásicos de 6 terminais

Figura 01 - 6 terminais do
motor de indução trifásico

Os motores de 6 terminais são projetados para trabalhar em 2 tensões , conexão "Δ" ( Triângulo) para baixa tensão e conexão “Y” (Estrela) para alta tensão. A relação entre as tensões é de 1,732 (raiz quadrada de 3) para 1, exemplo 220/380 volts. A tensão mais alta é sempre uma conexão em estrela .

Os motores de indução trifásicos são fabricados com padrões da Comissão Elétrica Internacional "IEC Motors".

Eles possuem uma placa de terminais alojada dentro da caixa de conexões.

O borne possui layout padronizado e identificação dos terminais dos enrolamentos do estator, com letras U, V e W, conforme diagrama da figura a seguir.

A distância entre os terminais verticais e horizontais é igual, e normalmente possui três placas de cobre, com dois furos separados por essa distância, de forma que dois terminais possam ser unidos eletricamente entre si. Os enrolamentos podem ser conectados em estrela ou em triângulo.

Figura 02 - Sistema de conexão
de terminais simétrico

Lembremos que estamos falando de motores com padrões “IEC”, onde os valores de seus parâmetros de projeto possuem a frequência nominal de 60 Hertz.

Se conectarmos um motor trifásico de 220 volts e 60 Hz. Em sistema trifásico de 220 volts e 50 Hz. A rotação do motor diminuirá 20%, na prática se essas ligações forem feitas serão levadas em consideração as alterações nos parâmetros mecânicos e elétricos.

segunda-feira, 8 de maio de 2023

Aula 17 - Motores de indução polifásicos de Tesla

Figura 01 - Motor de indução polifásico
de Nicolas Tesla

A maioria dos motores em corrente alternada são motores de indução. Os motores de indução são muito utilizados devido à sua robustez e simplicidade. Cerca de 90% dos motores industriais são motores de indução.
Nikola Tesla concebeu os princípios básicos do motor de indução polifásico em 1883 e tinha um modelo de meio cavalo-vapor (400 watts) em 1888. Tesla vendeu os direitos de fabricação para George Westinghouse por US$ 65.000.
A maioria dos motores industriais grandes (> 1 HP ou 1 kW) são motores de indução polifásicos . Por polifásico, queremos dizer que o estator contém múltiplos enrolamentos distintos por pólo do motor, acionados por ondas senoidais correspondentes deslocadas no tempo.

Na prática, são duas ou três fases. Grandes motores industriais são trifásicos. Embora incluamos inúmeras ilustrações de motores bifásicos para simplificar, devemos enfatizar que quase todos os motores polifásicos são trifásicos.

Figura 02 - Motor de indução polifásico de Tesla

Por motor de indução , queremos dizer que os enrolamentos do estator induzem um fluxo de corrente nos condutores do rotor, como um transformador, ao contrário de um motor comutador CC com escovas.

Construção de motor de indução CA

Um motor de indução é composto por um rotor, conhecido como armadura, e um estator contendo enrolamentos conectados a uma fonte de energia polifásica conforme mostrado na figura abaixo. O motor de indução bifásico simples abaixo é semelhante ao motor de 1/2 cavalo-vapor que Nikolas Tesla introduziu em 1888.

O estator da figura 02, é enrolado com pares de bobinas correspondentes às fases da energia elétrica disponível. O estator do motor de indução bifásico acima possui 2 pares de bobinas, um par para cada uma das duas fases da CA.

Figura 03 - Estrutura do estator
mostrando ranhuras para enrolamentos

As bobinas individuais de um par são conectadas em série e correspondem aos polos opostos de um eletroímã. Ou seja, uma bobina corresponde a um polo N, a outra a um polo S até que a fase CA mude de polaridade. O outro par de bobinas está orientado 90° no espaço em relação ao primeiro par.

Este par de bobinas é conectado à CA deslocada no tempo em 90° no caso de um motor bifásico. Na época de Tesla, a fonte das duas fases da CA era um alternador bifásico.

O estator na figura 2, tem polos salientes e óbvios, como usado no primeiro motor de indução de Tesla. Este projeto é usado até hoje para motores de potência subfracionária (<50 watts). No entanto, para motores maiores, menos pulsação de torque e maior eficiência resultam se as bobinas forem embutidas em ranhuras cortadas nas laminações do estator da figura 03.

As laminações do estator são anéis finos isolados com ranhuras perfuradas em chapas de aço elétrico. Uma pilha destes é fixada por parafusos finais, que também podem segurar os alojamentos finais.

Figura 04 - Estator com (a) enrolamentos
bifásicos 2-φ e trifásicos (b) 3-φ

Na figura 04, os enrolamentos de um motor bifásico e de um motor trifásico foram instalados nas ranhuras do estator. As bobinas são enroladas em um acessório externo e depois inseridas nas ranhuras. O isolamento preso entre a periferia da bobina e a ranhura protege contra abrasão.

Os enrolamentos reais do estator são mais complexos do que os enrolamentos individuais por pólo na figura acima. Comparando o motor 2-φ com o motor 2-φ de Tesla com pólos salientes, o número de bobinas é o mesmo. Em motores reais grandes, um enrolamento de pólo é dividido em bobinas idênticas inseridas em muitas ranhuras menores que as acima.

Figura 05 - Sobreposição de bobinas de fase

Este grupo é chamado de cinto de fase (veja a figura 05). As bobinas distribuídas do cinto de fase cancelam alguns dos harmônicos estranhos, produzindo uma distribuição de campo magnético mais senoidal através do pólo. Isto é mostrado na seção do motor síncrono .

As ranhuras na borda do poste podem ter menos voltas que as outras ranhuras. Os slots de borda podem conter enrolamentos de duas fases. Ou seja, as bobinas de fase se sobrepõem.

Figura 06 - Rotor laminado com (a) gaiola de esquilo
embutida, (b) gaiola condutora removida do rotor

A chave para a popularidade do motor de indução CA é a sua simplicidade, conforme evidenciado pelo rotor simples (figura abaixo). O rotor consiste em um eixo, um rotor laminado de aço e uma gaiola de esquilo embutida de cobre ou alumínio , mostrada em (b), removida do rotor.

Em comparação com a armadura de um motor DC, não há comutador. Isso elimina escovas, arcos, faíscas, pó de grafite, ajuste e substituição de escovas e reusinagem do comutador.

Os condutores em gaiola de esquilo podem estar distorcidos, torcidos em relação ao eixo. O desalinhamento com as ranhuras do estator reduz as pulsações de torque.

Figura 07 - Campo magnético giratório
de ondas senoidais em fase de 90°

Os núcleos do rotor e do estator são compostos por uma pilha de laminações isoladas. As laminações são revestidas com óxido ou verniz isolante para minimizar as perdas por correntes parasitas. A liga utilizada nas laminações é selecionada para baixas perdas por histerese.

Um par de ondas senoidais fora de fase de 90° produz deve ser capaz de produzir um campo magnético giratório circular. Este é o caso de um motor bifásico. Por analogia, três enrolamentos colocados a 120° de distância no espaço e alimentados com correntes correspondentes em fase de 120° também produzirão um campo magnético rotativo.

À medida que as ondas senoidais em fase de 90°, na figura 7, progridem dos pontos (a) até (d), o campo magnético gira no sentido anti-horário (figuras ad) da seguinte forma:

(a) φ-1 máximo, φ-2 zero
(a') φ-1 70%, φ-2 70%
(b) φ-1 zero, φ-2 máximo
(c) φ-1 máximo negativo, φ-2 zero
(d) φ-1 zero, φ-2 máximo negativo

Velocidade total do motor assíncrono e velocidade do motor síncrono

A taxa de rotação de um campo magnético rotativo do estator está relacionada ao número de pares de polos por fase do estator. A figura de “velocidade máxima” abaixo tem um total de seis polos ou três pares de polos e três fases. No entanto, existe apenas um par de polos por fase.

Figura 08 - Duplicar os polos do estator reduz
pela metade a velocidade síncrona

O campo magnético irá girar uma vez por ciclo de onda senoidal. No caso da frequência de 60 Hz, o campo gira 60 vezes por segundo ou 3.600 rotações por minuto (rpm). Para frequência de 50 Hz, ele gira a 50 rotações por segundo ou 3.000 rpm. As 3600 e 3000 rpm são a velocidade síncrona do motor.

Embora o rotor de um motor de indução nunca atinja esta velocidade, certamente é um limite superior. Se dobrarmos o número de polos do motor, a velocidade síncrona será reduzida pela metade porque o campo magnético gira 180° no espaço durante 360° da onda senoidal elétrica.

A velocidade síncrona é dada por: N s = 120 · f / PN ;
Sendo: s = velocidade síncrona em rpm; f = frequência da potência aplicada em Hz; P = número total de pólos por fase, múltiplo de 2.

Exemplo: A figura 08 de “meia velocidade” acima possui quatro pólos por fase (trifásico). A velocidade síncrona para potência de 50 Hz é: S = 120·50/4 = 1500 rpm

A breve explicação do motor de indução é que o campo magnético rotativo produzido pelo estator arrasta consigo o rotor.

A explicação mais correta é que o campo magnético do estator induz uma corrente alternada nos condutores da gaiola de esquilo do rotor, que constitui um transformador secundário. Esta corrente induzida do rotor, por sua vez, cria um campo magnético.

O campo magnético rotativo do estator interage com este campo do rotor. O campo do rotor tenta se alinhar com o campo giratório do estator. O resultado é a rotação do rotor em gaiola de esquilo. Se não houvesse carga mecânica de torque do motor, nenhum rolamento, vento ou outras perdas, o rotor giraria na velocidade síncrona.

No entanto, o escorregamento entre o rotor e o campo do estator de velocidade síncrona desenvolve torque. É o fluxo magnético que corta os condutores do rotor à medida que ele desliza que desenvolve torque. Assim, um motor carregado escorregará proporcionalmente à carga mecânica.

Se o rotor funcionasse em velocidade síncrona, não haveria fluxo estatórico cortando o rotor, nenhuma corrente induzida no rotor, nenhum torque.

Torque em motores de indução

Quando a potência é aplicada pela primeira vez ao motor, o rotor está em repouso, enquanto o campo magnético do estator gira à velocidade síncrona Ns . O campo do estator está cortando o rotor na velocidade síncrona N s . A corrente induzida nas espiras do rotor em curto é máxima, assim como a frequência da corrente, a frequência da linha.

À medida que o rotor acelera, a taxa na qual o fluxo do estator corta o rotor é a diferença entre a velocidade síncrona N s e a velocidade real do rotor N, ou (N s - N). A relação entre o fluxo real que corta o rotor e a velocidade síncrona é definida como escorregamento :

s = (N s - N) / N s ; onde: N s = velocidade síncrona, N = velocidade do rotor.

A frequência da corrente induzida nos condutores do rotor é tão alta quanto a frequência da linha na partida do motor, diminuindo à medida que o rotor se aproxima da velocidade síncrona. A frequência do rotor é dada por:

f r = s · f ; onde: s = escorregamento, f = frequência da linha de energia do estator

O deslizamento a 100% do torque é normalmente de 5% ou menos em motores de indução. Assim, para frequência de linha f = 50 Hz, a frequência da corrente induzida no rotor fr = 0,05·50 = 2,5 Hz. Por que é tão baixo? O campo magnético do estator gira a 50 Hz. A velocidade do rotor é 5% menor.

Figura 09 - Torque x velocidade e
escorregamento x velocidade síncrona

O campo magnético rotativo corta o rotor apenas a 2,5 Hz. Os 2,5 Hz são a diferença entre a velocidade síncrona e a velocidade real do rotor. Se o rotor girar um pouco mais rápido, na velocidade síncrona, nenhum fluxo cortará o rotor, f r = 0.

Torque e velocidade vs% escorregamento.

Torque e velocidade vs% escorregamento. %N s =%Velocidade Síncrona

O gráfico da figura acima mostra que o torque de partida conhecido como torque de rotor bloqueado (LRT) é superior a 100% do torque de plena carga (FLT), a classificação segura de torque contínuo. O torque do rotor travado é de cerca de 175% do FLT para o motor de exemplo representado no gráfico acima.

A corrente de partida conhecida como corrente de rotor bloqueado (LRC) é 500% da corrente de carga total (FLC), a corrente de operação segura. A corrente é alta porque é análoga a um secundário em curto em um transformador. À medida que o rotor começa a girar, o torque pode diminuir um pouco para certas classes de motores, até um valor conhecido como torque de pull-up .

Este é o menor valor de torque já encontrado pelo motor de partida. À medida que o rotor ganha 80% da velocidade síncrona, o torque aumenta de 175% até 300% do torque em plena carga. Este torque de ruptura é devido ao escorregamento maior que o normal de 20%.

A corrente diminuiu apenas ligeiramente neste ponto, mas diminuirá rapidamente além deste ponto. À medida que o rotor acelera até algumas porcentagens da velocidade síncrona, tanto o torque quanto a corrente diminuirão substancialmente. O deslizamento será de apenas algumas porcentagens durante a operação normal.

Para um motor em funcionamento, qualquer parte da curva de torque abaixo de 100% do torque nominal é normal. A carga do motor determina o ponto operacional na curva de torque. Embora o torque e a corrente do motor possam exceder 100% por alguns segundos durante a partida, a operação contínua acima de 100% pode danificar o motor.

Qualquer carga de torque do motor acima do torque de ruptura irá parar o motor. O torque, escorregamento e corrente se aproximarão de zero para uma condição de carga “sem torque mecânico”. Esta condição é análoga a um transformador secundário aberto.

Existem vários projetos básicos de motores de indução que mostram variações consideráveis da curva de torque acima. Os diferentes designs são otimizados para iniciar e operar diferentes tipos de cargas. O torque do rotor bloqueado (LRT) para vários projetos e tamanhos de motores varia de 60% a 350% do torque de plena carga (FLT).

A corrente de partida ou corrente de rotor bloqueado (LRC) pode variar de 500% a 1400% da corrente de plena carga (FLC). Este consumo de corrente pode representar um problema de partida para grandes motores de indução.

Figura 10 - O motor 3-φ funciona com
a potência 1-φ, mas não dá partida.

Motores de indução monofásicos

Um motor trifásico pode funcionar a partir de uma fonte de energia monofásica, mostrado na figura 01. No entanto, ele não será iniciado automaticamente. Pode ser acionado manualmente em qualquer direção, ganhando velocidade em poucos segundos. Ele desenvolverá apenas 2/3 da potência nominal de 3-φ porque um enrolamento não é usado.

Bobina única de um motor monofásico
A bobina única de um motor de indução monofásico não produz um campo magnético rotativo, mas sim um campo pulsante atingindo intensidade máxima em 0° e 180° elétricos.

Figura 11 - O estator monofásico produz um
campo magnético pulsante e não rotativo

Outra visão é que a bobina única excitada por uma corrente monofásica produz dois fasores de campo magnético em contra-rotação, coincidindo duas vezes por revolução a 0° (figura 02-a) e 180° (figura 02-e). Quando os fasores giram para 90° e -90° eles se cancelam na figura c.
A 45° e -45° (figura 02 b) eles são parcialmente aditivos ao longo do eixo +x e se cancelam ao longo do eixo y. Uma situação análoga existe na figura d. A soma desses dois fasores é um fasor estacionário no espaço, mas com polaridade alternada no tempo. Assim, nenhum torque de partida é desenvolvido.
No entanto, se o rotor for girado para frente a um pouco menos que a velocidade síncrona, ele desenvolverá torque máximo com escorregamento de 10% em relação ao fasor giratório para frente. Menos torque será desenvolvido acima ou abaixo de 10% de escorregamento.
O rotor apresentará um deslizamento de 200% - 10% em relação ao fasor do campo magnético em contra-rotação. Pouco torque (ver curva de torque vs escorregamento), além de uma ondulação de frequência dupla, é desenvolvido a partir do fasor em contra-rotação. Assim, a bobina monofásica desenvolverá torque, assim que o rotor for acionado.
Se o rotor for iniciado na direção reversa, ele desenvolverá um torque igualmente grande à medida que se aproxima da velocidade do fasor girando para trás.
Os motores de indução monofásicos possuem uma gaiola de esquilo de cobre ou alumínio embutida em um cilindro de laminações de aço, típico dos motores de indução polifásicos.

Traduzido de : << https://www.allaboutcircuits.com/textbook/alternating-current/chpt-13/tesla-polyphase-induction-motors/ >>

segunda-feira, 1 de maio de 2023

Aula 16 - Motores de Indução Monofásico e Trifásico

Figura 01 - Tipos de motores.

O motor elétrico é a máquina mais simples para se obter energia mecânica através da transformação de energia elétrica. Sendo que o motor de indução é o mais usado entre todos os tipos de motores, pois concilia robustez, grande versatilidade de aplicação, baixo custo, melhores rendimentos e não é poluente, aliados ao fato de se utilizar energia elétrica como fonte de alimentação (energia de fácil disponibilidade e baixo custo). Os tipos mais comuns de motores elétricos são mostrados na figura ao lado.

Motores de corrente contínua: São motores que precisam de uma fonte de corrente contínua, ou de um dispositivo que converta a corrente alternada em contínua. Sua velocidade pode ser ajustada de acordo com a tensão aplicada. Tem sua utilização principal nas aplicações que requeiram elevado conjugado de partida (como tração elétrica) e controle de velocidade sobre grandes faixas, principalmente em potências elevadas. Devido a necessidade de uma fonte de corrente contínua, e forma construtiva tem o seu custo elevado.
Motor universal: é um tipo de motor de funciona tanto em corrente contínua quanto em corrente alternada. O motor universal é um motor CC com excitação série, ou seja, um motor CC cujos enrolamentos de campo e de armadura estão conectados em série, podendo, portanto ser alimentado por uma única fonte, que pode ser contínua ou alternada monofásica.

Motores de corrente alternada: São motores que sua alimentação é feita através de uma fonte de corrente alternada. Podem ser classificados em assíncronos (indução) e síncronos. As máquinas síncronas possuem velocidade fixa e têm sua aplicação bastante limitada, devido ao alto custo. Já os motores de indução são utilizados na grande maioria das aplicações que necessitam de motores elétricos.

Funcionamento de Motor de Indução Trifásico

Os Motores de Indução Trifásicos são compostos basicamente de duas partes: um estator e um rotor. O estator constitui a parte estática de um motor e o rotor sua parte móvel.

Figura 02 - Vista explodida de motor de indução.

O estator é composto de chapas finas de aço magnético tratadas termicamente para reduzir ao mínimo as perdas por correntes parasitas e histerese. Estas chapas têm o formato de um anel com ranhuras internas (vista frontal) de tal maneira que possam ser alojados enrolamentos que deverão criar um campo magnético no estator.
O rotor, composto de chapas finas de aço magnético tratadas termicamente como o estator, tem também o formato de um anel (vista frontal), com os enrolamentos alojados longitudinalmente.
O motor de indução é o motor de construção mais simples. O estator e rotor são montados solidários, com um eixo comum aos “anéis” que os compõem. A aplicação de uma tensão nos enrolamentos do estator irá fazer com que apareça uma tensão nos enrolamentos do rotor. Assim o estator pode ser considerado como o primário de um transformador e o rotor como seu secundário. O espaço entre o estator e o rotor é denominado entreferro. Os enrolamentos, ou bobinas, são em número de três. Estas bobinas, alojadas nas ranhuras do estator, podem ser ligadas em estrela ou triângulo. No rotor os enrolamentos, enrolados longitudinalmente a seu eixo, podem ser realizados de duas maneiras, o que dá origem a dois tipos de rotor: Rotor Gaiola de Esquilo e Rotor Bobinado.

Figura 03 - Campo eletromagnético em motor de indução.

O funcionamento de um motor de indução trifásico baseia-se no princípio do acoplamento eletromagnético entre o estator e o rotor, pois há uma interação eletromagnética entre o campo girante do estator e as correntes induzidas nas barras do rotor, quando estas são cortadas pelo campo girante.
O campo girante é criado devido aos enrolamentos de cada fase estarem espaçados entre si de 120º. Sendo que ao alimentar os enrolamentos com um sistema trifásico, as correntes I1, I2 e I3 originarão seus respectivos campos magnéticos H1, H2 e H3, também, espaçados entre si 120°.
Além disso, como os campos são proporcionais às respectivas correntes, serão defasados no tempo, também de 120° entre si. A soma vetorial dos três campos H1, H2 e H3, será igual ao campo total H resultante.
A composição do campo gerado pela corrente induzida no rotor com o campo girante do estator resulta em uma força de origem magnética que gera um conjugado no eixo do motor, tendendo a fazer o rotor girar no sentido do campo girante. Se o conjugado é suficiente para vencer o conjugado resistente aplicado sobre o eixo, o rotor começa a girar. A energia elétrica fornecida ao estator pela rede é transformada em energia mecânica através do eixo do motor.

Uma última característica importante do motor de indução a ser citada é a sua placa de identificação, que traz informações importantes, listadas a seguir:

• CV: Potência mecânica do motor em cv;

• Ip/In: Relação entre as correntes de partida e nominal;

• Hz: Freqüência da tensão de operação do motor;

• RPM: Velocidade do motor na freqüência nominal de operação;

• V: Tensão de alimentação;

• A: Corrente requerida pelo motor em condições nominais de operação;

• F.S.: Fator de serviço, quando o fator de serviço é igual a 1,0, isto implica que o motor pode disponibilizar 100% de sua potência mecânica.

Os de tipos de falhas em motores trifásicos podem ser consultadas no catálogo disponível no link: 16_02_002 WEG Falhas em Motores trifásicos.pdf .
Vista explodida de motores trifásicos podem ser consultadas no catálogo disponível no link: 16_02_012 Vista Explodida em Motores Trifásicos.pdf.
O diagrama elétrico para energização de Motor de Indução trifásico está disponível em: 19_09_01 DM_Motor_de_Indução_6T .

Funcionamento de Motor de Indução Monofásico

Construtivamente, os motores monofásicos são semelhantes aos trifásicos, com a diferença de possuírem um único enrolamento de fase. Sua grande vantagem é a de poderem ser ligados à tensão de fase das redes elétricas, normalmente disponíveis em residências e pequenas propriedades rurais - ao contrário do que sucede com as redes trifásicas. Em contrapartida, possuem o inconveniente de serem incapazes de partir sem a ajuda de um circuito auxiliar, o que não ocorre com os motores trifásicos.
Em uma comparação com motores trifásicos, os monofásicos apresentam muitas desvantagens: apresentam maiores volume e peso para potências e velocidades iguais (em média 4 vezes); seu custo é mais elevado que os de motores trifásicos de mesma potência e velocidade; necessitam de manutenção mais apurada devido ao circuito de partida e seus acessórios; apresentam rendimento e fator de potência menores para a mesma potência; apresentam maior consumo de energia; possuem menor conjugado de partida e são difíceis de encontrar no comércio para potências mais elevadas (acima de 10 cv).

Motores monofásicos não podem partir sozinhos porque não conseguem formar o campo girante, como fazem os motores trifásicos. O campo pulsante sempre tem a mesma direção e não permitindo a indução de correntes significativas nos enrolamentos rotóricos.

Porém, se de alguma forma se puder conseguir um segundo campo com defasagem de 90° em relação à alimentação, se terá um sistema bifásico, com a conseqüente formação de um campo girante capaz de promover a partida, como mostra a figura ao lado. Existem várias maneiras de proporcionar esta defasagem. Cada uma delas corresponde a um determinado tipo de motor monofásico, como se verá na próximas seções.

É importante salientar que após atingir certa velocidade (entre 65 - 80% de sua velocidade síncrona), o motor pode continuar trabalhando com uma só fase. Isto quer dizer que, após acelerado, o circuito auxiliar de partida pode ser "desligado" sem que o motor pare.

Veja resumo de tipos de falhas em motores monofásicos no link: << 16_02_001 WEG Falhas em Motores Monofásicos.pdf >>.

Vista explodida de motores monofásicos no link: 16_02_011 Vista Explodida em Motores Monofásicos.pdf .

Diagrama elétrico para energização do motor de indução monofásico com capacitor de partida disponível em: 19_09_09_CH_Motor_monofásico_com_reversão_manual .

As dimensões e características de motores elétricos podem ser consultadas no catálogo disponível no link a seguir: 14_09_024 Manual de Motores.

Quer saber como os motores de indução trifásicos são construídos, tenha a resposta assistindo o vídeo elaborado pela Catarinense Motores Elétricos: Motores de Indução Trifásico.

Lista de exercício de motores de indução monofásico e trifásico: 21_09_03 Lista de exercícios - Motores.