Motor de Indução: Princípios e Conceitos Básicos

Mecânica Integrado 4º ano Eletricidade e Automação Motores de Indução Prof Gabriel Antônio Taquêti Silva gabrielsilvaifesedubr Motor de Indução Assíncrono Introdução No motor de indução a corrente alternada é fornecida diretamente ao estator ao passo que o rotor recebe a corrente por indução Este tipo de motor é em geral mais simples mais robusto necessita menor manutenção por isso é muito utilizado como força motriz na indústria 3 Conceitos Básicos Torque ou Conjugado O torque T também chamado de conjugado ou momento é a medida do esforço necessário para se girar um eixo T F d N m Onde 4 T Torque Nm F Força N d Distância do braço de alavanca m Conceitos Básicos Energia ou Trabalho realizado ou Potência Mecânica A potência mecânica P exprime a rapidez com que a energia ou trabalho mecânico é realizado P τ t J s ou W Onde Obs 1 HP 746 W 1 CV 736 W 5 P Potência W τ Trabalho ou energia J t Tempo s Conceitos Básicos Ligação Trifásica Δ e Y Δ VL VF IL 3 IF Y IL IF VL 3 VF 6 Conceitos Básicos Energia e Potência Elétrica Um motor ligado a uma rede de alimentação absorve energia elétrica e a transforma em energia mecânica A potência aparente S VA é o produto da tensão pela corrente total A potência ativa P W representa o trabalho realizado aquecimento energia mecânica iluminação etc A potência reativa indutiva Q VAr representa a criação dos campos magnéticos necessários para operação do motor 7 Conceitos Básicos Em um sistema monofásico S V I VA Em um sistema trifásico S3ϕ 3 Vfase Ifase VA S3ϕ 3 Vlinha Ilinha VA cos φ fator de potência P W S VA 8 Conceitos Básicos Conceitos Básicos Relação entre Conjugado e Potência Na especificação e seleção de motores pode ser importante a avaliação da quantidade de torque disponível para se executar um determinado trabalho mecânico a uma certa velocidade A equação que relaciona a potência mecânica com o torque e a velocidade é dada por Peixo T N W Onde 10 Peixo Potência mecânica disponível no eixo do motor W T Torque Nm N Velocidade rads Características Construtivas As máquinas de indução são máquinas elétricas rotativas constituídas essencialmente de 2 partes o estator que é a parte fixa e o rotor que é a parte móvel 11 Características Construtivas O Estator É composto de chapas finas de aço magnético tratadas termicamente ou de aço silício 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 os quais por sua vez quando em operação deverão criar um campo magnético no estator 12 Características Construtivas O Rotor O rotor também é composto de chapas finas de aço magnético tratadas termicamente com o formato também de anel vista frontal e com os enrolamentos alojados longitudinalmente O rotor da máquina de indução pode ser de 2 tipos rotor em gaiola de esquilo ou rotor em curto e rotor bobinado ou rotor de anéis 13 Características Construtivas Rotor em gaiola de esquilo ou rotor em curto No rotor em gaiola os enrolamentos são constituídos por barras condutoras cobre ou alumínio fundidas sob pressão em uma peça cilíndrica com os terminais curtocircuitados nas duas extremidades Esta estrutura é semelhante a uma gaiola de esquilo É um tipo de rotor bastante empregado mais barato e não requer manutenção elétrica Geralmente é o mais utilizado para acionamento de compressores bombas e ventiladores 14 Características Construtivas Rotor bobinado ou rotor de anéis Os enrolamentos de cobre são montados sobre o rotor e conectados a anéis coletores em contato com escovas Em geral é utilizado para partir cargas de alta inércia ou que exijam conjugados de partida elevados ou ainda quando o sistema de acionamento requer partidas suaves 15 Características Construtivas Características Construtivas Características Construtivas Princípio de Funcionamento Campo Girante O funcionamento do motor de indução baseiase no princípio da formação de um campo magnético girante produzido pelos enrolamentos do estator A figura abaixo mostra o estator de uma máquina com um enrolamento monofásico Se uma tensão contínua for aplicada a estes enrolamentos uma corrente circulará criando um campo magnético H dirigido conforme indicado abaixo e de valor proporcional à corrente Se a corrente for alternada o campo também será ou seja pulsará com intensidade proporcional à corrente 19 Princípio de Funcionamento Campo Girante No caso de uma máquina trifásica seu enrolamento é formado por três enrolamentos monofásicos espaçados entre si de 120º Alimentados por um sistema trifásico cada enrolamento criará seu próprio campo magnético Estes campos são espaçados entre si de 120º Além disso serão defasados no tempo também de 120º 20 Princípio de Funcionamento Campo Girante O campo magnético total é obtido a partir da soma destes três campos que resulta em um campo magnético de intensidade constante que muda de direção a cada instante girando no estator produzindo o efeito de rotação de um imã permanente em torno do eixo da máquina 21 Princípio de Funcionamento Campo Girante Este fluxo magnético girante do estator se desloca em relação ao rotor cortando as barras do rotor induzindo tensões Lei de Faraday que farão circular correntes também alternadas no rotor Como as correntes do rotor tem polaridades contrárias do estator Lei de Lens criase no rotor um campo magnético oposto Como campos opostos se atraem e como o campo do estator é rotativo o rotor tende a acompanhar a rotação deste campo Desenvolvese então no rotor um conjugado motor que faz com que ele gire acionando a carga 22 Princípio de Funcionamento Campo Girante A velocidade do rotor é sempre menor que a velocidade do campo girante do estator também chamada de velocidade síncrona Se o rotor fosse levado até a velocidade síncrona não haveria mais velocidade relativa entre os campos girantes do estator e do rotor e consequentemente a tensão induzida cessaria não haveria mais corrente no rotor o conjugado mecânico diminuiria e o rotor automaticamente perderia velocidade então novamente o rotor iria adquirir o conjugado A operação do motor girando sem carga denominase operação em vazio A medida que se coloca carga no eixo a tendência da velocidade é diminuir para compensar o conjugado resistente da carga A operação do motor com carga é denominada operação em regime permanente 23 Princípio de Funcionamento Velocidade síncrona velocidade mecânica e escorregamento A velocidade síncrona nS é a velocidade do campo girante O motor apresentado anteriormente era constituído por dois polos por fase Neste caso o campo girante dava uma volta completa em torno do estator em um ciclo da rede de alimentação ou seja com velocidade de nS f rotações por segundo RPS ou nS 60f rotações por minuto RPM 24 Princípio de Funcionamento Velocidade síncrona velocidade mecânica e escorregamento Supondo uma máquina com 4 polos dois pares de polos por fase neste caso para o mesmo período da rede de alimentação o campo girante teria percorrido apenas a metade do comprimento angular do estator Ou seja a velocidade seria nₛ 60 f 2 Generalizando para uma máquina de p polos a velocidade síncrona é dada por nₛ 120 f p Onde p é o número de polos e f a frequência da rede de alimentação Princípio de Funcionamento Velocidade síncrona velocidade mecânica e escorregamento Podemos variar a velocidade síncrona nS e consequentemente a velocidade do rotor nR variandose o número de polos p alterandose construtivamente as bobinas do estator ou variandose a frequência eletronicamente por inversores Para f 60Hz 26 Princípio de Funcionamento Velocidade síncrona velocidade mecânica e escorregamento Se o motor gira a uma velocidade diferente da velocidade síncrona ou seja diferente da velocidade do campo girante o enrolamento do rotor corta as linhas de força magnética do campo e pelas leis do eletromagnetismo circularão nele corrente induzidas Quanto maior a carga maior terá que ser o conjugado necessário para acionála Para obter o conjugado terá que ser maior a diferença de velocidade para que as correntes induzidas e os campos produzidos sejam maiores Portanto à medida que a carga aumenta cai a rotação do motor Quando a carga é zero motor em vazio o rotor girará praticamente com a rotação síncrona 27 Princípio de Funcionamento Velocidade síncrona velocidade mecânica e escorregamento A diferença entre a velocidade do motor nR e a velocidade síncrona nS chamase escorregamento s que pode ser expresso como fração da velocidade síncrona ou como porcentagem desta s nS nR nS 100 Obs Para motores de indução de gaiola o escorregamento é da ordem de 2 a 5 Exemplo 1 Um motor de indução de gaiola opera com uma velocidade nominal de 1720 RPM numa rede trifásica 220 V 60 Hz Pedese a A velocidade síncrona nS e o número de polos b O escorregamento em 29 Tipos de Ligação Dependendo da maneira com que são conectados os terminais das bobinas do estator os motores de indução trifásicos podem ser ligados à rede de alimentação que possuem diferentes níveis de tensão A maioria dos motores opera em circuitos trifásicos de tensões de 220 V 380 V e 440 V Normalmente cada bobina é construída para operar em 220 V 30 Motor com um enrolamento por fase e 3 terminais alimentação única Normalmente os motores com 3 terminais são de pequena potência menores que 5 cv e com partida direta Já possuem uma conexão e podem ser ligados em redes trifásicas de 220 V e 380 V 31 Motor com um enrolamento por fase e 3 terminais alimentação única a Fechado com Ligação em Estrela 32 Motor com um enrolamento por fase e 3 terminais alimentação única b Fechado com Ligação em Triângulo 33 Motor com um enrolamento por fase e 6 terminais dupla alimentação a Ligação em Estrela 34 Motor com um enrolamento por fase e 6 terminais dupla alimentação b Ligação em Triângulo 35 Motor com dois enrolamentos por fase e 12 terminais múltipla alimentação a Ligação em Triângulo D Delta As duas bobinas de cada fase são ligadas em série e o conjunto em Δ 36 Motor com dois enrolamentos por fase e 12 terminais múltipla alimentação b Ligação em DuploDelta DD As duas bobinas são ligadas em paralelo e o conjunto em Δ 37 Motor com dois enrolamentos por fase e 12 terminais múltipla alimentação c Ligação em Estrela Y As duas bobinas de cada fase são ligadas em série e o conjunto em Y 38 Motor com dois enrolamentos por fase e 12 terminais múltipla alimentação d Ligação em DuplaEstrela YY As duas bobinas de cada fase são ligadas em paralelo e o conjunto em Y 39 Diagrama de Fluxo de Potência Psaída eixo Pentrada Pce Pn Pcr Prot 40 Diagrama de Fluxo de Potência O rendimento de um motor de indução é dado pela relação entre a potência de saída pela potência de entrada η Psaída Pentrada 100 A potência de entrada pode ser dada por Pentrada 3 Vfase Ifase cosφ ou Pentrada 3 Vlinha Ilinha cosφ Diagrama de Fluxo de Potência A perda por efeito Joule nos enrolamentos do estator Pce são Pce 3 Rfase do estator Ifase do estator² As perdas no núcleo Pn são provenientes de perdas por correntes parasitas correntes de Foucault e perdas por histerese estimadas a partir de procedimento experimental A perda por efeito Joule nos enrolamentos do rotor Pcr são Pcr 3 Rfase do rotor Ifase do rotor² As perdas devido ao atrito nos mancais e ao ventilador acoplado ao eixo da máquina são denominadas perdas rotacionais que também serão estimadas em procedimento experimental Característica Torque x Velocidade O motor de indução tem um conjugado nulo à velocidade síncrona nr ns A medida que é aumentada a carga no eixo do motor a sua velocidade diminui até um ponto onde o conjugado desenvolvido é máximo Qualquer acréscimo de carga além desse ponto faz com a velocidade caia bruscamente se tornando instável 43 Característica Torque x Velocidade Sendo Tp conjugado de partida é o conjugado com o motor travado ou torque desenvolvido na partida do motor Tmín conjugado mínimo é o menor valor de conjugado obtido desde velocidade zero até a velocidade correspondente ao conjugado máximo Tmáx conjugado máximo é o máximo valor de conjugado que o rotor pode desenvolver sem travar o eixo Tnominal conjugado nominal é o conjugado que o motor fornece com carga nominal no eixo Normalmente Tnominal ocorre com s entre 2 e 5 Tvazio conjugado para o motor operando sem carga Representa o conjugado sem carga no eixo 44 Categorias De acordo com as formas construtivas do rotor dos motores de indução podem apresentar diferentes características de conjugado e corrente de partida 45 Categorias Categoria N conjugado de partida Tp normal corrente de partida Ip normal 6 a 7 vezes Inominal escorregamento baixo 2 s 5 Nesta categoria se enquadram a maioria dos motores que acionam cargas normais tais como bombas centrífugas máquinas operatrizes Categoria H conjugado de partida Tp alto corrente de partida Ip normal escorregamento baixo São motores adequados para cargas com elevada inércia como peneiras e transportadoras carregadoras Categoria D Tp alto Ip normal s alto maior que 5 motores para cargas que apresentam picos intermitentes tais como prensas excêntricas tesouras e elevadores 46 Controle de Velocidade O controle de velocidade dos motores de indução podem ser obtidos por Controle do escorregamento Controle da velocidade do campo girante 47 Controle de Velocidade Variação da velocidade pelo controle do escorregamento Neste caso a velocidade do campo girante é mantida constante e a velocidade do rotor é alterada da seguinte forma a Variação da resistência do rotor Pode ser utilizada em motores de rotor bobinado A inserção de resistências altera a característica Torque x Velocidade do motor alterando a velocidade de operação Este método possui uso restrito e apresenta pobre regulação de velocidade e baixo rendimento 48 Controle de Velocidade b Variação da tensão do estator O torque desenvolvido por um motor de indução é proporcional ao quadrado da tensão aplicada a seus terminais Este método de controle é comum em motores pequenos que acionam ventiladores Porém apresenta baixo rendimento e pobre regulação de velocidade 50 Controle de Velocidade Variação da velocidade pelo controle do campo girante a Variação do número de polos Ao se variar o número de polos do motor de indução variase sua velocidade síncrona 52 Controle de Velocidade b Variação da frequência de alimentação A variação da frequência de alimentação da máquina pode ser obtida por meio de um conversor de frequência popularmente conhecido no mercado por inversor Com este dispositivo é possível controlar continuamente a frequência e portanto a velocidade dos motores de indução 53 Métodos de Partida Partida Direta Partida EstrelaTriângulo Soft Starter Inversor de Frequência 55 Partida Direta É o método de partida no qual o motor é conectado diretamente à rede elétrica Neste tipo de partida a corrente de partida Ip pode variar de 6 a 9 vezes a corrente nominal A vantagem principal é o custo pois não é necessário nenhum outro dispositivo Há inúmeras desvantagens com relação a outros métodos de partida A corrente variando entre 6 e 9 vezes a nominal obriga o projetista a superdimensionar o sistema de ventilação disjuntores e fusíveis que fazem parte do circuito elétrico que alimenta o motor Dependendo dos valores de pico de corrente a tensão do sistema pode sofrer quedas O transiente de torque faz com que os componentes mecânicos associados ao eixo do motor sofram desgaste prematuro 56 Partida EstrelaTriângulo A partida estrelatriângulo proporciona a redução da corrente elétrica do motor elétrico trifásico fazendo uso da estrutura física dos enrolamentos Bobinas do motor ou seja realiza a partida em dois estágios 57 Partida EstrelaTriângulo Chaves de partida estrelatriângulo 58 Partida EstrelaTriângulo Vantagens Baixo custo Número ilimitado de manobras Componentes ocupam pouco espaço Corrente de partida fica reduzida para 13 do nominal Desvantagens A chave só pode ser aplicada com motores de no mínimo 6 terminais acessíveis A tensão da linha da rede deve coincidir com a ligação triângulo do motor Reduzindo a corrente de partida em 13 reduz também o torque de partida em 13 Se o motor não atingir 90 da velocidade nominal no momento da troca de ligação o pico na comutação será quase como se fosse partida direta 59 Soft Starter O softstarter controla a tensão sobre o motor através do circuito de potência constituído por pontes de tiristores SCRs variando o ângulo de disparo dos mesmos e consequentemente variando a tensão eficaz aplicada ao motor Assim podese controlar a corrente de partida do motor proporcionando uma partida suave para não provocar quedas de tensão elétrica bruscas na rede de alimentação como ocorre em partidas diretas 60 Soft Starter Soft Starter Vantagens Possui proteções programáveis para tensão e corrente Indicação de horas energizadas horas em operações tensão de entrada de alimentação por fase corrente do motor por fase corrente do motor em amperes estados das saídas e entradas digitais Podese controlar rampa de tensão limitação de corrente constante ou em rampa etc 62 Inversor de Frequência São dispositivos que convertem a potência da rede alternada senoidal ou tensão alternada em tensão contínua em um barramento CC e finalmente convertem esta última em uma tensão de amplitude e período variáveis 63 Inversor de Frequência A primeira etapa do circuito é formada por uma ponte retificadora onda completa trifásica e dois capacitores de filtro Esse circuito forma uma fonte DC chamada de barramento DC O barramento DC alimenta a segunda etapa constituída de seis transistores IGBTs e que através de uma lógica de controle terceira etapa liga e desliga os transistores de modo alternarem o sentido de corrente que circula pelo motor Caso a frequência de chaveamento desses transistores seja aumentada a velocidade de rotação do motor também é aumentada e viceversa 64 Inversor de Frequência Inversor de Frequência Vantagens Redução do consumo de energia elétrica Evita acionamentos bruscos Aumento da vida útil do sistema Baixo custo de manutenção Automatização de processos 66 Referências Bibliográficas Kosow I L Máquinas Elétricas e Transformadores 15ª ed Fitzgerald A E Kingsley C Jr Umans S D Máquinas Elétricas 6ª ed 67