Motores Elétricos- Tipos- Características e Aplicações

a b c 61 Introdução O motor elétrico é uma máquina que transforma energia elétrica em energia mecânica de utilização Os motores elétricos são divididos em dois grandes grupos tomada a forma da tensão como base corrente contínua e alternada Para melhor visualizar os diferentes tipos de motores elétricos analisar a Figura 61 A seguir serão descritos resumidamente os principais tipos apresentados na figura mencionada 62 Características gerais dos motores elétricos As principais características dos motores elétricos em geral são 621 Motores de corrente contínua São aqueles acionados a partir de uma fonte de corrente contínua São muito utilizados nas indústrias quando se faz necessário manter o controle fino da velocidade em um processo qualquer de fabricação Como exemplo podese citar a indústria de papel São fabricados em três diferentes características Motores série São aqueles em que a corrente de carga é utilizada também como corrente de excitação isto é as bobinas de campo são ligadas em série com as bobinas do induzido Estes motores não podem operar em vazio pois sua velocidade tenderia a aumentar indefinidamente danificando a máquina Motores em derivação São aqueles em que o campo está diretamente ligado à fonte de alimentação e em paralelo com o induzido Sob tensão constante estes motores desenvolvem uma velocidade constante e um conjugado variável de acordo com a carga Motores compostos São aqueles em que o campo é constituído de duas bobinas sendo uma ligada em série e a outra em paralelo com o induzido Estes motores acumulam as vantagens do motor série e do de derivação isto é possuem um elevado conjugado de partida e velocidade aproximadamente constante no acionamento de cargas variáveis 622 Motores de corrente alternada São aqueles acionados a partir de uma fonte de corrente alternada São utilizados na maioria das aplicações industriais Há vários tipos de motores elétricos empregados em instalações industriais No entanto por sua maior aplicação nesta área devido à simplicidade de construção vida útil longa custo reduzido de compra e manutenção este livro irá tratar a Figura 61 mais especificamente dos motores elétricos assíncronos de indução A Figura 62 mostra uma ilustração da sequência de montagem dos diferentes elementos de um motor elétrico detalhando suas partes principais 6221 Motores trifásicos São aqueles alimentados por um sistema trifásico a três fios em que as tensões estão defasadas de 120º elétricos Representam a grande maioria dos motores empregados nas instalações industriais A Figura 63 mostra seus principais componentes Podem ser do tipo indução ou síncrono Motores de indução São constituídos de duas partes básicas estator e rotor Estator Formado por três elementos Carcaça constituída de uma estrutura de construção robusta fabricada em ferro fundido aço ou alumínio injetado resistente à corrosão e com superfície aletada e que tem como principal função suportar todas as partes fixas e móveis do motor Núcleo de chapas constituído de chapas magnéticas adequadamente fixadas ao estator Enrolamentos dimensionados em material condutor isolado dispostos sobre o núcleo e ligados à rede de energia elétrica de alimentação Classificação dos motores elétricos Figura 62 Ilustração de um motor em montagem Rotor Também constituído de quatro elementos básicos Eixo responsável pela transmissão da potência mecânica gerada pelo motor Núcleo de chapas constituído de chapas magnéticas adequadamente fixadas sobre o eixo Barras e anéis de curtocircuito motor de gaiola constituído de alumínio injetado sobre pressão Enrolamentos motor com rotor bobinado constituídos de material condutor e dispostos sobre o núcleo Os demais componentes são Ventilador responsável pela remoção do calor acumulado na carcaça Tampa defletora componente mecânico provido de aberturas instaladas na parte traseira do motor sobre o ventilador Terminais conectores metálicos que recebem os condutores de alimentação do motor Rolamentos componentes mecânicos sobre os quais está fixado o eixo Tampa componente metálico de fechamento lateral Caixa de ligação local onde estão fixados os terminais de ligação do motor Figura 63 Motor de indução trifásico As correntes rotóricas são geradas eletromagneticamente pelo estator único elemento do motor ligado à linha de alimentação O comportamento de um motor elétrico de indução no que se refere ao rotor é comparado ao secundário de um transformador O rotor pode ser constituído de duas maneiras rotor bobinado e rotor em gaiola Rotor bobinado Constituído de bobinas cujos terminais são ligados a anéis coletores fixados ao eixo do motor e isolados deste São de emprego frequente nos projetos industriais principalmente quando se necessita de controle adequado à movimentação de carga ou se deseja acionar determinada carga por meio do reostato de partida Estes motores são construídos com o rotor envolvido por um conjunto de bobinas normalmente interligadas em configuração estrela com os terminais conectados a três anéis presos mecanicamente ao eixo do motor porém isolados eletricamente e ligados por meio de escovas condutoras a uma resistência trifásica provida de cursor rotativo Assim as resistências são colocadas em série com o circuito do enrolamento do rotor e a quantidade utilizada depende do número de estágios de partida adotado que por sua vez é dimensionado em função exclusivamente do valor da máxima corrente admissível para o acionamento da carga A Figura 64 apresenta esquematicamente a ligação dos anéis acoplados ao reostato de partida com a barra de curto circuito medianamente inserida Já a Figura 65 mostra também a ligação de um motor com reostato de partida ajustado para acionamento em três tempos Na Figura 65 podese observar que quando é acionado o contactor geral C1 ligado aos terminais 123 o motor parte sob o efeito das duas resistências inseridas em cada bobina rotórica Após certo período de tempo previamente ajustado o contactor C3 curtocircuita o primeiro grupo de resistência do reostato o que equivale ao segundo estágio Decorrido outro determinado período de tempo o contactor C2 opera mantendo em curtocircuito o último grupo de resistências do reostato o que equivale ao terceiro estágio Nesta condição o motor entra em regime normal de funcionamento Figura 64 Figura 65 Motor de rotor bobinado Os motores de anéis são particularmente empregados na frenagem elétrica controlando adequadamente a movimentação de cargas verticais em baixas velocidades Para isso usa um sistema combinado de frenagem sobressíncrona ou subssíncrona com inversão das fases de alimentação Na etapa de levantamento o motor é acionado com a ligação normal sendo que tanto a força necessária para vencer a carga resistente como a velocidade de levantamento são ajustadas pela inserção ou retiradas dos resistores do circuito do rotor Para o abaixamento da carga basta inverter duas fases de alimentação e o motor comportase como gerador em regime sobressíncrono fornecendo energia à rede de alimentação girando portanto no sentido contrário ao funcionamento anterior São empregados no acionamento de guindastes e correias transportadoras compressores a pistão etc Rotor em gaiola Constituído de um conjunto de barras não isoladas e interligadas por anéis condutores curtocircuitados Por sua maior aplicação industrial será o objeto maior deste capítulo Reostato de partida O motor de indução opera normalmente a uma velocidade constante variando ligeiramente com a aplicação da carga mecânica no eixo O funcionamento de um motor de indução baseiase no princípio da formação de campo magnético rotativo produzido no estator pela passagem da corrente alternada em suas bobinas cujo fluxo por efeito de sua variação se desloca em volta do rotor gerando correntes induzidas que tendem a se opor ao campo rotativo sendo no entanto arrastado por este O rotor em nenhuma hipótese atinge a velocidade do campo rotativo pois do contrário não haveria geração de correntes induzidas eliminandose o fenômeno magnético rotórico responsável pelo trabalho mecânico do rotor Quando o motor está girando sem a presença de carga mecânica no eixo comumente chamado motor a vazio o rotor desenvolve uma velocidade angular de valor praticamente igual à velocidade síncrona do campo girante do estator Adicionandose carga mecânica ao eixo o rotor diminui sua velocidade A diferença existente entre as velocidades síncrona e a do rotor é denominada escorregamento que representa a fração de rotação que perde o rotor a cada rotação do campo rotórico O escorregamento em termos percentuais é dado pela Equação 61 Ws velocidade síncrona W velocidade angular do rotor 6222 Motores síncronos Os motores síncronos comparativamente aos motores de indução e de rotor bobinado são de pequena utilização em instalações industriais Os motores síncronos funcionam a partir da aplicação de uma tensão alternada nos terminais do estator excitando o campo rotórico por meio de uma fonte de corrente contínua que pode ser diretamente obtida de uma rede de CC de um conjunto retificador de uma excitatriz diretamente acoplada no eixo do motor comumente chamada dínamo ou de um grupo motorgerador A excitação do campo é feita geralmente por anéis coletores acoplados ao eixo do motor A corrente absorvida pelo circuito estatório é função da corrente de excitação para determinada carga acionada pelo motor Quando o motor está girando a vazio a corrente do estator é praticamente igual à corrente de magnetização Se for acoplada ao motor uma carga mecânica a corrente absorvida pelo estator aumentará estabelecendo um conjugado motor suficiente para vencer o conjugado resistente Quando a corrente de excitação é de valor reduzido isto é o motor está subexcitado a força eletromotriz induzida no circuito estatórico é pequena fazendo com que o estator absorva da rede de alimentação determinada potência reativa necessária à formação de seu campo magnético e cuja corrente está atrasada em relação à tensão da rede Se a corrente de excitação for aumentada gradativamente mantendose a grandeza da carga consequentemente elevandose o valor da força eletromotriz no estator devese chegar em determinado instante em que a corrente estatórica até então atrasada deve ficar em fase com a tensão da rede significando um fator de potência unitário Se este procedimento continuar isto é se a corrente de excitação for aumentada ainda mais a corrente estatórica se adiantará em relação à tensão caracterizando a sobreexcitação do motor síncrono fazendo com que este passe a fornecer potência reativa à rede trabalhando com um fator de potência capacitivo Esse é o princípio básico da correção do fator de potência de uma instalação utilizando o motor síncrono em alternativa a banco de capacitores A Figura 66 mostra a variação da corrente estatórica e do fator de potência relativamente à corrente de excitação A Figura 67 relaciona percentualmente a potência capacitiva fornecida por um motor síncrono em relação à sua potência nominal em função da variação de carga para um dado fator de potência capacitivo Por meio das curvas da Figura 67 concluise que um motor síncrono com fator de potência 080 pode fornecer quando a vazio 81 de sua potência em cv em potência reativa capacitiva Se for acoplada ao seu eixo uma carga mecânica de valor igual à nominal ainda pode fornecer 62 de sua capacidade em potência capacitiva Cabe ressaltar que neste caso relativamente à Figura 67 o motor síncrono está operando sobreexcitado Figura 66 Figura 67 Fator de potência corrente de excitação Capacidade do motor síncrono no fornecimento de potência reativa A utilização de motores síncronos acionando determinados tipos de carga mecânica para correção do fator de potência de uma instalação industrial requer cuidados adicionais com respeito às flutuações no torque devido à natureza da própria carga Além disso motores síncronos de potência inferior a 50 cv não são adequados à correção do fator de potência em virtude da sensibilidade de perda de sincronismo quando da ocorrência de flutuações de tensão na rede de alimentação Os motores síncronos apresentam dificuldades operacionais práticas pois necessitam de fonte de excitação requerendo manutenção constante e muitas vezes dispendiosa Uma das desvantagens de sua utilização está na partida pois é necessário que se leve o motor síncrono a uma velocidade suficientemente próxima à velocidade síncrona a fim de que ele possa entrar em sincronismo com o campo girante São empregados vários recursos para tal finalidade dos quais são citados dois Utilização de um motor de corrente contínua acoplado ao eixo do motor síncrono Utilização de enrolamento de compensação Pela aplicação deste último método o comportamento do motor síncrono durante a partida é semelhante ao do motor de indução Figura 68 Durante a partida do motor síncrono dotado de enrolamentos de compensação também conhecidos como enrolamentos amortecedores o enrolamento de campo de corrente contínua deve ser curtocircuitado enquanto se aplica a tensão da rede nos terminais do estator até levar o motor a vazio à condição de sincronismo semelhantemente a um motor de indução A seguir desfazse a ligação de curtocircuito do enrolamento de campo e aplicase nele uma corrente contínua ajustandose adequadamente à finalidade de utilização a que se propõe Motor síncrono Construtivamente os enrolamentos amortecedores podem ser do tipo gaiola de esquilo ou do tipo rotor bobinado Neste último caso o motor síncrono utiliza cinco anéis coletores conforme esquema da Figura 68 sendo que em três destes se acoplam as resistências externas do reostato de partida enquanto os outros dois são utilizados para a excitação do campo rotórico À semelhança do motor de indução à medida que se reduz a resistência do circuito de amortecimento o motor se aproxima da velocidade síncrona até que se aplica no enrolamento de campo uma tensão em corrente contínua fazendo o motor entrar em sincronismo com o campo girante 6223 Motores monofásicos de indução Os motores monofásicos são relativamente aos motores trifásicos de pequeno uso em instalações industriais São construídos normalmente para pequenas potências até 15 cv em geral Os motores monofásicos são providos de um segundo enrolamento colocado no estator e defasado de 90º elétricos do enrolamento principal e que tem a finalidade de tornar rotativo o campo estatórico monofásico Isto é o que permite a partida do motor monofásico O torque de partida é produzido pelo defasamento de 90º entre as correntes do circuito principal e as do circuito de partida Para se obter esta defasagem ligase ao circuito de partida um condensador de acordo com esquema da Figura 69a O campo rotativo assim produzido orienta o sentido de rotação do motor A fim de que o circuito de partida não fique ligado desnecessariamente após o acionamento do motor um dispositivo automático desliga o enrolamento de partida passando o motor a funcionar normalmente em regime monofásico Este dispositivo pode ser acionado por um sistema de força centrífuga conforme a Figura 69a A bobina que liga o circuito de partida é desenergizada pelo decréscimo do valor da corrente no circuito principal após o motor entrar em regime normal de funcionamento A Figura 69b fornece o detalhe de ligação desse dispositivo automático O condensador de partida é do tipo eletrolítico que tem a característica de funcionar somente quando é solicitado por tensões com polaridade estabelecida É montado normalmente sobre a carcaça do estator por meio de um suporte que também tem a finalidade de protegêlo mecanicamente A Tabela 61 fornece as características básicas dos motores monofásicos Os motores monofásicos podem ser do tipo indução ou síncrono cujas características básicas são idênticas às que foram estabelecidas para os motores trifásicos correspondentes Figura 69 Interruptor automático 6224 Motores tipo universal São aqueles capazes de operar tanto em corrente contínua como em corrente alternada São amplamente utilizados em eletrodomésticos como enceradeiras liquidificadores batedeiras etc São constituídos de uma bobina de campo em série com a bobina da armadura e de uma bobina de compensação que pode estar ligada em série ou em paralelo com a bobina de campo cuja compensação é denominada respectivamente condutiva ou indutiva 63 Motores assíncronos trifásicos com rotor em gaiola Os motores de indução trifásicos com rotor em gaiola são usados na maioria das instalações industriais principalmente em máquinas não suscetíveis a pequenas variações de velocidade O princípio de funcionamento dos motores assíncronos trifásicos que constituem a maioria dos motores em operação nas indústrias está baseado em três enrolamentos instalados no estator que estão diretamente ligados na fonte de tensão deslocados fisicamente de 120º Por sua vez a fonte de alimentação do sistema elétrico é composta por três tensões também defasadas no tempo de 120º formando um campo magnético girante na velocidade angular definida pela frequência do sistema de alimentação que atravessa o entreferro atingindo a massa rotórica e induzindo nas barras rotóricas forças eletromotrizes Como essas barras estão em curtocircuito nas suas extremidades por meio de dois anéis há um fluxo de corrente circulando que interagindo com o campo girante estatórico produz um conjugado eletromecânico que arrasta o rotor no sentido desse campo Para que haja conjugado a velocidade angular do rotor deve ser ligeiramente inferior à velocidade angular do campo girante estatórico Na suposição de que a velocidade angular rotórica seja igual à velocidade do campo girante estatórico o conjugado ficaria nulo Para obtenção de velocidade constante devemse usar motores síncronos normalmente construídos para potências elevadas devido a seu alto custo relativo quando fabricados em potências menores A seguir serão estudadas as principais características dos motores de indução trifásicos com rotor em gaiola 631 Potência nominal É a potência que o motor pode fornecer no eixo em regime contínuo sem que os limites de temperatura dos enrolamentos sejam excedidos aos valores máximos permitidos por norma dentro de sua classe de isolamento Sempre que são aplicadas aos motores cargas de valor muito superior ao da potência para a qual foram projetados seus enrolamentos sofrem um aquecimento anormal diminuindo a vida útil da máquina podendo inclusive danificar o isolamento até se estabelecer um curtocircuito interno que caracteriza sua queima A potência desenvolvida por um motor representa a rapidez com que a energia é aplicada para mover a carga Por definição potência é a relação entre a energia gasta para realizar determinado trabalho e o tempo em que o mesmo foi executado Isto pode ser facilmente entendido se se considera a potência necessária para levantar um objeto pesando 50 kgf do fundo de um poço de 40 m de profundidade durante um período de tempo de 27 s A energia gasta foi de 50 kgf 40 m 2000 kgf m Como o tempo para realizar este trabalho foi de 27 s a potência exigida pelo motor foi de Pm1 200027 a Tabela 61 kgf ms 74 kgf ms Se o mesmo trabalho tivesse que ser realizado em 17 s a potência do motor teria que ser incrementada para Pm2 200017 kgf ms 117 kgf ms Considerando que 1 cv é o equivalente a 75 kgf ms então as potências dos motores seriam Em geral a potência nominal é fornecida em cv sendo 1 cv equivalente a 0736 kW A potência nominal de um motor depende da elevação de temperatura dos enrolamentos durante o ciclo de carga Assim um motor pode acionar uma carga com potência superior à sua potência nominal até atingir um conjugado um pouco inferior a seu conjugado máximo Essa sobrecarga no entanto não pode resultar em temperatura dos enrolamentos superior à sua classe de temperatura Do contrário a vida útil do motor será sensivelmente afetada Quando o motor opera com cargas de regimes intermitentes a potência nominal do motor deve ser calculada levando em consideração o tipo de regime Esse assunto será tratado no Capítulo 7 Como informação adicional a seguir são dadas as expressões que permitem determinar a potência de um motor para as atividades de maior uso industrial Bombas Pb potência requerida pela bomba em kW Q quantidade do líquido em m3s γ peso específico do líquido em kgdm3 γ 1 kgdm3 para a água H altura de elevação mais altura de recalque em m η eficiência da bomba 087 η 090 para bombas a pistão 040 η 070 para bombas centrífugas Características dos motores elétricos monofásicos Potência nominal Corrente 220 V Velocidade Fator de potência Relação Relação Conjugado Rendimento Momento de inércia Nominal CmCn cv kW A rpm InpIn CpCn m kgf kg m2 II polos 15 11 75 3535 75 78 29 031 23 75 00020 2 15 95 3530 76 72 29 061 23 76 00024 3 22 130 3460 77 76 30 081 22 77 00064 4 30 180 3515 79 87 28 061 26 79 00093 5 37 230 3515 81 79 28 100 26 81 00104 75 55 340 3495 78 62 21 150 21 78 00210 10 75 420 3495 82 7 21 200 26 82 00295 IV polos 1 075 58 1760 71 82 30 041 25 71 00039 15 11 75 1760 75 87 28 061 29 75 00052 2 15 95 1750 77 87 30 081 28 77 00084 3 22 140 1755 79 85 30 120 28 79 00163 4 30 190 1745 80 71 29 160 26 80 00183 5 37 250 1750 81 75 30 200 26 81 00336 75 55 340 1745 84 74 30 310 26 84 00378 10 75 460 1745 85 76 30 410 25 85 00434 Exemplo de aplicação 61 Calcular a potência nominal de um motor que será acoplado a uma bomba centrífuga cuja vazão é de 050 m³s A altura de recalque mais a de elevação é de 15 m e a bomba é destinada à captação de água potável e sua eficiência é de 070 Pg 98 x 05 x 1 x 15 070 1050 kW Pm 150 cv Tabela 64 b Elevadores de carga Pe C x V 102 x η kW 63 Pe potência requerida pelo motor do guindaste kW η 070 C carga a ser levantada em kg V velocidade em ms 050 V 150 ms para elevadores de pessoa 040 V 060 ms para elevadores de carga Exemplo de aplicação 62 Determinar a potência nominal de um motor de um elevador de carga destinado a levantar uma carga máxima de 400 kg Pe 400 x 06 102 x 07 336 kW Pm 5 cv Tabela 64 c Ventiladores d Pv potência requerida pelo ventilador em kW Q vazão em m3s P pressão em Nm2 η rendimento 050 η 080 para ventiladores com P 400 mmHg 035 η 050 para ventiladores com 100 P 400 mmHg 020 η 035 para ventiladores com P 100 mmHg Obs 1 mmHg 981 Nm2 1 Nm2 102 103 kgfm2 Compressores Pc potência requerida pelo compressor em kW Wc velocidade nominal do compressor em rps Cnc conjugado nominal do compressor em mN ηac rendimento de acoplamento ηac 095 Exemplo de aplicação 63 Determinar a potência de um compressor sabendose que a redução do acoplamento é 066 a velocidade do compressor é de 1150 rpm e o conjugado nominal de 40 mN Velocidade nominal do motor Velocidade nominal do compressor Potência nominal do motor Existe uma condição operacional de motores muito utilizada em processos industriais notadamente em esteiras rolantes quando dois ou mais motores funcionam mecanicamente em paralelo Se dois ou mais motores idênticos são acoplados por um mecanismo qualquer e trabalham mecanicamente em paralelo dividem a carga igualmente Para isto é necessário que os motores tenham o mesmo escorregamento o mesmo Tabela 62 número de polos e a mesma potência nominal no eixo Se dois ou mais motores têm o mesmo número de polos mas diferentes potências nominais no eixo normalmente dividem a carga na mesma proporção de suas potências de saída 632 Tensão nominal As tensões de maior utilização nas instalações elétricas industriais são de 220 380 e 440 V A ligação do motor em determinado circuito depende das tensões nominais múltiplas para as quais foi projetado o que será objeto de estudo posterior Os motores devem trabalhar dentro de limites de desempenho satisfatório para uma variação de tensão de 10 de sua tensão nominal desde que a frequência não varie No Capítulo 10 serão mostrados os efeitos das variações de tensão e frequência sobre os motores indicandose os dispositivos de proteção adequados Quando o motor trifásico está conectado em um sistema elétrico com as tensões desequilibradas além do conjugado positivo acionando o motor no sentido normal de rotação aparecerá um conjugado negativo no sentido contrário de rotação O conjugado positivo é resultado dos componentes de sequência positiva tensão corrente e impedância Já o conjugado negativo tentando arrastar o rotor no sentido contrário é decorrente dos componentes de sequência negativa Como resultado há um crescimento da corrente de carga e consequente aumento da temperatura do motor de acordo com a Tabela 62 Efeitos do desequilíbrio de tensão para os motores elétricos Desequilíbrio de tensão entre fases Elevação da corrente de carga Elevação da temperatura 25 210 125 20 167 80 15 125 45 10 80 20 05 38 05 633 Corrente nominal É aquela solicitada da rede de alimentação pelo motor trabalhando à potência nominal com frequência e tensões nominais O valor da corrente é dado pela Equação 66 Pnm potência nominal do motor em cv V tensão nominal trifásica em volts η rendimento do motor cosψ fator de potência sob carga nominal 634 Frequência nominal É aquela fornecida pelo circuito de alimentação e para a qual o motor foi dimensionado O motor deve trabalhar satisfatoriamente se a frequência variar dentro de limites de 5 da frequência nominal desde que seja mantida a tensão nominal constante Os motores trifásicos com rotor bobinado quando ligados em uma rede de energia elétrica cuja frequência é diferente da frequência nominal apresentam as seguintes particularidades a b Motor de 50 Hz ligado em 60 Hz A potência mecânica não varia A corrente de partida diminui em 17 A corrente nominal não varia A velocidade nominal aumenta em 20 isto é na mesma proporção do aumento da frequência A relação entre o conjugado máximo e o conjugado nominal diminui em 17 A relação entre o conjugado de partida e o conjugado nominal diminui em 17 Motor de 60 Hz ligado em 50 Hz A potência aumenta em 20 para motores de IV VI e VIII polos A corrente de carga não varia A velocidade nominal diminui na mesma proporção da redução da frequência A relação entre o conjugado máximo e o conjugado nominal aumenta A relação entre o conjugado de partida e o conjugado nominal aumenta Devese alertar que não é aconselhável utilizar motores com rotor bobinado frequência nominal de 60 Hz em redes de tensão nominal de 50 Hz a não ser que a tensão aplicada aos seus terminais seja reduzida de aproximadamente 9 Nessas condições há uma perda de 17 na potência nominal mantendose inalteradas a corrente nominal o conjugado de partida e o conjugado máximo 635 Fator de potência Devese consultar o Capítulo 4 636 Fator de serviço É um número que pode ser multiplicado pela potência nominal do motor a fim de se obter a carga permissível que o mesmo pode acionar em regime contínuo dentro de condições estabelecidas por norma O fator de serviço não está ligado à capacidade de sobrecarga própria dos motores valor em geral situado entre 100 e 125 da carga nominal durante períodos curtos Na realidade o fator de serviço representa uma potência adicional contínua porém com o aumento das perdas elétricas 637 Perdas ôhmicas O motor absorve do circuito de alimentação determinada potência que deverá ser transmitida ao eixo para o acionamento da carga Porém devido a perdas internas em forma de calor gerado pelo aquecimento das bobinas dos enrolamentos e outras a potência mecânica de saída no eixo é sempre menor do que a potência de alimentação Deste fenômeno nasce o conceito de rendimento cujo valor é sempre menor que a unidade As perdas verificadas em um motor elétrico são Perdas Joule nas bobinas estatóricas perdas no cobre Pcu Perdas Joule nas bobinas rotóricas perdas no cobre Pcu Perdas magnéticas estatóricas perdas no ferro Pfe Perdas magnéticas rotóricas perdas no ferro Pfe Perdas por ventilação Pv Perdas por atrito dos mancais perdas mecânicas Pm A Figura 610 ilustra o balanço das potências e perdas elétricas envolvidas em um motor elétrico Todo o calor formado no interior do motor deve ser dissipado para o meio exterior por meio da superfície externa da carcaça auxiliada para determinados tipos de motores por ventiladores acoplados ao eixo Não se deve julgar o aquecimento interno do motor simplesmente medindose a temperatura da carcaça pois isto pode fornecer resultados falsos Os motores trifásicos ligados a fontes trifásicas desequilibradas sofrem o efeito do componente de sequência negativa em forma de aquecimento provocando o aumento das perdas principalmente as perdas no cobre e reduzindo assim a Figura 610 potência de saída disponível dos mesmos Portanto devese procurar manter o mais equilibrado possível a tensão entre fases de alimentação dos motores elétricos 638 Expectativa de vida útil A vida útil de um motor está intimamente ligada ao aquecimento das bobinas dos enrolamentos fora dos limites previstos na fabricação da máquina o que acarreta temperaturas superiores aos limites da isolação Assim uma elevação de temperatura de 10 ºC na temperatura de isolação de um motor reduz sua vida útil pela metade A vida útil é também afetada pelas condições desfavoráveis de instalação como umidade ambiente com vapores corrosivos vibrações etc O aquecimento fator principal da redução da vida útil de um motor provoca o envelhecimento gradual e generalizado do isolamento até o limite de tensão a que está submetido quando então o motor ficará sujeito a um curtocircuito interno de consequência desastrosa Existem algumas teorias que justificam a perda de vida útil das isolações De acordo com uma delas a chamada teoria disruptiva as ligações moleculares dos materiais isolantes sólidos são rompidas provocando a ruptura dos mesmos Perdas elétricas em um motor A vida útil de uma isolação pode ser avaliada pelo tempo decorrido após 10 das amostras do material em análise apresentarem falha A Figura 611 permite determinar a vida útil das isolações para as classes A e B 639 Classes de isolamento A norma agrupa os materiais isolantes e os sistemas de isolamento no que se denomina classe de isolamento e estes são limitados pela temperatura que cada material isolante pode suportar em regime contínuo sem que seja afetada sua vida útil São as seguintes as classes de isolamento empregadas em máquinas elétricas Classe A limite 105 ºC seda algodão papel e similares impregnados em líquidos isolantes por exemplo esmalte de fios Classe E limite 120 ºC fibras orgânicas sintéticas Classe B limite 130 ºC asbesto mica e materiais a base de poliéster Classe F limite 155 ºC fibra de vidro amianto associado a materiais sintéticos silicones Classe H limite 180 ºC fibra de vidro mica asbesto associado a silicones de alta estabilidade térmica Figura 611 As classes de isolamento mais comumente empregadas são A E e B sendo a H de moderada utilização Como já foi visto na Seção 638 a temperatura do enrolamento é fundamental para a vida útil do motor 6310 Elevação de temperatura A temperatura de serviço dos motores elétricos não é uniforme em todas as suas partes componentes Para fazer sua medição são usados detetores térmicos inseridos nos enrolamentos o que permite a determinação da temperatura do chamado ponto mais quente Vida útil das isolações No entanto quando não se dispõe desses detetores podese determinar a temperatura dos enrolamentos pela Equação 67 T temperatura média do enrolamento em ºC Tf temperatura do enrolamento com o motor frio à mesma temperatura ambiente em ºC Rf resistência ôhmica da bobina com o motor frio à mesma temperatura ambiente em Ω Rq resistência ôhmica do enrolamento do motor medida quando este atingir o aquecimento de regime em Ω Para se determinar a elevação de temperatura do enrolamento devese aplicar a expressão Ta temperatura do meio refrigerante no fim do ensaio em ºC O valor de T obtido da Equação 67 representa a temperatura média do enrolamento dado que a resistência ôhmica média é referente a todo o enrolamento e não somente ao ponto mais quente o que seria o correto Porém na prática observase que esta diferença de temperatura não varia significativamente O processo de medida como se pode notar é baseado na variação da resistência ôhmica do condutor do enrolamento em função da variação de temperatura O tempo de resfriamento de um motor desde sua temperatura de regime até a temperatura ambiente é variável com as dimensões do motor Em média para motores pequenos podese tomálo como de três horas e para motores de potência Figura 612 a elevada acima de 60 cv de cinco horas Por dificuldades de ventilação em determinadas altitudes motivadas por rarefação do ar ambiente os motores são dimensionados normalmente para trabalhar no máximo a 1000 m acima do nível do mar A Figura 612 mostra o decréscimo percentual da potência do motor em função da altitude de sua instalação bem como a influência da temperatura do meio refrigerante Potência de um motor altitude Como o valor da temperatura é tomado pela média a elevação de temperatura do motor é admitida inferior em 5 ºC para motores das classes A e E em 10 ºC para a classe B e em 15 ºC para as classes F e H O gráfico da Figura 613 ilustra esse procedimento Neste ponto é conveniente fazer uma análise das circunstâncias em que um motor de indução é conduzido a temperaturas elevadas em função das condições a que são submetidos Para isso podese representar um motor de indução como uma fonte de calor resultante dos efeitos térmicos das bobinas e do ferro do estator bem como das barras de curto circuito e do ferro do rotor Por outro lado o mesmo motor pode ser representado como um dissipador de calor pela ação do meio refrigerante de forma natural ou forçada Se o fluxo de calor gerado está sendo retirado na forma do projeto da máquina pelo sistema de dissipação térmica a temperatura nas diferentes partes do motor atinge um valor que permite classificar o seu funcionamento como de regime permanente Serão analisadas as seguintes condições operativas Sobrecargas de curta e de longa duração Ao se analisar um motor sob o aspecto de sobrecarga há duas considerações a serem feitas A primeira diz respeito às sobrecargas de curta duração caracterizadas pelas partidas diretas do motor onde a corrente se eleva a valores entre seis e oito vezes a corrente nominal em um curto espaço de tempo da ordem de 05 a 5 s de forma que impossibilite a troca do calor gerado pelo estator e rotor para o meio ambiente Devido à corrente elevada e ao calor produzido medido pela energia dissipada igual a E RI2 t a temperatura nas barras do rotor do motor se eleva a valores de 300 a 350 ºC podendo serem danificadas por deformação permanente Figura 613 b Temperaturas dos motores elétricos Como não há troca de calor com o exterior os condutores dos enrolamentos se aquecem e consequentemente sua isolação cujo processo é chamado de aquecimento adiabático A segunda análise diz respeito às sobrecargas de longa duração caracterizadas por sobressolicitação mecânica no eixo do motor onde a corrente de sobrecarga atinge valores modestos comparados com a situação anterior porém com um tempo excessivamente longo de forma que os enrolamentos acumulam uma quantidade de calor exagerada e elevam sua temperatura acima da classe de isolação O funcionamento dos motores de indução pode ser classificado em três períodos distintos Em repouso Caracterizase pelo instante da partida em que a velocidade rotórica é nula Também pode ocorrer o travamento do rotor quando por exemplo o conjugado de carga supera o conjugado motor Nestas circunstâncias como o campo girante corta o rotor na velocidade síncrona elevando o valor da reatância rotórica X 2 FL e consequentemente as perdas Joule correspondentes o rotor é o responsável pela limitação da operação do motor já que alcança seu limite térmico primeiro que o estator Durante o período de aceleração Caracterizase pelo período durante o qual o rotor adquire sua velocidade inicial até atingir o regime de funcionamento normal próximo à velocidade síncrona O aquecimento do motor neste período depende da curva de conjugado resistente que define o tempo de aceleração Nesta circunstância como a tensão induzida no motor é elevada porém decrescente o rotor alcança seu limite térmico antes do estator e portanto é a parte limitante da operação do motor Cabe observar que durante o período de aceleração o rotor pode travar se a curva de conjugado resistente se igualar ou superar a curva de conjugado motor sendo neste caso o motor limitado termicamente pelo rotor Durante o período de regime de funcionamento normal Se durante este período o motor for submetido à sobrecarga o estator desenvolve uma quantidade de calor tal que alcança o limite térmico em um tempo inferior ao do rotor e o motor é portanto limitado pelo estator Ausência de fase Quando da ausência de uma fase a potência desenvolvida pelo motor basicamente não se altera apesar de seu funcionamento passar da condição de suprimento trifásico para bifásico ou seja Nestas condições a corrente que circula pelo relé na operação bifásica é 577 superior à corrente nominal do motor que em operação trifásica circula pelo mesmo relé Assim um motor de 100 cv tem uma corrente nominal de 1354 A e c a b quando em operação bifásica a corrente que circulará pelo relé é de 2345 A isto é a corrente que sensibilizará o relé é 577 superior à corrente nominal do motor ou Se um relé térmico for ajustado para o valor da corrente nominal como é aconselhável a atuação do relé se dará aproximadamente em três minutos para o relé a frio isto é no seu início de funcionamento ou em 45 s com o relé a quente isto é após decorrido tempo suficiente para se alcançar a estabilidade térmica Se o motor estiver funcionando com uma carga equivalente a até 577 do seu valor nominal o relé térmico não seria sensibilizado Aparentemente não haveria danos no motor já que a corrente absorvida pelo mesmo seria igual à corrente nominal Porém nestas circunstâncias há um grande desequilíbrio de corrente circulando no estator da máquina e consequentemente aparecerá um forte componente de sequência negativa afetando termicamente o rotor Desequilíbrio de corrente Quando as correntes absorvidas pelos motores de indução estão desequilibradas surge um conjugado de frenagem que se opõe ao conjugado motor Porém o motor continua girando no sentido normal sofrendo uma ligeira queda de velocidade angular A potência no eixo do motor praticamente permanece inalterada O campo de sequência negativa que gira ao contrário do campo normal ou de sequência positiva induz nas barras do rotor uma corrente na frequência duas vezes superior à frequência industrial Motivado pelo efeito skin em que as correntes indesejadas de alta frequência tendem a circular pela superfície dos condutores dos enrolamentos o rotor fica submetido de imediato aos efeitos térmicos resultantes do processo enquanto o estator praticamente não é alterado termicamente nem absorve nenhuma corrente adicional já que a potência no eixo permanece constante Se o motor estiver operando na sua potência nominal o rotor sofrerá um aquecimento acima do seu limite térmico e as proteções instaladas nos condutores de alimentação não serão sensibilizadas Para que o motor seja protegido contra elevações de temperatura são utilizados protetores térmicos instalados no interior de seus enrolamentos estatóricos dimensionados em função da isolação empregada e das características de projeto do motor Assim são utilizados em geral os seguintes elementos protetores Termostatos São componentes bimetálicos construídos de duas lâminas com coeficientes de dilatação térmica diferentes dotadas de contatos de prata em suas extremidades que se fecham quando ocorre uma elevação de temperatura definida para aquele tipo de projeto Para dar maior grau de segurança ao motor podem ser utilizados dois termostatos por fase O primeiro termostato ao ser sensibilizado para o valor da elevação de temperatura do motor faz atuar um alarme sonoro eou visual enquanto o segundo termostato ao ser sensibilizado para o valor da temperatura máxima do material isolante faz operar o sistema de proteção desligando o motor Termorresistores São componentes cujo funcionamento é baseado na variação da resistência elétrica em função da temperatura a que estão submetidos Apenas alguns materiais seguem essas características como o cobre a platina e o níquel São fabricados de forma a se obter uma resistência definida para cada aplicação e que varia linearmente de acordo com a temperatura Essa característica permite que se acompanhe a evolução do aquecimento do enrolamento do motor durante sua operação São aplicados em motores que operam máquinas com funções vitais para o processo e trabalham em regime intermitente de forma muito irregular Podem ser utilizados para alarme e desligamento conforme o uso dos termostatos A esses componentes podem ser conectados monitores de controle de um sistema industrial automatizado permitindo o conhecimento do comportamento térmico do motor c Termistores São componentes térmicos constituídos de materiais semicondutores que variam sua resistência elétrica de forma brusca quando a temperatura do meio em que está inserido atinge o valor da temperatura de atuação do termistor Esses componentes podem ser construídos de duas diferentes formas quanto ao coeficiente de temperatura Tipo PTC São elementos cujo coeficiente de temperatura é positivo isto é sua resistência aumenta de forma brusca quando a temperatura do meio atinge o valor da temperatura de calibração do termistor A elevação brusca da resistência elétrica do termistor faz interromper a circulação de corrente que mantém abertos os contatos de um contactor auxiliar responsável pelo acionamento do disjuntor ou de um contactor de comando do motor Para dar maior grau de segurança ao motor podem ser utilizados dois termistores por fase O primeiro termistor ao ser sensibilizado para o valor da temperatura do motor faz atuar um alarme sonoro eou visual enquanto o segundo termistor ao ser sensibilizado para o valor da temperatura máxima do material isolante faz operar o sistema de proteção desligando o motor Tipo NTC São elementos cujo coeficiente de temperatura é negativo isto é sua resistência diminui de forma brusca quando a temperatura do meio atinge o valor da temperatura de calibração do termistor A redução brusca da resistência elétrica do termistor faz circular a corrente na bobina de um contactor auxiliar responsável pelo acionamento do disjuntor ou de um contactor de comando do motor Para dar maior grau de segurança ao motor podem ser utilizados dois termistores por fase Para a proteção dos motores elétricos são utilizados os termistores do tipo PTC devido ao fato de os circuitos eletrônicos disponíveis operarem com característica PTC A Figura 614 mostra os enrolamentos rotóricos de um motor dotado de termistor instalado na cabeça da bobina Exemplo de aplicação 64 Determinar a temperatura média do enrolamento e a elevação de temperatura correspondente de um motor cuja resistência do enrolamento medida a frio temperatura ambiente 40 ºC foi de 0240 Ω O motor foi ligado em carga nominal e após três horas mediuse a resistência de seus enrolamentos obtendose 0301 Ω A temperatura do meio refrigerante no momento da tomada das medidas era igual a 40 ºC De acordo com a Equação 67 temse 6311 Ventilação O processo pelo qual é realizada a troca de calor entre o interior do motor e o meio ambiente define seu sistema de ventilação Os sistemas de ventilação mais usados são 63111 Motor aberto É aquele em que o ar ambiente circula livremente no interior da máquina retirando calor das partes aquecidas O grau de proteção característico desses motores é o IP23 A Figura 615 ilustra esse tipo de motor Figura 614 Figura 615 a b 63112 Motor totalmente fechado É aquele em que não há troca entre o meio refrigerante interno ao motor e o exterior O motor no entanto não pode ser considerado estanque pois as folgas existentes nas gaxetas permitem a saída do meio refrigerante interno quando este entra em operação aquecendose consequentemente e também permitem a penetração do meio refrigerante externo quando é desligado e inicia seu processo de resfriamento A troca de calor desses motores é feita a partir da transferência de calor pela carcaça Os motores totalmente fechados podem ser fabricados nos seguintes tipos Bobina estatórica protegida por um termistor Motor aberto Motor totalmente fechado com ventilação externa São motores providos de um ventilador externo montado em seu eixo que acelera a dissipação do calor por meio da carcaça A Figura 616 mostra este tipo de motor Motor totalmente fechado com trocador de calor arar São motores providos de um ventilador interno e um trocador de calor montado na sua parte superior conforme se observa na Figura 617 c Figura 616 Figura 617 a b Motor totalmente fechado com trocador arágua São motores providos de um ventilador externo e um trocador de calor arágua O calor gerado no interior do motor é transferido para a água que circula no interior dos dutos que formam o trocador de calor conforme é demonstrado na Figura 618 63113 Motor com ventilação forçada É aquele cuja refrigeração é efetuada por um sistema adequado em que um pequeno motor acionado independentemente força a entrada do meio refrigerante no interior do motor em questão Os motores com ventilação forçada podem ser fabricados com diferentes tipos destacandose Motor totalmente fechado Trocador de calor arar Motores com ventilação forçada sem filtro Neste caso um motor acoplado na extremidade de um duto de ar força a entrada do meio refrigerante de um ambiente de ar não poluído para o interior do motor que o devolve em seguida ao meio ambiente conforme demonstra a Figura 619a Motor com ventilação forçada com filtro Neste caso o motor é provido de um ventilador que aspira o ar refrigerante do meio ambiente e o força após sua passagem pelo filtro a penetrar no interior do motor sendo em seguida jogado no meio ambiente conforme demonstra a Figura Figura 618 619b 63114 Motor à prova de intempéries É conhecido comumente como motor de uso naval Possui um elevado grau de proteção IPW55 que lhe credencia para operar em ambientes com poeira água em todas as direções e elevada salinidade Trocador de calor arágua 63115 Motor à prova de explosão Em certas indústrias que trabalham com materiais inflamáveis de grande risco como petroquímicas indústrias têxteis e semelhantes há necessidade de serem empregados motores que suportem os esforços mecânicos internos quando por danos da isolação dos enrolamentos em contato com o meio refrigerante contendo material combustível podem provocar acidentes de proporções desastrosas Esses motores são dimensionados com carcaça e estrutura robustas além de parafusos juntas tampas etc de dimensões compatíveis com a solicitação dos esforços Podem ser vistos na Figura 1620 6312 Graus de proteção Refletem a proteção do motor quanto à entrada de corpos estranhos e penetração de água pelos orifícios destinados à entrada e saída do ar refrigerante Os graus de proteção foram definidos no Capítulo 1 No caso dos motores elétricos a indústria estabelece alguns graus de proteção que satisfaçam a uma faixa de condições previstas pela norma padronizando sua produção Assim temse Figura 619 a b a b Figura 620 c Motor com ventilação independente Motores abertos As classes de proteção mais comumente fabricadas são IP21 IP22 IP23 Motores fechados As classes de proteção mais comumente fabricadas são IP44 IP54 IP55 IPW55 motores de uso naval 6313 Regime de funcionamento O regime de funcionamento de um motor elétrico indica o grau de regularidade na absorção de potência elétrica da rede de alimentação devido às variações do conjugado de carga Os motores em geral são projetados para trabalharem regularmente com carga constante por tempo indeterminado desenvolvendo sua potência nominal o que é denominado regime contínuo 63131 Tipos de regime de funcionamento Seguindo a norma NBR 7094 os motores são fabricados de acordo com a forma como eles funcionam o que se denomina regime de funcionamento S1 Regime de funcionamento contínuo É aquele em que o motor trabalha continuamente por um tempo significativamente maior do que sua constante térmica de tempo Neste tipo de regime quando o motor é desligado só retoma a operação quando todas suas partes componentes estão em equilíbrio com o meio exterior A Figura 621 ilustra essa característica S2 Regime de funcionamento de tempo limitado É aquele em que o motor é acionado à carga constante por um dado intervalo de tempo inferior ao necessário para alcançar o equilíbrio térmico seguindose um período de tempo em repouso o suficiente para permitir ao motor atingir a temperatura do meio refrigerante A Figura 622 ilustra essa característica Motor à prova de explosão S3 Regime de funcionamento intermitente periódico É aquele em que o motor funciona à carga constante por um período de tempo definido e repousa durante outro intervalo de tempo também definido sendo tais intervalos de tempo muito curtos para permitir ao motor atingir o equilíbrio térmico durante o ciclo não sendo afetado de modo significante pela corrente de partida Cada um desses regimes de funcionamento é caracterizado pelo chamado fator de duração do ciclo que é a relação entre o tempo de funcionamento da Figura 621 máquina e o tempo total do ciclo A característica de funcionamento é apresentada na Figura 623 O fator de duração do ciclo é dado pela Equação 69 Regime de funcionamento S1 Figura 622 d Regime de funcionamento S2 Tc tempo de operação da máquina em regime constante Tr tempo de repouso S4 Regime de funcionamento intermitente periódico com partidas É caracterizado por uma sequência de ciclos semelhantes em que cada ciclo consiste em um intervalo de partida bastante longo capaz de elevar significativamente a temperatura do motor em um período de ciclo à carga constante e em um período de repouso o suficiente para que o motor atinja seu equilíbrio térmico A Figura 624 representa esta característica de funcionamento sendo o fator de ciclo dado pela Equação 610 Tp tempo de partida do motor Figura 623 e f Regime de funcionamento S3 S5 Regime de funcionamento intermitente com frenagem elétrica É caracterizado por uma sequência de ciclos semelhantes em que cada ciclo consiste em um intervalo de partida bastante longo capaz de elevar significativamente a temperatura do motor em um período de ciclo à carga constante seguido de um período de frenagem elétrica e finalmente em um período de repouso o suficiente para que o motor atinja seu equilíbrio térmico A Figura 625 representa esta característica de funcionamento sendo que o fator de ciclo é dado pela Equação 611 Tf tempo de frenagem ou contracorrente S6 Regime de funcionamento contínuo periódico com carga intermitente É caracterizado por uma sequência de ciclos semelhantes em que cada ciclo consiste em duas partes sendo uma à carga constante e outra em funcionamento a vazio Nesse caso não há funcionamento a vazio A Figura 626 representa esta característica de funcionamento sendo que o fator de duração do ciclo é dado pela Equação 612 Figura 624 g h Tv tempo de funcionamento a vazio Regime de funcionamento S4 Este é um dos tipos de regime mais frequentes na prática também denominado regime intermitente com carga contínua S7 Regime de funcionamento contínuo com frenagem elétrica É caracterizado pelo regime de funcionamento em que a operação do motor é constituída de uma sequência de ciclos idênticos formados por um período de funcionamento de partida um período de funcionamento a carga constante e um período de frenagem elétrica Não há período de funcionamento a vazio nem repouso A Figura 627 ilustra esse tipo de funcionamento S8 Regime de funcionamento contínuo com mudança periódica na relação cargavelocidade de rotação É o regime caracterizado por uma sequência de ciclos de operação idênticos sendo que cada um deles é composto por um período de funcionamento na partida e um período de funcionamento à carga constante a uma velocidade definida seguindose de um ou mais períodos de funcionamento a outras cargas constantes a diferentes velocidades Não há período de funcionamento a vazio nem repouso conforme ilustrado na Figura 628 Figura 625 i j Regime de funcionamento S5 S9 Regime de funcionamento com variação não periódica de carga e velocidade É caracterizado pelo regime de funcionamento em que a carga e a velocidade apresentam variações aperiódicas no intervalo de funcionamento admissível onde se inclui normalmente períodos de sobrecargas que podem ser muito superiores à carga nominal conforme ilustrado na Figura 629 S10 Regime de funcionamento com cargas constantes distintas É caracterizado pelo funcionamento com cargas constantes distintas admitindose no máximo quatro valores diferentes de cargas ou cargas equivalentes sendo que cada valor deve ser mantido por um intervalo de tempo suficientemente grande para que o equilíbrio térmico seja alcançado Admitese como carga mínima o funcionamento a vazio sem carga O regime de funcionamento S10 está representado na Figura 630 63132 Caracterização do tipo de regime de funcionamento Cabe ao comprador do motor a responsabilidade de indicar para o fabricante do motor o regime de funcionamento do mesmo Isso normalmente é feito através de gráficos elaborados pelo comprador ou por meio da indicação do código dos regimes normalizados Para evitar dúvidas na encomenda do motor é sempre conveniente complementar as informações para o fabricante como se segue Regimes S1 e S9 é suficiente indicar os respectivos símbolos isto é S1 ou S9 Figura 626 Regime de funcionamento S6 Figura 627 Regime de funcionamento S7 Regime S2 indicar os tempos de funcionamento com carga constante preferencialmente selecionar os tempos em 10 30 60 e 90 minutos se for possível enquadrar o funcionamento da carga nessas condições por exemplo S2 30 minutos Regime de funcionamento S3S6 indicar o fator de duração do ciclo por exemplo S530 Regime de funcionamento S4S5 devese indicar i o fator de duração do ciclo de carga ii o momento de inércia do motor e iii o momento de inércia da carga todos referidos ao eixo do motor por exemplo S530 Jmotor 020 kg m2 Jcarga010 kg m2 Regime de funcionamento S7 devese indicar i o momento de inércia do motor e ii o momento de inércia da carga todos referidos ao eixo do motor por exemplo Jmotor 020 kg m2 Jcarga010 kg m2 Regime de funcionamento S8 devese indicar i o fator de duração do ciclo de carga para cada velocidade angular ii a velocidade angular iii o momento de inércia do motor e iv o momento de inércia da carga todos referidos ao eixo do motor por exemplo S8 Jmotor 025 kg m2 Jcarga 4 kg m2 20 kW900 rpm30 50 kW1760 rpm Regime de funcionamento S10 devemse indicar os valores de i ΔT em pu para cada carga associada ao seu tempo de duração e ii os períodos de repouso se houver representados pela letra r Figura 628 Regime de funcionamento S8 Figura 629 Regime de funcionamento S9 Exemplo de aplicação 65 Considerar um motor que trabalha durante três horas seguidas e depois para durante uma hora regime S3 Calcular o fator de duração do ciclo Figura 630 Regime de funcionamento S10 6314 Conjugado mecânico Mede o esforço necessário que deve ter o motor para girar o seu eixo É também conhecido como torque Existe uma estreita relação entre o conjugado mecânico e a potência desenvolvida pelo motor Assim se determinada quantidade de energia mecânica for utilizada para movimentar uma carga em torno do seu eixo a potência desenvolvida depende do conjugado oferecido e da velocidade com que se movimenta essa carga O conjugado mecânico pode ser definido em diferentes fases do acionamento do motor 63141 Conjugado nominal É aquele que o motor desenvolve à potência nominal quando submetido à tensão e frequência nominais Em tensões trifásicas desequilibradas o componente de sequência negativa da corrente provoca um torque negativo situado geralmente em torno de 05 do torque nominal quando o desequilíbrio de tensão no ponto de alimentação é da ordem de 10 Isto é na prática pode ser desprezado porém a influência significativa de tal fenômeno se dá nas perdas ôhmicas do motor 63142 Conjugado de partida Também conhecido como conjugado com rotor bloqueado ou conjugado de arranque é aquele desenvolvido pelo motor sob condições de tensão e frequência nominais durante a partida e é normalmente expresso em m kgf ou em porcentagem do conjugado nominal O conjugado de partida deve ser de valor elevado a fim de o motor ter condições de acionar a carga desde a posição de inércia até a velocidade de regime em tempo reduzido No Capítulo 7 este assunto será abordado com mais detalhes 63143 Conjugado base É aquele determinado de acordo com a potência nominal e velocidade síncrona Ws do motor e é normalmente obtido pela Equação 613 Pnm potência nominal do motor em cv Ws velocidade angular em rpm 63144 Conjugado máximo É o maior conjugado produzido pelo motor quando submetido às condições de tensão e frequência nominais sem no entanto ficar sujeito a variações bruscas de velocidade O conjugado máximo deve ter valor elevado capaz de superar satisfatoriamente os picos de carga eventuais além de poder manter razoavelmente a velocidade angular quando da ocorrência de quedas de tensão momentâneas no circuito de suprimento 63145 Conjugado mínimo É o menor conjugado na faixa de velocidade compreendida entre o valor zero e o conjugado nominal perante tensão e frequência nominais 63146 Conjugado de aceleração É o conjugado desenvolvido na partida do motor desde o estado de repouso até a velocidade de regime Observando as curvas da Figura 631 podese concluir que durante a fase de aceleração a curva do conjugado motor Cm é sempre superior à curva representativa do conjugado de carga Cc A diferença entre as curvas Cm e Cc fornece o conjugado de aceleração Os pontos que caracterizam os diferentes tipos de conjugado anteriormente definidos podem ser determinados na curva de conjugado velocidade normalmente fornecida pelos fabricantes de motores 6315 Categoria Indica as limitações do conjugado máximo e de partida e é designada por letras devidamente normalizadas Este assunto será tratado com mais detalhes no Capítulo 7 Figura 631 a b Figura 632 6316 Tipos de ligação Dependendo da maneira como são conectados os terminais das bobinas dos enrolamentos estatóricos o motor pode ser ligado às redes de alimentação com diferentes valores de tensão A maioria dos motores é fabricada para operar em circuitos trifásicos supridos por tensões de 220 V e 380 V ou ainda 220 V e 440 V A identificação dos terminais de início e fim de uma bobina é feita somandose 3 ao número que marca o início desta obtendose o outro terminal correspondente Isso pode ser observado nas Figuras 632 a 634 ou seja ao terminal 1 soma se 3 e obtémse o terminal 4 Sempre os terminais 123 são utilizados para ligação à rede de suprimento Conjugado velocidade Quando o motor é especificado para operar em tensões múltiplas por exemplo 220380440 V a menor tensão no caso 220 V caracteriza a tensão nominal de fase do motor e que não pode ser ultrapassada em qualquer tipo de ligação sob pena de danificar as bobinas As ligações normalmente efetuadas são 63161 Ligação em uma única tensão Ligação em estrela Cada enrolamento tem uma extremidade acessível três terminais e o motor é ligado na configuração estrela conforme Figura 632 na qual os terminais 456 não são acessíveis Ligação em triângulo Cada enrolamento tem uma extremidade acessível três terminais e o motor é ligado na configuração triângulo conforme Figura 633 na qual os terminais 456 não são acessíveis Ligação em estrela Figura 633 Figura 634 a b Ligação em triângulo Ligação estrelasérie 63162 Ligação em dupla tensão Ligação em estrela As extremidades de cada enrolamento são acessíveis seis terminais permitindo que se façam ligações em estrela a fim de adequar a tensão das bobinas à tensão da rede conforme Figura 632 Ligação em triângulo As extremidades de cada enrolamento são acessíveis seis terminais permitindo que se façam ligações em triângulo a fim de adequar a tensão das bobinas à tensão da rede conforme Figura 633 Os motores que podem ser ligados em estrela ou triângulo Figuras 632 e 633 dispõem de seis terminais acessíveis Quando a ligação é feita em estrela cada bobina fica submetida a uma tensão vezes menor que a tensão da alimentação tendo a corrente circulante valor igual à corrente de linha Quando a ligação é feita em triângulo cada bobina fica submetida à tensão da rede tendo a corrente circulante valor de vezes menor do que a corrente de linha Ligação estrela Ligação triângulo c d e f Figura 635 É importante observar que nem todo o motor de dupla ligação estrelatriângulo pode ser acionado pela chave estrela triângulo isto depende da tensão nominal do sistema Para citar um exemplo um motor em cuja placa está indicada a ligação 220380 V só pode ser conectado à rede de suprimento partindo por meio de uma chave estrelatriângulo se a tensão nominal do circuito for de 220 V Para uma rede cuja tensão nominal seja 380 V o mesmo motor só pode ser conectado na ligação estrela Para melhor identificar basta caracterizar a menor tensão no caso 220 V como tensão de suprimento do motor quando este está ligado em triângulo a tensão superior no caso 380 V deve ser a tensão da rede para o motor ligado em estrela Ligação estrelasérie O enrolamento de cada fase é dividido em duas partes nove terminais Ao se ligar duas dessas partes em série e depois conectálas em estrela cada bobina ficará submetida à tensão nominal de fase do motor conforme Figura 634 Neste caso nove terminais do motor são acessíveis Ligação dupla estrelaparalelo Da mesma forma anterior o enrolamento de cada fase é dividido em duas partes nove terminais Ao se conectar dois conjuntos de três bobinas em estrela e os dois conjuntos ligados em formação de dupla estrela cada bobina ficará submetida à tensão nominal de fase do motor conforme Figura 635 Neste caso nove terminais do motor são acessíveis Ligação triângulosérie Ligação conforme a Figura 636 Nove terminais são acessíveis A tensão nominal das bobinas deve ser de 220 V Ligação triânguloparalelo Ligação conforme a Figura 637 Nove terminais são acessíveis A tensão nominal das bobinas deve ser em 220 V Dupla estrelaparalelo Figura 636 Figura 637 a b c d Triângulosérie Triânguloparalelo 63163 Ligação em tripla tensão nominal O enrolamento de cada fase é dividido em duas partes podendo ser ligadas em sérieparalelo Todos os terminais das bobinas em um total de doze são acessíveis permitindo ligar o motor em várias tensões de rede como por exemplo 220380440760 V Ligação em triânguloparalelo Conforme a Figura 638 Ligação estrelaparalelo Conforme a Figura 639 Ligação triângulosérie Conforme a Figura 640 Ligação estrelasérie Conforme a Figura 641 Relativamente à rede de suprimento as tensões de placa do motor devem ser assim definidas A primeira tensão corresponde à ligação em triânguloparalelo Figura 638 220 V A segunda tensão corresponde à ligação estrelaparalelo Figura 639 380 V A terceira tensão corresponde à ligação em triângulosérie Figura 640 440 V A quarta tensão corresponde à ligação em estrelasérie Figura 641 760 V Figura 638 Figura 639 As tensões colocadas entre parênteses referemse à tensão da rede a que será ligado um motor cujas tensões nominais de placa são 220380440760 V Observe que a tensão de 760 V por norma está fora do limite da classe 600 V portanto apenas indica a possibilidade de ligação do motor em estrelatriângulo Esses motores normalmente têm custos mais elevados Triânguloparalelo Estrelaparalelo A Tabela 63 orienta a ligação de motores trifásicos relacionando as tensões nominais de placa com a correspondente tensão nominal da rede de alimentação indicando a possibilidade de acionamento dos mesmos pela chave estrelatriângulo Cabe observar que esses motores podem partir diretamente da rede ou por meio de chaves compensadoras A Tabela 64 fornece as principais características dos motores de indução de rotor em curtocircuito Vale ressaltar que estes são valores médios e podem variar em faixas estreitas para cada fabricante dependendo de sua tecnologia e projeto construtivo 6317 Formas construtivas 63171 Aspectos dimensionais As dimensões dos motores no Brasil seguem a norma NBR 5432 que está de acordo com a normalização da International Electrotechnical Commission IEC72 Essas normas tomam como base as dimensões de montagem de máquinas elétricas e atribuem letras designando determinadas distâncias mostradas na Figura 642 conforme especificado H é a altura do plano da base ao centro da ponta do eixo Figura 640 Figura 641 Tabela 63 Triângulosérie Estrelasérie Possibilidade de ligação de motores de indução por meio de chave estrelatriângulo Tensão da rede V Ligação dos enrolamentos V Número de terminais de ligação Tensão de alimentação V Ligação das bobinas Partida com chave estrelatriângulo 220 220380 6 220 Δ Sim 220440 9 220 YY Não 220440 12 220 Δ Sim 220380440760 12 380 ΔΔ Sim 380 380660 6 380 Y Não 220380440760 6 380 Δ Sim 220380440760 12 380 YY Não 440 220440 9 440 Y Não 220440 12 440 Δ Sim 220380440760 12 440 Δ Sim zFigura 642 Tabela 64 C é a distância do centro do furo dos pés do lado da ponta do eixo ao plano do encosto da ponta do eixo Esta dimensão está associada ao valor H B é a dimensão axial da distância entre os centros dos furos dos pés A cada dimensão de H podem ser associadas várias dimensões B o que permite se reconhecer motores mais longos e mais curtos A é a dimensão entre os centros dos furos dos pés no sentido frontal D diâmetro do eixo do motor E dimensão externa do eixo do motor As normas padronizam as dimensões dos motores usando a simbologia dada pelas letras vistas anteriormente Assim utilizandose uma tabela dimensional de motores não mostrada neste livro podese identificar que o motor designado por 160 M ABNT tem H 160 mm A 254 mm B 210 mm C 108 mm K 15 mm ϕD 42 mm e E 110 mm 63172 Formas construtivas normalizadas A norma NBR 5031 padroniza as diversas formas construtivas dos motores tomando como base o arranjo de suas partes em relação à fixação à ponta do eixo e à disposição dos mancais De acordo com a NBR 5432 a caixa de ligação de um motor deve ser instalada de forma que sua linha de centro passe por um setor compreendido entre a parte superior do motor e 10º abaixo da linha de centro horizontal do lado direito quando o motor for visto pelo lado do acionamento A Figura 643 mostra algumas das diversas formas construtivas normalizadas tanto para montagem horizontal como para montagem vertical 6318 Placa de identificação A placa de identificação dos motores é o elemento mais rápido para se obter as informações principais necessárias à sua operação adequada A Figura 644 mostra a placa de identificação de um motor WEG Com exceção do MOD os demais dados são características técnicas de fácil identificação Para decifrar o conteúdo do campo MOD devese conhecer seu significado Tomando como exemplo a placa de identificação mostrada na Figura 644 temse 1a letra linha de fabricação do motor variando de K a F 2a letra tipo do motor A motor em anéis B motor de gaiola 3a letra sistema de refrigeração A aberto F trocador de calor arar W trocador de calor arágua Aspectos dimensionais dos motores Motores assíncronos trifásicos com rotor em curtocircuito Potência nominal Potência ativa Corrente nominal Velocidade rpm Fator de potência Relação InpIn Relação CpCn Conjugado nominal Rotor bloqueado Rendimento Momento de inércia cv kW 220 V 380 V mkgf s kgm2 II polos 1 07 33 19 3440 076 62 1800 0208 71 081 00016 3 22 92 53 3490 076 83 1800 0619 60 082 00023 5 4 137 79 3490 083 90 1800 1020 60 083 00064 75 55 192 115 3480 083 74 1800 1540 60 083 00104 10 75 286 162 3475 085 67 1800 2050 60 083 00179 15 11 407 235 3500 082 70 1800 3070 60 083 00229 20 15 640 355 3540 073 68 2500 3970 60 083 00530 25 185 690 383 3540 082 68 3000 4960 60 086 00620 30 22 730 405 3535 088 63 1700 5960 60 089 02090 40 30 980 544 3525 089 68 2200 7970 90 090 03200 50 37 1200 666 3540 089 68 1900 9920 100 091 03330 60 45 1460 810 3545 089 65 1600 11880 180 091 04440 75 55 1780 988 3550 089 69 1700 14840 160 092 04800 100 75 2400 1332 3560 090 68 1400 19720 110 093 06100 125 90 2840 1587 3570 090 65 1500 24590 89 093 12200 150 110 3440 1909 3575 090 68 1600 29460 270 093 12700 IV polos 1 07 38 22 1715 065 57 2000 0420 60 081 00016 3 22 95 55 1720 073 66 2000 1230 60 082 00080 5 4 137 79 1720 083 70 2000 2070 60 083 00091 75 55 206 119 1735 081 70 2000 3100 60 084 00177 10 75 266 154 1740 085 66 1900 4110 83 086 00328 15 11 450 260 1760 075 78 1950 6120 81 086 00433 20 15 520 288 1760 086 68 2200 7980 70 088 00900 25 185 640 355 1760 084 67 2300 9970 60 090 01010 30 22 780 433 1760 083 68 2350 11970 90 090 02630 40 30 1020 566 1760 085 67 2150 15960 100 091 04050 50 37 1240 688 1760 086 64 3000 19950 120 092 04440 60 45 1500 833 1765 086 67 1950 23870 120 092 07900 75 55 1820 1011 1770 086 68 2000 29750 150 092 09000 100 75 2440 1354 1770 087 67 2000 39670 83 092 10600 125 90 2900 1609 1780 087 65 2500 49310 140 094 21000 150 110 3500 1942 1780 087 68 2700 59170 130 095 25100 180 132 4200 2331 1785 087 65 2300 70810 110 095 27300 200 150 4700 2712 1785 087 69 2300 80000 170 095 29300 220 160 5100 2830 1785 087 65 2500 86550 150 095 31200 250 185 5900 3274 1785 087 68 2400 95350 150 095 36900 300 220 6940 3852 1785 088 68 2100 118020 240 096 66600 380 280 8640 4795 1785 089 69 2100 149090 250 096 74000 475 355 11000 6105 1788 089 76 2200 186550 260 096 91000 600 450 13840 7681 1790 089 78 2200 265370 290 096 121000 Figura 643 Algumas formas construtivas normalizadas I ventilação forçada independente com trocador de calor arar D autoventilado por dutos T ventilação forçada independente por dutos L ventilação forçada independente com trocador de calor arágua V ventilação forçada independente aberto Número representa a carcaça 355 400 etc 4a letra furação dos pés L A B C D E 64 Motofreio trifásico É constituído por um motor trifásico de indução acoplado a um freio monodisco O motor em geral é fabricado totalmente fechado provido de ventilação externa enquanto o freio constituído por duas pastilhas e com o mínimo de partes móveis Figura 644 desenvolve baixo aquecimento devido ao atrito sendo resfriado pelo sistema de ventilação do motor O conjunto motor e freio forma uma unidade compacta O freio é acionado por um eletroímã cuja bobina opera normalmente dentro de uma faixa de tensão de 10 sendo alimentada por uma fonte externa de corrente contínua constituída por uma ponte retificadora suprida pela rede elétrica local A alimentação do eletroímã é controlada pela chave de comando do motor Toda vez que o motor é desligado a alimentação do eletroímã é interrompida provocando o deslocamento das molas de pressão contra a armadura do eletroímã que pressiona as pastilhas de metal sinterizado alojadas no disco de frenagem solidamente presas ao eixo do motor Dessa forma as pastilhas são comprimidas pelas duas superfícies de atrito sendo uma formada pela tampa e a outra pela própria armadura do eletroímã conforme pode ser observado pela Figura 645 Placa de identificação de um motor Para que a armadura se desloque pela ação da mola é necessário que a força eletromagnética seja inferior à força exercida pela mola o que ocorre quando o motor é desligado da rede Quando o motor é acionado o eletroímã é energizado atraindo sua armadura na direção oposta à força da mola permitindo o disco de frenagem girar livre sem atrito O motofreio é comumente utilizado nas mais diferentes atividades industriais onde haja necessidade de paradas rápidas para requisitos de segurança além de precisão no posicionamento das máquinas Podemse citar alguns tipos de aplicação de motofreio em atividades de produção como guindastes elevador pontesrolantes transportadores bobinadeiras teares etc Devese evitar a aplicação de motofreio em atividades que possam provocar a penetração de partículas abrasivas como água óleo e outros derivados congêneres de forma a reduzir a eficiência do sistema de frenagem ou mesmo danificálo Podem ser utilizados em qualquer posição A fim de manter a unidade de frenagem dentro de suas características nominais é necessário determinar a potência desenvolvida pela mesma durante determinado ciclo de operação e comparar com os valores de placa Todo o calor gerado pelo o atrito durante a operação de frenagem deve ser retirado pelo sistema de ventilação do motor A potência dissipada resultante do atrito do sistema de frenagem pode ser dada pela Equação 614 Jmc momento de inércia do motor com a carga referida ao eixo do motor em kgm2 Figura 645 a Motofreio trifásico Nrpm rotação do motor em rpm Noph número de operações por hora Tf fração de tempo do motor em funcionamento em horas A Tabela 65 fornece as características dos freios de fabricação WEG Os motofreios podem ser ligados em geral de três diferentes modos Ligação para condição de frenagem lenta A ponte retificadora é alimentada diretamente dos terminais do motor em conformidade com a Figura 646 sendo esta a forma de ligação padronizada de fábrica Exemplo de aplicação 66 Determinar a potência dissipada por atrito desenvolvida por um motofreio constituído por um motor de 25 cvIV polos380 V escorregamento de 11 sabendose que o freio é acionado 30 vezes por hora perfazendo neste período um total de uso de 10 minutos de duração Tabela 65 Concluise que é necessário usar uma carcaça 160 ML VIII polos em conformidade com a Tabela 65 Características técnicas dos freios WEG Carcaça ABNT Polos Tempo de atuação ms1 Conjugado de frenagem Nm Potência máxima de frenagem PW Consumo de potência pelo freio W Corrente absorvida pelo freio A Nº operações até a próxima reajustagem do entreferro Frenagem lenta Frenagem média Frenagem rápida 71 II 350 200 80 15 55 30 014 200000 IV 250 40 500000 VI 200 30 900000 VIII 150 25 120000 80 II 450 250 120 20 70 35 016 80000 IV 350 45 350000 VI 250 40 650000 VIII 200 30 1000000 90 SL II 650 300 170 25 100 40 020 60000 IV 500 75 250000 VI 400 55 550000 VIII 280 45 1000000 100 L II 700 350 220 40 150 50 025 60000 IV 550 100 250000 VI 450 85 550000 VIII 300 60 1000000 b c 112 M II 800 450 250 70 250 60 030 50000 IV 600 150 150000 VI 450 120 300000 VIII 350 100 600000 132 SM II 1000 600 300 80 400 100 050 30000 IV 800 250 110000 VI 600 170 250000 VIII 400 150 450000 160 ML II 1200 800 370 160 550 120 055 20000 IV 1000 300 80000 VI 850 230 150000 VIII 600 200 320000 1 Tempo decorrido entre o instante da interrupção da corrente e o início da frenagem Ligação para a condição de frenagem média A ponte retificadora é alimentada a partir da rede local de corrente alternada sendo que este circuito é conectado a um contato auxiliar do contactor de comando do motor garantindose que o freio seja ligado ou desligado conjuntamente com o motor de acordo com a Figura 647 Ligação para a condição de frenagem rápida A ponte retificadora é alimentada a partir da rede local de corrente alternada porém o circuito de alimentação de corrente contínua da referida ponte é conectado a um contato auxiliar NA do contactor de comando do motor de acordo com a Figura 648 Para se obter uma parada do motofreio mais suave podese diminuir o conjugado de frenagem retirandose parte da quantidade das molas do freio Dessa forma o conjugado de frenagem nominal pode ser induzido na proporção da quantidade de molas retiradas e do mínimo de molas originais do freio sendo que as referidas molas devem ser retiradas de forma simétrica a partir de suas posições em torno do eixo do freio Figura 646 Figura 647 Figura 648 Condição de frenagem lenta Condição de frenagem média Condição de frenagem rápida 65 Motores de alto rendimento Os fabricantes de motores elétricos têm buscado nos últimos anos aumentar o rendimento dos motores elétricos Esses motores utilizam materiais de melhor qualidade e para a mesma potência no eixo consomem menos energia durante um mesmo ciclo de operação Os motores de alto rendimento são dotados das seguintes características Uso de chapas magnéticas de aço silício de qualidade superior que proporcionam a redução da corrente de magnetização e consequentemente aumentam o rendimento do motor Uso de maior quantidade de cobre nos enrolamentos que permite reduzir as perdas Joule Alto fator de enchimento das ranhuras proporcionando uma melhor dissipação do calor gerado pelas perdas internas Tratamento térmico do rotor reduzindo as perdas suplementares Dimensionamento adequado das ranhuras do rotor e anéis de curtocircuito que permite reduzir as perdas Joule Com base nessas considerações os motores de alto rendimento operam com temperaturas inferiores às dos motores convencionais permitindo maior capacidade de sobrecarga resultando um fator de serviço normalmente superior a 110 Quando se processa uma auditoria energética em uma indústria normalmente se estuda a conveniência econômica de substituição de alguns motores de construção convencional por motores de alto rendimento Esses estudos recaem principalmente sobre os motores que operam continuamente Teoricamente o rendimento dos motores pode crescer e atingir um número muito próximo à unidade porém a um custo comercialmente insuportável para o comprador