Aula MCA - Máquinas de Indução - Potência e Comportamento Elétrico

CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA AULA MCA Máquinas de Indução Profº Dr Milton Tavares de Melo Neto 1 Prof Milton Tavares de Melo Neto POTÊNCIA É o produto da velocidade do motor pelo conjugado desenvolvido para movimentar a carga mecânica 1Nmx1rads 1W CN P Potência Ativa W P V I cos Reativa VAr Q V I sen Aparente VA S V I Energia Ativa kWh E P t Reativa kVArh E Q t Q kVAr P kW ENERGIA E POTÊNCIA ELÉTRICA FATOR DE POTÊNCIA RENDIMENTO SISTEMAS DE CORRENTE ALTERNADA I V kW P S P 3 1000 cos 100 cos 3 736 I V cv P SISTEMAS MONOFÁSICOS POLIFÁSICOS BIFÁSICOS TRIFÁSICOS HEXAFÁSICOS ETC O Motor de Indução corte transversal Introdução MIT Características Gerais O escorregamento é essencial para que haja corte de linhas de fluxo e consequentemente indução no circuito associado ao rotor gaiola ou bobinado e É robusta e possui baixa mantenabilidade daí sua alta aplicabilidade industrial Sua relação custo x benefício é elevada comparativamente aos motores CC por exemplo Com os avanços na eletrônica de potência a MIT passou a ocupar lugares antes apenas ocupados pelas MCC dada a sua controlabilidade Introdução MIT Características Gerais Mecanicamente estator parte fixa e rotor parte girante Eletricamente armadura no estator e gaiolabobinado no rotor e A tensão se estabelece na gaiolabobinado rotor por indução daí a denominação de indução O rotor gira com velocidade ligeiramente inferior à velocidade do campo magnético girante escorregamento por isso é dita assíncrona Introdução MIT Comportamento Elétricas trifásico Os três enrolamentos do estator estão deslocados defasados 120 graus no espaço Cada espira pertencente a um dados enrolamento produz uma FMM centrada em seu eixo geométrico definindo um eixo magnético O somatório de cada FMM por espira origina uma elevada FMM centrada na bobina enrolamento Introdução MIT Comportamento Elétricas trifásico Se os enrolamentos forem excitados com tensão senoidal serão originadas correntes também senoidais que originarão FMM também senoidais ou pulsantes Devido ao deslocamento de 120 graus entre as bobinas das fases A B e C as FMM associadas a cada fase serão deslocadas deste mesmo ângulo entre si Se a cada instante estas FMM de cada fase são somadas a FMM resultante agora tem comportamento girante com valor de pico constante Introdução MIT LIGAÇÕES NOS SISTEMAS TRIFÁSICOS IL IF VF VL IL Triângulo Estrela IF VF VL 3 L F F L V V I I 3 I L F F L I V V Classificação das Máquinas Elétricas Tomando como critério de classificação o princípio de funcionamento as máquinas elétricas se classificam em 1 Máquinas de coletor a Máquinas de corrente contínua i geradores dínamos ii motores de corrente contínua 2 Máquinas assíncronas motores de indução a monofásicas b trifásicas 3 Máquinas síncronas a motores síncronos b geradores alternadores Concentraremos nosso estudo nestes tipo por serem os mais usado Motores CA O Estator é composto por milhares de laminas de ferro que quando montadas juntas formam uma espécie de cilindro Os fios isolados de cobre são colocados nas ranhuras formando as espiras A construção e colocação destas espiras dá origem ao campo girante do motor quando ligado diretamente a rede elétrica assim como o numero de pólos que o motor irá possuir Motores Assíncronos Rotor Gaiola de Esquilo O rotor gaiola de esquilo é o mais robusto de todos não necessita o uso de escovas o que evita muitos problemas relacionados a desgaste e manutenção A forma mais simples do motor com rotor gaiola de esquilo apresenta um conjugado de partida relativamente fraco e o pico de corrente na partida alcança até 10 vezes o valor da corrente nominal do motor Estes aspectos podem ser melhorados pela construção do próprio rotor Introdução MIT O Motor de Indução rotor em gaiola Barras condutoras curtocircuitadas nas extremidades constituem o rotor sugerindo uma espécie de gaiola de esquilo A ideia das barras em curtocircuito é uma solução de baixo custo que adicionalmente agrega robustez à máquina pois dispensa terminais no rotor e com isso a necessidade de se disponibilizar externamente grandezas elétricas induzidas em peça girante O Motor de Indução rotor em gaiola Introdução MIT Motores Assíncronos Rotor Bobinado O rotor bobinado tem o enrolamento composto por três bobinas semelhante ao estator do motor essas bobinas são ligadas normalmente em estrela com os três terminais livres conectados a anéis deslizantes no eixo do rotor Estes anéis permitem por meio de escovas a conexão de reostatos no circuito das bobinas do rotor para manipular as características de partida melhorando o conjugado de partida e reduzindo a corrente elétrica na partida O Motor de Indução rotor bobinado Introdução MIT É constituído por enrolamento tal como o estator aliás é eletricamente muito semelhantemente a este enrolamento Os terminais das fases deste enrolamento são conectados a anéis deslizantes Escovas de carvão são apoiadas sobre os anéis par anel escova disponibilizando ao exterior da máquina os terminais São menos comuns do que o rotor em gaiola São muito empregadas em aerogeradores configuração DFIG Doubly Fed Induction Generator São portanto máquinas de seis terminais DE GAIOLA são os mais empregados devido a sua simplicidade e baixo custo Gaiola Simples Gaiola Profunda Gaiola Dupla DE ROTOR BOBINADO OU DE ANÉIS são empregados para acionamentos com elevado número de partidas frenagens por contra correntes ou controle de velocidade pelo rotor Exemplos Pontes rolantes Pórticos Guinchos e guindastes Usinas siderúrgicas Acionamento de inércia elevada etc MOTORES DE INDUÇÃO Curva Conjugado x Velocidade CONJUGADO MÁXIMO CONJUGADO COM ROTOR BLOQUEADO CONJUGADO NOMINAL CONJUGADO MÍNIMO Motores Assíncronos O campo magnético variável no estator induz correntes senoidais nos condutores da gaiola do rotor Estas correntes induzidas por sua vez criam um campo magnético no rotor que se opõe ao campo indutor do estator Lei de Lenz Como os pólos se mesmo nome se repelem então há uma força no sentido de giro no rotor O rotor gira com uma velocidade n um pouco inferior à velocidade síncrona isto é a velocidade da corrente do campo Como é um pouco inferior diz que este motor é assincrono isto é sem sincronia Motores CA Motores Assíncronos Observe que este motor não consegue partir isto é acelerar desde a velocidade zero até a nominal As forças que atuam nas barras curtocircuitadas se opõem uma à outra impedindo o giro Então na partida utilizase uma bobina de campo auxiliar defasada de 90 graus das bobinas de campo principais que cria um campo magnético auxiliar na partida Assim o fluxo resultante inicial está defasado em relação ao eixo das abcissas e produz um torque de giro par binário Após a partida não há mais a necessidade do enrolamento auxiliar pois a própria inércia do rotor compõem forças tais que mantém o giro Motores CA Motores CA Motores Assíncronos ROTOR Eixo Bobina de Campo Motores Assíncronos A diferença em valores percentuais entre a velocidade síncrona e a velocidade do motor de indução chamamos de escorregamento simbolizada pela letra S O escorregamento dos motores de indução é variável em função da carga a ser acionada pelo motor ou seja é mínimo a vazio sem carga e máximo com a carga nominal O escorregamento S dos motores de indução é expresso através da seguinte equação Ao contrário dos motores síncronos e de corrente contínua o motor assíncrono ou de indução é largamente utilizado nas indústrias pela sua simplicidade construtiva pouca manutenção e baixo custo Motores CA ESCORREGAMENTO 100 s rpm ns n ns s ns n ns n ns s nn ns Conjugado Rotação s VELOCIDADE SÍNCRONA ns f frequência nominal onde p número de pares de pólos 2p número de pólos 𝑛𝑠 120 𝑓 𝑝 60 𝑓 𝑝 VELOCIDADE NOMINAL n n velocidade nominal onde ns velocidade síncrona s escorregamento 1 s ns n II Motores de Indução Trifásicos É um motor elétrico de pequena média ou grande potência que não necessita de circuito auxiliar de partida ou seja é mais simples menor e mais leve que o motor de indução monofásico de mesma potência por isso apresenta um custo menor A figura abaixo mostra o princípio de funcionamento do campo girante Motores CA Motores de Indução Trifásicos Simulador Campo Girante Motores CA Motores de Indução Trifásicos O motor de indução trifásico comumente usado no Brasil apresenta seis terminais acessíveis dois para cada enrolamento de trabalho Et e a tensão de alimentação destas bobinas é projetada para 220V Para o sistema de alimentação 220127V 60Hz este motor deve ser ligado em delta e para o sistema 380220V60Hz o motor deve ser ligado em estrela Motores CA Motores de Indução Trifásicos A potência elétrica PE absorvida da rede para o funcionamento do motor é maior que a potência mecânica PM fornecida no eixo especificado pelo fabricante pois existe um determinado rendimento n do motor a ser considerado isto é A potência mecânica no eixo PM do motor em W está relacionada com o momento de torção M ou conjugado em Nm e com a velocidade do rotor n em rpm através da seguinte operação Motores CA Motores de Indução Trifásicos A figura abaixo nos mostra as curvas do torque do motor torque da carga e da corrente absorvida pelo mesmo ambas em função da velocidade do rotor Motores CA Compo Magnético Girante Considerando o estator da MIT alimentado com tensões senoidais temse portanto corrente ou seja Introdução MIT Compo Magnético Girante No instante t0 observase que No instante t1 observase que Introdução MIT Compo Magnético Girante Assim a FMM resultante tem amplitude E gira com velocidade dada por Analiticamente o que se tem é que as correntes senoidais produzem Introdução MIT Compo Magnético Girante Com resultante dada por Mas como Então Através da identidade e um mínimo esforço matemático Introdução MIT Compo Magnético Girante Chagase a Confirmando o que foi antes obtido intuitivamente Introdução MIT CONCEITOS BÁSICOS FMM E CAMPO MAGNÉTICO EM ENROLAMENTOS DISTRIBUÍDOS CAMPO MAGNÉTICO GIRANTE E TORQUE DISPONÍVEIS NA MÁQUINA CIRCUITO EQUIVALENTE TESTESENSAIOS PARA LEVANTAMENTO DE PARÂMETROS Circuito Elétrico Equivalente da MIT em Reg Permanente Em termos de circuito elétrico a MIT apresentase conforme a seguir Correntes Fluxos e Torques em Máquinas de Indução Trifásicas Circuito Elétrico Equivalente da MIT em Reg Permanente PERDAS E FLUXO DE POTÊNCIA DA MIT EM REGIME PERMANENTE Correntes Fluxos e Torques em Máquinas de Indução Trifásicas Circuito Elétrico Equivalente da MIT em Reg Permanente A fim de destacar o que é perda no rotor e o que é disponibilizado mecanicamente é possível decompor a resistência de rotor R2s sem comprometimento do modelo considerando Correntes Fluxos e Torques em Máquinas de Indução Trifásicas O Torque Eletromecânico da MIT em Reg Permanente Mais uma vez o torque decorrente da potência mecânica disponível é dado por Mas como e então o torque também pode ser expresso por Expressão especialmente útil dado que é possível expressar o conjugado eletromecânico diretamente em termos da potência de entreferro e da velocidade do campo magnético girante síncrona que em regime permanente é constante Correntes Fluxos e Torques em Máquinas de Indução Trifásicas Dedução da Equação de Torque Eletromecânico Então Resultando na seguinte curva Conjugado versus Velocidade Correntes Fluxos e Torques em Máquinas de Indução Trifásicas Dedução da Equação de Torque Eletromecânico Então Resultando na seguinte curva Conjugado versus Velocidade Correntes Fluxos e Torques em Máquinas de Indução Trifásicas Dedução da Equação de Torque Eletromecânico Comentários sobre a relação Conjugado X Velocidade Correntes Fluxos e Torques em Máquinas de Indução Trifásicas Dedução da Equação de Torque Eletromecânico Comentários sobre a relação Conjugado X Velocidade Correntes Fluxos e Torques em Máquinas de Indução Trifásicas Dedução da Equação de Torque Eletromecânico Comentários sobre a relação Conjugado X Velocidade Correntes Fluxos e Torques em Máquinas de Indução Trifásicas Dedução da Equação de Torque Eletromecânico Comentários sobre a relação Conjugado X Velocidade Correntes Fluxos e Torques em Máquinas de Indução Trifásicas Dedução da Equação de Torque Eletromecânico Comentários sobre a relação Conjugado X Velocidade Correntes Fluxos e Torques em Máquinas de Indução Trifásicas Dedução da Equação de Torque Eletromecânico Comentários sobre a relação Conjugado X Velocidade Correntes Fluxos e Torques em Máquinas de Indução Trifásicas Curva Torque versus Escorregamento ANEXO ESPECIFICAÇÕES Categorias de Conjugado Conforme as suas características de conjugado em relação à velocidade e corrente de partida os motores são classificados em categorias conforme a norma NBR 7094 cada uma adequada a um tipo de carga Estas categorias são as seguintes Categoria N Conjugado de partida normal corrente de partida normal baixo escorregamento Constituem a maioria dos motores encontrados no mercado e prestamse ao acionamento de cargas normais como bombas máquinas operatrizes etc Categoria NY Possui as mesmas características anteriores mas tem a previsão de uma partida estrelatriangulo Motores CA Categorias de Conjugado Categoria H Conjugado de partida alto corrente de partida normal baixo escorregamento Usados para cargas que exigem maior conjugado na partida como peneiras transportadores carregados cargas de alta inércia etc Categoria D Conjugado de partida alto corrente de partida normal alto escorre gamento mais de 5 Usados em prensas excêntricas e máquinas semelhantes onde a carga apresenta picos periódicos Usados também em elevadores e cargas que necessitam de conjugados muito altos e corrente de partida limitada Categoria HY Possui as mesmas características anteriores mas tem a previsão de uma partida estrelatriangulo Motores CA Motores CA Curvas de Conjugado x Rotação Motores CA Categoria N Categoria H Categoria D Categorias de Conjugado Cada categoria tem uma forma geométrica definida das barras do rotor de gaiola de esquilo Para a categoria N temos uma forma geométrica simples com um desenho circular Na categoria H o desenho geométrico é mais complexo podendo a gaiola se dividir em duas uma de pequena seção mais superficial e outra de maior seção gaiola dupla Nos motores da categoria D a gaiola é formada por barras estreitas que nascem na periferia do rotor aprofundandose gradativamente Essas gaiolas possuem uma elevada resistência elétrica Fator de Serviço O fator de serviço é um fator que aplicado à potência nominal indica a carga permissível que pode ser aplicada ao motor Esse fator referese a uma capacidade de sobrecarga contínua ou seja uma reserva de potência que dá ao motor uma capacidade de suportar melhor o funcionamento em condições desfavoráveis Classe de isolamento A classe de isolamento indicada por uma letra normalizada identifica o tipo de materiais isolantes empregados no isolamento do motor As classes de isolamento são definidas pelo respectivo limite de temperatura são as seguintes de acordo com a ABNT Classe A 105ºC Classe E 120ºC Classe B 130ºC Classe F 155ºC Classe H 180ºC Motores CA 130oC 155oC 180oC Classe de Isolação Motores CA Para a proteção dos enrolamentos dos motores utilizamse sensores térmicos inseridos nas cabeças das bobinas do estator Motores CA Regime de Serviço O regime de serviço é definido como a regularidade de carga a que o motor é submetido O principal fator limitante da potência desenvolvida é a temperatura máxima que o motor atinge essa elevação de temperatura não é imediata ela acontece segundo uma função exponencial A NBR 7094 padroniza dez diferentes regimes de serviço Evidentemente eles não traduzem todas as situações reais encontradas na prática mas se aproxima às situações reais Regime de Serviço Características S2 Regime de tempo limitado S3 Regime intermitente periódico S4 Regime intermitente periódico com partida S5 Regime intermitente periódico com frenagem elétrica S6 Regime contínuo periódico com carga intermitente S9 Regime com variações não periódicas de carga e veloc S10 Regime com cargas constantes e distintas Grau de proteção O grau de proteção é um código padronizado formados pelas letras IP seguidas de um número de dois algarismos que define o tipo de proteção do motor contra a entrada de água ou de objetos estranhos conforme mostrado no Quadro Os graus de proteção Motores CA IP 1 DÍGITO PARTÍCULAS EXTERNAS 2 DÍGITO ÁGUA 0 Sem proteção Sem proteção 4 Proteção contra partículas de diâmetros 1mm Proteção contra respingos 5 Proteção contra pó Proteção contra jatos 6 A prova de pó Proteção contra jatos fortes 8 Proteção contra imersão permanente Motores CA Catálogo de Aplicações Correção do FP em Motores CA Q P S Potência Aparente Ativa e Reativa P Q tg S sen Q S P Q P S cos 2 2 2 Correção do FP em Motores CA Correção do FP S 3 V I Aparente kVA P 3 V I cosφ η Ativa kW Q 3 V I sen φ Reativa kVAr QcCapacitor Correção do FP em Motores CA FP kW P kVA S cosφ Medidor de Energia Ativa Medidor de Energia Reativa Capacitor de correção FP P S É a relação entre a P e a S Representa o quanto da potência total é transformada em trabalho é representado pelo cosᵠ O fator de potência pode variar de 0 a 1 ou de 0 a 100 FP 1 OU 100 Potência ativa Potência aparente Se FP 0 O ckt está absorvendo apenas potência Reativa que é igual à total Correção do FP em Motores CA Baixo Fator de Potência significa transformar apenas parte da potência total absorvida em trabalho Força calor ou Luz A instalação trabalha sobrecarregada Há queda de tensão e perdas ôhmicas nos alimentadores Pagase um ajuste à companhia fornecedora de energia No Brasil FP MÍNIMO 092 OU 92 Considerações Correção do FP em Motores CA Alto Fator de Potência FP implica em Eliminação do ajuste Redução das perdas ôhmicas Melhoria do nível de regulação da tensão Possibilidade de alimentação de novas máquinas na mesma instalação Melhor aproveitamento da energia Considerações Correção do FP em Motores CA O capacitor atua em sentido contrário à bobina Bobina possui potência reativa indutiva Capacitor possui potência reativa capacitiva Bobina Capacitor O capacitor melhora o fator de potência das instalações Considerações Correção do FP em Motores CA VA w VAr Ind VAr Cap VA w VAr Ind VAr Cap RESUMINDO O capacitor diminui a potência reativa conservando a potência ativa Com isso diminui a potência total Aparente Calculo da CFP para Motores Método Analítico Correção do FP em Motores CA Contato miltonmelonetoupebr Boa noite Referências Chapman Stephen J Fundamentos de Máquinas Elétricas Livro Electrical Machine Design Gray 72 Profº Dr Milton Tavares de Melo Neto