Capítulo III: Conceitos Fundamentais sobre Motores de Indução

Motores de indução partidas Capítulo III Conceitos fundamentais 1 Conjugado C FE força x distância E Nm Para movimentos circulares C Fr Nm onde C conjugado em Newtonmetros Nm F Força em Newton N e r raio da polia em metros m Para levantar um peso por um processo semelhante ao usado em poços a força F que é preciso aplicar a manivela depende do comprimento e da manivela Quanto maior for a manivela menor será a força necessária Se dobrarmos o tamanho da manivela a força F necessária será diminuída a metade Figura 8 Força em movimentos circulares Fonte WEG 2 Potência mecânica Pmec F x dt W Nms mede a velocidade com que a energia é aplicada ou consumida em um período de tempo A potência exprime a rapidez com que esta energia é aplicada e calculase dividindo a energia ou trabalho total pelo tempo gasto em realizálo A unidade mais usual para medida de potência mecânica é o CV cavalovapor equivalente a 736 W Potência mecânica do motor é a força que o motor gera para movimentar a carga em uma determinada velocidade Esta força é medida em HP CV ou em KW HP e CV são unidades diferentes de KW Para converter os valores das unidades de potência você pode usar a fórmula abaixo CV para KW multiplicase por 0736 KW para CV multiplicase por 1359 HP para KW multiplicase por 0746 KW para HP multiplicase por 1341 3 Potência elétrica do motor Para determinar a potência elétrica consumida pelo motor kw dividese a sua potência mecânica por seu rendimento η A potência especificada na placa de identificação do motor indica a potência mecânica disponível na ponta do eixo Ex Pmec 5cv 368kw η 845 catálogo Pkw 3680845 435kw Figura 9 Gráfico de potência elétrica Fonte WEG No motor a potência elétrica potência de entrada é sempre maior que a potência mecânica potência de saída característica natural desta máquina elétrica A energia pode se apresentar de formas diferentes Se ligarmos uma resistência a uma rede elétrica com tensão passará uma corrente elétrica que irá aquecer a resistência A resistência absorve energia elétrica e a transforma em calor que também é uma forma de energia Um motor elétrico absorve energia elétrica da rede e a transforma em energia mecânica disponível na ponta do eixo A potência especificada na placa de identificação do motor indica a Pmec disponível na ponta do eixo Para determinar a potência elétrica consumida pelo motor kw dividese a sua potência mecânica por seu rendimento η A diferença entre as duas potências representa as perdas que são transformadas em calor que aquece o enrolamento e deve ser dissipada para fora do motor para evitar que a elevação de temperatura seja excessiva O calor gerado pelas perdas no interior do motor é dissipado para o ar ambiente através da superfície externa da carcaça Em motores fechados essa dissipação é normalmente auxiliada pelo ventilador montado no próprio eixo do motor Uma boa dissipação depende da eficiência do sistema de ventilação da área total de dissipação da carcaça e da diferença de temperatura entre a superfície externa da carcaça e do ar ambiente text ta As potências elétricas podem ser representadas na forma de um triângulo chamado triângulo das potências Potência aparente S é o resultado da multiplicação da tensão pela corrente Corresponde à potência que existiria se não houvesse defasagem da corrente ou seja se a carga fosse formada somente por resistências Potência ativa P é a parcela da potência aparente que realiza trabalho ou seja que é transformada em energia Potência reativa Q é a parcela da potência aparente que não realiza trabalho Apenas é transferida e armazenada nos elementos passivos capacitores e indutores do circuito A potência elétrica do motor é a soma vetorial das potências elétricas ativa P e reativa Q tendo como resultante a potência elétrica aparente S 4 Fator de potência FP kW Pativa kVA Paparante cos φ Φ é o ângulo de defasagem da tensão em relação à corrente é a relação entre a potência real ativa P e a potência aparente S KW transformase em torque no eixo e aquecimento no motor KVAR gera o campo magnético girante no núcleo do motor KVA é a soma de vetores do kW com o kVAr Carga resistiva cosφ 1 Carga indutiva cosφ atrasado e carga capacitiva cosφ adiantado referemse à fase da corrente em relação à fase da tensão Um motor não consome apenas potência ativa que é depois convertida em trabalho mecânico mas também potência reativa necessária para a magnetização mas que não produz trabalho ANEEL Agência nacional de energia elétrica determina valores mínimos de fator de potência nas instalações elétricas O objetivo é aproveitar o sistema elétrico reduzindo o trânsito de energia reativa nas linhas de transmissão subtransmissão e distribuição O aumento do fator de potência dá maior disponibilidade de potência aparente no sistema já que a energia reativa limita a capacidade de transporte de energia útil O motor elétrico é uma peça fundamental pois dentro das indústrias representa mais de 60 do consumo de energia Logo é imprescindível a utilização de motores com potência e características bem adequadas à sua função O fator de potência varia com a carga do motor Correção do fator de potência o aumento do fator de potência pode ser realizado com a ligação de uma carga capacitiva em geral banco de capacitores em paralelo com a carga 5 Relação entre potência e conjugado Quando a energia mecânica é aplicada sob a forma de movimento rotativo a potência desenvolvida depende do conjugado C e da velocidade de rotação n P watt 2πnC sendo n a velocidade em rotações por segundos rps e C o conjugado em Newtonmetro P cv C kgfm x nrpm 716 C Nm x n rpm 7024 P kw C kgfm x nrpm 974 C Nm x n rpm 9555 Rendimento η chamado potência útil Pu a potência mecânica disponível no eixo e potência absorvida Pa a potência elétrica que o motor retira da rede o rendimento será a relação entre as duas ou seja η 736P cv100 VIcosφ3 V tensão de alimentação do motor em volts I corrente elétrica do motor em ampére Cos φ fator de potência do motor 6 Sistemas de corrente alternada monofásica A corrente alternada se caracteriza pela variação da sua amplitude em relação ao tempo mudando de sentido alternadamente No sistema monofásico uma tensão alternada U volt é gerada e aplicada entre 2 fios aos quais se liga a carga que absorve uma corrente I ampère Frequência é o numero de vezes por segundo que a tensão muda de sentido e volta à condição inicial É expressa em ciclos por segundo ou hertz simbolizada por Hz Tensão máxima Vmáx é o valor de pico da tensão ou seja o maior valor instantâneo atingido pela tensão durante um ciclo este valor é atingido duas vezes por ciclo uma vez positivo e uma vez negativo Corrente máxima Imáx é o valor de pico da corrente 7 Sistemas de corrente alternada trifásica O sistema trifásico é formado pela associação de 3 sistemas monofásicos de tensões U1 U2 e U3 tais que a defasagem entre elas seja de 120 ou seja os atrasos de U2 em relação a U1 de U3 em relação a U2 e de U1 em relação a U3 sejam iguais a 120 considerando um ciclo completo 360 O sistema é equilibrado isto é as três tensões têm o mesmo valor eficaz U1U2U3 Ligando entre si 3 sistemas monofásicos e eliminando os fios desnecessários teremos um sistema trifásico 3 tensões U1 U2 e U3 equilibradas defasadas entre si de 120 e aplicadas entre os 3 fios do sistema a Ligações no sistema trifásico a1 Estrela Il corrente de linha em ampères If corrente de fase em ampères Uf tensão de fase em volts U I 3 tensão de linha em volts Ligação estrela ligando um dos fios de cada sistema monofásico a um ponto comum aos três os três fios restantes formam um sistema trifásico em estrela O sistema trifásico em estrela também pode ser a quatro fios ou com neutro O quarto fio é ligado ao ponto comum às 3 fases Na ligação em estrela a corrente de linha IL é igual a corrente de fase If e a tensão de fase Uf é igual à tensão de linha UI dividida pela raiz quadrada de 3 a2 Triângulo UI Uf If Il 3 Ligação triângulo se ligarmos os 3 sistemas monofásicos entre si conforme mostrado na figura podemos eliminar 3 fios deixando apenas um em cada ponto de ligação e o sistema trifásico ficará reduzido a três fios L1 L2 e L3 Na ligação em triângulo a tensão de linha UI é igual à tensão de fase Uf e a corrente de fase If é igual a corrente de linha IL dividida pela 3 Campo eletromagnético girante quando uma bobina é percorrida por uma corrente elétrica é criado um campo magnético dirigido conforme o eixo da bobina e de valor proporcional à corrente b Enrolamento b1 Enrolamento monofásico atravessado por uma corrente I e o campo H é criado por ela O enrolamento é constituído de um par de pólos um pólo norte e um pólo sul cujos efeitos se somam para estabelecer o campo H O fluxo magnético atravessa o rotor entre os 2pólos e se fecha através do núcleo do estator Se a corrente I é alternada o campo H também é invertendo o sentido a cada ciclo O campo H é pulsante pois sua intensidade varia proporcionalmente a corrente sempre na mesma direção nortesul b2 Enrolamento trifásico que é formado por 3 enrolamentos monofásicos espaçados entre si de 120 Se este enrolamento for alimentado por um sistema trifásico as correntes I1 I2 e I3 criarão do mesmo modo os seus próprios campos magnéticos H1 H2 e H3 Estes campos são espaçados entre si de 120 Além disso como são proporcionais as respectivas correntes serão defasados no tempo também de 120 O campo total H resultante a cada instante será igual à soma gráfica dos 3 campos H1 H2 e H3 naquele instante Rotação velocidade do motor é o numero de giros do eixo do motor por uma unidade de tempo A rotação normalmente é expressa em rpm Para a frequência de 60 Hz temos Motor 2pólos 3600 rpm 4 pólos 1800 rpm 6pólos 1200 rpm 8 pólos 900 rpm Velocidade síncrona é definida pela velocidade de rotação do campo girante que depende do numero de pólos do motor e da frequência da rede em hertz Os enrolamentos podem ser construídos com um ou mais pares de pólos que se distribuem alternadamente um norte e um sul ao longo do períferiado núcleo magnético O campo girante percorre um par de pólos a cada ciclo Assim como o enrolamento tem pólos ou pares de pólos a velocidade do campo será ns rotação síncrona 120fHz n pólos Escorregamento é usado para descrever a diferença entre a rotação síncrona e a rotação efetiva na ponta do eixo do motor Fatores como a carga ou até mesmo a variação da tensão da rede podem influenciar na rotação do motor S nsn100 ns Se o motor gira a uma velocidade diferente da velocidade síncrona ou seja diferente da velocidade do campo girante o enrolamento do rotor corta as linhas de força magnética do campo e pelas leis do eletromagnetismo circularão nele correntes induzidas Quanto maior a carga maior terá que ser o conjugado necessário para acionála Para obter o conjugado terá que ser maior a diferença de velocidade para que as correntes induzidas e os campos produzidos sejam maiores Portanto à medida que a carga aumenta cai a rotação do motor Quando a carga é zero o rotor gira praticamente com a rotação síncrona A diferença entre a velocidade do motor e a velocidade síncrona chamase escorregamento que pode ser expresso em rpm como fração da velocidade síncrona ou como porcentagem desta Capítulo IV Características da rede de alimentação 1 Sistemas de Alimentação O sistema de alimentação pode ser monofásico ou trifásico O sistema monofásico é utilizado em serviços domésticos comerciais e rurais enquanto o sistema trifásico em aplicações industriais ambos em 50 ou 60 Hz a Tensão monofásica é a tensão medida entre fase e neutro O motor monofásico normalmente está preparado para ser ligado a uma rede de 110V 127V ou 220V No entanto existem lugares onde a tensão monofásica pode ser de 115V 230V ou 254V Nestes casos deve ser aplicado um motor específico para estas tensões b Tensão trifásica é a tensão medida entre fases São os motores mais utilizados já que os motores monofásicos têm limitação de potência e além do mais fornecem rendimentos e torques menores o que aumenta seu custo operacional As tensões trifásicas mais utilizadas são 220V 380V e 440V 2 Tipos de Ligação a Estrelatriângulo o enrolamento de cada fase tem as duas pontas trazidas para fora do motor Se ligarmos as 3 fases em triângulo cada fase receberá a tensão da linha por exemplo 220V Se ligarmos as 3 fases em estrela o motor pode ser ligado a uma linha de tensão igual a 2203 380V sem alterar a tensão no enrolamento que continua igual a 220V por fase A tensão de fase Uf é igual à tensão de linha Ul dividida pela raiz quadrada de 3 Este tipo de ligação exige 6 terminais no motor e serve para quaisquer tensões nominais duplas desde que a segunda seja igual à primeira multiplicada pela raiz quadrada de 3 Ex 220 380V 380 660V 440760V Figura 13 Ligação triângulo e ligação estrela Fonte WEG Ligando as duas metades em série cada metade ficará com a metade da tensão de fase nominal do motor Neste tipo de ligação o motor é ligado na ligação paralela quando alimentado em 440V Figura 14 Ligação duplotriângulo e duploestrela Fonte WEG b Sérieparalela Cada fase é dividida em 2 partes A segunda tensão é o dobro da primeira Cabos 9 Tensões 220 440 e 230 460V c Tripa tensão nominal O modelo abaixo é o modelo de ligação tripla tensão nominal Podemos combinar os dois casos anteriores O enrolamento de cada fase é dividido em duas metades para ligação sérieparalela Além disso todos os terminais são acessíveis para podermos ligar as 3 fases em estrela ou triângulo Fonte WEG 4 combinações possíveis de tensão nominal 1 Ligação triângulo paralelo 2 Ligação estrela paralela sendo igual à 3 vezes a primeira 3 Ligação triângulo serie valendo o dobro da primeira 4 Ligação estrela serie valendo a 3 vezes a terceira Mas como esta tensão maior que 600V é indicada apenas como referência de ligação estrelatriângulo Ex 220 380 440 760V Este tipo de ligação exige 12 terminais e a figura mostra a numeração normal dos terminais e o esquema de ligação para as 3 tensões nominais 3 Frequência Frequência é o numero de vezes que um determinado evento se repete dentro de um intervalo de tempo Brasil 60hz frequência da rede de alimentação isso significa que a tensão da rede repete o seu ciclo sessenta vezes por segundo A frequência é um fator importante pois tem influência direta sobre a rotação do motor elétrico Zona A f de 098 a 102 V de 095 a 105 Um motor deve ser capaz de desempenhar sua função principal continuamente na zona mas pode não atender completamente às suas características de desempenho à tensão e frequências nominais apresentando alguns desvios As elevações de temperatura podem ser superiores aquelas à tensão e frequências nominais Zona B f de 095 a 103 T de 090 a 110 Um motor deve ser capaz de desempenhar sua função principal na zona B mas pode apresentar desvios superiores àqueles da zona A no que se refere às características de desempenho e à tensão e frequência nominais As elevações de temperatura podem ser superiores às verificadas com tensão e frequência nominais e muito provavelmente superiores àquelas da zona A Figura 16 Gráfico tensão x frequência Fonte WEG Sentido de rotação um motor de indução trifásico trabalhará em qualquer sentido dependendo da conexão com a fonte elétrica Para inverter o sentido de rotação invertese qualquer par de conexões entre motor e fonte elétrica Os motores WEG possuem ventilador bidirecional proporcionando sua operação em qualquer sentido de rotação sem prejudicar a refrigeração do motor Motores sem ventilador mas ventilados pela própria carga deverão atender a ventilação necessária ao motor independente do sentido de rotação 4 Métodos de partida a Partida direta Ideal do ponto de vista do motor Provoca picos de corrente na rede Pode provocar queda de tensão na rede Implicações restrições por parte da concessionária e redução da vida útil da rede quando não dimensionada de acordo É considerado o método ideal porque o motor partirá com a tensão nominal disponível em seus terminais Isto proporcionará um toque de partida máximo para que o motor possa acionar a carga no menor tempo de aceleração possível Como o motor necessita uma alta corrente durante a partida esta poderá provocar picos de corrente na rede e como consequência irá provocar uma queda de tensão no momento da partida A alta corrente de partida e a queda de tensão poderão significar uma restrição por parte da concessionária de energia elétrica Além disto poderá ocorrer redução da vida útil da rede caso esta não for dimensionada de acordo Caso a partida direta não seja possível devido aos problemas citados podese usar sistema de partida indireta para reduzir a corrente de partida chave estrelatriângulo chave compensadora chave sérieparalela partida eletrônica soft starter O motor deve possuir 9 terminais dupla tensão sendo a segunda tensão 2 vezes a primeira 220 440V Na partida o motor é ligado em série até próximo da rotação nominal e então fazse a comutação para configuração paralela Na partida em sérieparalela é necessário que o motor seja ajustável para 2 tensões a menor delas igual à da rede e a outra duas vezes maior Este tipo de ligação exige nove terminais do motor e que este seja ajustável para 4 níveis de tensão 220 380 440 760V A tensão nominal mais comum é 220 440V ou seja durante a partida o motor é ligado na configuração série 440 até atingir sua rotação nominal e então comuta para paralelo 220 O pico de corrente é reduzido a ¼ porém o conjugado de partida do motor também reduz na mesma proporção e portanto a máquina deve partir praticamente em vazio Partida com chave compensadora Partida de motores sob carga Reduz a corrente de partida dependendo do tap do transformador evitando sobrecarga no circuito A tensão na chave compensadora é reduzida através de autotransformador Taps do autotransformador 50 65 e 80 da tensão É utilizada para partidas sob carga de motores de indução trifásicos onde a chave estrelatriângulo é inadequada Esta chave reduz a corrente de partida evitando sobrecarregar a linha de alimentação Deixa porém o motor com conjugado suficiente para a partida A tensão na chave compensadora é reduzida através de um autotransformador trifásico que possuem geralmente taps de 50 65 e 80 da tensão nominal Durante a partida alimentase com a tensão nominal o primário do autotransformador trifásico conectado em estrela e do seu secundário é retirada a alimentação para o circuito do motor A passagem para o regime permanente fazse desligando o autotransformador do circuito e conectando diretamente a rede de alimentação o motor trifásico tensão de partida de motores elétricos de indução trifásicos Seu uso é comum em bombas centrífugas ventiladores e motores de elevada potência cuja aplicação não exija a variação de velocidade O soft starter controla a tensão sobre o motor através do circuito de potência constituído por seus SCRs variando o ângulo de disparo dos mesmos e consequentemente variando a tensão eficaz aplicada ao motor Assim podese controlar a corrente de partida do motor proporcionando uma partida suave de forma a não provocar quedas de tensão elétrica bruscas na rede de alimentação como ocorre em partidas diretas Os softstarters costumam funcionar com a tecnologia chamada bypass que após o motor partir e receber toda a tensão da rede ligase um contator que substitui os módulos de tiristores evitando sobreaquecimento dos mesmos Figura 18 corrente x tempo Fonte WEG