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Módulo 3 S
Coordenação de Partidas de
Motores Elétricos
Seminários Técnicos 2003
Engenheiros e Projetistas
s
1. IntroduÁ„o
O setor industrial È respons·vel por cerca de 45% de toda energia elÈtrica consumida no paÌs. Dentro deste setor o consumo de motores elÈtricos È estimado em cerca de 75%, o que evidencia a grande import‚ncia do conhecimento por parte dos engenheiros e tÈcnicos para este tipo de equipamento. Vamos dar Ínfase para motores trif·sicos de induÁ„o, pois representam cerca de 90% da potÍncia de motores fabricados. Para esse tipo de motor vamos apresentar caracterÌsticas tÈcnicas, informaÁıes sobre aplicaÁıes e os acionamentos.
A finalidade b·sica dos motores È o acionamento de m·quinas e equipamentos mec‚nicos. Cabe ao usu·rio a correta seleÁ„o do motor adequado a cada processo industrial. O processo de seleÁ„o dos motores deve satisfazer basicamente trÍs requisitos:
- EspecificaÁıes sobre a alimentaÁ„o: tipo da fonte, tens„o, freq¸Íncia, qualidade da energia, harmÙnicas, etc.,
- CondiÁıes ambientais: altitude, temperatura, agressividade do ambiente, proteÁ„o etc.,
- CaracterÌsticas, exigÍncias da carga e condiÁıes de serviÁo: potÍncia solicitada, rotaÁ„o, conjugados, esforÁos mec‚nicos, ciclo de operaÁ„o, confiabilidade exigida pelo processo industrial, etc.
Isto se d· pela disponibilidade desse tipo de fonte de alimentaÁ„o e pela prÛpria simplicidade de operaÁ„o e construÁ„o de certos tipos de motores de corrente alternada, que oferecem grande campo de aplicaÁ„o, e confiabilidade a baixo custo.
As redes das concession·rias p˙blicas ou privadas possuem dois tipos de alimentaÁ„o, que s„o: a monof·sica e a trif·sica. DaÌ, a classificaÁ„o dos motores de corrente alternada ser feita em motores monof·sicos e trif·sicos.
Os motores monof·sicos s„o na sua maioria de aplicaÁ„o de uso residencial ou para pequenas instalaÁıes comerciais e industriais, cujas potÍncias atingem atÈ 5 cv. Os motores trif·sicos s„o do ponto de vista da engenharia, que apresentam maior import‚ncia, por serem aqueles mais freq¸entes em aplicaÁıes em instalaÁıes de grande potÍncia.
Os motores trif·sicos s„o tambÈm conhecidos como motores assÌncronos ou "motores de induÁ„o" que s„o os mais difundidos e utilizados nas aplicaÁıes de engenharia, por sua simplicidade de utilizaÁ„o, versatilidade e custo.
2. Curvas CaracterÌsticas Conjugado/Velocidade dos Motores ElÈtricos e Cargas
Mec‚nicas
2.1. PrincÌpio de Funcionamento de Motor Trif·sico
Consideremos uma superfÌcie cilÌndrica, sobre a qual dispomos de 3 espiras de mesma imped‚ncia e mesmo n˙mero de condutores, cujos eixos de simetria normais ‡ superfÌcie cilÌndrica formam ‚ngulo de 120∫ entre si como mostra a figura 1 abaixo.
Figura 1: 3 espiras dispostas sobre uma superfÌcie cilÌndrica
Como sabemos, quando uma corrente i(t) percorre uma dessas espiras, estabelece-se um campo de induÁ„o B, cuja direÁ„o e sentido podem ser representados pelos vetores B1, B2 e B3 cuja intensidade È proporcional a i(t), ou seja, |B|=Ki(t). Os sentidos dos campos B nas bobinas ficam determinados de acordo com a figura 2a.
O campo resultante È a composiÁ„o vetorial dos campos das 3 bobinas. Assim, se as correntes forem iguais, a composiÁ„o dos campos ser· nula; mas como no trif·sico as correntes s„o defasadas de 120∫ no tempo, conseq¸entemente os campos B tambÈm o ser„o, de acordo com a figura 2b.
Verificamos que o campo resultante tem mÛdulo constante e sua direÁ„o desloca-se com velocidade ω , isto È, descreve f ciclos por segundo, pois ω=2πf.
Para invertermos o sentido de rotaÁ„o de um motor trif·sico, basta invertermos a alimentaÁ„o de duas fases.
i 1
i 3 i 2
Este campo magnÈtico girante induz tensıes nas barras do rotor de gaiola, que desenvolver„o correntes elÈtricas, que por sua vez em interaÁ„o com o campo magnÈtico produzir„o forÁas (conjugado) arrastando o rotor em direÁ„o a esse campo.
¿ medida que a velocidade de rotaÁ„o do rotor aumenta, a velocidade em relaÁ„o ao campo girante diminui. O conjugado motor ser· reduzido atÈ atingirmos a condiÁ„o de regime na qual se verifica a igualdade:
Cmotor = C resistente da carga
… claro que a velocidade do rotor, nunca poder· atingir a velocidade sÌncrona, de vez que isso ocorrendo, a posiÁ„o relativa da espira e do campo girante permanece inalterada, n„o havendo variaÁ„o de fluxo e conseq¸entemente n„o havendo geraÁ„o de correntes induzidas (C (^) motor = 0). Do exposto, resulta a denominaÁ„o desta m·quina de "motor assÌncrono".
Do fato acima, define-se escorregamento como sendo a diferenÁa relativa entre a velocidade sÌncrona e a parte mÛvel do motor, denominada rotor, expressa em porcentagem daquela, isto È:
S = NsNs^ −^ N 100
Onde:
Ns velocidade do campo girante
N velocidade do motor.
Lembramos que em plena carga, usualmente o escorregamento de um motor quando opera em regime permanente est· compreendido entre 1,5 e 7%.
Exemplo - Um motor trif·sico de induÁ„o de 4 pÛlos È alimentado com tens„o de 220 V, 60 Hz e gira a 1740 Rpm. Calcular seu escorregamento.
DeterminaÁ„o da velocidade sÌncrona
Ns = (^60) pf^ = 602 x^60 = 1.800 Rpm
DeterminaÁ„o de s
S = NsN^ −^ N100= 18001800 −^1740 x100 = 3,33%
An·lise do Conjugado x RotaÁ„o
Como os motores de induÁ„o trif·sicos s„o assÌncronos, isto È, podem operar em uma faixa de rotaÁ„o cujo limite superior È a velocidade sÌncrona (por exemplo: 3600 Rpm, para m·quinas com um par de pÛlos). A cada rotaÁ„o est· associado um valor de conjugado (torque, por exemplo, em Nm). Demonstra-se que a curva do conjugado desenvolvido em funÁ„o da velocidade na partida atinge um valor m·ximo para chegar a zero no ponto de sincronismo.
InfluÍncia da tens„o
O conjugado varia com o quadrado de tens„o de alimentaÁ„o do estator. Assim, È possÌvel aumentar ou diminuir o conjugado de um motor, em particular o conjugado m·ximo, variando-se a tens„o de suprimento.
Note que, quando se utiliza ligaÁ„o tri‚ngulo ao invÈs de estrela, a tens„o a qual os enrolamentos do estator
ficam submetidos È 3 vezes a tens„o,quando se utiliza a ligaÁ„o estrela. Portanto, a utilizaÁ„o da ligaÁ„o
tri‚ngulo resulta em conjugado 3 vezes maior do que a da estrela.
Curvas dos Conjugados Motor e Resistente da Carga
Conforme seja a natureza de carga mec‚nica, haver· uma curva de conjugado resistente associada. Em cargas de ventilaÁ„o, o conjugado resistente È proporcional ao quadrado da velocidade enquanto que em guindastes, talhas e pontes rolantes, o conjugado resistente È praticamente constante, havendo apenas um pequeno sobretorque na regi„o prÛxima do repouso.
2 R 22 X 22
I E
Corrente de Partida
A an·lise de express„o da corrente absorvida indica que no instante de partida ( S = 1) a corrente È bastante elevada, valendo:
R^2 X^2
K U
I=
¿ medida que o motor vai acelerando, o escorregamento S vai assumindo valores decrescentes, tendendo a zero e, a corrente absorvida tambÈm vai decrescendo, tendendo ao valor da corrente em vazio do motor que garante o fluxo de magnetizaÁ„o.
InfluÍncia da ResistÍncia do Rotor e da Tens„o
A corrente absorvida da rede È proporcional ‡ tens„o de alimentaÁ„o, o que significa que a corrente absorvida por um motor com ligaÁ„o em estrela È de 57,7% da mesma corrente por fase absorvida pelo mesmo motor com ligaÁ„o em tri‚ngulo.
Por outro lado, observa-se que o aumento da resistÍncia do rotor diminui a corrente de partida, produzindo o deslocamento da rotaÁ„o onde ocorre o conjugado m·ximo.
As figuras 5 e 6 mostram as curvas da corrente em funÁ„o do escorregamento S , explicitando a influÍncia de tens„o e de resistÍncia do estator.
Figura 5: Correntes de partida.
Figura 6: InfluÍncia da tens„o e da ResistÍncia do rotor na corrente de partida.
I (^) rb
I (^) n
I (^) m
Nn Ns
N
I (^) partida
Fazem parte destas cargas: esteiras transportadoras, transportadores (pontes rolantes, guinchos e pÛrticos), cadeira do laminador de chapas, compressores de v·lvula presa, m·quinas de atrito seco.
Cargas de conjugado resistente linear com a velocidade (a=1)
S„o cargas que possuem seu conjugado variando linearmente em funÁ„o da velocidade atravÈs da equaÁ„o de uma reta dada por:
( ) (^)
ω = + − ω r 0 rn (^0) n
T T T T
Assim, o gr·fico da velocidade em funÁ„o do torque È dado por:
Fazem parte dessas cargas:
- sistemas de acoplamento hidr·ulico ou eletromagnÈtico
- geradores acionados e alimentando carga de alto fator de potÍncia (resistiva)
- transmiss„o de torque por atrito viscoso
Velocidade
T 0 Conjugado
Cr
Cargas de Conjugado Resistente Crescente com o Quadrado da Velocidade (a = 2)
S„o cargas na qual o conjugado varia em relaÁ„o ‡ velocidade de acordo com uma par·bola, dada pela equaÁ„o abaixo:
( )
2 r 0 rn (^0) n
T T T T
ω = + − ω
Assim, a representaÁ„o gr·fica da velocidade em funÁ„o do torque fica representada pelo gr·fico abaixo:
Fazem parte dessas cargas:
- bombas centrÌfugas
- ventiladores
Cargas de Conjugado Resistente Inversamente Proporcional com a Velocidade (a = -1) S„o cargas na qual o conjugado varia em relaÁ„o ‡ velocidade de acordo com um hipÈrbole, dada pela equaÁ„o abaixo:
( )
1 r 0 rn (^0) n
T T T T
−
ω = + − ω
Assim sendo, o gr·fico da velocidade em funÁ„o do torque fica representado pelo gr·fico:
Velocidade
T 0 Conjugado
Cr
Cr = K ω^2
Regime transitÛrio de aceleraÁ„o
O conjugado de partida fornecido pelo motor C (^) mp dever· vencer o conjugado resistente da carga e tambÈm inercial para aceleraÁ„o do acionamento:
C (^) mp = Cr + C (^) ac = Cr + J. ddtω
dt
dω (^) = J
Cmp − Cr> 0
Regime transitÛrio de desaceleraÁ„o
O conjugado de frenagem, fornecido pelo motor Cmf ser· auxiliado pelo conjugado resistente da carga, que dever„o produzir a desaceleraÁ„o do acionamento.
Cmf = Cr + Cdc = Cr + J. ddtω
dt
dω (^) = J
Cmf − Cr> 0
Cargas com forte variaÁ„o de conjugado com a velocidade
Existem cargas que possuem um sobreconjugado de partida que pode atingir v·rias vezes o conjugado do motor na velocidade nominal, por isso podem impedir a partida ou tornar a aceleraÁ„o muito demorada.
A figura 1 abaixo mostra algumas dessas cargas e suas respectivas curvas caracterÌsticas:
Figura 7: Cargas com variaÁıes de conjugado.
N
C
A
B
C
A tabela abaixo mostra a escolha do conversor-motor para alguns tipos de m·quinas e suas variaÁıes de conjugado:
Tipo de m·quina Conjugado de Partida Sistema de partida/Motor M·quinas com mancais de rolamentos 80 a 125% Normal Normal/Normal M·quinas com mancais de escorregamento 130 a 150% Normal/Normal Transportadores ou m·quinas de alto atrito 160 a 250% Sobredimensionar o sistema de partida e eventualmente o motor Transportador cujo ciclo de funcionamento apresenta "golpes" (prensas, m·quinas com anteparos ou sistemas de biela)
250 a 600% Sobredimensionar o sistema de partida e o motor
InÈrcia elevada, m·quinas com volante de inÈrcia 100 a 150% O dimensionamento do sistema de partida depender· do tempo desejado para a partida e/ou frenagem
2.3. ClassificaÁ„o dos Diferentes tipos de Motores ElÈtricos
Vamos classificar os motores para que possamos ter uma facilidade na hora da escolha do acionamento. Primeiramente vamos fazÍ-lo quanto a:
Categorias de conjugado
Variando a construÁ„o das ranhuras, o formato dos condutores dentro dessas ranhuras e o condutor (cobre, alumÌnio ou lat„o) utilizado nessa construÁ„o, variam os conjugados, notadamente os de partida.
A designaÁ„o utilizada para indicar o grau de proteÁ„o È formada pelas letras IP, seguidas de dois algarismos caracterÌsticos que significam a conformidade com as condiÁıes de proteÁ„o exigida pelo projeto do motor.
O primeiro algarismo caracterÌstico indica o grau de proteÁ„o proporcionado pelo invÛlucro a pessoas e tambÈm ‡s partes do interior do motor contra objetos sÛlidos.
O segundo algarismo caracterÌstico indica o grau de proteÁ„o proporcionado pelo invÛlucro contra efeitos prejudiciais da penetraÁ„o de ·gua.
A tabela a seguir mostra alguns exemplos de graus de proteÁ„o e o que eles definem.
Outros tipos de proteÁ„o s„o encontrados em tabelas na Norma mencionada (NBR).
Graus de proteÁ„o pelas normas, IEC 34 Parte 5, VDE 0530 Parte 5 e NBR 988
Primeiro algarismo Indicativo
Segundo algarismo indicativo Motor Classe deproteÁ„o ProteÁ„o contra contatos
ProteÁ„o corpos estranhos ProteÁ„o contra ·gua RefrigeraÁ„o interna
IP 21 IP 22 IP 23
Contatos com os dedos SÛlidos medianos acima de 12 mm
Queda vertical gotas de ·gua Gotas de ·gua atÈ 15o^ com a vertical Chuvisco atÈ 60o^ com a vertical IP 44 Contatos com ferramentas ou similares
SÛlidos pequenos acima de 1 mm ÿ
ProjeÁ„o de ·gua em todas as direÁıes
IP 54 IP 55
IP 56
ProteÁ„o total DepÛsito de poeiras prejudiciais
ProjeÁ„o de ·gua em todas as direÁıes Jato de ·gua em todas as direÁıes InundaÁıes passageiras e fortes radiaÁıes
RefrigeraÁ„o de superfÌcie
IP 65 IP 67
ProteÁ„o total PenetraÁ„o de poeira Jato de ·gua em todas as direÁıes Imers„o sob condiÁıes fixas de press„o e tempo
2.5. Classes de IsolaÁ„o
Todo projeto que se usa um motor para acionar uma carga tem como caracterÌstica seguir os itens j· mencionados para a sua escolha. Assim, um dos itens que determina o tamanho do motor, alÈm de outras coisas, È a classe de isolaÁ„o que se utiliza nos materiais que compıem o motor.
Assim, poderemos ter, de acordo com o projeto, motores com tamanhos ou configuraÁıes diferentes (ventilaÁ„o forÁada) para a mesma potÍncia, j· que precisaremos ter uma determinada ·rea para liberar o calor gerado pelas perdas do motor.
A Tabela a seguir mostra a classificaÁ„o tÈrmica dos materiais isolantes:
Baseado na norma NBR 7034, os motores podem pertencer a uma das seguintes Classes de Temperatura:
Classe Temperatura M·xima ( o^ C ) Temperatura de ServiÁo ( o^ C ) Y 90 80 A 105 95 E 120 110 B 130 120 F 155 145 H 180 170 C Acima de 180 Depende do material
De acordo com a Norma, a tabela acima tem como referÍncia uma Temperatura ambiente de 40 ∫C, portanto a faixa de sobrelevaÁ„o de temperatura fica estabelecida de acordo com o gr·fico a seguir:
40 40 40
80 100
125
B F H
oC Sobreaquecimento limite ( aquecimento ) em K ( valor mÈdio )
Temperatura ao meio refrigerante em o^ C
Temperatura m·xima permanente admissÌvel em oC
40 40 40
80 100
125
B F H
oC Sobreaquecimento limite ( aquecimento ) em K ( valor mÈdio )
Temperatura ao meio refrigerante em o^ C
Temperatura m·xima permanente admissÌvel em oC
