[Ano] O Motor De Corrente Alternada: Fundamentos do Motor de Indução AC. Campus Virtual Cruzeiro do Sul

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1 [Ano] O Motor De Corrente Alternada: Fundamentos do Motor de Indução AC

2 Unidade - O Motor De Corrente Alternada: Fundamentos do Motor de Indução AC MATERIAL TEÓRICO Responsável pelo Conteúdo: Prof. Ms. Silvio Szafir Revisão Textual: Profa. Dr. Patricia Silvestre Leite Di Iorio 2

3 Se considerarmos o propósito final e a sua simplicidade, o motor de indução deve ser identificado como uma das melhores invenções; pois podemos considerar a sua elegância como um conversor eletromecânico de energia, como também o motor mais importante em termos de fabricação, com algo como um terço de toda a eletricidade gerada sendo convertida de volta para energia mecânica nos motores de indução. A aparência construtiva de um motor CA de indução é apresentada a seguir: Motor CA Trifásico (WEG Motores) Após nosso parágrafo inicial, descontando o fato de ser o motor de indução um protagonista na sociedade industrial, podemos dizer que seu tipo passa bastante despercebido nos seus afazeres e aplicações, que pode ser consideramos como não glamorosos acionamentos da máquina de indução, que é utilizado diariamente em aplicações tais como: bombas hidráulicas, ventiladores, compressores, esteiras, pontes-rolantes e uma infinidade de outras aplicações de ordem vital no nosso dia-a-dia. E, sem dúvida, o motor de indução continuará dominando as aplicações que utilizam velocidade constante e, com a atual disponibilidade de inversores de frequência variável e robustos, o motor de indução é também um líder na arena da velocidade controlada. 3

4 Assim como o motor CC, o motor de indução desenvolve torque pela interação da corrente axial do rotor e o campo magnético radial produzido pelo estator. Porém, enquanto no motor CC a corrente de trabalho deve ser fornecida no rotor através de escovas e o comutador, o torque produzido pela corrente no rotor do motor de indução é induzida pela ação eletromagnética, daí o seu nome: motor de indução. O enrolamento do estator dessa forma, não apenas produz o campo magnético (a excitação ) como também fornece a energia que é convertida numa saída mecânica. A ausência de qualquer contato mecânico de escovas e uma consequente economia na manutenção é a maior vantagem do motor de indução sobre o rival motor de corrente contínua. Créditos: EJM Engenharia, Catálogo de Conversores de frequência e soft-starters. Outras diferenças entre o motor de indução e o motor CC são: o fornecimento de energia elétrica para o motor de indução é de corrente alternada (CA), normalmente de três fases, o motor de indução rotaciona relativo ao estator, enquanto no motor CC isso é estacionário e tanto o estator como o rotor no motor de indução são nãosalientes (isto é, efetivamente suave) enquanto o estator do motor CC possui pólos projetados, ou com saliências que definem a posição do enrolamento do campo. 4

5 Dadas essas diferenças, podemos esperar encontrar maiores contrastes entre o desempenho desses dois tipos de motores e, isso é verdade, que são características inerentes dos distintos recursos exibidos. Mas, há outros aspectos de seu funcionamento que são similares, como poderemos observar. Talvez o mais importante do ponto de vista do usuário é que não há diferença dramática de tamanho e peso entre o motor de indução e o motor CC, considerando-se a mesma potência e a mesma velocidade de operação, onde o motor de indução será quase sempre muito mais barato. A similaridade no tamanho reflete o fato de que os dois tipos utilizam quantidades similares de cobre e ferro, enquanto a diferença de preço tem origem na construção mais simples do motor de indução. Motor de Indução Créditos: Apresentação SEW, Daniel Paganini (10/2009) 5

6 Introdução Para entender como funciona um motor de indução, devemos primeiro desvendar o mistério do campo magnético rotacional, ou campo girante. Veremos que o rotor é efetivamente dragado pelo campo girante, porém sem nunca poder girar tão rápido quanto o campo. Quando queremos controlar a velocidade do rotor, a melhor maneira é controlar a velocidade do campo. Um filme com explicação sobre motores elétricos e uma animação do campo girante poderá ser observado no endereço: (link verificado em 04/2011) Nossa abordagem no mecanismo do campo girante focará nos enrolamentos do estator, porque ele atua como a fonte do fluxo. Nesse caso, nossa discussão ignorará a presença dos condutores no rotor. Isso facilitará a compreensão que governa a velocidade de rotação e a magnitude do campo, que são os dois fatores de maior influência no comportamento do motor. Estabelecido como o campo girante é configurado e como sua velocidade e potência são dependentes disso, vamos examinar o rotor, concentrando-se em como é o comportamento quando exposto ao campo girante, para descobrir como a corrente induzida do rotor e o torque variam com a velocidade do rotor. Nessa seção assumimos mais uma vez para permitir a simplicidade de que o fluxo rotacional configurado pelo estator não é influenciado pelo rotor. Depois, vale observar a interação entre o rotor e o estator, verificando para que nossas premissas sejam justificadas. Tendo feito isso estamos em posição de examinar as características externas do motor, ou seja, a variação do torque do motor e da corrente do estator com a velocidade. Essas são as características mais importantes do ponto de vista do usuário. 6

7 Ao discutir como o motor opera a abordagem desvia-se fortemente em primeiro montar um panorama do fluxo principal, ou fluxo do entreferro. Todas as características principais que são do interesse do usuário podem ser explicadas e entendidas quando uma clara idéia tenha sido formada do que é a forma de onda do fluxo, o que determina sua amplitude e sua velocidade e como isso interage com o rotor para produzir torque. A abordagem alternativa, que é favorecida na maioria dos livrostextos de máquinas elétricas, é ir rapidamente para uma posição em que a máquina é representada por um modelo de circuito equivalente (bastante complicado) que então pode ser utilizado para predizer seu desempenho. O perigo nessa abordagem para os iniciantes é de que pode facilmente intimidar pela aparente complexidade do circuito e como resultado perdem o foco da mensagem principal que dali deveria surgir. E, mesmo que os circuitos equivalentes podem fornecer respostas de qualidade para algumas questões que faremos, há outras mais, tais como o fato de que a frequência do rotor é diferente da frequência do estator que são distintas pela abordagem do circuito. A experiência tem mostrado que para obter os melhores resultados de um circuito equivalente, um bom conhecimento de como a máquina se comporta enquanto funciona é um pré-requisito essencial. Munido desse conhecimento o poder do circuito equivalente pode ser devidamente apreciado. Os aspectos fundamentais que exploramos até aqui (fluxo magnético, força magneto-motriz, relutância, força eletromagnética, força eletromotriz do movimento) serão necessários aqui outra vez, assim como foram utilizados no estudo da máquina de corrente contínua. Mas, salvas as semelhanças básicas, o leitor provavelmente ira achar que o motor de indução é muito mais difícil de entender que a máquina CC. Isto é devido, pois, agora, lidamos com quantidades alternadas, que variam, e não valores estáveis (p.ex. a reatância indutiva tornar-se bastante importante) e também porque (como mencionado antes) um único enrolamento atua 7

8 simultaneamente como o produtor do fluxo ativo e o fornecedor da energia convertida. O leitor sem familiaridade com a teoria de circuito de C.A., incluindo a reatância, impedância, diagramas de fatores e ideias básicas sobre os sistemas trifásicos devem ler sobre isso antes de continuar essa unidade. O campo girante Antes de verificarmos como o campo girante é produzido, devemos ter claro o que isso é exatamente. Porque tanto as superfícies no ferro do rotor como no ferro do estator são suaves (desconsiderando a parte das ranhuras, os slots) e separadas por um pequeno entreferro, o fluxo produzido pelos enrolamentos do estator cruza radialmente o entreferro. O comportamento do motor é ditado por esse fluxo radial, assim vamos nos concentrar primeiro em estabelecer uma foto mental o que significa por forma de onda do fluxo, num motor de indução. O padrão do fluxo num motor de indução de 4 pólos ideal que é alimentado por uma fonte trifásica balanceada, como apresenta a o item (a) da figura a seguir. A primeira onda (superior) corresponde ao tempo t = 0, a segunda (central) ao padrão do fluxo ¼ de um ciclo após o fornecimento principal (p.ex. é de aproximadamente 4,17ms se a frequência da rede é de 60Hz) e o terceiro e último (inferior) corresponde a mais um ¼ de ciclo depois. Notamos que o padrão das linhas do fluxo é repetido em cada caso, excetuando-se o intermediário e o inferior quando rotacionados por 45º e 90º respectivamente, quando considerado em relação do ciclo superior (figura a seguir). O termo quatro pólos (quadripolar) reflete o fato de que o fluxo deixa o estator a partir de dois pólos N e retorna para ele por dois pólos S. Note, entretanto, de que não há nenhum aparato físico no ferro do estator 8

9 marcando-o como sendo de quatro pólos, da mesma forma que se fosse dito dois pólos, ou seis pólos. Como veremos, é o seu formato e a forma de interconexão das bobinas do estator que setam o número de pólos. Se plotarmos a variação da densidade do fluxo radial no entreferro em relação a distância em torno do estator, a cada um desses três instantes de tempo, teremos os padrões mostrados no item (b) da mesma figura a seguir. A primeira coisa que notamos é que a densidade do fluxo radial varia na forma senoidal no espaço. São dois picos N e dois picos S, mas a transição entre N e S ocorre de forma senoidal, criando assim a forma de onda do fluxo. A distância do centro de um pólo N ao centro do pólo S adjacente é chamado de passo do pólo. Podemos observar que depois de ¼ do ciclo da frequência principal, a forma de onda do fluxo mantém sua forma original, mas moveu-se ao redor do estator metade de um passo do pólo. E, depois de ½ ciclo, moveu-se completamente para um novo pólo. Se tivéssemos colocado em gráfico os padrões em tempo intermediários aos apresentados, teríamos verificado que a onda mantém uma forma constante, que aumenta sem sobressaltos avançando numa taxa uniforme de dois passos de pólo para cada ciclo da onda principal. A forma de onda do fluxo pode ser apropriada para descrever o campo no entreferro. 9

10 Para um motor de quatro pólos como o apresentado aqui, uma revolução completa toma dois ciclos da rede, dessa forma a velocidade é de 30 revoluções por segundo (rps) a 60Hz, o que significa uma velocidade de 1800 rpm. A equação geral para a velocidade de rotação do campo girante (que é conhecido como a velocidade síncrona) N s em RPM é apresentada a seguir: 120 f N s p Sendo p o número de pólos. E, vale lembrar que o número de pólos é sempre par, já que para cada pólo N há sempre um pólo S. Uma visão geral de velocidades que são comuns utilizar são fornecidas na tabela a seguir. 10

11 Número de Pólos Velocidade Síncrona [RPM] 60 Hz Aproveite e monte uma tabela de velocidade síncrona em função do número de pólos no motor de indução, usando frequência da rede = 50 Hz Número de Pólos Velocidade Síncrona [RPM] 50 Hz Na montagem das tabelas, podemos observar que, se quisermos que o campo gire com velocidades intermediárias, teremos que permitir a variação da frequência na rede fornecida ao motor e isso é o que é feito nos chamados inversores de motores. 11

12 Escorregamento, torque e velocidade Quando operando normalmente, a velocidade nominal do rotor é menor do que a velocidade do campo girante. Dessa forma, o escorregamento é normalmente expresso como uma porcentagem da velocidade síncrona e, está normalmente entre 4% - 11% da velocidade nominal do motor. s N s N s N n x100[%] Sendo: S escorregamento N n velocidade nominal N s velocidade síncrona No motor de indução, a densidade de fluxo (B) é definida como sendo o fluxo ( ) que atravessa a seção transversal (A) do enrolamento. Temos então a equação da força: F xixl A A relação observada entre torque do motor e velocidade de operação possui característica que varia de acordo com a construção do motor. O torque do motor resulta de uma força que faz girar o seu eixo. 12

13 No caso do motor de indução, considera-se que nas barras do rotor, uma tensão é induzida via campo magnético. Essa tensão faz com que a corrente circule através das barras curtocircuitadas. A força de cada barra do rotor são combinadas para gerar um torque, a partir da força, no eixo do motor. T 0 V n V 0 Considerando uma força F e um raio r no motor, obteremos: T = F x r O trabalho que é executado pelo motor de indução pode ser expresso como sendo: W = F x d d - distância percorrida, considerando o raio do motor/braço, para um certo número de revoluções RPM, ou seja: d = RPM x 2 x PI x r Pode também ser calculado pela potência do motor vezes o tempo na qual o motor é solicitado: Sendo: W = P x t O cálculo do torque pode ser calculado de forma simplificada como: C conjugado do motor [ N.m ] P potência em [ KW ] n rotação do motor [ RPM ] C 9550xP [ Nm ] n 13

14 Eficiência e Perdas no motor Vamos considerarmos o motor como um dispositivo que consome potência da rede elétrica. Quando operando com uma carga constante, a entrada de potência elétrica nos terminais do motor será maior do que a potência mecânica oferecida no eixo do motor. Isso acontece devido às perdas no motor. Potência elétrica, nos terminais do motor Perdas: enrolamento entreferro ventilação atrito + - Potência mecânica no Eixo A relação entre a potência mecânica na saída e a potência elétrica na entrada é chamada e mede o rendimento do motor, ou sua eficiência energética. Potencia _ Saida Potencia _ Entrada A literatura indica que a eficiência típica em um motor de indução esta compreendida entre 0,7 e 0,9. Tal valor depende do tamanho do motor, do número de pólos etc. Conforme visto nas páginas anteriores, a velocidade do motor pode ser alterada devido aos aspectos construtivos, como, por exemplo, o número do par de pólos e da frequência da onda CA de alimentação no motor e também da velocidade do campo girante (velocidade síncrona) do controle do escorregamento do motor 14

15 A curva característica do Torque para um controle de tensão e frequência em um motor de indução pode ser visualizado na figura ao lado. Os motores de indução AC são os motores mais comuns nos sistemas industriais de controle de movimento. Isso devido as suas vantagens, entre estas vantagens sua simplicidade, sua robustez, baixo custo, baixa manutenção e a conexão direta a fonte de energia na linha de CA. Vários tipos de motores de indução CA estão disponíveis no mercado. Motores diferentes são específicos para aplicações diferentes. Porém, mesmo que seja mais fácil projetar motores de indução CA do que os motores CC (de corrente contínua), o controle da velocidade e do torque nos vários tipos de motores de indução CA requerem um maior conhecimento das características e do projeto do motor. 15

16 Anotações 16

17 Referências AHMED, A. Eletrônica de Potência. São Paulo: Pearson, CARVALHO, G. Máquinas Elétricas Teoria e ensaios. 2 ed. São Paulo: Ed. Érica, 2008, FALCONE, A. G. Eletromecânica. 3 reimp. São Paulo. Ed. Blucher HUGHES, A. Electric Motors and Drives. Newnes, 2nd ed, KOSOW, I. L. Máquinas Elétricas e Transformadores. 12 ed. Ed. Globo MOTORES SÍNCRONOS. Notas Técnicas Motores NT-02 Brasil, GE- Gevisa S.A., 2000 WILSON, D. The Wonderful World of Motion,.Freescale 2009 Motor Control Seminar Series, São Paulo, Maio/

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