ALEXANDRE POSTÓL SOBRINHO CRITÉRIOS DE PROJETO E CONSTRUÇÃO DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS DE ALTA ROTAÇÃO

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1 ALEXANDRE POSTÓL SOBRINHO CRITÉRIOS DE PROJETO E CONSTRUÇÃO DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS DE ALTA ROTAÇÃO FLORIANÓPOLIS 008

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA CRITÉRIOS DE PROJETO E CONSTRUÇÃO DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS DE ALTA ROTAÇÃO Dissetação submetida à Univesidade Fedeal de Santa Cataina como pate dos equisitos paa a obtenção do gau de Meste em Engenhaia Elética. ALEXANDRE POSTÓL SOBRINHO Floianópolis, julho de 008

3 CRITÉRIOS DE PROJETO E CONSTRUÇÃO DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS DE ALTA ROTAÇÃO Alexande Postól Sobinho Esta Dissetação foi julgada adequada paa obtenção do Título de Meste em Engenhaia Elética, Áea de Concentação em Concepção e Análise de Dispositivos Eletomagnéticos, e apovada em sua foma final pelo Pogama de Pós-Gaduação em Engenhaia Elética da Univesidade Fedeal de Santa Cataina. Pof. Nelson Sadowski, D. Oientado Pof. Sebastião Lauo Nau, D. Co-oientado Pof a. Kátia Campos de Almeida, Ph.D. Coodenadoa do Pogama de Pós-Gaduação em Engenhaia Elética Banca Examinadoa: Pof. Nelson Sadowski, D. Pesidente Pof. Sebastião Lauo Nau, D. Pof. Mauicio Valencia Feeia da Luz, D. Pof. Olando José Antunes, D. Jean Vianei Leite, D. ii

4 "Às vezes, quando tudo dá eado acontecem coisas maavilhosas que jamais teiam acontecido se tudo tivesse dado ceto" Auto desconhecido Às mulhees da minha vida: Camem, minha esposa. Adiane e Mônica, minhas filhas. iii

5 AGRADECIMENTOS À WEG, pela confiança, incentivo e apoio paa cusa as disciplinas do cuso, desenvolve a dissetação e assim popociona o desenvolvimento de seus engenheios. Aos pofessoes do GRUCAD, pela disposição e dedicação paa que o cuso obtivesse êxito e os alunos da WEG pudessem ealiza o cuso. Ao meu oientado, pofesso Nelson Sadowski e meu co-oientado Sebastião Lauo Nau, pela confiança, apoio e amizade. Aos colegas de cuso com os quais convivi duante este peíodo. Aos colegas do depatamento de P&D da WEG Motoes: Eduado Duate, Hidealdo L.V. Santos, Hilton P. Silva, Hugo G. G. Mello, Rafael Beck, Samuel S. Boges, Tiago T. Kunz e Waldibeto L. Pies pela ajuda com mateiais, simulações, análises, desenhos e discussões. Aos colegas Macelo Veadi e Rubens B. de Cavalho pelo auxílio em infomática e aos colegas Adilson C. Machado, Emeson J. Xavie, Jacques R. Ruthes e Paulo R. Schmitt, pelos momentos de discussões técnicas e descontação duante esta jonada. Aos demais colegas de depatamento, que com ceteza estavam tocendo paa que esta conquista se concetizasse. Aos meus pais e meus imãos, que sempe me apoiaam e incentivaam, mesmo estando distantes. À minha esposa Camem e às minhas filhas Adiane e Mônica, a quem dedico esta ealização, pela compeensão e estímulo. E a Deus, pela vida. iv

6 Resumo da Dissetação apesentada à UFSC como pate dos equisitos necessáios paa a obtenção do gau de Meste em Engenhaia Elética. CRITÉRIOS DE PROJETO E CONSTRUÇÃO DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS DE ALTA ROTAÇÃO Alexande Postól Sobinho Julho/008 Oientado: Pof. Nelson Sadowski, D. Áea de Concentação: Concepção e Análise de Dispositivos Eletomagnéticos Palavas-chave: alta otação, moto de indução, hamônicas, foças, pedas no feo. Númeo de Páginas: 33 RESUMO: Este tabalho detalha as dietizes de pojetos paa máquinas de indução de alta otação. Atenção especial é dada ao oto, mas também são evistos os conceitos paa o estato, sistemas de efigeação, mancalização e invesoes de feqüência apopiados paa aciona uma máquina de indução de alta otação. Os estudos mostam que a constução do oto laminado com gaiola de esquilo deve se usada sempe que possível, apenas em velocidades mais elevadas, um oto de aço sólido pojetado com anhuas sobe sua supefície ou um oto de aço sólido evestido com uma camada de cobe ou outa liga metálica podem se a melho indicação. Consideando o desempenho eletomagnético que se deseja e a velocidade máxima de opeação, a escolha ente um mateial laminado ou sólido no oto pode se mais ou menos significativa paa uma máquina de indução de alta otação. Do ponto de vista constutivo, um moto de alta otação apesenta maioes desafios na áea mecânica do pojeto. Isto poque um copo cilíndico em otação impõe desafios quanto às foças centífugas, pincipalmente no que diz espeito à esistência do mateial e também quanto ao balanceamento da massa giante, que se não fo citeiosamente efetuado, acaetaá vibações em toda a máquina e, dependendo do nível de vibação, pode inviabiliza seu funcionamento sob isco de enta em colapso. Outo ponto que deve se visto com muito cuidado é a efigeação deste tipo de moto, seja pelo modo como seá feita a passagem do fluido efigeante pelo moto como qual seá este fluido. Eleticamente, com exceção do volume de pedas decoentes de um acionamento em altas feqüências, e logicamente o uso de invesoes de feqüência, pode-se considea o estato como igual ao de um moto nomal. Convém destaca que a densidade de potência po volume é muito maio, desta foma, se conta com mateiais de baixas pedas magnéticas, um pefeito balanceamento do oto e uma efigeação eficiente na função de dissipa o calo geado, tem-se uma máquina de alta velocidade com potência bem supeio no mesmo volume de uma máquina nomal. Quanto ao sistema de mancais, pode se utilizado o sistema tadicional com olamentos, entetanto pode-se utiliza elementos especiais paa supota as altas otações ou sistemas mais sofisticados, como mancais de deslizamento ou mesmo mancais magnéticos. v

7 Abstact of Dissetation pesented to UFSC as a patial fulfillment of the equiements fo the degee of Maste in Electical Engineeing. CRITERIA FOR DESIGN AND CONSTRUCTION OF THREE-PHASE HIGH SPEED INDUCTION MOTORS Alexande Postól Sobinho July 008 ADVISOR: Pof. Nelson Sadowski, D. AREA OF CONCENTRATION: Conception and Analysis of Electomagnetic Devices. KEYWORDS: High speed, induction motos, hamonics, foces, ion losses. NUMBER OF PAGES: 33 ABSTRACT: This wok details the guidelines fo the design of high speed induction machines. Special attention is addessed to the oto, but concepts egading the stato, cooling system, beaings and fequency convetes ae also evised concening the high speed induction machine pope diving. Studies show that the laminated oto constuction should be always pefeed, except in cases of vey high speeds, in which a solid oto built with supeficial slots o coveed with a coating made of coppe o othe suitable metallic alloy may be pefeed. Consideing the desied electomagnetic pefomance and the highest opeating speed, the choice between both oto types (laminated o solid) tuns to be moe o less significant fo a high speed induction machine. Fom the constuctive point of view, a high speed moto pesents geate challenges in the mechanical side of the design. A otating cylindical body imposes challenges due to the centifugal foces, especially egading the esistance of the mateial and the balancing of the otating mass. Paticulaly, if balancing is not popely done, it will cause the whole machine to vibate and, depending on these vibation levels, the machine opeation can be made unfeasible unde the isk of collapsing. Anothe point that must be caefully consideed is the cooling of this moto type, both in the way that the cooling fluid will ciculate within the moto and in what kind of fluid will be used fo this task. Electically, except fo the amount of losses esulting fom a high fequency dive and, of couse, the use of fequency convetes, the stato can be consideed simila to the nomal one of a standad moto. It is woth noticing that the powe density pe volume is much highe, so that using low loss magnetic mateials, a pefect oto balancing and an efficient cooling system the esulting high-speed machine output will be much supeio than the output of a standad machine of the same fame size. With egad to the beaings, it can be used the taditional systems with olling elements, but in this case special elements should be used in ode to stand the high speeds. Altenatively, moe sophisticated systems can be used, such as sliding o magnetic beaings. vi

8 SUMÁRIO APRESENTAÇÃO... INTRODUÇÃO Sistema de movimentação elética de alta otação O MOTOR DE ALTA ROTAÇÃO Definição de moto de alta otação Aspectos tecnológicos dos motoes de alta otação CONSTRUÇÃO DO MOTOR DE ALTA ROTAÇÃO Laminação paa altas feqüências Enolamento do estato paa alta otação O fio de Litz O entefeo e abetua das anhuas Pedas e efigeação do moto de alta otação CONSTRUÇÃO DO ROTOR Restições paa o oto de alta otação Foças centífugas Rotação cítica de flexão do oto Pedas Joules e pedas po atito no oto Rotoes sólidos com evestimento de cobe Desafios no pojeto do oto Mancais magnéticos Pincipais componentes dos mancais magnéticos Caacteísticas dos mancais magnéticos INVERSORES DE FREQÜÊNCIA Intodução Acionamento de motoes de indução po invesoes de feqüência Funcionamento e caacteísticas dos invesoes de feqüência Modulação po lagua de pulso - PWM (Pulse Width Modulation) Caacteísticas de contole Hamônicas poduzidas pelos invesoes de feqüência Hamônicas que afetam a ede Distoção Hamônica Total e Distoção Total de Demanda vii

9 6.3.6 Distoção Total de Demanda Hamônicas que afetam o desempenho do moto Como elimina as hamônicas poduzidas pelo inveso Fato de potência (fp) e fato de deslocamento (cos φ) Motoes de indução alimentados po invesoes estáticos de feqüência Influência do inveso no sistema de isolamento do moto Influência do ise time Influência do compimento do cabo Influência do mínimo tempo ente pulsos consecutivos Influência da feqüência de chaveamento Influência de aplicações com múltiplos motoes Citéios, quanto ao sistema de isolamento, adotados pela noma NEMA Influência do inveso na tempeatua do moto Influência do inveso na coente pelos mancais Influência do inveso no uído do moto Influência do inveso na vibação do moto Influência do inveso no endimento do moto Limites de velocidade Limitações pelo toque Limitações mecânicas Aspectos nomativos PROTÓTIPO Dimensionamento do oto completo Diâmeto do oto Ponta de eixo mínima paa a tansmissão do toque Limite de otação do olamento Caga mínima do olamento Deteminação do ajuste ente disco de balanceamento e eixo Ajuste ente pacote de chapas do oto e eixo Deteminação das anhuas do oto Dimensionamento do estato completo Dimensionamento da anhua do estato Estimativa de pedas viii

10 7.4 Limitações témicas Deteminação da cacaça Pojeto eletomagnético CONCLUSÕES Sugestão paa tabalhos futuos ANEXOS Anexo - Noma IEC Anexo - Noma NEMA Anexo 3- Disco em otação Anexo 4- Potótipo Simulações e Veificações REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 9 ix

11 LISTA DE FIGURAS Figua. Polia fixa. Figua. GeaBox ou tem de engenagens. Figua.3 Compaação ente moto nomal e de alta otação de mesma potência. Figua.4 Difeenças ente acionamentos paa alta otação. Figua.5 Moto de alta otação efigeado a a Potótipo. Figua.6 Moto de alta otação efigeado a água - Potótipo. Figua 3. Roto sólido paa moto de alta otação. Figua 3. Roto laminado paa moto de alta otação. Figua 4. Pontos de loci em um estato. Figua 4. Estato com 36 anhuas. Figua 4.3 Rolos de divesos tipos de fio Litz. Figua 4.4 Estato bobinado com canais adiais de ventilação Fonte WEG Figua 5. Roto engaiolado com canais adiais e axiais de ventilação Fonte WEG. Figua 5. Restições impostas ao pojeto do oto. Figua 5.3 Esquema do mancal magnético. Figua 6. Pincipais caacteísticas das chaves semicondutoas de potência. Figua 6. Diagama de um inveso de feqüência com cicuito intemediáio. Figua 6.3 Diagama do estágio inveso de um inveso de feqüência tifásico. Figua 6.4 Descição do método de modulação PWM senoidal (clássica). Figua 6.5 Vetoes geados devido ao chaveamento dos tansistoes. Modulação vetoial. Figua 6.6 Pulso de tensão nos teminais do moto e definição de ise time - NEMA Figua 6.7 Pulso de tensão nos teminais do moto e definição de ise time - IEC. Figua 6.8 Inveso alimentando mais de um moto - Compimento do cabo Lc. Figua 7. Estado plano de tensões. Figua 7. Pojeto da anhua do oto Potótipo Figua 7.3 Geometia da anhua poposta Potótipo Figua 7.4 Pojeto da anhua do estato Potótipo Figua 9. Elemento difeencial de disco em otação. Figua 9. Plano de tensões no disco. Figua 9.3 Simulação no Ansys. Figua 9.4 Simulação da anhua do oto Baixa otação. x

12 Figua 9.5 Simulação da anhua do oto Alta otação. Figua 9.6 Simulação da anhua do oto com intefeência do eixo Alta otação. Figua 9.7 Simulação da anhua Resultado final. Figua 9.8 Simulação da anhua com alumínio. xi

13 LISTA DE GRÁFICOS Gáfico 4. Pedas em moto de indução nomal e de alta otação, ambos 37kW IV [6]. Gáfico 7. Limites de intefeência. Gáfico 7. Mapeamento témico da cacaça 00L. Gáfico 7.3 Potência Máxima po cacaça. Gáfico 7.4 Rotação cítica e máxima po cacaça. Gáfico 7.5 Compaação das pedas - 400cv / II / 60Hz e 400cv / II / 5Hz. Gáfico 9. Cuvas estutuais paa discos em otação. Gáfico 9. Tensão máxima em função da otação. Gáfico 9.3 Cuva da defomação adial. Gáfico Intefeência mínima. Gáfico Limites de intefeência xii

14 LISTA DE TABELAS Tabela. - Dimensões do moto nomal e alta otação - Fonte: Catálogo CALNETIX Tabela. - Difeenças ente acionamento convencional e em alta otação de compesso. Tabela 3. - Vantagens e desvantagens das máquinas eléticas de alta otação. Tabela 4. - Fato de Enolamento (ξ) paa enolamentos tifásicos. Tabela 4. - Entefeo de alguns motoes de indução de alta otação e um convencional. Tabela Cálculo do valo mínimo de entefeo paa motoes de alta otação Tabela 6. Limites paa taxa de distoção hamônica (THD). Tabela 6. Limites paa distoção total de demanda (TDD). Tabela 6.3 Citéios da noma NEMA paa evita degadação do sistema isolante. Tabela 6.4 Citéios da noma IEC paa evita degadação do sistema isolante. Tabela Máxima velocidade de opeação - Motoes nomais com velocidade egulável. Tabela 7. Pedas paa motoes de 3600pm. Tabela 7. Pedas paa motoes na máxima otação pevista Tabela 7.3 Compaação de cálculo: 400cv II 60Hz e 400cv II 5Hz. Tabela 9. Dados técnicos dos olamentos Vida útil. Tabela 9. Dados técnicos dos olamentos Velocidade limite. Tabela 9.3 Rotações cíticas. Tabela 9.4 Rolamentos - Valoes do fabicante (SKF) xiii

15 SIMBOLOGIA Símbolo Denominação Unidade A a e a A h b Amplitude da hamônica de pimeia odem. Constantes Amplitude da hamônica de odem h Constante paa olamento de esfeas. Bc max Indução máxima na cooa do estato. T Bc max Indução máxima na cooa do oto T Bd max Indução máxima no dente do estato T Bd max Indução máxima no dente do oto T Bd max Indução máxima no entefeo T C Fato que desceve o toque po unidade de volume fonecido pelo oto. C f Coeficiente de atito C max /C n Toque máximo em elação ao nominal p.u. cosφ Fato de deslocamento C p /C n Toque de patida em elação ao nominal p.u. D e Diâmeto exteno do oto mm d m Diâmeto médio do olamento mm D Diâmeto exteno máximo do oto mm d Diâmeto inteno do oto laminado mm dv/dt Taxa de vaiação da tensão no tempo ou pulso de tensão V/µs E Módulo de Young f Feqüência da ede Hz f Feqüência da tensão de alimentação Hz F m Feqüência de otação mecânica Hz fp Fato de potência F m Foça adial mínima kn F x Feqüência de otação cítica Hz h Odem da hamônica I Coente do oto A I L Máxima coente de demanda da instalação no PCC A I n Coente nominal em caga A I o Coente em vazio A xiv

16 Símbolo Denominação Unidade Ip Coente de patida A Ip/In Coente de patida em elação à nominal p.u. I SC Máxima coente de cuto cicuito no PCC A Je Densidade de coente no estato A/mm² k e k Constantes de popocionalidade k f k Coeficiente da ugosidade supeficial do oto Fato de caga mínima kw a Potência útil em alta otação W kw st Potência útil em otação padão W Lc Compimento do cabo de alimentação m L Pacote de chapas do oto mm l, l Defomação adial mm L 0h Tempo de vida do olamento H l Compimento do oto mm m Númeo de fases n Rotação pm N s Rotação síncona pm p Númeo de paes de pólos P Potência ativa kw Pa Pessão de contato p a Peda po atito W p cp Peda po coentes paasitas W p Cu Peda no cobe W p f Pedas po atito W p fea Pedas no feo alta otação W p feo Pedas no feo em vazio W p fest Pedas no feo otação padão W p h Peda po histeese W p ha Pedas po hamônicas W p j Pedas joules no estato W p ja Pedas joules no estato alta otação W p jst Pedas joules no estato otação padão W xv

17 Símbolo Denominação Unidade p j Pedas joules no oto W p ja Pedas joules no oto alta otação W p jst Pedas joules no oto otação padão W p jo Pedas joules em vazio W p meca Pedas mecânicas - alta otação W p mecst Pedas mecânicas otação padão W p meco Pedas mecânicas em vazio W p o Pedas em vazio W p Pedas a seem etiadas do oto W p s Pedas suplementaes W P saída Potência de saída W p sa Pedas suplementaes alta otação W p sst Pedas suplementaes otação padão W p t Peda total W Q Númeo de anhuas q Númeo de anhuas po pólo e po fase Q n, Q n Inteuptoes dos tansistoes Constante Raio exteno do disco mm d Raio qualque do disco mm R lig Resistência na ligação a 0 W p Relação ente pacote e diâmeto do oto p.u. pm Rotação pm pm máx Rotação máxima pm pm a Rotação alta otação pm pm base Rotação base pm pm st Rotação otação padão pm s Escoegamento p.u. S Potência apaente kva Tbq Tempo de oto bloqueado s U Tensão de alimentação V u n * Refeências (sinais modulantes) xvi

18 Símbolo Denominação Unidade u δ Refeência (sinal potado) V/f Relação tensão/feqüência V/Hz V Tensão aplicada ao estato V V ac Tensão altenada V V h Amplitude da hamônica de tensão p.u. V nom Tensão nominal V V pico Tensão de pico V Vms Velocidades de vibação mm/s V ot Volume do oto m 3 v s Velocidade supeficial do oto m/s W Extensão da bobina mm x, x Defomação adial mm T Compotamento témico K α Fato de tansfeência eficaz de calo α,α, α 3 Ângulos que definem as comutações dos tansistoes δ Entefeo mm δ i Intefeência adial inicial ente as peças mm δ p Pofundidade de penetação mm ε Ângulo de defasagem ente o eixo de efeência do estato e oto φ m Fluxo de magnetização Wb γ Condutividade do mateial S/m η Rendimento do moto % µ Coeficiente de Poisson do mateial do disco. µ Pemeabilidade elativa do mateial µ 0 Pemeabilidade do vácuo H/m ν p Númeo de Poisson νt Viscosidade à tempeatua de funcionamento mm /s ν Οdem da hamônica ρ Massa específica do mateial kg/m 3 τ Passo pola σ Fato de dispesão xvii

19 Símbolo Denominação Unidade σ max Máximo esfoço admitido MPa σ () Tensão mecânica adial no disco no aio MPa σ θ () Tensão mecânica tangencial no disco no aio MPa ω Feqüência angula ad/s ω c Rotação cítica ad/s ω m Rotação mecânica pm ω Velocidade peiféica ou tangencial no aio exteno do disco ad/s ξ ν Fato de enolamento paa hamônica ν V Difeença de tensão ente espias V T Difeença de tempeatua ente o oto e o estato K Coentes vetoiais do estato A i s t Rise time s V s Veto de alimentação do estato V coentes vetoiais do oto A i U veto tensão V ABNT APDL API AWG BJT CA CC CFD CFW-04 CSA DSP FD fem ABREVIATURAS Associação Basileia de Nomas Técnicas ANSYS Paametic Design Language Ameican Petoleum Institute Ameican wie gauge Bipola Junction Tansisto / Tansisto de Junção Bipola Coente altenada Coente contínua Computational Fluid Dynamics Conveso de Feqüência WEG-04 Canadian Standads Association Pocessado digital de sinais Fato de Distoção Foça eletomotiz xviii

20 fmm fp GTO HVF ICM IEC IEEE IEF IGBT ISO JEM RLC ME MCT MEF MOSFET MTBF NEMA ODP PCC PWM R34a ms Rotodin SCR SIT TDD TEFC THD Foça magneto-motiz Fato de potência Tiisto Gate-Tun-Off Fato Hamônico de Tensão. Coente total de modo comum Intenational Electotechnical Commission Institute of Electical and Electonics Enginees Invesoes Estáticos de Feqüência Insulated-Gate Bipola Tansisto Intenational Oganization fo Standadization Japan Electonic Mateials Copoation Resistência - Indutância - Capacitância Cálculo eletomagnético - WEG MOS Contolled Thyisto Método de Elementos Finitos Metal Oxide Semiconducto Field Effect Tansisto Mean Time Between Failues / Peíodo médio ente falhas National Electical Manufactues Association Open, Dip Poof pontos de conexão comum Pulse Width Modulation / modulação po lagua de pulsos gás efigeante do tipo HFC (Hidofluocabono) oot mean squae / Valo eficaz Cálculo Dinâmico de Roto WEG Silicon Contoled Rectifie / Retificado Contolado de Silício Static Induction Tansisto Distoção Total de Demanda Totalmente Fechado Resfiado po Ventilado Distoção Hamônica Total xix

21 APRESENTAÇÃO Váias estutuas de máquinas eléticas, incluindo a de indução com oto de gaiola de esquilo ou oto sólido, ímã pemanente, pólo de gaa, homopola, máquinas sínconas e de elutância, estão sendo evistas do ponto de vista de caacteísticas otatóias elevadas. Assim estão também as tecnologias emegentes, tais como a opeação sem olamentos, onde são utilizados os sistemas de mancais de deslizamento ou magnéticos e contoles inteligentes que possuem a capacidade de adequa o pefil de opeação da máquina com a opeação a se ealizada. Neste contexto está aumentando o inteesse pelos motoes de indução de alta velocidade acionados po invesoes de feqüência, muitas vezes com otações que podem vaia na faixa de 0000 a pm, em aplicações industiais divesificadas. Paa a indústia é de extema impotância conhece este mecado, ou seja, entende o que deve se pesquisado, desenvolvido e pojetado paa que em pouco tempo tenha condições de apesenta motoes capazes de atua em aplicações de alta otação de maneia eficiente e confiável. O pincipal objetivo deste tabalho é conhece de maneia mais detalhada os tipos de máquinas, caacteísticas mecânicas e eletomagnéticas, caacteísticas de funcionamento e pincipais aplicações dos motoes de alta otação. A pati deste entendimento, cia condições paa que a empesa possa toma decisões estatégicas da conveniência ou não de fabica este tipo de máquina e da supote paa que a engenhaia possa atende à demanda de mecado. Poém, os fabicantes de motoes de alta otação não têm uma definição comum, alguns dizem que as altas otações ocoem a pati de 5000 pm e outos dizem que as altas otações ocoem somente acima de 0000 pm. Neste tabalho, pode-se sugei que motoes de alta otação sejam aqueles cujas velocidades de otação nominal estejam acima dos limites convencionais definidos pelas nomas IEC e NEMA MG Pate. Os motoes atuais, quando alimentados po invesoes de feqüência, atendem às exigências da noma NEMA MG pates 30 e 3 e estão aptos a opea até 90 Hz (3600pm x,5 = 5400 pm) em temos de capacidade de fonecimento de toque na ponta de eixo. Logo, se estaia sugeindo que as altas otações acontecem acima de 5400 pm.

22 É conveniente lemba que quanto mais elevada fo a otação, mais elevada seá a velocidade peiféica do oto, e mais cuidados deveão se tomados com elação ao pojeto, fabicação e opeação do mesmo. Levando-se este fato em consideação, vincula o temo alta otação com a velocidade final do moto, não paece se a opção mais coeta, pois motoes gandes apesentam uma velocidade peiféica no oto muito maio quando compaado com um moto pequeno na mesma otação. Consideando se um citéio mais equilibado paa classifica um moto de alta otação, defini-se como sendo moto de alta otação aquele que apesenta uma velocidade peiféica no oto supeio a 00 m/s, que no caso é a apesentada pela cacaça 355 em 5400 pm. As pincipais vantagens em tabalha com altas velocidades são:. Solução compacta (peso/potência meno do que nos motoes de baixa otação);. Alta eficiência global de até 98% do conjunto; 3. Baixa necessidade de manutenção/aumento de confiabilidade com a eliminação de alguns componentes: sistemas mecânicos de amplificação de velocidade de otação tais como polias, coeias e engenagens; eliminação de selos mecânicos e sistema de lubificação, no caso do uso de mancais magnéticos; 4. Aumento da vida útil do sistema; 5. Instalação simples; 6. Baixo custo em elação à vida útil; 7. Baixo uído: o sistema de esfiamento não é do tipo auto-ventilado; 8. Baixos níveis de vibação: atavés de um balanceamento especial do oto, e contole ativo de vibação quando foem usados mancais magnéticos ativos; 9. Aplicações mais ecologicamente coetas no caso de uso de mancais magnéticos: eliminação da possibilidade de contaminação ambiental po óleo. Consideando que o pincipal poduto da empesa é o moto de indução com oto injetado, nesta pesquisa estão abodados, pincipalmente, os motoes de alta otação que utilizam esta tecnologia de fabicação.

23 3 Assim, estão apesentadas nesta dissetação as alteações necessáias a seem intoduzidas em motoes de indução com oto injetado nomais, do ponto de vista de mateiais, pojetos e montagem, de modo a toná-los aptos a opeaem em alta otação. Paa isto seão abodados os seguintes assuntos: As caacteísticas que definem uma aplicação como alta otação; Os tipos de motoes utilizados em aplicações em altas otações; As caacteísticas, do ponto de vista constutivo e nomativo, paa que o moto esteja apto a opea em egime de alta otação; A descição de um pojeto paa moto de alta otação.. É também objetivo deste tabalho fonece uma base de infomações sobe o assunto, que possa se utilizado po outos pofissionais da áea de motoes eléticos tifásicos de indução, abangendo aspectos de caacteísticas de mateiais, aplicações e pojetos destas máquinas, auxiliando-os na análise e pojeto de motoes de alta otação.

24 4 INTRODUÇÃO Motoes eléticos dos mais vaiados tipos constutivos são lagamente utilizados nos acionamentos de bombas, compessoes, ventiladoes, equipamentos paa pocessamento de podutos e manuseio de cagas. Estima-se que ceca de 90% dos motoes eléticos utilizados nos setoes industial, comecial, ual e esidencial são motoes de indução com oto de gaiola, tifásicos ou monofásicos []. Uma das caacteísticas pincipais dos motoes de indução com oto injetado é de mante a velocidade paticamente constante dento da egião de funcionamento. A igo, existe uma pequena vaiação em função da caga, e é justamente esta caacteística que se constitui em uma das poucas desvantagens destes motoes. Quando se tabalha com este tipo de moto, existem apenas tês altenativas paa se consegui vaia sua velocidade, sendo uma indieta e duas dietas. A utilização de dispositivos mecânicos que alteam a velocidade da caga sem que haja vaiação da velocidade do moto, os chamados vaiadoes mecânicos, são posicionados ente o moto e a caga, e po este motivo são denominados indietos, uma vez que não intefeem no funcionamento do moto. Estes dispositivos atuam como acoplamento ente o moto e a caga, e podem te váias configuações, como po exemplo, conjunto polia-coeia mostada na Figua., onde se consegue vaia a velocidade da caga em elação ao moto. Mas uma vez deteminada a velocidade da caga, não é possível uma alteação desta, sem que ocoa a paada do sistema e a substituição de pelo menos uma das polias. Figua. Polia fixa.

25 5 Paa se evita este pocesso de paada/toca, existe o sistema de polias fixas de váios estágios, onde se consegue obte alguns estágios discetos de velocidade, mas ainda limitado. Uma evolução do sistema de múltiplas polias é o sistema que utiliza polias cônicas. A gande difeença é que em elação aos dois sistemas anteioes, este pemite uma vaiação contínua da velocidade da caga, atavés do deslocamento da coeia pela supefície das polias cônicas. Neste sistema a vaiação da velocidade ocoe com o conjunto em funcionamento, o que é impossível de ocoe com os anteioes. Existem outos dispositivos que utilizam polias e coeias paa vaia a velocidade ente o acionamento e a caga, mas o pincípio de funcionamento é sempe uma vaiação dos citados acima. Outa foma de vaia a velocidade ente o acionamento e a caga são os jogos de engenagens, conhecidos como Geabox, ou caixa de engenagens. Nestes casos a vaiação da otação pode se de maneia disceta ou contínua. A Figua. ilusta este tipo de acoplamento, que pode se constituído po váias engenagens e se chamado de tem de engenagens. Figua. GeaBox ou tem de engenagens. A maneia dieta de se vaia a velocidade de um moto de indução com oto de gaiola é alteando a velocidade síncona do campo giante, e po conseqüência do moto. A otação síncona do campo giante é dada pela equação: 0.f N s = (.) p

26 6 Onde: N s f p = otação síncona. = feqüência da ede. = númeo de paes de pólos. É fácil pecebe, obsevando a equação (.), que paa alteamos a velocidade, tem-se que altea o númeo de pólos do moto ou a feqüência da fonte de alimentação, mas em qualque dos dois casos, a velocidade do moto é afetada. Nestes casos o moto pode se dietamente ou indietamente acoplado a caga, mas neste caso, com a finalidade pincipal de tansmiti a otação e toque do moto paa a caga, e não com o intuito de obte uma vaiação de velocidade. Paa se altea a polaidade de um moto, têm-se quato tipos de foma constutiva:. Dahlande.. Dupla velocidade. 3. Tipla velocidade. 4. Quato velocidades. Os motoes tipo dahlande possuem enolamento único e devem te sempe polaidades com elação de :, como po exemplo, II/IV ou IV/VIII pólos. Os de dupla velocidade possuem dois enolamentos independentes, e, potanto, podem apesenta polaidades distintas. Os com tês velocidades são uma união de um enolamento tipo dahlande com um enolamento simples ou de dupla polaidade independente com um enolamento simples. Os com quato velocidades são uma união de um enolamento tipo dahlande com um enolamento de dupla polaidade independente. Em todos estes casos, a vaiação de velocidade depende da toca de ligação dos motoes, de estela paa tiângulo, nos motoes dahlande e gealmente de estela paa estela nos motoes com enolamento independentes, e desta foma não podem se adotadas com o sistema em funcionamento. Quando a aplicação eque vaiação de otação, estes motoes apesentam como limitação a falta de contole sobe esta vaiação, além de que a velocidade está sempe limitada à síncona, pois seja po meios mecânicos ou atavés da toca de polaidade, a velocidade, uma vez deteminada, fica constante e a amplitude de vaiação é limitada. No caso de altas velocidades, a maioia dos modelos vistos até agoa não se aplicam, estando

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