Figura 1 - Princípio de Funcionamento do Motor de Indução

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2 Sumário UNIDADE IV - PARTE A... 3 Princípio de Funcionamento do Motor de Indução... 3 Motores de Indução Trifásicos (MIT)... 3 Motores Assíncronos... 8 Motor Síncrono UNIDADE IV - PARTE B Partida do Motor de Indução Partida com Tensão Reduzida com Autotransformador Partida Estrela-Triângulo Partida de Motor de Indução de Rotor Bobinado Motor com rotor bobinado Fig Soft-Start (partida progressiva) UNIDADE IV - PARTE C Motores de Indução Monofásicos Motor de Pólos Sombreados Motor de Fase Dividida (Split.Phase) Motor de Condensador de Partida (Capacitor-Start) Motor De Condensador Permanente (Permanent.Split Capacitor) Motor Com Dois Condensadores (Two.Value Capacitor) Motores universais Motores de passo UNIDADE V - GERADORES CA ALTERNADORES GERADORES EM PARALELO PERDAS E EFICIÊNCIA UNIDADE VI - GERADORES CORRENTE CONTÍNUA (CC) COMPONENTES GERADOR CC SIMPLES A GERADOR EM DERIVAÇÃO B GERADOR SÉRIE C GERADOR COMPOSTO EM DERIVAÇÃO CURTA D GERADOR COMPOSTO EM DERIVAÇÃO LONGA UNIDADE VII - MOTORES CORRENTE CONTÍNUA (CC) COMPONENTES PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO MOTOR SENTIDO DE ROTAÇÃO DA ARMADURA Motores CC TORQUE TIPOS DE MOTORES A MOTOR EM DERIVAÇÃO B MOTOR SÉRIE MOTOR SÉRIE C MOTOR COMPOSTO Questionário

3 UNIDADE IV - PARTE A Princípio de Funcionamento do Motor de Indução O dispositivo apresentado na figura 1 será utilizado para demonstrar o princípio de funcionamento de um motor de indução. Este dispositivo consiste de um imã suspenso por um fio. Sob o imã um disco de cobre ou alumínio está apoiado sob um mancal que está por sua vez apoiado em uma placa de ferro. Neste dispositivo o campo do imã permanente completa-se através do conjunto disco-placa de ferro. Figura 1 - Princípio de Funcionamento do Motor de Indução A medida que o imã girar o disco irá acompanhá-lo. Este fato se deve às correntes parasitas que aparecerão no disco devido a seu movimento relativo em relação ao campo magnético. Lei de Lenz explica o sentido contrário da tensão induzida (e conseqüentes correntes parasitas) que irá produzir o campo que tenderá a se opor a força, ou seja, ao movimento que produziu a tensão induzida. Estas correntes parasitas tenderão a criar sob o polo N do imã um polo S no disco e sob o polo S do imã um polo N no disco. Enquanto durar o movimento, que produz as correntes parasitas, estes pólos serão criados no disco. O disco desta maneira irá girar no mesmo sentido do imã pela atração existente entre estes pares de pólos que tenderão a alinhar-se. Um fato extremamente importante é que o disco irá girar a uma velocidade menor que a do imã, pois caso contrário não existiria movimento relativo entre o imã e o disco e como conseqüência não existiriam as correntes parasitas nem os pólos, nem o movimento do disco e nem o torque. Desta forma, o disco deve escorregar em velocidade para que se produza torque. A diferença de velocidade que existe entre a velocidade síncrona do campo magnético girante e a velocidade um pouco menor na qual gira o disco é chamada de escorregamento (s), e é normalmente expressa em porcentagem. Motores de Indução Trifásicos (MIT) Um motor de indução é composto basicamente de duas partes: um Estator e um Rotor. O estator constitui a parte estática de um motor e o rotor sua parte móvel. O estator é composto de chapas finas de aço magnético tratadas termicamente para reduzir ao mínimo as perdas por correntes parasitas e histerese. Estas chapas têm o formato de um anel com ranhuras internas (vista frontal) de tal maneira que possam ser alojados enrolamentos que deverão criar um campo magnético no estator. O rotor, composto de chapas finas de aço magnético tratadas termicamente como o estator, tem também o formato de um anel (vista frontal), com os enrolamentos alojados longitudinalmente. O motor de indução é o motor de construção mais simples. Estator e rotor são montados solidários, com um eixo comum aos anéis que os compõem. A aplicação de uma tensão nos enrolamentos do estator irá fazer com que apareça uma tensão nos enrolamentos do rotor. Assim o estator pode ser considerado como o primário de um transformador e o rotor como seu secundário. O espaço entre o estator e o rotor é denominado entreferro. A figura 2 apresenta esquematicamente um MIT. 3

4 Figura 2 Máquina de indução Conforme se pode observar na figura 2, no estator de uma MIT os enrolamentos, ou bobinas, são em número de três. Estas bobinas, alojadas nas ranhuras do estator, podem ser ligadas em estrela ou triângulo. No rotor os enrolamentos, enrolados longitudinalmente a seu eixo, podem ser realizados de duas maneiras, o que dá origem a dois tipos de rotor: Rotor Gaiola de Esquilo: tipo mais comum, tem no rotor os condutores da bobinas curto-circuitados em cada terminal por anéis terminais contínuos (figura 3a). Rotor Bobinado: neste tipo de rotor, condutores de cobre que formam uma bobina são colocados em diversas ranhuras (usualmente isolados do núcleo) e podem, no caso de existirem três bobinas, ser ligado em estrela ou triângulo. Neste caso, cada terminal do enrolamento trifásico é ligado a anéis coletores que são isolados do eixo do rotor. Usualmente um resistor trifásico equilibrado variável é ligado aos anéis coletores através de escovas a fim de variar a corrente na partida (figura 3b). (a) (b) Figura 3 Rotor gaiola de esquilo e bobinado Algumas vezes a máquina tipo gaiola é chamada de máquina sem escovas e a máquina com rotor bobinado é chamada de máquina de anéis. Rotor em gaiola de esquilo 4

5 Rotor de gaiola simples. Os condutores são colocados em cavas paralelamente ao veio da máquina. Estes condutores encontram-se curto-circuitados em cada extremidade por um anel condutor. O conjunto do material condutor tem o aspecto de uma gaiola de esquilo, donde deriva o nome dado a este tipo de rotor. Em certos tipos de rotores a gaiola é inteiramente moldada, constituindo o conjunto um dispositivo extraordinariamente robusto. Os condutores podem ser de cobre ou de alumínio. O alumínio sob pressão é frequentemente utilizado. Junto os anéis que os curtocircuitam. Como será visto mais à frente, estes motores podem ter um binário de arranque de fraca intensidade. A corrente absorvida nesta situação é várias vezes superior à corrente nominal. Rotor de gaiola dupla. Este tipo de rotor comporta duas gaiolas concêntricas. A gaiola exterior é construída para ter uma resistência suficientemente elevada de modo a permitir um bom binário de arranque, enquanto que a gaiola interior é constituída por uma resistência baixa de modo a garantir um bom rendimento em funcionamento nominal. Como será visto mais à frente, no arranque funcionará essencialmente a gaiola exterior, enquanto que na situação normal será a gaiola interior a funcionar. O grande benefício que se obtém da utilização de motores deste tipo consiste no aumento do binário de arranque. Consegue-se também uma ligeira diminuição do valor da corrente de arranque. Rotor de gaiola de barras profundas. Este tipo de rotor tem o aspecto da gaiola simples, embora as barras que constituem o seu enrolamento sejam de considerável profundidade. As suas características de arranque são análogas às do rotor de gaiola dupla. Enrolamentos do rotor em gaiola. A construção mais simples consiste em montar os condutores do rotor nas respectivas cavas e curto-circuitá-las por intermédio de dois anéis, um em cada topo. Frequentemente este enrolamento é obtido vazando alumínio no núcleo do rotor, montado num molde, moldando-se ao mesmo tempo as alhetas destinadas à ventilação. Como os condutores estão curto-circuitados permanentemente, não há necessidade de os isolar. Figura 6 - Várias formas possíveis para as barras das gaiolas. A figura 6 apresenta algumas formas dos condutores (definidos pela forma da respectiva cava) tanto para máquinas de gaiola simples como de gaiola dupla, bem ainda como de barras profundas. Motor de rotor bobinado O motor de rotor bobinado difere do motor de rotor em gaiola de esquilo apenas no que se refere ao rotor. O rotor é constituído por um núcleo ferromagnético laminado sobre o qual são alojadas as espiras que constituem o enrolamento trifásico, geralmente dispostas em forma estrela. Os 3 terminais livres de cada uma das bobinas do enrolamento trifásico são ligados a 3 anéis coletores. Esses 3 anéis coletores são ligados externamente a um reostato de arranque formado por 3 resistências variáveis, ligadas também em estrela. Deste modo os enrolamentos do rotor também ficam em circuito fechado. A função do reostato de arranque, é de reduzir as correntes de arranque elevadas, no caso de motores de elevada potência. 5

6 A medida que o motor vai ganhando velocidade, as resistências vão sendo progressivamente retiradas do circuito até ficarem curto-circuitadas, quando o motor passa a funcionar no seu regime nominal. Dessa forma, o motor de rotor bobinado também funciona com os elementos do rotor em curto-circuito ( tal como o motor com rotor em gaiola de esquilo ). O motor de indução de rotor bobinado substitui o de rotor em gaiola de esquilo em potências muito elevadas devido ao abaixamento da corrente de arranque permitida pela configuração do rotor. Apesar de ser utilizado em casos onde as velocidades de serviço são constantes, é preferencialmente aplicado em velocidades de serviço variáveis. Enrolamentos de Campo Quanto ao enrolamento de campo, encontramos dois tipos: Motores de enrolamento de campo com três bobinas, mais conhecido como de 6 terminais que podem ser ligadas da seguinte forma: A ligação para 220 V deverá ser triângulo Triângulo 1-6; 2-4; 3-5. A ligação para 380 V deverá ser estrela Estrela ;

7 Representação do fechamento das bobinas do motor de seis terminais em triangulo e Estrela na placa de identificação do motor. TRIÂNGULO ESTRELA Ligação série paralelo Neste tipo de ligação o motor parte com tensão reduzida em suas bobinas, porém, exige nove terminais no motor, é usado com tensões nominais duplas, sendo a segunda o dobro da primeira. Existem basicamente dois tipos de religações para estes motores: estrela / duplo estrela e triângulo / duplo-triângulo. Nesta partida o motor parte com tensão reduzida nas bobinas em aproximadamente 25% do seu valor. Sua aplicação é em partidas a vazio, pois o conjugado de partida fica reduzido em um quarto de seu valor de tensão nominal Ligação série paralelo triângulo com motor de nove terminais Triangulo série paralela; Chave para motores com enrolamentos nas tensões 220 v/380/440/660 v ou 220/440 v. para esses casos a tensão da rede deve ser 220 v. Na partida, faz-se a ligação triangulo série que estaria pronta para receber 440 v e se aplica a tensão triangulo paralelo 220 v. Após partir, o motor é ligado em triangulo paralelo e suas bobinas recebem a tensão de 220 v da rede 7

8 Partida série paralelo Estrela com motor de nove terminais Estrela série paralela (Y- YY) chave de partida para motores com enrolamentos em 220/380/440/760 v ou 380/760 v. A tensão da rede deve ser de 380 v no momento da partida o motor está ligado em estrela para receber 760 v e aplica se uma tensão de estrela paralelo 380 v, após a partida o motor deve ser ligado em estrela paralelo (Y YY), assim as bobinas recebem a tensão da rede de 380 v Motores de enrolamento de campo com seis bobinas, mais conhecido como de 12 terminais. Os motores de doze terminais não possuem ligações internas entre bobinas, o que possibilita os quatro tipos de religação externamente no motor. As possíveis são 220, 380, 440 e 760*V (*somente para partida). A ligação para 220 V deverá ser duplo triângulo e a ligação para 760 V deverá ser uma estrela com bobinas em série. A ligação para 380 V deverá ser em dupla estrela e a ligação para 440 V um delta com as bobinas em série. Motores Assíncronos Alguns motores de corrente alternada têm rotores que não são quer imãs permanentes quer eletroímãs convencionais. Estes rotores são feitos de metais não-magnéticos, como o alumínio, e não têm nenhuma conexão elétrica. Todavia, o isolamento elétrico deles não os impede de ficarem 'magnetizados' ou 'imantados'. Quando um rotor feito de alumínio é exposto a campos magnéticos alternados, correntes elétricas começam a fluir por ele e estas correntes induzidas tornam o rotor magnético. Esse é um fenômeno básico do eletromagnetismo denominado indução eletromagnética. Tais motores, que usam desse fenômeno para tornarem seus rotores magnetizados, são chamados de 'motores A.C de indução'.os motores de indução são provavelmente o tipo o mais comum de motor de C. A., comparecendo em muitos eletrodomésticos (ventiladores, motores de toca-discos etc.) e aplicações industriais. Fornecem bom torque, começam facilmente a girar, e são baratos. Um motor de indução trabalha ' movendo' um campo magnético em torno do rotor --- o denominado 'campo magnético girante'. O estator que cerca o rotor contem eletroímãs sofisticado. 8

9 O estator não se movimenta, mas sim o campo magnético que ele produz! Com um uso inteligente de vários recursos eletromagnéticos (espiras de curto circuito, capacitores etc.), o estator pode criar pólos magnéticos de que se deslocam em um círculo e se movimenta em torno do rotor. Na ilustração abaixo, o pólo norte do estator 'gira' no sentido anti-horário em torno do rotor. Nos motores CA podemos distinguir três velocidades importantes que influem no funcionamento e características dos motores, a saber: Velocidade síncrona ( Ns) = é a velocidade do campo magnético rotativo existente no campo indutor. Velocidade do rotor (Nr) = é a velocidade desenvolvida pelo rotor e pelo eixo do motor, pois este está preso ao rotor. Velocidade de escorregamento (N) = é a diferença entre as velocidades síncrona e a que o rotor está girando. As velocidades dos motores na prática são medidas em RPM ( rotações por minuto ). - Motores Assíncronos são aqueles cuja velocidade do rotor não é síncrona com a freqüência da rede CA. Nr < Ns Ns= 120f / P N= Ns - Nr S = ((Ns-Nr)/Ns) x 100 Ex: um motor de 2 pólos ligado a uma rede 60Hz tem em seu rotor girando a 3550 rpm, teremos: Nr = 3550 rpm, Ns= 120x60/2= 3600 rpm logo, S = ( )/3600 = 0,0138 x 100= 1,38 % de escorregamento percentual. Quando um motor assíncrono está em vazio o escorregamento é baixo, porque Nr se aproxima de Ns. Quando se aplica carga no eixo do motor o escorregamento aumenta. À primeira vista, as máquinas de indução podem ser também consideradas como máquinas de excitação única, porque são aplicadas a seu estator apenas tensões alternadas polifásicas. Mostraremos, contudo, que uma tensão alternada de freqüência variável é induzida no seu rotor, da mesma maneira que se induz uma tensão alternada, por ação transformadora, num secundário de um transformador. A máquina de indução, conseqüentemente, é uma máquina de dupla excitação, na qual uma tensão alternada CA é aplicada a ambos os enrolamentos, ao do estator (armadura) e ao do rotor. A tensão aplicada ao enrolamento da armadura é uma tensão de excitação de freqüência (normalmente) constante e de potencial também (normalmente) constante, suprida por um barramento polifásico ou monofásico, da mesma maneira que nas máquinas síncronas. A tensão aplicada ao rotor é uma tensão induzida de freqüência e potencial variáveis, produzida como conseqüência da velocidade do rotor com relação à velocidade síncrona. De todos os tipos de motores estudados até agora (motores CC e motores polifásicos CA síncronos), o motor de indução de gaiola de esquilo é o mais simples no aspecto construtivo. Não tem comutador, nem anéis coletores, nem quaisquer contatos movéis entre o rotor e o estator. Este tipo de construção leva a muitas vantagens, inclusive a uma operação isenta de manutenção, indicando-se sua aplicação em localizações remotas, e sua operação em situações severas de trabalho onde a poeira e outros materiais abrasivos sejam fatores a serem considerados. Por esta razão, é correntemente o motor de CA polifásico mais largamente utilizado. Enquanto o motor de indução é talvez o mais simples de todos os motores, sob o ponto de vista de operação e trabalho, a teoria de sua operação é bastante sofisticada. É devido à ação geradora que ocorre, produzindo correntes e um resultante campo magnético oposto, que o motor de indução pode ser classificado como uma máquina duplamente excitada. Além disso, como em todas as máquinas, enquanto o torque eletromagnético é o resultado da interação entre os campos magnéticos produzidos pelas duas correntes de excitação, ocorre simultaneamente uma ação geradora. No motor síncrono CA, ocorriam a ação-motor e a ação geradora à velocidade síncrona do campo magnético girante. No motor de indução CA, nem a ação-motor nem a ação-gerador poderão ocorrer à velocidade síncrona. Por isso, as máquinas que funcionam sob o princípio de indução são classificadas como assíncronas ou não síncronas. O torque desenvolvido na situação de motor parado para cada um dos condutores individuais no rotor pode ser expresso em função do fluxo ou corrente (que produz o fluxo), no estator e no rotor, respectivamente, como: T= k t x Φ x I r x cos Φ r 9

10 Como um princípio unificante, o torque desenvolvido em cada condutor de ums máquina duplamente excitada é proporcional a Φ 1 Φ 2 cos Φ, onde Φ 1 Φ 2 representam os fluxos resultantes produzidos pelas duas tensões de excitação, e Φ é o ângulo entre os fluxos. Assim, o torque é produzido pela repulsão ou atração de dois campos magnéticos. Este princípio, portanto, é igualmente verdadeiros para instrumentos eletrodinamométricos e para alto-falantes dinâmicos. onde K t Φ é uma constante de torque para o número de pólos, o enrolamento, as unidades empregadas, etc. é o fluxo produzido por cada pólo unitário do campo magnético girante que concatena o condutor do rotor. I r cos Φ r é a componente da corrente do rotor em fase com Φ. CORRENTE NOMINAL Quanto a corrente nominal no motor podemos determinar como sendo: Para motores monofásicos I = P(cv) x 736 (A) V x η x cos θ Para motores trifásicos I = P(cv) x 736.(A) 1,73 x V x η x cos θ onde: P(cv) potência do motor em CV, sendo convertida para W V tensão nominal, Volts η - rendimento do motor cos θ - fator de potência do motor Motor Síncrono O motor síncrono não tem inerentemente torque de partida, isto é, não parte por si mesmo sem um enrolamento de compensação. Como os motores de indução, os motores síncronos possuem enrolamentos no estator que produzem o campo magnético girante, mas, o circuito do rotor de um motor síncrono é excitado por uma fonte de corrente contínua proveniente de uma excitatriz, que é um pequeno gerador de corrente contínua. O motor síncrono não tem partida própria, necessitando, portanto, que o rotor seja arrastado até a velocidade síncrona por um meio auxiliar. Existem motores em que a partida é dada por condutores em gaiolas embutidos na face dos polos do rotor. Inicia-se a partida como motor de indução e no momento certo excita-se os polos do rotor e o motor entra em sincronismo. Entre as vantagens dos motores síncronos, em relação aos de indução, está o fato de que o entreferro nas máquinas síncronas é maior. O enrolamento de indução do rotor desenvolve, portanto, durante a partida uma relação razoavelmente grande de sua reatância para sua para sua resistência. Embora isso possa resultar em maiores correntes de partida e menores fatores de potência para o desenvolvimento do mesmo torque, ou mesmo de um torque menor, o fato resulta em melhor velocidade de escorregamento a vazio do motor síncrono. O motor síncrono parte e funciona à velocidade síncrona ou a uma velocidade próxima dela, através dos enrolamentos amortecedores que propiciam uma partida como a de um motor de indução.operação: Durante o período transitório, quando se acelera um motor síncrono, como se ele fosse motor de indução, teremos uma corrente de armadura circulando no enrolamento do estator. Está corrente que estará sendo limitada essencialmente pela tenção induzida e pela corrente circulante nas barras de enrolamento amortecedor do rotor, por ação-transformador. Quando se energiza o campo cc(e o rotor entra em sincronismo), por outro lado, o fluxo do motor induz nos condutores do estator uma tensão CA. Uma vez que o motor síncrono está em paralelo com o barramento, a corrente que o motor solicita da rede, como resultado da ação-motor, é uma corrente sincronizante, requerendo-se, portanto, uma potencia sincronizante para manter o seu motor em sincronismo com a frequência de rotaçao do fluxo do estator. 10

11 O motor síncrono AC usa eletroímãs como estatores para fazer girar o rotor que é um ímã permanente. O rotor gira com freqüência igual ou múltipla daquela da AC aplicada. Este motor é essencialmente idêntico a um gerador elétrico; realmente, geradores e motores têm configuração bastante próximas. Um gerador usa do trabalho mecânico para produzir a energia elétrica enquanto que um motor usa a energia elétrica para produzir trabalho mecânico. O rotor, na ilustração acima, é um ímã permanente que gira entre dois eletroímãs estacionários. Como os eletroímãs são alimentados por corrente alternada, seus pólos invertem suas polaridades conforme o sentido da corrente inverte. O rotor gira enquanto seu pólo norte é 'puxado' primeiramente para o eletroímã esquerdo e 'empurrado' pelo eletroímã direito. Cada vez que o pólo norte do rotor está a ponto de alcançar o pólo sul de um eletroímã estacionário, a corrente inverte e esse pólo sul transforma-se um pólo norte. O rotor gira continuamente, terminando uma volta para cada ciclo da corrente alternada. Como sua rotação é perfeitamente sincronizada com as reversões da C.A, este motor é denominado 'motor elétrico síncrono da C. A.'. O motor da bomba d'água de máquinas de lavar roupa, por exemplo, são desse tipo. Os motores de C.A síncronos são usados somente quando uma velocidade angular constante é essencial para o projeto. Entretanto, os motores síncronos ilustram um ponto importante sobre motores e geradores: são, essencialmente, os mesmos dispositivos. Se você conectar um motor C.A síncrono à rede elétrica domiciliar e o deixar girar, extrairá energia do circuito elétrico e fornecerá trabalho mecânico. Mas, se você ligar uma lâmpada incandescente no cordão de força que sai desse mesmo motor e girar bem rapidamente seu rotor (com um sistema de rodas acopladas e manivela), gerará 'eletricidade' e a lâmpada acenderá. UNIDADE IV - PARTE B Partida do Motor de Indução Embora haja algumas exceções, de uma maneira geral, um motor de indução requer aproximadamente seis vezes a sua corrente nominal para partida a tensão nominal. Na maioria das utilizações, residenciais ou industriais, pequenos motores de indução do tipo gaiola, de baixa potência, podem partir com ligação direta à rede, sem que se verifiquem quedas na tensão de suprimento e sem que se verifique no motor um grande aumento do período de aceleração, desde o repouso, até sua velocidade nominal. Pelos elevados valores das correntes de partida as concessionárias de energia responsáveis pelo fornecimento de energia residencial e comercial estabelecem limites de potência para a partida a plena carga de grandes motores. Deve-se portanto utilizar sistemas de partida visando a diminuição da corrente de partida. No meio industrial, a adoção de um sistema de partida eficiente envolve considerações quanto à capacidade da instalação, requisitos da carga a ser considerada, além da capacidade do sistema gerador. As próximas seções apresentam os principais métodos de partida utilizados com MITs. Partida direta É o modo de partida mais simples, com o estator ligado diretamente à rede. O motor parte com as suas características naturais. No momento da colocação em funcionamento, o motor comporta-se como um transformador em que o secundário, constituído pela gaiola do rotor, muito pouco resistiva, está em curto- 11

12 circuito. A corrente induzida no rotor é elevada. Sendo as correntes primária e secundária sensivelmente proporcionais, o pico de corrente resultante é elevado; I partida = 5,0 a 7,5 I nominal. O conjugado de partida é, em média; C partida = 0,5 a 1,5 C nominal. Apesar das suas vantagens (aparelhagem simples, conjugado de partida elevado, partida rápida, preço baixo), a partida direta só é interessante nos casos em que: a potência do motor é baixa, relativamente à potência disponível na rede, de modo a limitar as perturbações originadas pelo pico de corrente, a máquina movimentada não necessita de uma aceleração progressiva e está equipada com um dispositivo mecânico (redutor, por exemplo) que evita uma partida muito rápida, o conjugado de partida tem que ser elevado,. Em contrapartida, sempre que: a corrente exigida possa perturbar o bom funcionamento de outros aparelhos ligados ao mesmo circuito, provocado pela queda de tensão que ela causa, a máquina não aguente golpes mecânicos, o conforto ou a segurança dos usuários sejam considerados (caso das escadas rolantes, por exemplo), torna-se necessário utilizar um artifício para diminuir a corrente exigida ou o conjugado de partida. O processo mais usado consiste em partir o motor sob tensão reduzida. Curvas em partida direta Fig. 9 De fato, uma variação da tensão de alimentação tem as seguintes conseqüências: na corrente de partida varia proporcionalmente à tensão de alimentação, n o conjugado de partida varia proporcionalmente ao quadrado da tensão de alimentação. Exemplo: se a tensão for dividida por 3, a corrente é sensivelmente dividida por 3, e o conjugado é dividido por 3. Exemplo de Partida Direta Circuito de comando Fig

13 Circuito de Força (Principal) Fig. 11 Partida com Tensão Reduzida com Autotransformador Motores de indução trifásicos de tipo gaiola podem arrancar com tensão reduzida usando um único autotransformador (ou autocompensador) trifásico ou três transformadores trifásicos como mostra a figura 4. Os taps do autotransformador variam de 50 a 80% da tensão nominal. A chave tripolar de duas posições é colocada na posição de partida e deixada lá até que o motor tenha acelerado a carga até aproximadamente a velocidade nominal, sendo então imediatamente levada à posição funcionamento, aplicando-se a tensão total da rede. Exemplo de um autotransformador Figura 12 Partida com tensão reduzida através de autotransformador 13

14 Esquema elétrico do autotransformador Fig. 13 O motor é alimentado a tensão reduzida através de um autotransformador, que é desligado do circuito no final da partida. A partida é feita em três tempos: No primeiro tempo, o autotransformador é ligado primeiro em estrela e em seguida o motor é ligado à rede, por intermédio de uma parte dos enrolamentos do autotransformador. A partida é feita com uma tensão reduzida, que é função da relação de transformação. O autotransformador está geralmente equipado com derivações, que permitem escolher a relação de transformação e, portanto, o valor da tensão reduzida mais apropriado. Antes de passar à ligação a tensão plena, a ligação em estrela é aberta. A fração do enrolamento ligada à rede constitui então uma indutância ligada em série como o motor. Esta operação é realizada quando se atinge a velocidade de equilíbrio, no final do primeiro tempo. A ligação à plena tensão é feita após o segundo tempo, que geralmente é muito curto (uma fração de segundo). As indutâncias ligadas em série com o motor são curto-circuitadas e em seguida o autotransformador é desligado do circuito. A corrente e o conjugado de partida variam nas mesmas proporções. Dividem-se por (U rede / U reduzida)2. Obtêm-se os seguintes valores: Ia = 1,7 a 4 I partida direta Ca = 0,5 a 0,85 C partida direta A partida é feita sem interrupção da corrente no motor. Assim, evitam-se os fenômenos transitórios resultantes da interrupção. Podem, no entanto, produzir-se fenômenos transitórios da mesma natureza no momento da ligação à tensão plena, se não forem tomadas certas precauções. De fato, o valor da indutância ligada em série com o motor após a abertura da ligação estrela é elevado, relativamente ao do motor. Daí resulta uma queda de tensão elevada, que provoca um pico de corrente transitória no momento da ligação a plena tensão. Para evitar este inconveniente, no circuito magnético do autotransformador existe um entreferro, cuja presença dá lugar a uma diminuição do valor da indutância. Este valor é calculado de tal modo que, no momento da abertura da ligação estrela, no segundo tempo, não há variação de tensão nos terminais do motor. A presença do entreferro tem como conseqüência um aumento da corrente magnetizante do autotransformador, que aumenta a corrente exigida na rede durante o primeiro tempo de arranque. Este modo de partida é geralmente utilizado para motores com potência superior a 10 kw. Implica, no entanto, no emprego de equipamentos relativamente caros, devido ao preço elevado do autotransformador. 14

15 Partida do Autotransformador Fig. 14 Autotransformador e suas correntes. Fig. 15 Partida Estrela-Triângulo Em termos de simplicidade e custo, esta é a maneira mais conhecida de partida de um motor de indução. Para que se possa aplicar este método é necessário que o motor permita o acesso a seus terminais das bobinas do estator, de tal forma que seja possível efetuar-se a conexão estrela durante a partida, e delta na operação. Quando ligadas em estrela, a tensão imposta à cada bobina é reduzida em 1/3, ou seja, 57,7 % da tensão da linha. Assim, por meio de chaves como mostra a figura 10, é possível fazer partir um motor de indução em estrela, com pouco mais da metade da tensão nominal aplicada à cada bobina e posteriormente funcionar em delta com toda a tensão de linha. A corrente de linha para a partida fica reduzida a 1/3 da corrente nominal. O chaveamento da posição estrela para a posição delta deve ser feito tão rapidamente quanto possível para eliminar grandes correntes transitórias devidas a perda momentânea de potência. 15

16 Este processo de partida só pode ser utilizado num motor em que as duas extremidades de cada um dos três enrolamentos estatóricos estejam ligadas à placa de terminais. Por outro lado, o enrolamento deve ser feito de tal modo que a ligação triângulo corresponda à tensão da rede; por exemplo, para uma rede trifásica de 380 V, é necessário um motor bobinado em 380V triângulo e 660 V estrela. O princípio consiste em partir o motor ligando os enrolamentos em estrela à tensão da rede, o que é o mesmo que dividir a tensão nominal do motor em estrela por 3 (no exemplo dado acima, tensão da rede 380 V = 660 V/ 3). O pico de corrente de partida é dividida por 3: Ia = 1,5 a 2,6 I partida direta Efetivamente, um motor 380 V/ 660 V ligado em estrela à tensão nominal de 660 V absorve uma corrente 3 vezes menor do que em ligação triângulo a 380 V. Sendo a ligação estrela feita a 380 V, a corrente é novamente dividida por 3, logo, no total, por 3. Uma vez que o conjugado de partida é proporcional ao quadrado da tensão de alimentação, ele próprio também é dividido por 3: Ca = 0,2 a 0,5 C partida direta. A velocidade do motor estabiliza quando os conjugados motor e resistente se equilibram, geralmente entre 75 e 85% da velocidade nominal. Os enrolamentos são então ligados em triângulo e o motor recupera as suas características nominais. A passagem da ligação estrela à ligação triângulo é controlada por um temporizador. O fechamento do contator triângulo se dá com um atraso de 30 a 50 milisegundos após a abertura do contator estrela, o que evita um curto-circuito entre fases, uma vez que os dois contatores não podem ficar fechados simultaneamente. A corrente que atravessa os enrolamentos é interrompida pela abertura do contator estrela. Volta a estabelecer-se quando o contator triângulo fecha. Esta passagem para triângulo fecha. Esta passagem para triângulo é acompanhada de um pico de corrente transitória muito curto, mas muito elevado, devida à força contra-eletromotriz do motor. A partida estrela-triângulo é indicada para as máquinas que tem baixo conjugado resistente, ou que partem em vazio. Em virtude do regime transitório no momento da ligação triângulo, pode ser necessário, acima de uma determinada potência, utilizar uma variante para limitar estes fenômenos transitórios: n temporização de 1 a 2 segundos na passagem estrela-triângulo. Esta temporização permite uma diminuição da força contra-eletromotriz, logo do pico de corrente transitória. Esta variante só pode ser utilizada se a máquina tem inércia suficiente para evitar uma desaceleração excessiva durante a temporização. n partida em 3 tempos: estrela-triângulo+resistência-triângulo. O desligamento subexiste, mas a resistência, ligada em série durante cerca de três segundos com os enrolamentos ligados em triângulo, reduz o pico de corrente transitória. n partida estrela-triângulo+resistência-triângulo sem desligamento. A resistência é ligada em série com os enrolamentos, imediatamente antes da abertura do contator estrela. Evita-se assim a interrupção da corrente e, portanto o aparecimento de fenômenos transitórios. A utilização destas variantes exige a aplicação de componentes suplementares, o que pode ter como conseqüência um aumento considerável do custo de instalação. A utilização de um dispositivo estático do tipo Altistart pode ser, em muitos casos, uma boa solução. 16

17 Curvas em partida Estrela Triângulo Fig. 17 Partida Estrela Triângulo Fig. 18 Circuito de Comando Circuito de Força (Principal) Partida de Motor de Indução de Rotor Bobinado O torque de partida do motor de indução de rotor bobinado pode ser ajustado por meio de resistências externas associadas ao circuito do rotor, ou seja através da conexão de resistores variáveis em série com cada bobina do rotor. Limitando-se a corrente no circuito do rotor, com torque adequado no instante da partida, a corrente de linha no estator é consideravelmente reduzida. A figura 11 mostra um esquema de tal motor, sem os anéis coletores e com os detalhes do sistema de controle composto de resistências. Na posição desligado, mesmo com o motor energizado, o rotor não gira devido ao circuito do rotor estar aberto. O motor arranca ao primeiro contato da chave com a posição de máxima resistência. O motor irá acelerar na medida em que a manopla move-se no sentido horário, diminuindo-se a resistência do rotor. Na posição final, o rotor é completamente curto-circuitado. Se o dispositivo for projetado de tal modo que as resistências permaneçam no circuito, o dispositivo de partida pode servir também como controlador de velocidade. 17

18 Motor com rotor bobinado Fig. 20 Esquema do motor com rotor bobinado Fig

19 Soft-Start (partida progressiva) A alimentação do motor, quando é colocado em funcionamento, é feita por aumento progressivo da tensão, o que permite uma partida sem golpes e reduz o pico de corrente. Este resultado obtém-se por intermédio de um conversor com tiristores, montados 2 a 2 em cada fase da rede. A subida progressiva da tensão de saída pode ser controlada pela rampa de aceleração ou dependente do valor da corrente de limitação, ou ligada a estes dois parâmetros. Um conversor estático do tipo Altistart é um regulador com 6 tiristores, que é utilizado para partida e parada progressivas de motores trifásicos de rotor em curto-circuito. Assegura: no controle das características de funcionamento, principalmente durante os períodos de partida e parada, na proteção térmica do motor e do controlador, na proteção mecânica da máquina movimentada, por supressão dos golpes e redução da corrente de partida. Permite partir todos os motores assíncronos. Pode ser curto-circuitado no final da partida por um contator, mantendo o controle do circuito de comando. Além do controle da partida, permite ainda: nova desaceleração progressiva, na parada com frenagem. UNIDADE IV - PARTE C Motores de Indução Monofásicos Os motores monofásicos são assim chamados porque os seus enrolamentos de campo são ligados diretamente a uma fonte monofásica. Os motores de indução monofásicos são a alternativa natural aos motores de indução polifásicos, nos locais onde não se dispõe de alimentação trifásica, como residências, escritórios, oficinas e em zonas rurais. Apenas se justifica a sua utilização para baixas potências (1 a 2 KW). Entre os vários tipos de motores elétricos monofásicos, os motores com rotor tipo gaiola destacam-se pela simplicidade de fabricação e, principalmente, pela robustez, confiabilidade e manutenção reduzida. Por terem somente uma fase de alimentação, não possuem um campo girante como os motores polifásicos, mas sim um campo magnético pulsante. Isto impede que tenham binário de arranque, tendo em conta que no rotor se induzem campos magnéticos alinhados com o campo do estator. Para solucionar o problema de arranque utilizam-se enrolamentos auxiliares, que são dimensionados e posicionados de forma a criar uma segunda fase fictícia, permitindo a formação do campo girante necessário para o arranque. Os motores monofásicos são classificados em motores comutadores, motores de indução ou motores síncronos, conforme o método usado para lhes dar a partida, da seguinte forma: Motor comutador. Motor CA em série (ou universal série). Motor de repulsão. Motor de indução motores de fase dividida. Motor com capacitor de partida. Motor com capacitor. 19

20 Motor de indução com partida de repulsão. Motor com pólo sombreado. Motor síncrono. Motor comutador. Motor CA série. Quando um motor comum cc série é ligado a uma fonte de alimentação ca, a corrente retirada pelo motor é baixa em virtude da alta impedância do campo em série. Disto resulta um baixo torque de rotação. Para se reduzir à reatância do campo ao mínimo, os motores ca série são construídos com o menor número de espiras possível. A reação da armadura é superada utilizando-se enrolamentos compensadores nas peças polares. As características de funcionamento são semelhante ás dos motores série. A velocidade aumenta até um valor alto com a diminuição da carga. O torque é alto para correntes altas da armadura, de modo que o motor tenha um bom torque de partida. Os motores ca série funcionam com maior eficiência em baixas freqüências. Alguns deles, de maiores dimensões, usados em locomotivas, funcionam em 25hz ou menos. Entretanto, são projetados modelos menores com potência de fração de cavalo-vapor (cv), para funcionar em 50hz ou 60hz. Motor de repulsão. O motor de repulsão tem uma armadura e um comutador semelhante ao do motor cc. Entretanto, as escovas não estão ligadas à fonte de alimentação, mas estão curto-circuitadas. Os enrolamentos do estator produzem uma corrente nos enrolamentos do rotor por indução. Está corrente produz pólos magnéticos no rotor. A orientação desses pólos depende da posição das escovas. A interação do campo do rotor com o campo do estator cria o torque do motor. O motor de repulsão tem um alto torque de partida e alta velocidade com cargas leves. Ele é usado onde se espera cargas pesadas de partida. Motor de indução. O motor de indução monofásico não tem partida própria. O campo magnético criado no estator de alimentação ca permanece alinhado num sentido. Este campo magnético, embora estacionário, pulsa com a onda seno da tensão. Este campo pulsante induz uma tensão nos enrolamentos do rotor, mas o campo do rotor só pode se alinhar com o campo do estator. Com estes dois campos em linha reta, não aparece nenhum torque. É necessário então fazer o rotor girar através de algum dispositivo auxiliar. Uma vez atingida a rotação do rotor com velocidade suficiente, a interação entre os campos do rotor e do estator manterá a rotação. O rotor continuará a aumentar a velocidade, tentando engatar na velocidade de sincronismo. Finalmente, ele atingirá uma velocidade de equilíbrio igual à velocidade de sincronismo menos o escorregamento. Motor de fase dividida. Se dois enrolamentos do estator de impedâncias diferentes estiverem separados de 90 graus elétricos, mas ligados em paralelo a uma fonte monofásica, o campo produzido parece girar. Este é o principio da divisão de fase. No motor de fase dividida o enrolamento da partida ou auxiliar tem uma resistência mais alta e uma reatância mais baixa do que a do enrolamento principal. Quando a mesma tensão(v t ) é aplicada aos dois enrolamentos, a corrente no enrolamento principal(i m ) segue atrás da corrente no enrolamento da partida (i s ). O ângulo entre o enrolamento principal e da partida constitui uma diferença de fase suficiente para fornecer um campo magnético rotativo fraco que dá para produzir o torque de partida. Quando o motor atinge uma velocidade predeterminada, geralmente 70 a 80 por cento da velocidade de sincronismo, uma chave centrifuga montada sobre o eixo do motor se abre, desligando assim o enrolamento da partida. Pelo fato de ter um baixo torque de partida, esse tipo de motor é amplamente usado para cargas com partida relativamente fácil. Freqüentemente ele é usado em dimensões maiores do que1/3 hp. As aplicações mais comuns incluem as maquinas de lavar e ferramentas de marcenaria. Motor com capacitor de partida. Colocando-se um capacitor em série com o enrolamento de partida de um motor de fase dividida, pode-se melhorar as características da partida. Pode-se fazer a corrente do enrolamento da partida seguir adiante da tensão. 20

21 Pode-se fazer aproximadamente 90º, o que resulta num torque de partida mais alto. Este motor também emprega uma chave centrífuga para desligar o enrolamento de partida. Portanto, o capacitor fica no circuito somente durante o período da partida. Motor com capacitor. O motor com capacitor funciona com um enrolamento auxiliar e um capacitor em série permanentemente ligado à linha. A capacitância em série pode ser de um valor para a partida e outro valor para a rotação.à medida que o motor gira aproximando-se da velocidade de sincronismo, a chave centrífuga desliga uma seção do capacitor. Motor de indução com partida por repulsão. Como um motor cc, o rotor do motor de indução com partida por repulsão possui enrolamentos ligados a um comutador. As escovas da partida fazem contato com o comutador de modo que o motor parte como um motor de repulsão. À medida que o motor se aproxima da velocidade máxima, um dispositivo centrífugo curto-circuita todos os segmentos do comutador, de modo que ele funcione como um motor de indução. Este tipo de motor é construído em dimensões que variam de ½ a 15 hp e é usado em aplicações que exigem um alto torque de partida. Motor de pólo sombreado ou pólo fendido. Produz-se um pólo sombreado através de uma bobina de curto-circuito enrolada em torno de uma parte de cada pólo do motor. A bobina é formada geralmente por uma única cinta ou faixa de cobre. O efeito dessa bobina é o de produzir um pequeno movimento de varredura do fluxo do campo de um lado ao outro da peça polar à medida que o campo pulsa. Esse ligeiro desvio do campo magnético produz um pequeno torque de partida. Portanto, os motores de pólo sombreado possuem partida própria. À medida que o campo aumenta na peça polar é induzida uma corrente na bobina de sombreamento. Esta corrente produz um campo magnético que se opõe ao campo principal. O campo principal se concentra, portanto, do lado oposto das peças polares. À medida que o campo começa a diminuir o campo da bobina de sombreamento se somará ao campo principal. Essa concentração de fluxo desloca-se então para a outra borda da peça polar. Esse método de partida de motores é usado em motores muito pequenos, até cerca de 1/25 hp, para girar pequenos ventiladores, aparelhos domésticos pequenos e relógios. Motor síncrono Existem vários tipos de motores que trabalham em relógios elétricos, em pratos de toca discos e outros dispositivos que exigem precisão na rotação. Um tipo é chamado de motor síncrono de warren. Sua partida é dada utilizando-se bobinas de sombreamento na peça polar. O motor atinge a velocidade de sincronismo a partir dos efeitos das correntes parasitas que fluem no ferro do rotor e da histerese. Sua maior aplicação está nos relógios e outros dispositivos marcadores de tempo. Tipos de Motores de indução monofásicos: 21 Motor de Pólos Sombreados (ou shaded pole); Motor de Fase Dividida (ou split phase); Motor de Condensador de Partida (ou capacitor - start); Motor de Condensador Permanente (ou permanent - split capacitor); Motor com Dois Condensadores (ou two-value capacitor). Seguidamente vamos apresentar o funcionamento, características, vantagens e aplicações dos vários tipos de motores monofásicos. Motor de Pólos Sombreados O motor de pólos sombreados, também chamado de motor de campo distorcido (ou shaded pole), graças ao seu processo de arranque, é o mais simples, confiável e econômico do motores de indução. Construtivamente existem diversos tipos, sendo que uma das formas mais comuns é a de pólos salientes. Cada pólo vai ter uma parte (em geral 25% a 35% do mesmo) é abraçada por uma espira de cobre em curto-circuito. A corrente induzida nesta espira faz com que o fluxo que a atravessa sofra um atraso em relação ao fluxo da parte não abraçada pela mesma. O resultado disto semelhante a um campo girante que se move na direção da parte

22 não abraçada para a parte abraçada do pólo, produzindo o binário que fará o motor partir e atingir a rotação nominal. O sentido de rotação, portanto, depende do lado em que se situa a parte abraçada do pólo. Consequentemente, o motor de campo distorcido apresenta um único sentido de rotação. Este geralmente pode ser invertido, mudando-se a posição da ponta de eixo do rotor em relação ao estator. Existem outros métodos para se obter inversão de rotação, mas muito mais dispendiosos. Quanto ao desempenho, os motores de campo distorcido apresentam baixo binário de arranque (15% a 50% do nominal), baixo rendimento e baixo fator de potência. Devido a esse fato, eles são normalmente fabricados para pequenas potências, que vão de alguns milésimos de cv a 1/4 cv. Pela sua simplicidade, robustez e baixo custo, são ideais em aplicações tais como: movimentação de ar (ventiladores, exaustores, purificadores de ambiente, unidades de refrigeração, secadores de roupa e de cabelo, pequenas bombas e compressores, projetores de slides, gira-discos e aplicações domésticas. Apesar de sua aparente simplicidade, o projeto deste tipo de motor é de extrema complexidade, envolvendo conceitos de duplo campo girante, campos cruzados e complexa teoria eletromagnética. Motor de Pólos Sombreados Motor de Fase Dividida (Split.Phase) Este motor possui um enrolamento principal e um auxiliar (para o arranque), ambos defasados de 90 graus. O enrolamento auxiliar cria um deslocamento de fase que produz o binário necessário para a rotação inicial e a aceleração. Quando o motor atinge uma rotação predeterminada, o enrolamento auxiliar é desligado da rede através de uma chave que normalmente é atuada por uma força centrífuga (chave ou disjuntor centrífugo) ou em casos específicos, por relé de corrente, chave manual ou outros dispositivos especiais. Como o enrolamento auxiliar é dimensionado para atuar apenas no arranque, se não for desligado logo após o arranque danifica-se. O ângulo de desfasamento que se pode obter entre as correntes do enrolamento principal e do enrolamento auxiliar é pequeno e, por isso, estes motores têm binário de arranque igual ou pouco superior ao nominal, o que limita a sua aplicação a potências fracionárias e a cargas que exigem pouco binário de arranque, tais como máquinas de escritórios, ventiladores e exaustores, pequenos polidores, compressores herméticos, bombas centrífugas, etc. Motor de Fase Dividida 22

23 Motor de Condensador de Partida (Capacitor-Start) É um motor semelhante ao de fase dividida. A principal diferença reside na inclusão de um condensador eletrolítico em série com o enrolamento auxiliar de arranque. O condensador permite um maior ângulo de desfasamento entre as correntes dos enrolamentos principal e auxiliar, proporcionando assim, elevados binários de arranque. Como no motor de fase dividida, o circuito auxiliar é desligado quando o motor atinge entre 75% a 80% da velocidade síncrona. Neste intervalo de velocidades, o enrolamento principal sozinho desenvolve quase o mesmo binário que os enrolamentos combinados. Para velocidades maiores, entre 80% e 90% da velocidade síncrona, a curva do binário com os enrolamentos combinados cruza a curva de binário do enrolamento principal de maneira que, para velocidades acima deste ponto, o motor desenvolve menor binário, para qualquer escorregamento, com o circuito auxiliar ligado do que sem ele. Devido ao fato de o cruzamento das curvas não ocorrer sempre no mesmo ponto e, ainda, o disjuntor centrífugo não abrir sempre exatamente na mesma velocidade, é prática comum fazer com que a abertura aconteça, na média, um pouco antes do cruzamento das curvas. Após a abertura do circuito auxiliar o seu funcionamento é idêntico ao do motor de fase dividida. Com o seu elevado binário de arranque (entre 200% e 350% do binário nominal), o motor de condensador de partida pode ser utilizado numa grande variedade de aplicações e fabricado para potências que vão de ¼ cv a 15 cv. Motor Com Capacitor de Partida Motor De Condensador Permanente (Permanent.Split Capacitor) Neste tipo de motor, o enrolamento auxiliar e o condensador ficam permanentemente ligados, sendo o condensador do tipo electrostático. O efeito deste condensador é o de criar condições de fluxo muito semelhantes às encontradas nos motores polifásicos, aumentando, com isso, o binário máximo, o rendimento e o fator de potência, além de reduzir sensivelmente o ruído. Construtivamente são menores e isentos de manutenção, pois não utilizam contactos e partes móveis, como nos motores anteriores. Porém o seu binário de arranque, é inferior ao do motor de fase dividida (50% a 100% do conjugado nominal), o que limita sua aplicação a equipamentos que não requerem elevado binário de arranque, tais como: máquinas de escritório, ventiladores, exaustores, sopradores, bombas centrifugas, esmeris, pequenas serras, furadeiras, condicionadores de ar, pulverizadores, etc. São fabricados normalmente para potências de 1/50 a 1,5 cv. Motor Com Capacitor Permanente 23

24 Motor Com Dois Condensadores (Two.Value Capacitor) É um motor que utiliza as vantagens dos dois anteriores: arranque como o do motor de condensador de partida e funcionamento em regime idêntico ao do motor de condensador permanente. Porém, devido ao seu alto custo, normalmente são fabricados apenas para potências superiores a 1 cv. Motor com dois Capacitores Motores universais Antes de comentarmos sobre os verdadeiros motores elétricos AC, vejamos um tipo intermediário de motor denominado motor universal. Esse motor pode funcionar tanto com alimentação DC como AC. Um verdadeiro motor elétrico DC não aceita alimentação AC (essa inverte o sentido da corrente a cada meio ciclo e isso apenas causaria trepidações); do mesmo modo, um verdadeiro motor AC (como veremos) não aceita alimentação DC (essa não oferecerá as convenientes alterações do sentido da corrente para o correto funcionamento do motor). Porém, se substituirmos os ímãs permanentes dos estatores dos motores DC por eletroímãs e ligarmos (em série) esses eletroímãs no mesmo circuito do rotor e comutador, teremos um motor universal. Eis a ilustração dessa 'engenhoca': Nos motores universais, tanto estator como rotor são eletroímãs com bobinas em série e concordância. 24

25 Este motor 'girará' corretamente quer seja alimentado por corrente contínua ou corrente alternada. A diferença notável entre motor universal e motor DC é que se você alimentar o motor universal com fonte DC, ele não inverterá o sentido de rotação se você inverter a polaridade da fonte (como acontece com o motor DC), continuará a girar sempre no mesmo sentido. Se você quiser realmente inverter o sentido de rotação de um motor universal deverá inverter as ligações nos eletroímãs dos estatores para inverter seus pólos. Motores universais são usados, por exemplo, em batedeiras elétricas, aspiradores de pó etc. Em tais motores, com o tempo de uso, haverá desgastes nas escovas de carvão e deverão ser substituídas. Basta você levar um pedacinho da escova velha até uma loja de ferragens, comprar o par de escovas novas adequadas e repor no motor; uma operação bastante simples. Motores de passo Muitos dispositivos computadorizados (drives, CDRom etc.) usam motores especiais que controlam os ângulos de giro de seus rotores. Em vez de girar continuamente, estes rotores giram em etapas discretas; os motores que fazem isso são denominados 'motores de passo'. O rotor de um motor de passo é simplesmente um ímã permanente que é atraído, seqüencialmente, pelos pólos de diversos eletroímãs estacionários, como se ilustra: Num motor de passo, o rotor é atraído por um par de pólos do estator e a seguir, por outro. O rotor movimentase por etapas discretas, pausando em cada orientação, até que novo comando do computador ative um jogo diferente de eletroímãs. Estes eletroímãs são ligados/ desligados seguindo impulsos cuidadosamente controlados de modo que os pólos magnéticos do rotor se movam de um eletroímã para outro devidamente habilitado. Questionário: 1 Quais os componentes principais de um motor trifásico de Corrente Alternada. 2 Qual a diferença de um rotor em gaiola e um rotor bobinado. 3 Qual ou quais os dispositivos que podem ser ligados aos anéis coletores do rotor bobinado. 4 Para que serve os resistores ligados aos anéis coletores de um rotor bobinado. 5 Determine a velocidade síncrona de um motor de 4 pólos, 60 Hz. 25

26 6 Determine a velocidade síncrona de um motor de 8 pólos, 60 Hz. 7 Quantos pólos devem possuir um motor AC para funcionar com 3600 RPM, 60 Hz. 8 Quantos pólos devem possuir um motor AC para funcionar com 1200 RPM, 60 Hz. 10 Um motor com velocidade rotórica de 1754 RPM, de 4 polos, 60 Hz. Qual o escorregamento percentual deste motor. 11 Um motor com velocidade rotórica de 850 RPM, de 8 polos, 60 Hz. Qual o escorregamento percentual deste motor. 12 Um motor com escorregamento de 5%, 8 pólos, 60 Hz. Qual a velocidade do rotor deste motor. 13 Um motor com escorregamento de 3%, 4 pólos, 60 Hz. Qual a velocidade do rotor deste motor. 14 Determine a corrente nominal de um motor trifásico de 50 HP 440 V cos φ = 0,88 η = 0, Determine a corrente nominal de um motor trifásico de 40 HP 220 V cos φ = 0,88 η = 0, Determine a corrente de rotor de um motor de 8 polos, 60 Hz, cujo produto KØ = 0,4 cos θr = 0,89 Torque 250 kg.m 17 Determine a corrente de rotor de um motor de 12 polos, 60 Hz, cujo produto KØ = 0,23 cos θr = 0,93 Torque 50 kg.m 18 Qual o torque de um motor de 4 pólos, 60 Hz, cujo produto KØ = 0,10 - cos θr = 0,70 e corrente de rotor 250 A. 19 Qual o torque de um motor de 4 pólos, 60 Hz, cujo produto KØ = 0,15 - cos θr = 0,80 e corrente de rotor 750 A. 20 Explique com suas palavras a diferença de um motor síncrono e um motor assíncrono. 21 Faça o diagrama elétrico de fechamento de um motor de 12 terminais para 380 V e 440 V. 22 Faça um diagrama elétrico de fechamento de um motor de 12 terminais para 220 V e 760 V Explique com suas palavras o motivo a qual deve ser dado uma partida de um motor trifásico com partida estrela-triângulo. 24 Cite duas situações que é conveniente a partida direta em motores trifásicos. 25 Para que serve um Autotransformador na partida de um motor de indução? UNIDADE V - GERADORES CA ALTERNADORES Os geradores de corrente alternada também são chamados de alternadores. Praticamente toda a energia elétrica consumida nas residências e indústrias é fornecida pelos alternadores das usinas que produzem eletricidade. Um alternador simples é formado por um campo magnético forte e constante; condutores que giram através do campo magnético; e alguma forma de se manter uma ligação contínua dos condutores à medida que eles giram. O campo magnético é produzido pela corrente que flui pela bobina de campo estacionário ou estator. A excitação para a bobina de campo é fornecida por uma bateria ou qualquer outra fonte cc. 26

27 A armadura, ou o rotor, gira dentro do campo magnético. Para uma única espira em volta do rotor, cada extremidade é ligada a anéis coletores separados, isolados do eixo. Cada vez que o rotor gira se completa uma rotação, processa-se um ciclo completo de corrente alternada. Na prática, um alternador contém várias centenas de espiras enroladas nas fendas do rotor. Duas escovas são pressionadas através de molas contra os anéis coletores de modo a manter uma ligação contínua entre a corrente alternada induzida no rotor ou na bobina da armadura e os circuitos externos. O pequeno gerador ca geralmente tem um campo estacionário e uma armadura giratória. Uma desvantagem é que os contatos entre o anel de contato e a escova estão em série com a carga. Se essas partes se gastarem ou ficarem sujas, o fluxo de corrente pode ser interrompido. Entretanto, se a excitação do campo for ligada ao rotor, as espiras anteriormente estacionárias terão corrente alternada induzida passando por elas. Pode-se ligar uma carga através dessas bobinas da armadura sem ser necessário nenhum contato móvel no circuito. A excitação do campo é fornecida ao campo giratório através dos anéis de contato e das escovas. Uma outra vantagem desse campo rotativo e do gerador de armadura estacionária está na grande facilidade de se isolar os campos do estator, comparada com a isolação de bobinas de campo rotativo. Como são freqüentemente geradas tensões altas, da ordem de a V, esta alta tensão não precisa ser trazida até os anéis de contato e as escovas, mas pode ser levada diretamente para o mecanismo de chaveamento através de condutores isolados da armadura estacionária. A quantidade de tensão gerada por um gerador ca depende da intensidade do campo e da velocidade do rotor. Como a maioria dos geradores funciona com velocidade constante, a quantidade de fem produzida depende da excitação do campo. A freqüência da fem gerada depende do número dos pólos do campo e da velocidade de funcionamento do gerador, ou f = pn 120 onde f = freqüência da tensão gerada, Hz p = número total de pólos n = velocidade do rotor, rotações por minuto (rpm) A regulação de um gerador ca é o aumento porcentual na tensão do terminal à medida que a carga vai sendo reduzida da corrente especificada para carga máxima até zero, mantendo-se a velocidade e a excitação constantes, ou Regulação de tensão = tensão sem carga tensão com carga máxima tensão com carga máxima A regulação de tensão é geralmente uma função externa do alternador 27

28 GERADORES EM PARALELO A maioria das usinas elétricas possui vários geradores ca funcionando em paralelo a fim de aumentar a potência disponível. Antes de dois geradores serem ligados em paralelo é preciso que suas tensões nos terminais sejam iguais, suas tensões estejam em fase e suas freqüências sejam iguais. Quando forem atingidas estas condições, os dois geradores estarão funcionando em sincronismo. A operação de se colocar os geradores em sincronismo chama-se sincronização. ESPECIFICAÇÕES Os dados da plaqueta de identificação de um gerador ca típico incluem o nome do fabricante, a série e o número do tipo; rotação (rpm), número de pólos, freqüência da saída, número de fases e tensão máxima fornecida; especificação da capacidade em quilovoltamperes e em quilowatts para um fator de potência específico e uma tensão máxima de saída; aumento máximo de temperatura. Exemplo: Westinghouse Gerador ca refrigerado a ar Nº Tipo ATB RPM 2 pólos 60 Hz 3 fases ligação em estrela para volts Especificação KVA kw 0,80 FP excitador 250 volts Armadura 654 amp campo 183 amp Garantia de que a temperatura não excederá 60 0 C na armadura pelo detetor 80 0 C no campo pela resistência Dados da plaqueta de identificação para um geradaor CA típico PERDAS E EFICIÊNCIA As perdas de um gerador ca são análogas às do gerador cc e incluem as perdas no cobre da armadura, perdas no cobre da excitação de campo e perdas mecânicas. A eficiência (Ef) é a razão entre a potência útil de saída e a potência total de entrada. Ef. = saída Entrada Questionário 01 Um gerador de corrente alternada girando a 1800 RPM para gerar uma frequência de 60 Hz, quantos pólos são necessários? Resp: 02 Um gerador de corrente alternada girando a 3600 RPM para gerar uma frequência de 60 Hz, quantos pólos são necessários? Resp: 03 Qual a velocidade necessária para um gerador gerar 100 Hz, com 12 pólos? Resp: 04 Cite três condições básicas de paralelismo de gerador CA. Resp: UNIDADE VI - GERADORES CORRENTE CONTÍNUA (CC) O gerador é uma máquina que converte energia mecânica de rotação em energia elétrica. A energia mecânica pode ser fornecida por uma queda-dágua, vapor, vento, gasolina ou óleo diesel ou por um motor elétrico. 28

29 COMPONENTES A ARMADURA A armadura gira por efeito de uma força mecânica externa. A tensão gerada na armadura é então ligada a um circuito externo. A armadura do gerador libera corrente para um circuito externo ( a carga ). Também é chamada de rotor ou induzido. B COMUTADOR Tem a função de converter a corrente alternada que passa pela armadura em corrente contínua liberada através de seus terminais. O comutador é constituído por segmentos de cobre com um par de segmentos para cada enrolamento da armadura. Cada segmento do comutador é isolado dos demais por meio de lâminas de mica. Os segmentos são montados em torno do eixo da armadura e são isolados do eixo e do ferro da armadura. No chassi da máquina são montados duas escovas fixas, que permitem contatos com segmentos opostos do comutador. C ESCOVAS São conectores de grafitas fixos, montados sobre molas que permitem que eles deslizem ( ou escovem ) sobre o comutador no eixo da armadura. Assim, as escovas servem de contato entre os enrolamentos da armadura e a carga externa. D ENROLAMENTO DE CAMPO É um eletroímã que produz o fluxo interceptado pela armadura. A fonte de corrente de campo pode ser separada, chamada de excitador, ou proveniente da própria armadura. GERADOR CC SIMPLES É formado por um enrolamento de armadura contendo uma única espira de fio. Este enrolamento de uma espira intercepta o campo magnético para produzir a tensão. Quando a espira gira meia volta no sentido horário, os contatos entre os segmentos do comutador e as escovas são invertidos e em virtude dessa ação de comutação, o lado da espira que está em contato com qualquer uma das escovas está sempre interceptando o campo magnético no mesmo sentido, produzindo uma corrente contínua pulsante para o circuito de carga externo. rotação N S comutador escovas I carga I 29

30 EQUAÇÕES DA TENSÃO NO GERADOR Tensão média Vg gerada por um gerador pode ser calculada por: Vg = p Z Φ n 60b x 10 8 onde: Vg tensão média gerada por um gerador CC, Volts p número de pólos Z número total de condutores da armadura Φ fluxo por pólo n velocidade da armadura, RPM b número de percursos paralelos através da armadura, dependendo do tipo de enrolamento da armadura. Como todos os fatores desta equação são fixos, exceto Φ e n, podemos simplificar esta equação, ficando da seguinte forma: Vg = K Φ n K = p Z. 60b x 10 8 Vg é diretamente proporcional a Φ e a n. REGULAÇÃO DE TENSÃO É a diferença entre a tensão do terminal sem carga (SC) e com carga máxima (CM) e é expressa como uma porcentagem do valor de carga máxima. Reg. Tensão = Tensão SC Tensão CM ( % ) Tensão CM PERDAS DE UM GERADOR As perdas nos geradores consiste nas perdas no cobre dos circuitos elétricos e nas perdas mecânicas devidas a rotação da máquina. As perdas incluem: 1 Perdas no cobre Perdas I² R na armadura Perdas no campo (b).1 I² R do campo em derivação (b).2 I² R do campo em série 2 Perdas mecânicas ou rotacionais Perdas no ferro (a).1 Perdas por correntes parasitas (a).2 Perdas por histerese Perdas por atrito (b).1 Atrito no mancal (rolamento) (b).2 Atrito nas escovas (b).3 Perdas por vento ou atrito com o ar EFICIÊNCIA DE UM GERADOR A Eficiência é a razão entre a potência de saída e a potência total na entrada, expressa em porcentagem Efciência = Psaída = Pentrada perdas = Psaída. ( % ) Pentr Pentrada Psáida + perdas 30

31 EXCITAÇÃO DO CAMPO Os geradores CC recebem seus nomes de acordo com o tipo de excitação de campo utilizado. Quando o campo do gerador é fornecido por uma fonte CC separada ele é chamado de gerador de excitação separada. Quando o gerador fornece a sua própria excitação, ele é chamado de gerador auto-excitado, sendo classificado das seguintes formas: A GERADOR EM DERIVAÇÃO Quando o campo estiver em paralelo com o circuito da armadura. Circuito equivalente V ta = V t = V g r a I a I L = I a I d I d = V t / r d + r 31

32 B GERADOR SÉRIE Quando o campo estiver em série com o circuito da armadura. Circuito equivalente V ta = V g r a I a V t = V g I a ( r a + r S ) 32

33 C GERADOR COMPOSTO EM DERIVAÇÃO CURTA Quando são usados dois campos, derivação e série e o campo de derivação em paralelo somente com a armadura. Circuito equivalente Rd V ta = V g r a I a V t = V ta r S I L I L = I a I d I d = V ta / r d + r 33

34 D GERADOR COMPOSTO EM DERIVAÇÃO LONGA Quando são usados dois campos, derivação e série, eo campo de derivação em paralelo com a armadura e com o campo série. Circuito equivalente V ta = V g r a I a V t = V ta I L ( r S + r a ) I L = I a I d I d = V t / r d + r Onde: r reostato, Ω r a resistência da armadura, Ω r s resistência do campo série, Ω r d resistência do campo em derivação, Ω V g tensão gerada na armadura, V V ta tensão no terminal da armadura, V V t tensão no terminal do gerador, V I a corrente da armadura, A I d corrente do campo em derivação, A I L corrente na linha, A 34

35 EXERCÍCIOS DE APLICAÇÃO 1 Um gerador gera 100 V quando sua rotação é de 800 RPM. Que f.e.m. ele produz se a sua velocidade de rotação aumentar para 1200 RPM, permanecendo constante o fluxo do campo? Resp: 2 Um gerador tem uma f.e.m. de 520 V, 2000condutores na armadura, um fluxo por pólo de linhas, uma velocidade de 1200 RPM e a armadura tem 4 percursos paralelos. Calcule o número de pólos. Resp: 3 Um gerador tem uma tensão no terminal com carga máxima de 130 V. quando a carga é retirada, a tensão aumenta para 160 V. Qual o percentual de regulação de tensão deste gerador? Resp: 4 Qual a tensão de um gerador em vazio, sabendo que com carga máxima sua tensão é 127 Volts e tem uma regulação de tensão de 20 %. Resp: 5 Sabendo que um gerador tem uma tensão nos seus terminais de 240 V, corrente de linha 50 A e perdas de 2000 W, determine a eficiência do gerador. Resp: 6 Um gerador composto em derivação longa tem uma tensão nos terminais de 250 V, uma resistência de armadura incluindo as escovas de 0,025 Ω e uma resistência de campo de 0,005 Ω. Calcule a tensão gerada na armadura, sabendo que a corrente que circula na armadura é de 400 A. Resp: 7 Um gerador em derivação com Vt = 240 V tem uma resistência de derivação de 50 Ω. Qual a resistência de um reostato de campo a ser acrescentado ao circuito para limitar a corrente de campo em 3 A quando o gerador estiver em funcionamento com a tensão especificada. Resp: 8 Um gerador composto em derivação curta tem uma tensão de terminal de 240 V. quando a corrente da linha é de 50 A. A resistência do campo série é de 0,04 Ω. Calcule: a A queda de tensão através do campo série b A queda de tensão através através da armadura c A corrente da armadura, sabendo que a corrente de campo em derivação é 2 A. d Se as perdas forme de 2000 W, qual será a eficiência? Resp: 9 Um gerador composto em derivação curta fornece 210 A para uma carga com 250 V. A sua resistência de campo em derivação é 24,6 Ω, a resistência do reostato do campo em derivação é de 6,4 Ω, resistência do campo série é 0,038 Ω e a resistência da armadura é de 0,094 Ω. Calcule as perdas no cobre: a No enrolamento do campo em derivação b No reostato do campo em derivação c No campo série d No enrolamento da armadura e Se as perdas por rotação em condições de carga máxima forem de 800 W, qual a eficiência do gerador. Resp: UNIDADE VII - MOTORES CORRENTE CONTÍNUA (CC) O motor é uma máquina que converte energia elétrica em energia mecânica de rotação. COMPONENTES A ARMADURA A armadura recebe a corrente proveniente de uma força elétrica externa. Sua constituição física é idêntica ao do gerador, ou seja, é o núcleo rotativo, também chamado de rotor. 35

36 B COMUTADOR Sua função no motor é de receber a fonte elétrica externa para levar até a armadura. O comutador é constituído por segmentos de cobre com um par de segmentos para cada enrolamento da armadura. Cada segmento do comutador é isolado dos demais por meio de lâminas de mica. Os segmentos são montados em torno do eixo da armadura e são isolados do eixo e do ferro da armadura. No chassi da máquina são montados duas escovas fixas, que permitem contatos com segmentos opostos do comutador. C ESCOVAS São conectores de grafitas fixos, montados sobre molas que permitem que eles deslizem ( ou escovem ) sobre o comutador no eixo da armadura. Assim, as escovas servem de contato entre os enrolamentos da armadura e a carga externa. No motor, sua função é servir de contato entre os enrolamentos da armadura ligados no comutador e a fonte elétrica externa. D ENROLAMENTO DE CAMPO É um eletroímã que produz o fluxo interceptado pela armadura. A fonte de corrente de campo pode ser separada, chamada de excitador, ou proveniente da própria armadura. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO MOTOR Aplicando-se uma FEM na armadura do motor circulará uma corrente elétrica nos condutores da armadura. Esta corrente elétrica criará em torno de si um campo magnético que, de acordo com o sentido da corrente no condutor produzirá duas forças de sentidos contrários, uma para cima e outra para baixo. As duas forças agindo desta forma, produz um Torque que faz a armadura girar. O campo magnético e a corrente que circula na armadura, determinam o sentido de rotação da armadura, que podem ser horário e anti-horário. rotação F N F S comutador escovas I Fonte externa I SENTIDO DE ROTAÇÃO DA ARMADURA Usa-se a regra da mão esquerda da seguinte maneira: com o polegar, o indicador e o médio da mão esquerda perpendiculares entre si, aponte o indicador no sentido do campo magnético e o dedo médio no sentido da corrente que passa no condutor; o polegar indicará o sentido em que o condutor tende a se deslocar. F 36

37 Motores CC Fazer um motor elétrico que possa ser acionado por pilhas ou baterias não é tão fácil como parece. Não basta apenas colocar ímãs permanentes fixos e uma bobina, pela qual circule corrente elétrica, de modo que possa girar entre os pólos desses ímãs. Uma corrente contínua, como o é a fornecida por pilhas ou baterias, é muito boa para fazer eletroímãs com pólos imutáveis mas, como para o funcionamento do motor é preciso periódicas mudanças de polaridade, algo tem que ser feito para inverter o sentido da corrente nos momentos apropriados. Na maioria dos motores elétricos CC, o rotor é um 'eletroímã' que gira entre os pólos de ímãs permanentes estacionários. Para tornar esse eletroímã mais eficiente o rotor contém um núcleo de ferro, que torna-se fortemente magnetizado, quando a corrente flui pela bobina. O rotor girará desde que essa corrente inverta seu sentido de percurso cada vez que seus pólos alcançam os pólos opostos do estator. O modo mais comum para produzir essas reversões é usar um comutador. A corrente flui ora num sentido ora no outro, no rotor desse motor CC, graças às escovas de metal (esquerda da ilustração). Essas escovas tocam o comutador do rotor de forma que a corrente inverte seu sentido a cada meia volta do rotor. Em sua forma mais simples, um comutador apresenta duas placas de cobre encurvadas e fixadas (isoladamente) no eixo do rotor; os terminais do enrolamento da bobina são soldados nessas placas. A corrente elétrica 'chega' por uma das escovas (+), 'entra' pela placa do comutador, 'passa' pela bobina do rotor, 'sai' pela outra placa do comutador e 'retorna' á fonte pela outra escova (-). Nessa etapa o rotor realiza sua primeira meia-volta. Eis um visual completo: 37