Área Tecnológica de Mecatrônica. Área Tecnológica de Mecatrônica ACIONAMENTO DE MÁQUINAS

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1 Área Tecnológica de Mecatrônica Área Tecnológica de Mecatrônica ACIONAMENTO DE MÁQUINAS

2 Área Tecnológica de Mecatrônica Área Tecnológica de Mecatrônica ACIONAMENTO DE MÁQUINAS SALVADOR

3 2002 SENAI CIMATEC Área Tecnológica Mecatrônica Elaboração: Umaraci Lázaro Milton Bastos de Souza Revisão Técnica: Milton Bastos de Souza Revisão Pedagógica: Normalização: Núcleo de Informação Tecnológica - NIT Catalogação na fonte SENAI-BA CIMATEC Centro Integrado de Manufatura e Tecnologia. Acionamento de máquinas. Salvador, p. il. (Rev.00) I. Acionamento de Máquinas I. Título CDD SENAI CIMATEC Av. Orlando Gomes, Piatã CEP Salvador Bahia Brasil Tel.: (71) Fax. (71)

4 MENSAGEM DO SENAI CIMATEC O SENAI CIMATEC visa desenvolver um programa avançado de suporte tecnológico para suprir as necessidades de formação de recursos humanos qualificados, prestação de serviços especializados e promoção de pesquisa aplicada nas tecnologias computacionais integradas da manufatura. Com uma moderna estrutura laboratorial e um corpo técnico especializado, o CIMATEC desenvolve programas de intercâmbio tecnológico com instituições de ensino e pesquisa, locais e internacionais. Tudo isso sem desviar a atenção das necessidades da comunidade, atendendo suas expectativas de formação profissional, suporte tecnológico e desenvolvimento, contribuindo para uma constante atualização da indústria baiana de manufatura e para a alavancagem do potencial das empresas existentes ou emergentes no estado.

5 APRESENTAÇÃO Este material didático foi concebido para fornecer informações sobre as principais formas de Acionamentos de Máquinas elétricas, suas aplicações e as principais interferências nos sistemas elétricos. Está ferramenta é vastamente utilizada pelas indústrias de processos contínuo como elemento auxiliar de malhas de controle e pelas indústrias de processos discreto como componente interno de equipamentos utilizados no chão de fábrica, tais como: robôs, máquinas de comando numéricos computadorizadas(cnc), etc.. Neste trabalho, preocupamo-nos em fornecer informações dos principais tópicos relacionados com a área de Máquinas Elétricas de Corrente Contínua e Alternados abordando detalhes no que diz respeito ao seu funcionamento, suas características construtivas e seus modos de acionamento, desde os convencionais até os estáticos que nos dias atuais é muito encontrado no ambiente industrial. Esperamos que haja o maior aproveitamento possível deste material didático.

6 SUMÁRIO 1 MOTORES DC E AC MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA (D.C.) MOTORES DE CORRENTE ALTERNADA (AC) COMPONENTES ESTÁTICOS O DIODO O TIRISTOR SCR (RETIFICADOR CONTROLADO DE SILÍCIO) O TRIAC O TRANSISTOR DE POTÊNCIA SOFT-STARTER INTRODUÇÃO FUNCIONAMENTO PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS E FUNÇÕES INVERSOR DE FREQUÊNCIA INTRODUÇÃO INVERSOR DE FONTE DE CORRENTE MÉTODOS DE CONTROLE DOS INVERSORES DE FREQÜÊNCIA DO TIPO PWM...62 CONTROLE ESCALAR...62 CONTROLE VETORIAL CARACTERÍSTICAS DOS MOTORES DE INDUÇÃO ACIONADOS COM INVERSORES DE FREQÜÊNCIA...66 BIBLIOGRAFIA...68

7 1 MOTORES DC E AC Os motores elétricos são máquinas que transformam energia elétrica em energia mecânica. As aplicações desse tipo de máquina são quase que ilimitadas: bombas, ventiladores, compressores, talhas, guindastes, etc. As principais peças (componentes básicos) de qualquer tipo de motor são: ESTATOR Formado por três elementos: carcaça (estrutura suporte das peças estatóricas), núcleo (constituído de chapas magnéticas fixas à carcaça, feitas de silício, bom condutor magnético) e enrolamento (feito geralmente de fios de cobre esmaltado). ROTOR Formado também por três elementos básicos: eixo (responsável pela transmissão da potência mecânica produzida no motor), núcleo (constituído de chapas magnéticas semelhantes às placas do estator) e enrolamento (nem sempre presente em todos os rotores, feitos de fios de cobre esmaltado). As figuras abaixo respectivamente nos mostram o rotor e o estator de um motor de corrente alternada; Figura - Rotor do motor A.C. Figura - Estator do motor A.C. O princípio de funcionamento dos motores elétricos baseia-se na propriedade de atração e repulsão de um campo eletromagnético. Em qualquer motor a corrente elétrica que passa pelo

8 enrolamento do estator produz um campo eletromagnético (semelhante ao campo magnético de um ímã) que é utilizado para movimentar o rotor e conseqüentemente a carga acoplada ao seu eixo. Em instalações industriais, podemos encontrar motores alimentados por circuitos de corrente alternada (motores A.C) ou circuitos de corrente contínua ( motores D.C. ). Os tipos mais comuns de motores elétricos são: 1.2 MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA (D.C.) Os motores de corrente contínua são motores de custo elevado de compra e manutenção e são alimentados por fontes de corrente contínua. Esse tipo de motor é bastante utilizado em aplicações onde haja a necessidade de controle de velocidade, por permitirem um controle preciso e ajustável numa faixa larga de valores. As ilustrações abaixo, respectivamente, mostram o rotor (armadura) e o estator (campo) um motor de corrente contínua : Figura - Armadura do motor D.C. Figura Estator do motor D.C CARACTERÍSTICAS DE CAMPO "Campo magnético estacionário, produzindo um fluxo constante no espaço. O rotor contém os condutores que transportam corrente e sobre os quais reage o campo magnético para produzir o conjugado eletromagnético". 10

9 O campo magnético estacionário é produzido pela (s) bobina (s) de campo que ficam no estator (parte fina) do motor. Nos motores Shunts este campo é produzido pela bobina shunt, já nos motores série pela bobina série. Figura Motor D.C. elementar CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DAS MÁQUINAS D.C Fisicamente, o motor D.C. é idêntico ao gerador D.C.. Na verdade, a mesma máquina pode ser usada intercambiavelmente como motor ou gerador. Quando a máquina é usada como gerador, o conjugado magnético é desenvolvido pelos condutores de armadura, opondo-se ao conjugado de propulsão do motor primário. Quando a máquina é usada como motor o conjugado magnético desenvolvido é contrariado pelo conjugado da carga mecânica, impulsionada pelo motor. Como motor, a máquina tire vantagem do conjugado magnético desenvolvido e sua saída pode ser considerada como sendo conjugado e velocidade. O rotor consiste de: 1. Eixo da armadura - imprime rotação à armadura, enrolamentos e comutador conectado ao eixo. 2. Núcleo da armadura - construído de lâminas de aço a fim de prover uma baixa relutância entre os Pólos. O núcleo contém ranhuras axiais na sua periferia. 3. Enrolamento da armadura - constituído de bobinas, isoladas entre si e do núcleo. Os terminais das bobinas são eletricamente ligados ao comutador. 4. Comutador - O qual providencia o chaveamento para o processo de comutação. O comutador consiste de segmentos de cobre isolados entre si e do eixo. O rotor das máquinas D.C. têm as seguintes funções: (1) Permite rotação para ação geradora ou ação motora; (2) Produz a ação de chaveamento necessária para comutação; (3) Contém os condutores que produzem o torque eletromagnético; (4) Propicia uma faixa de baixa relutância para o fluxo. O estator da máquina D.C. consiste de: 11

10 1 - Carcaça - Estrutura de aço, ferro fundido ou laminado que serve não só para suporte do rotor como também providencia uma faixa de retorno do fluxo do circuito magnético criado pelos enrolamentos de campo. 2 - Enrolamentos de campo - Consiste de espiras cujos Amperes-Espiras (Ae) produzem força magnetomotriz que geram f.e.m ou uma força mecânica. 3 - Pólos - Constituído de ferro laminado aparafusados e na sua extremidade é formada uma sapata afim de distribuir o fluxo uniformemente. 4 - Interpólos - Estão localizadas na região interpolar, entre os pólos principais. É ligado em série com o circuito de armadura de modo que a f.e.m produzida pelo mesmo seja proporcional à corrente de armadura. - CARACTERÍSTICAS DE REGIME DOS MOTORES D.C. - Momento eletromagnético (Torque) Para um motor sob tensão V, corrente de armadura Ia e uma rotação N, em cada condutor de comprimento l', percorrido pela corrente ia e sujeito a um campo Bx, constante ao longo desse condutor, surgirá uma força eletromagnética de interação Fx dada por; Fx = Bx.l'.ia com o mesmo sentido que N. No eixo do motor cria-se, então, um momento dado por; Tm = fx Da 2 Tm = Bx.'. l ia Da 2 Ia ia = Daqui deduz que Tm fica: a Tm = KIaφ Veja, portanto, que o torque eletromagnético produzido no rotor do motor é função da corrente de armadura (corrente que percorre os condutores do rotor) e o campo no qual está inserido este rotor. - FORÇA CONTRA-ELETROMOTRIZ OU TENSÃO GERADA NO MOTOR Ia + V - εc _ Figura Motor D.C. 12

11 Nos motores de corrente contínua a armadura em movimento, é percorrida por uma corrente (Ia) e ao mesmo tempo está no interior de um campo magnético de densidade B, produzido pelo enrolamento de campo. Nessa armadura será induzida uma F.e.m ( força eletromotriz ), cujo efeito produzido por esta, será oposto ao da corrente Ia (Lei de Lenz) e conseqüentemente à tensão terminal V, que alimenta a armadura. Com base nisto esta F.e.m induzida, é denominada de força contra-eletromotriz (f.c.e.m.) e representada por Ec. O circuito da fig.7 pode, então, ser representado por: Ia + V εc _ Figura Circuito simplificado do motor D.C. Existem vários caminhos para se chegar à equação da f.c.e.m.mostraremos um caminho simples e aplicativo. Lembramos da relação Ec = Bxl`v, que nos dará a f.e.m por condutor. A velocidade v = πdan, onde Da é o diâmetro da armadura e N é a velocidade em ciclos/segundo. * Lei de Faraday - todo condutor, percorrido por corrente elétrica e sujeito à variação de um campo magnético, tem induzida em seus terminais uma tensão, denominada força eletromotriz induzida ( f.e.m ). ** Lei de Lenz - A corrente induzida tem um sentido tal que seu efeito se opõe ao sujeito da causa que lhe deu origem. l' é o comprimento ativo do condutor, ou seja, à parte do condutor que está no interior do campo Bx. Como a armadura possui Nc condutores e p pares de pólos a força eletromotriz total induzida na armadura será: Nc p Ec = Bmed.. l'. π. Da. N onde, Bmed = 2 φ 2 p πd logo, Ec = K.φ.. N ou seja, P.S.: A força eletromotriz induzida na armadura é proporcional à intensidade do campo de excitação e a velocidade do motor. Porque esta f.e.m chama-se força contra-eletromotriz? Retornaremos ao modelo de circuito mostrado na fig. abaixo. 13

12 Ia + V - εc _ Figura motor D.C. Caso o motor não fosse alimentado pela tensão V a fem Ea, induzida na armadura criaria uma corrente na direção dos terminais da máquina. Como o motor é alimentado com uma tensão V, superior a fem Ea a corrente resultante Ia, é no sentido contrário, entrando na armadura, porém o efeito da fem Ea é contrário ao da tensão terminal V, daí a mesma passa a ser chamada de força contra-eletromotriz (fcem = Ec). VELOCIDADE DOS MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA. Vamos expandir um pouco mais nosso modelo da fig. 5. Por este modelo temos que V = Ea o que nos daria corrente de armadura nula ( Ia=0 ), portanto não teríamos torque desenvolvido no eixo do motor ( Tm = K.Ia.0 ). Sabemos, no entanto, que isto não é verdade tanto é que o motor gira a uma certa velocidade. Se o motor gira é porque existe uma diferença entre a tensão terminal ( V ) e a f.c.e.m. ( Ec ) resultando numa corrente de armadura ( Ia ). Como já sabemos que, para a máquina funcionar como motor a tensão V deve ser superior a fcem Ec, temos: V = Ec + V Quem é então essa diferença V? Essa diferença de tensão é a queda de tensão no enrolamento da armadura, mais a queda de tensão nas escovas e mais a queda de tensão no anel comutador. Dessas quedas, vamos considerar apenas a queda no enrolamento da armadura. Esta queda de tensão é dada por: V=Ra.Ia onde Ra é a resistência ôhmica da armadura. Mas, o que isto tem a ver com a velocidade do motor? T U D O! Vejamos: Podemos, então escrever uma equação para estas tensões, vistas até agora: logo, Tirando o valor de N; V = Ec + Ra.Ia, onde Ec = K.φ.N V = K.φ.N + Ra.Ia N V = RaIa Kφ 14

13 Observamos então, que chegamos à velocidade do motor de corrente contínua em função dos seus parâmetros elétricos. Esta velocidade também pode ser expressa por; Ec N = Kφ Podemos observar que a velocidade de rotação dos motores de corrente contínua pode variar através de um dos seguintes parâmetros: 1 - Tensão da rede (V) 2 - Queda de tensão no circuito da armadura (IaRa) 3 - Fluxo de excitação (φ) O primeiro caso só é possível quando podemos interferir na tensão de alimentação do motor. Se a rede de alimentação é de corrente contínua podemos agir sobre a amplitude da tensão, que chega ao motor associado a uma resistência variável em série com o mesmo ou chaveando esta alimentação. Caso a rede de alimentação seja de corrente alternada agimos sobre a intensidade dos pulsos retificados. PROCESSO ENERGÉTICO DOS MOTORES D.C. ( POTÊNCIA ) Com o objetivo de analisar as diversas formas como se apresenta à energia internamente no motor, consideramos o motor a uma rotação constante e com uma excitação independente, conforme representação abaixo: + Ia V Campo P _ Figura circuito elétrico do motor D.C. com excitação independente Neste caso, a corrente fornecida pela rede é a própria corrente de armadura. A potência elétrica fornecida ao motor será : Pe = V.Ia Esta potência, no entanto, não será totalmente utilizada no processo de conversão eletromecânica de energia, pois existem as perdas no cobre (pcu) e as perdas nas escovas (pe) do motor. Estas perdas são dadas por: Pcu = Ia 2. Ra Pe = Ve.Ia 15

14 onde Ra é a resistência. A potência eletromagnética que será, então, transformada em potência mecânica será; Pmec = Pe - ( pcu + pe ) Substituindo os valores das potências, já conhecidas, temos: Pmec = V.Ia - (Ia 2.Ra + Ve.Ia) Colocando Ia em evidência, temos ; 2 V Ve Pmec = Ia Ra + Ia Ia O termo pode ser considerado como sendo a resistência das escovas (Re), logo; Pmec = Ia 2 [V/Ia - (Ra + Re)] Pmec = V.Ia - Ia 2. Ra Na equação das tensões no motor D.C. temos que; V = Ec + Ia.Ra Multiplicando a equação acima por Ia V.Ia = Ec.Ia + Ia 2.Ra Ia.V - Ia 2.Ra = Ec.Ia Pmec= Ec.Ia Podemos agora, assumir como modelo do circuito de armadura do motor D.C., um circuito composto de uma força eletromotriz (fem) Ea, atrás de uma resistência equivalente Ra, e a potência eletromagnética que será convertida em potência mecânica como sendo, + Ia εc Pmec = Ec.Ia - 16

15 Na realidade, a potência mecânica disponível no eixo do motor é inferior à convertida eletromagneticamente visto que há as perdas no ferro (pfe) e as perdas mecânicas (pmec). CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA. Analisaremos, a seguir, as características de funcionamento (velocidade, conjugado, rendimento) em função da corrente de armadura, da tensão terminal e da excitação. Tais características variam de acordo com o tipo de motor. Os motores de corrente contínua são classificados conforme suas ligações terminais e aplicações específicas. Daí têm: Motor Excitação Independente Motor Série Motor Compound Motor D.C com Excitação Independente Já sabemos que Ec = k.n.φ. logo, V = k.n.φ + Ia.Ra em cujo valor de N é, N V = IaRa Kφ Podemos observar que no motor D.C., tipo excitação independente, a velocidade pode ser variada através dos seguinte parâmetros: a - Tensão de excitação.. b- Queda na armadura 17

16 N Nn Vn V Velocidade x Tensão terminal. Nos motores tipo Excitação independente a regulação de velocidade, quando realizada, se dá através da tensão de armadura V, mantendo-se a excitação sob a tensão constante de alimentação. Conforme a equação de velocidade para o motor com excitação independente, considerando a excitação constante, a mesma varia linearmente com a tensão terminal de armadura. Na figura acima representamos a característica NxV para uma variação linear. Estando o motor na sua rotação nominal Nn, a mesma pode ser alterada com a variação da carga no eixo do motor desde que vazio até a plena carga. Esta variação se deve ao termo Ia.Ra, que apesar de pequeno, em relação à tensão terminal, faz com que a velocidade do motor com excit. Independente não seja constante ao longo do seu carregamento.traçamos abaixo a característica NΧIa para uma excitação nominal. Nn 1.0 Ia(pu) Figura Velocidade X Corrente de Armadura Um fenômeno interessante é que além da corrente Ia influenciar na velocidade do motor D.C. Algo que também influência, é a Reação da Armadura. Quando esta desmagnetiza o fluxo do campo φ, o motor tende a aumentar a velocidade tendo, portanto, um efeito contrário à queda na armadura (Ia. Ra). Conjugado Conforme vimos no estudo dos motores D.C. que o conjugado eletromagnético produzido no eixo do motor é dado por ; Tm = K.Ia.φ Considerando que φ é constante o conjugado será função direta da corrente de armadura Ia ; 18

17 Tm Tm = K.Ia.φ Tn To Io In Ia Onde To é o torque ( conjugado ) de arranque do motor. Apesar de representarmos a característica Tm x Ia como sendo uma relação linear o conjugado também sofre a ação da reação da armadura. - Motor Série Os motores de corrente contínua tipo série são aqueles cujo enrolamento de campo é ligado em série com o enrolamento de armadura.como mostra a figura abaixo ; Ia + V Figura Motor D.C.série - I ex = I a a corrente absorvida da rede será então a própria corrente de excitação que é a mesma da armadura. Velocidade Neste motor a variação do fluxo principal ocorre juntamente com a variação da corrente e proporcional a esta, quando o circuito magnético ainda não está saturado, logo N V = IaRa onde φ Ia Kφ N V IaRa V Ra = = KIa ' KIa ' K' V N = Ko K 1 Ia + levando o motor série a ter uma característica de velocidade de forma hiperbólica com Ia. 19

18 N Nn I Ia Observe que o motor série varia bruscamente sua velocidade com a variação da carga no seu eixo. - Da carga? Isso mesmo. A carga no eixo do motor é que determina a corrente de armadura que este absorverá da rede. Se não tivermos carga no eixo, a armadura absorverá uma corrente suficiente apenas para suprir as perdas mecânicas e as perdas no ferro, corrente esta que tem valor pequeno, o que levará o motor a uma velocidade muito acima da nominal. Com o exposto acima devemos tomar os seguintes cuidados com os acionamentos com motor série: 1 - O motor deve sempre ter carga no seu eixo, quando a alimentação do mesmo for constante. 2 - Controlarmos a tensão de alimentação do motor afim de que o mesmo não dispare quando a vazio. Conjugado Da equação de conjugado temos que Tm Tm = K.Ia.φ como φ Ia, teremos Tm = K.Ia 2. Neste caso o momento do motor cresce parabolicamente com a corrente de armadura, levando este motor a ter vantagens em arranque e sobrecargas bruscas. Ia 20

19 Motor Compound São aqueles em que o campo é constituído de duas bobinas, sendo uma ligada em série e outra em paralelo com o induzido. Estes motores acumulam as vantagens do motor série e do motor derivação, isto é, possuem elevado conjugado de partida e velocidade aproximadamente constante no acionamento de cargas variáveis. A figura abaixo nos mostra o esquema elétrico de um motor compound (motor D.C. com derivação mista) ; Figura - Motor D.C. misto QUADRANTES DE FUNCIONAMENTO DO MOTOR D.C. Durante a análise das características mecânicas dos motores D.C. nos apegamos a um só regime de funcionamento do motor. O torque produzido e a velocidade resultante tinham mesmo sentido. Considerando estes sentidos como positivo chamamos este regime como operação no primeiro quadrante. O motor pode funcionar também de três outras maneiras que se representadas cartesianamente fecham o que chamamos quadrantes de funcionamento do motor D.C; A figura abaixo nos mostra estes quadrantes : N Frenagem II Motor I Motor III Frenagem IV Figura Quadrantes de funcionamento do motor D.C. I - O motor está funcionando normalmente, acionando sua carga a uma velocidade N. O motor conforme nossa análise até aqui. 21

20 II - O motor está em regime de frenagem. O torque produzido pelo motor está sendo inverso ao sentido de giro do motor. Isto é conseguido invertendo o sentido da corrente de armadura ou invertendo-se a polaridade da excitação. III - O motor está funcionando normalmente, porém, o sentido é contrário ao do quadrante I. IV - O motor está em regime de frenagem, não por inversão do torque, mas porque a carga acionada está girando em sentido contrário. 1.3 MOTORES DE CORRENTE ALTERNADA (AC) MOTORES DE CORRENTE ALTERNADA ASSÍNCRONOS Motores de indução funcionam com velocidade constante, que varia ligeiramente com a carga mecânica aplicada. A principal característica dos motores de indução é que somente o enrolamento do estator está ligado à rede de alimentação. O rotor não é alimentado externamente e as correntes que circulam nele são "induzidas" pelo campo eletromagnético do estator. O rotor dos motores de indução podem ser de dois tipos: rotor-bobinado que possui um enrolamento curto circuitado semelhante ao enrolamento do estator e rotor gaiola (gaiola de esquilo) formado por um conjunto de barras não isoladas interligadas por anéis em curto circuito. MOTORES DE CORRENTE ALTERNADA SÍNCRONOS Funcionam com velocidade fixa, independente da carga acoplada. Nos motores síncronos, a rotação é diretamente proporcional à freqüência da rede. MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS (COM ROTOR GAIOLA) Os motores de indução trifásico são os motores mais encontrados em instalações industriais. A simplicidade de funcionamento, a robustez, os baixos custos de compra e manutenção e a vida útil elevada são características que o tornam o tipo de motor mais comum nas indústrias. Abaixo temos as principais peças do motor de indução trifásico com rotor gaiola: a) ESTATOR Formado pela carcaça, núcleo de chapas magnéticas e pelo enrolamento trifásico. b) ROTOR Formado por um conjunto de barras não isoladas (interligadas por anéis em curto circuito) e pelo eixo (responsável pela transmissão da potência mecânica à carga). c) CAIXA DE LIGAÇÃO Onde são encontrados os terminais de ligação com a rede elétrica. d) TAMPAS DIANTEIRA E TRASEIRA Providas de furos para a passagem do ar, pemitem a ventilação do motor e servem de suporte para os mancais. e) MANCAIS (DE ROLAMENTOS): Peças mecânicas que dão sustentação ao rotor e permitem que ele gire em torno do seu eixo de maneira que suas partes externas não toquem na superfície do estator. f) PLACA DE IDENTIFICAÇÃO Nela estão contidas as principais informações técnicas do motor. 22

21 A figura a seguir, mostra um motor de indução com rotor gaiola em corte. Figura Motor de indução tipo gaiola em corte CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DO MOTOR A.C. As principais características elétricas que determinam as condições de operação do motor são: a) ESCORREGAMENTO(S) O motor de indução opera normalmente, a uma velocidade constante. (velocidade assíncrona), que varia ligeiramente de acordo com a carga mecânica no seu eixo. Essa velocidade está bem próxima da velocidade síncrona do motor, diretamente proporcional à freqüência da rede. A velocidade síncrona do motor pode ser calculada segundo a equação: V = 120 x f onde, p V é a velocidade síncrona em rpm. f é a freqüência de operação do motor. p é o número de pólos do motor. A diferença entre a velocidade síncrona (velocidade do campo girante estatórico) e a velocidade assíncrona (velocidade de rotação do eixo do motor) é conhecida como escorregamento. O escorregamento também pode ser expresso em valores percentuais como mostra a equação a seguir: ns n S = x 100 onde, S é o valor percentual do escorregamento. ns é a velocidade síncrona do motor. n é a velocidade assíncrona do motor. ns 23

22 b) POTÊNCIA NOMINAL (Pn) É a potência ativa, em KW, que o motor pode fornecer no eixo em regime contínuo, desde que o motor opere dentro das condições especificadas. c) TENSÃO NOMINAL (Vn) É o valor eficaz da tensão de linha para a qual o motor foi projetado para trabalhar. d) CORRENTE NOMINAL (In) É o valor eficaz da corrente de linha que o motor solicita quando trabalha com valores nominais de tensão, potência e freqüência. e) FREQUÊNCIA NOMINAL (Fn) Freqüência de operação para a qual o motor foi projetado (em geral 60hz). f) FATOR DE POTÊNCIA (cosϕ) fator de potência do motor g) RENDIMENTO ( η ) É a relação da potência transmitida ao eixo e a potência entregue ao motor. h) VELOCIDADE (N) Velocidade assíncrona do motor quando operando nas condições normais de tensão, corrente e freqüência. i) TORQUE (T) É a força de torção disponibilizada no eixo do motor. TORQUE (CONJUGADO) = Em nosso sistema de unidades é expresso em Kgf.m (Kilograma força metro) ou N.m (Newton-metro). TORQUE NOMINAL DE UM MOTOR É o torque desenvolvido pelo seu eixo na rotação nominal com corrente, freqüência e tensão nominais. TORQUE DE PARTIDA DE UM MOTOR É o torque que o motor disponibiliza a 0 R.P.M TORQUE MÁXIMO É o maior conjugado que o motor pode fornecer. TORQUE RESISTENTE É à força de torção que o motor deve vencer para movimentar a carga. Se o torque resistente da carga for superior ao torque disponibilizado pelo motor ocorre o travamento. Quer dizer, o motor não conseguirá acelerar. No gráfico abaixo temos a curva torque x velocidade em motor de indução. CURVA TORQUE X ROTAÇÃO Torque Máximo TORQUE EM % DO NOMINAL RPM em % da RPM Síncrona 24

23 TORQUE DO MOTOR X TORQUE RESISTENTE TORQUE DOMOTORMOMOTOR TORQUE RESISTENTE Motor de Gaiola - Partida Direta % Corrente 600 Corrente e Torque Máximo 400 RPM com Torque Nominal e Corrente Nominal % Torque Torque Rotação Síncrona RPM Rotação ( RPM ) O gráfico acima nos mostra a relação torque, velocidade e corrente numa partida direta de um motor com rotor gaiola ( motor de indução ). PARTIDA DO MOTOR DE INDUÇAO PARTIDA DIRETA Na maioria das instalações elétricas, residenciais, comerciais ou industriais, pequenos motores de indução do tipo gaiola, de pequena potencia, podem arrancar (iniciar funcionamento) por ligação direta a linha (rede) sem que se verifique quedas de suprimento de tensão e um grande aumento do período de aceleração ate a velocidade nominal. Semelhantemente grandes motores de indução podem partir por ligação direta a linha sem quaisquer danos ou mudança objetável de 25

24 características da mesma, desde que esta tenha capacidade suficiente para suportar grandes picos de corrente. Conseqüentemente a partida direta a linha não precisa ser necessariamente evitada, se a linha for de capacidade suficiente para prover a tensão nominal e a corrente requerida pela partida do motor de indução e desde que tal partida não cause danos ao próprio motor e ao sistema. Embora haja algumas variações no motor de indução tipo gaiola, um motor de indução usualmente requer aproximadamente de 6 (seis) vezes a sua corrente nominal quando arranca com a tensão nominal aplicada ao estator (tensão esta diretamente ligada aos terminais do motor). No instante da partida a corrente do rotor e determinada pela impedância do rotor bloqueado Rr + jxbl. Assim, se a tensão do estator fosse reduzida à metade do seu valor, o torque e reduzido a um quarto do seu valor, a corrente de partida também seria reduzida na mesma proporção, isto e, aproximadamente a três vezes a corrente nominal. Assim, a redução desejável da corrente de linha do motor foi obtida a custa da redução maior ainda e indesejável no torque de partida. ESQUEMA DE POTÊNCIA E COMANDO CHAVE DE PARTIDA DIRETA PARTIDA SOB TENSAO REDUZIDA OU CORRENTE REDUZIDA PARTIDA ESTRELA-TRIÂNGULO A maioria dos motores polifasicos de indução tipo gaiola e bobinado com seus enrolamentos no estator em delta. Alguns fabricantes fornecem motores de indução com inicio e fim de cada enrolamento de fase, marcados, afim de que seja feita a ligação externa. No caso dos motores de indução trifásicos, estes podem ser ligados a linha quer delta, quer em estrela. Quando ligados em estrela, a tensão de fase impressa no enrolamento e VL/ 3 ou 57,8% da tensão de linha. Assim por meio de chaves e possível fazer partir um motor de indução em estrela com mais da metade da sua tensão nominal aplicada a cada bobina e fazê-lo funcionar em 26

25 delta com toda tensão da linha aplicada pôr bobina. Como o torque varia com o quadrado da tensão aplicada pôr fase, a redução da tensão quando da ligação estrela produzira aproximadamente um terço do torque normal de partida a plena tensão. Quando este torque de partida for possível, com uma corrente de partida de aproximadamente 58% da corrente nominal de partida este método que e razoavelmente barato, e freqüentemente empregado. Deve-se dizer que tal sistema e um tanto mais caro que o convencional, mas seu custo e menor do que um autotransformador, impendâncias primarias associadas ao dispositivo de partida. O chaveamento de estrela para triângulo deve ser feito o mais rapidamente quanto possível para eliminar grandes correntes transitórias devidas a momentâneas perdas de potência. ESQUEMA DE COMANDO E POTENCIA DA CHAVE ESTRELA-TRIÂNGULO Figura- Curva característica de torque e corrente, motor com partida Y- 27

26 PARTIDA COM AUTO-TRANSFORMADOR (CHAVE COMPENSADORA) Motores de indução podem com tensão reduzida usando um único auto-transformador trifásico ou três transformadores monofásicos. Os tap s no auto-transformador de 50 a 80% da tensão nominal. Se o motor não consegue acelerar a carga na mais baixa tensão, os taps de tensão mais alta devem ser atentados ate que se obtenha o torque de partida próprio e desejado. O transformador e usado apenas durante o período de partida e suas correspondentes corrente nominais, baseada em um dispositivo de funcionamento intermitente. O auto-transformador age de duas maneiras para reduzir a corrente solicitada a linha : (1) Reduz a corrente de partida do motor pela redução da tensão e (2) pela relação de espiras do transformador, na qual a corrente de linha primaria e menor que a corrente secundaria do motor. Uma vez que a relação de espiras também representa as relações de tensões, a corrente de linha de partida e reduzida, portanto, pelo quadrado da relação de espiras. A figura abaixo mostra esquema elétrico de uma partida com auto-transformador ; Diagrama de força Diagrama de Controle MOTOR DE INDUÇAO COM ROTOR BOBINADO - Efeito de variações na resistência rotorica Conforme analisado anteriormente o conjugado (torque) produzido pelo motor em função da tensão, devemos saber que o mesmo também varia em função resistência do circuito rotorico, no motor de indução. Nos motores tipo gaiola de esquilo ou rotor em curto-circuito não há como se introduzir uma variação desta resistência, uma vez que o mesmo já vem fundido ou fabricado. Num motor de indução tipo com rotor bobinado, entretanto, há uma maneira simples de se introduzir resistências externas no circuito do rotor, através de anéis coletores, conforme mostra as figuras na página seguinte; 28

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