Motor de Indução de Corrente Alternada

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1 Notas Técnicas Motores NT-1 Motor de Indução de Corrente Alternada Introdução O motor de indução ou assíncrono de corrente alternada tem sido o motor preferido da indústria desde o principio do uso da energia elétrica em corrente alternada. Ele alcançou e manteve sua posição em virtude de sua robustez, simplicidade e baixo custo. A linha padrão de motores de indução inclui o popular motor de gaiola de esquilo e o versátil motor de anéis além de variações destes motores básicos como os para aplicação em dupla velocidade, de velocidade variável, para pontes rolantes, prensas e outras aplicações. Este artigo se limitará a motores de médio e grande porte de aproximadamente 2 cv e acima. Princípios Gerais de Operação O Estator O enrolamento de um motor de indução ao qual a energia elétrica é conectada é distribuído ao redor do Estator e produz no entreferro um campo magnético girante que roda em sincronismo com a freqüência da rede elétrica. Conforme o campo magnético gira, o fluxo magnético corta os condutores dos enrolamentos do rotor gerando uma tensão elétrica nos mesmos e por conseqüência uma corrente nestes enrolamentos a qual por sua vez produz um fluxo magnético que se opõe ao criado no estator. A inter-relacão entre os fluxos do rotor e do estator produz um conjugado e faz com que o rotor siga o movimento do fluxo magnético do estator. A análise elétrica deste fenômeno é muito similar àquela do transformador, e assim, tornou-se uma prática referir-se ao enrolamento do estator como primário e ao do rotor como o secundário. O Rotor Se os condutores do secundário forem arranjados como as barras numa gaiola de esquilo, e se a gaiola é feita de modo a permitir rotação, a força causada pelo inter-relacionamento entre os fluxos do rotor e do estator farão a gaiola rodar. Na prática as barras não isoladas da gaiola de esquilo são inseridas num núcleo de aço laminado perto da periferia do rotor e são conectadas entre si através de anéis de curto circuito adequadamente situados nas extremidades do rotor. Esta construção simples faz o motor de gaiola de esquilo ser o mais robusto e de menor custo entre todos os motores de indução. Variações no projeto da barra do rotor produz uma grande alteração nas características de desempenho do motor, especialmente nas características de conjugado e corrente versus rotação. A indústria elétrica constrói três tipos fundamentais de motores de indução de gaiola. De acordo com a terminologia da GEVISA são eles; motores de conjugado de partida e corrente de partida normal tipo K (equivalente a categoria B da norma NEMA MG1); alto conjugado de partida, corrente de partida normal tipo KG (ou NEMA categoria C); e alto conjugado e alto escorregamento, tipo KR (ou NEMA categoria D). Para curvas típicas de desempenho ver figuras 2, 3, 4, e 5. Definições de Conjugado A característica fundamental de qualquer motor de indução é a sua curva de conjugado versus rotação. Os vários pontos da curva de conjugado-rotação (ver figura 1) são definidas pela norma NEMA MG1 como segue: DE PARTIDA MÍN. DA CARGA ROTAÇÃO MÁX. NOMINAL ROTAÇÃO NOMINAL Figura 1. Curva Conjugado-Rotação ROTAÇÃO SÍNCRONA GE-GEVISA NT-1 Página 1

2 Conjugado Nominal: É o conjugado necessário para produzir a potência nominal à rotação nominal. Em libras-pé ele é igual a potência em HP vezes 525 dividido pela rotação nominal em rpm. Em N.m é igual a potência em cv vezes 722 dividido pela rotação nominal em rpm Conjugado Máximo: É o conjugado máximo que o motor irá desenvolver com tensão e freqüência nominal sem queda abrupta na rotação. Conjugado de Partida ou com Rotor Bloqueado: É o conjugado mínimo que o motor irá desenvolver em repouso com tensão e freqüência nominal aplicada. Conjugado Mínimo: O conjugado mínimo que o motor irá desenvolver durante o período de aceleração do repouso até a rotação em que o conjugado máximo ocorre. Para motores que não possuem um conjugado máximo definido o conjugado mínimo é o menor conjugado desenvolvido até a rotação nominal. 4. O escorregamento no conjugado máximo é proporcional a resistência rotórica. Referir-se à figura A freqüência e tensão rotórica são proporcionais ao escorregamento; assim, ambas são iguais a zero na rotação síncrona, mas atingem valor máximo na rotação zero. 6. As Perdas rotóricas são proporcionais ao escorregamento e estão todas confinadas dentro do rotor de um motor de gaiola, mas num motor de anéis (tipo M), a perda secundária se divide proporcionalmente entre a resistência do enrolamento do rotor e a resistência externa conectada ao circuito do rotor. 7. Ao final do período de aceleração a energia cinética das partes rotativas à rotação nominal é exatamente igual ao calor gerado nos condutores do rotor de um motor de indução pelos componentes de aceleração do conjugado e da corrente secundária. Esta equivalência é independente do formato da curva conjugado-rotação e assim não depende se o motor é tipo K, KG, KR, ou M. (Notar que embora isto seja verdadeiro, outros fatores tais como tempo de operação à baixa rotação fazem com que seja importante que o motor de gaiola acelere razoavelmente rápido de modo a se beneficiar de um resfriamento mais eficiente à rotação nominal). Princípios Gerais de Operação Os seguintes princípios de operação do motor de indução são apresentados devido à importância relacionada aos problemas de aplicação. 1. O conjugado do motor de indução varia aproximadamente com o quadrado da tensão aplicada aos seus terminais. A 9% de tensão de partida, o conjugado de partida será reduzido a aproximadamente 81% do valor à tensão nominal. 2. Baixa resistividade das barras do rotor (resistência rotórica) resulta em alta rotação nominal (baixo escorregamento) e resulta em alto rendimento. Perdas rotóricas são proporcionais ao escorregamento. 3. Alta resistência rotórica fornece alto conjugado de partida com baixa corrente de partida, mas resulta em baixo rendimento nominal. Um motor tipo KR tem uma alta resistência rotórica. Referir-se as figuras 2 a 5 para comparação do motor KR com o motor de baixa resistência rotórica tipo K., % DO NOMINAL KR 8 A 13 % KG K KR 5 a 8 % Figura 2. Curva Conjugado-Rotação GE-GEVISA NT-1 Página 2

3 RENDI (%) FATOR DE POTÊNCIA (%) CORRENTE, % DA CORRENTE NOMINAL KR 5 a 13% KR 5 A 8% ESCORREGA K e KG Figura 3. Curva Corrente-Rotação KR 8 a 13 % POTÊNCIA, % DA POTÊNCIA NOMINAL K e KG KR 5 a 18 % Figura 4. Rendimento versus Rotação KR KG K Designação dos Tipos de Motores de Indução GEVISA Tipo K - conjugado de partida normal, corrente de partida normal Este é um motor de gaiola de uso geral com conjugado de partida normal e corrente de partida normal. Em potências menores é identificado como NEMA Categoria B. O alumínio de baixa resistência ( ou cobre) nas barras do rotor garante baixo escorregamento (aproximadamente.5 a 1.5 por cento à potência nominal) e, por causa da baixa perda rotórica, um alto rendimento. O conjugado de partida normal se situa entre 6 e por cento do nominal dependendo da potência e rotação. Conforme a potência aumenta em relação ao número de pólos (ou seja, para uma dada rotação) o conjugado de partida tende a diminuir. O conjugado máximo está ao redor de 175 a 2 por cento e ocorre a escorregamento relativamente baixo. A corrente de partida normal é da ordem de 6-65 por cento da corrente nominal. Uma vez que o motor tipo K tem baixo escorregamento, com variação entre a condição em vazio e a operação a potência nominal ao redor de.5 a 1.5 por cento, ele é geralmente designado como motor de rotação constante. Características gerais do motor tipo K são mostradas nas figuras 2, 3, 4, e 5. A aplicação para esse tipo de motor pode ser caracterizada como (1) velocidade constante; (2) inabilidade de operação à baixas rotações; (3) baixo número de partidas consecutivas. Máquinas tais como bombas e compressores centrífugos, sopradores, ventiladores e conjunto motor gerador são cargas típicas para as quais o motor tipo K é ideal. Modificações relativamente de baixo custo no motor podem trazer melhorias nas características do mesmo tais como o aumento do conjugado máximo para aplicações específicas como para cargas com alta inércia, misturadores, etc. Grandes motores tipo K podem ser usados para acionar uma carga em paralelo se eles forem motores duplicata; ou seja, produzidos na mesma época e terem o mesmo número de modelo. Tipo KG - Alto Conjugado de Partida, Corrente de Partida Normal Figura 5. Fator de Potência vs Rotação Ao se dar a partida em uma máquina totalmente carregada, o motor deve ter conjugado de partida suficiente para vencer o conjugado resistente e o conjugado de atrito estático da carga. O motor KG tem um alto conjugado de partida (ao redor de duas GE-GEVISA NT-1 Página 3

4 vezes o conjugado nominal) e ainda, tem uma corrente de partida normal e aproximadamente o mesmo escorregamento a plena carga que o motor tipo K. Veja a figura 4. Para potências menores é identificado como NEMA Categoria C. As aplicações para esse tipo de motor são aquelas que requerem características de operação iguais ao do tipo K mas também alto conjugado de partida. Aplicações típicas incluem correias transportadoras, bombas e compressores alternativos partindo carregados, moinhos de bolas, pulverizadores de carvão, agitadores e misturadores. Devido à características construtivas especiais da gaiola do rotor o motor tipo KG não é adequado para cargas de alta inércia. Tipo KR - Alto Conjugado de Partida, Alto Escorregamento. O motor tipo KR é caracterizado por um alto conjugado de partida, alto escorregamento e baixa corrente de partida. Em potências menores ele é identificado como NEMA Categoria D. O conjugado usual de partida varia entre 25 e 3 por cento com um valor usual de corrente de partida entre 4-55 por cento da corrente nominal. O tipo KR é também um motor de alto escorregamento e pode ser obtido com escorregamento em duas faixas: 5 a 8 por cento ou 8 a 13 por cento. Neste caso também o motor é controlado pelo projeto das barras rotóricas. Pelos princípios descritos anteriormente pode-se concluir que o motor KR tem barras do rotor de alta resistência e como conseqüência baixo rendimento em regime nominal; entretanto ele tem a vantagem de uma baixa corrente de partida. A alta perda rotórica (maior calor a ser dissipado) afeta o tamanho deste tipo de motor, obrigando o projetista a usar uma carcaça maior em relação a do motor tipo K ou KG para uma mesma potência. Embora o alto escorregamento faz deste motor uma escolha não apropriada para cargas que necessitam de rotação constante, esta característica o torna extremamente útil para aplicações onde altos picos de conjugado são encontrados. Entre as aplicações mais usuais estão aquelas tais como prensas excêntricas e de biela, e máquinas de corte onde o uso está associado a um volante. O alto escorregamento permite ao motor a redução da rotação durante a operação de prensagem de tal modo que a energia armazenada no volante possa ser utilizada. Durante o intervalo de tempo entre as batidas da prensa o motor acelera o volante até a rotação nominal para a próxima operação. O motor KR é também usado para acelerar cargas de alta inércia, especialmente quando o tempo de operação à rotação nominal e carga nominal é limitada tal como em carrinhos transportadores de carvão ou minério ou aplicações em elevadores. Tipo M - Motor de Rotor Enrolado O motor de rotor enrolado, designado como tipo M pela GEVISA é um motor de indução com características de conjugado-rotação ajustável. Isto é obtido usando-se um enrolamento de rotor trifásico similar ao do enrolamento do estator. O terminal de cada fase é levado a um anel de deslizamento instalado no eixo do motor. Através de escovas estacionárias em contato com os anéis coletores, qualquer valor desejado do conjugado máximo (normalmente entre 2 e 25 por cento do conjugado nominal) não é afetado por alterações na resistência; mas como está mostrado na figura 6, o escorregamento ou rotação na qual o conjugado máximo ocorre é dependente da resistência do secundário. A resistência secundária que fornece conjugado nominal na rotação zero é chamado por unidade ou por cento ohms. Similarmente 5 por cento ohms resulta conjugado nominal a 5 por cento da rotação e 7 por cento ohms fornece conjugado nominal a 3 por cento de rotação. Variando-se a resistência secundaria, é possível obter-se um número infinito de combinações de corrente de partida versus conjugado de partida. A característica de ajuste de rotação de operação de motor é obtida alterando-se a resistência externa. Com resistência considerável no secundário a característica de conjugado-rotação é muito inclinada para o começo da curva de tal modo que a regulação é pobre. Uma vez que a corrente de carga é proporcional ao conjugado independentemente da resistência externa na parte reta da curva característica, por cento de conjugado representa por cento de corrente em qualquer ajuste de rotação. Se a capacidade de dissipação de perdas do motor fosse a mesma em qualquer rotação, o motor teria uma característica de conjugado-rotação constante. Entretanto, devido a redução da ação do resfriamento o motor padrão auto-ventilado é somente capaz de 8 por cento de conjugado a 5 por cento de rotação. Motores tipo M são usados onde é necessária a partida com limitação de corrente de partida abaixo daquela que pode ser obtida satisfatoriamente com motor de indução de gaiola ou motor síncrono. Os motores tipo M são máquinas apropriadas para o acionamento de compressores centrífugos, bombas de velocidade variável, laminadores, grandes moinhos de bola, esmagadores, picadores, misturadores e aplicações similares. Ele é particularmente adequado para partir cargas de alto conjugado de partida tais como esmagadores e GE-GEVISA NT-1 Página 4

5 moinhos de bola, ou onde uma inércia elevada deva ser acelerada tais como grandes ventiladores ou conjuntos motor-gerador síncrono. Motores com rotor enrolados também são utilizados para aplicações com rotação variável. CORRENTE, % DA CORRENTE NOMINAL TORQUE, % DO TORQUE NOMINAL CORRENTE RESISTÊNCIA EXTERNA NULA NOTA: OS NÚMEROS NAS CURVAS INDICAM VALORES DE RESISTÊNCIA INSERIDA NO CIRCUITO DO ROTOR EM PORCENTAGEM DO VALOR QUE FORNECE % DO NOMINAL NA PARTIDA Figura 6. Curvas Conjugado-Rotação e Corrente-Rotação para motor de rotor enrolado Tipo KAF - Motores para Uso com Inversores de Freqüência O motor para uso com inversor de freqüência, designado como tipo KAF pela GEVISA é um motor de indução adequado para tal aplicação. Este é um motor especialmente projetado para operar com um acionador eletrônico o qual varia a tensão e a freqüência em uma larga faixa de rotações. Este motor, possui características de projeto especiais par uso com inversor de freqüência, e poderá não ser adequado para operação normal (freqüência fixa). Para permitir desempenho totalmente satisfatório com freqüência variável, algumas ou todas das seguintes modificações são incorporadas no motor tipo KAF: Perfil especial da barra do rotor. Quando operando com freqüência fixa o conjugado de partida pode ser muito pequeno. Isto é feito para reduzir o aquecimento por harmônicas durante a operação com o inversor. Particularmente isto acontece com motores de dois e quatro pólos. Alta corrente de partida. Um motor tipo KAF terá corrente de partida relativamente alta quando aplicado numa fonte de freqüência fixa. Para uso com inversor, isto melhora a relação conjugado / corrente em freqüências muito baixas durante a partida. 25 Enrolamentos com configurações especiais. Alguns motores tipo KAF são fornecidos com duplo enrolamento os quais podem ter uma defasagem de 3 graus elétricos. Em alguns casos, estes enrolamentos não podem ser conectados em paralelo para operação com freqüência fixa sem danos ao motor. Devido a operação em baixas rotações a deficiência de ventilação natural é compensada com o uso de um soprador acoplado ao motor. Isto ocorre especialmente nos casos de acionamento de cargas com conjugado constante como é o caso de laminadores, bobinadeiras, etc. Motores de Múltipla Velocidade O motor de gaiola é essencialmente uma maquina de rotação constante. Muitas cargas requerendo ajuste de rotação podem ser acionadas satisfatoriamente e com vantagens por motores de múltipla velocidade tendo duas, três ou quatro rotações de operação definidas. As várias combinações de rotações são obtidas através das seguintes formas: (1) enrolamento simples, (2) enrolamentos superpostos, (3) uma combinação de ambos. Um estator de enrolamento simples pode ser conectado para dar duas rotações na razão de 2:1. A menor das duas rotações e obtida a partir do arranjo da alta rotação pela reversão das conexões de pólos alternados no enrolamento do estator, o qual como conseqüência, induz pólos intermediários aos originais. Dobrando-se o número de pólos ocorre a redução da rotação do motor pela metade. A alteração dos pólos é conseguidas simplesmente pela reconexão externa dos seis terminais do estator. O método da superposição ou segundo enrolamento do estator tendo o número de pólos corretos para a segunda velocidade desejada, onde o segundo enrolamento pode ser freqüentemente adicionado na ranhura sobre o primeiro enrolamento. Este método é usado pela GEVISA para combinações de rotações fora da razão de 2:1. Combinações dos dois métodos acima podem ser usadas se mais do que duas rotações são necessárias. Notar, entretanto, que combinações de rotações como irá requerer arranjo de enrolamento especial o qual poderá não ser possível. O tamanho físico de um motor de múltipla velocidade depende, é claro, da característica de conjugado requerida. Em ordem decrescente de tamanho estão (1) o de potência constante, (2) o de conjugado constante e (3) o de conjugado variável. GE-GEVISA NT-1 Página 5

6 Modificações do Motor para Partida Partida direta de motores de gaiola é desejável para se obter simplicidade e economia no equipamento de partida. Todos os motores de indução modernos são projetados para suportar a tensão plena na partida sem danos ao enrolamento do motor. Infelizmente, motores de grande porte possuem corrente de partida com tensão plena que podem comprometer sistemas de potências fracos. Os três métodos usuais de partida com tensão reduzida usados para reduzir a corrente consumida pelo motor são: (1) o auto transformador, (2) o método da resistência em série, e (3) o método do reator em série. Em geral estes três métodos não requerem modificações do motor para seu uso. Em adição aos acima citados, três outros métodos de redução de partida do motor são usados. Ocasionalmente estes métodos requerem modificação dos enrolamentos do motor; assim, para ser usado o método desejado deve ser especificado por ocasião da definição da cotação do motor. O método estrela-triângulo requer terminais adicionais para o motor e um enrolamento projetado para conexão em triângulo para operação normal. O método série-paralelo requer o apropriado número de seções em cada fase dos enrolamentos do motor bem como terminais apropriados. O método do enrolamento dividido requer dois enrolamentos em paralelo por fase, número adequado de terminais e, em adição, outros problemas de projeto devem ser considerados. Deve-se mencionar também o método de partida através do soft-starter. Este é um equipamento eletrônico que controla a corrente de partida durante toda a aceleração do motor. Ele permite partidas suaves com otimização da corrente de partida. Este método tem se tornado popular e vantajoso com o avanço da eletrônica de potência. Em qualquer instância, onde um desses últimos quatro métodos for considerado, a disponibilidade de um motor para este tipo de partida deve ser verificado com o fabricante. Todos os métodos acima, seja tensão reduzida, arranjo especial de enrolamento, ou através do soft-starter resultam em redução considerável no conjugado disponível durante o ciclo de partida; portanto os requisitos de conjugados de partida devem ser analisados. Qualquer que seja a aplicação do motor uma análise apropriada é recomendada. A GEVISA conta com profissionais altamente preparados para atender as situações mais especiais seja qual for o tipo de motor de indução desejado. Para informações adicionais consulte nossa equipe de vendas ou a Engenharia de Aplicação. Copyright 1997, 1998, 1999, 2 GE-GEVISA S.A. Traduzido e Adaptado da Publicação GEMIS GEZ-627 por Ney E. T. Merheb (Eng. Aplicação GE-GEVISA) GE-GEVISA NT-1 Página 6

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