DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ENERGIA E AUTOMAÇÃO ELÉTRICAS ESCOLA POLITÉCNICA DA USP PEA - LABORATÓRIO DE INSTALAÇÕES ELÉTRICAS

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1 ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ENERGIA E AUTOMAÇÃO ELÉTRICAS ESCOLA POLITÉCNICA DA USP PEA - LABORATÓRIO DE INSTALAÇÕES ELÉTRICAS MOTORES LIGAÇÕES / PARTIDAS E OPERAÇÕES Código: MOT 1 e 2

2 ÍNDICE 1. Apresentação Tipos de Motores Motores Trifásicos de Indução Considerações Gerais Princípio de Funcionamento Campo Girante Velocidade de Sincronismo Princípio de Funcionamento Escorregamento Detalhes Construtivos Introdução Estator Rotor Tipos de Ligação Considerações Gerais Identificação dos Terminais dos Motores Ligação de Motores com 12 Terminais Externos Motores com 9 Terminais Externos Motor com 6 Terminais Externos Conjugado em Função de Rotação Considerações Gerais Conjugado x Rotação Análise de Curva de Conjugado Corrente Absorvida da Rede de Alimentação Métodos de Partida Considerações Gerais Chave Estrela-Triângulo Resistores de Partida em Motores com Rotor Bobinado Redução de Tensão Através de Compensadores Dados de Placa - Valores Nominais e Rendimento Motores Monofásicos de Corrente Alternada Considerações Gerais Motores Monofásicos Shaded-Pole Motores Universais Considerações Gerais Aspectos Construtivos Princípio de Funcionamento Motores Monofásicos com Dois Enrolamentos Considerações Gerais Motor Split-Phase Motor Monofásico com Capacitor de Partida Motor Monofásico com Capacitor Permanente Aplicações

3 1. APRESENTAÇÃO O setor industrial é responsável por cerca de 40% a 50% de toda a energia elétrica consumida no país. Dentro deste setor o consumo de motores elétricos é estimado em cerca de 70% a 80%, o que evidência a grande importância do conhecimento, por parte dos engenheiros, deste tipo de equipamento. Nesta apostila é dada maior ênfase aos motores trifásicos de indução, pois representam cerca de 90% da potência de motores fabricados. Para esse tipo de motor este texto apresenta o princípio de funcionamento, as principais características técnicas e algumas informações sobre sua aplicação. São abordados, ainda, outros tipos de motores, porém com menor profundidade. Incluem-se motores síncronos, de corrente contínua e monofásicos de indução. A finalidade básica dos motores é o acionamento de máquinas e equipamentos mecânicos. Cabe ao usuário a correta seleção do motor adequado a cada processo industrial. Existe uma gama variada de motores, que operam em corrente alternada (monofásico ou trifásico) ou contínua, porém para cada aplicação existe um motor com característica mecânica e elétrica que atende o processo da melhor maneira. O processo de seleção dos motores deve satisfazer basicamente três requisitos: a) Fonte de alimentação: tipo, tensão, frequência, etc,; b) Condições ambientais: agressividade, periculosidade, altitude, temperatura, etc,; c) Exigências da carga e condições de serviço: potência solicitada, rotação, conjugados, esforços mecânicos, ciclo de operação, confiabilidade exigida pelo processo industrial, etc. 3

4 2. TIPOS DE MOTORES A classificação clássica dos motores consiste agrupá-los da seguintes forma: a) Motores de Corrente Contínua Este tipo de motores opera alimentado por fonte de energia em corrente contínua. Este fato impõe uma grande limitação no campo de aplicação desse tipo de motores, pois, como sabemos, a rede elétrica pública que atende nossas casas, as industrias e o comércio opera em corrente alternada. Porém as características técnicas de um motor deste tipo, como por exemplo a relativa facilidade com que se consegue controlar a sua velocidade e os altos níveis de torque a baixas rotações, lhe garante aplicações específicas como tração elétrica (trens, troleibus, bondes) e usos em processos industriais que requerem essas propriedades como laminadores e acionamentos para posicionamentos de cargas mecânicas (sistemas automatizados e robôs). Uma aplicação bastante comum desse tipo de motor é em motor de partida de veículos movidos a motores de combustão, onde se dispõe de uma fonte de corrente contínua (bateria) e se requer altos torques a baixa rotação. Como será abordado em capítulos posteriores, basicamente o princípio de funcionamento dos motores elétricos resulta do surgimento de forças de origem eletromagnéticas, produzidas pela interação dos campos magnéticos produzidos por dois tipos de enrolamentos (bobinas): um que permanece fixo, estático (no estator do motor) e outro que gira solidário ao eixo do motor, que por sua vez, é a sua parte móvel (rotor). Posto isto, há outras subclassificações que identificam os motores de corrente contínua, associados a forma com que esses enrolamentos (o fixo e o móvel) estão interligados. Por exemplo, se os ligarmos em série, a mesma corrente percorre a ambos, o que confere uma característica diferente se alimentarmos cada um desses enrolamentos de forma independente. Então, esta sub classificação agrupa os motores de corrente contínua em 4 (quatro) grupos: 4

5 - motores de C.C. com excitação independente; - motores de C.C. com enrolamento em série; - motores de C.C. com enrolamento em paralelo e - motores de C.C. com enrolamento compostos. Há uma vasta literatura sobre esse assunto, que poderá ser consultada pelo leitor que desejar se aperfeiçoar no tema. b) Motores de Corrente Alternada Esta modalidade de motores é a mais comum, podendo-se estimar que mais de 95% da potência instalada em motores elétricos operam em corrente alternada. Isto se dá pela disponibilidade desse tipo de fonte de alimentação e pela própria simplicidade de operação e construção de certos tipos de motores de corrente alternada, que lhe conferem grande campo de aplicação, e confiabilidade a baixo custo. Como sabemos, as redes públicas disponibilizam energia elétrica sob duas modalidades básicas: - fontes de tensão monofásica; - fontes de tensão trifásica. Assim, os motores de corrente alternada são classificadas em 2 (dois) grupos, conforme opere sob alimentação monofásica ou trifásica. Os motores monofásicos são utilizados para aplicação onde, em primeiro lugar, só se dispõe de fonte monofásica, como por exemplo, na grande maioria das instalações residenciais e pequenos comércios e indústrias e, cujas necessidades de potência sejam relativamente pequenas (usualmente até cerca de 5 HP). Assim, bombas d água, eletrodomésticos de maior porte (os de menor utilizam um outro tipo de motor que veremos a seguir), aparelhos de ar condicionado, acionamentos industriais de pequeno porte são aplicações típicas de motores monofásicos. Os motores trifásicos são do ponto de vista da engenharia, que apresentam maior importância, por ser aqueles mais frequentes em aplicações de potência. Estes tipo de motores são agrupados em: - motores síncronos, que apresentam rotação rigorosamente constante e, 5

6 - motores assíncronos, que cuja rotação é função da carga mecânica (conjugado resistente) a que é submetido. Os motores síncronos, pela sua própria característica, requerem cuidados especiais na operação (em potências mais elevadas, devem partir sem carga mecânica), apresentam construção mais elaborada e tem campo de aplicação restrito. A propósito, conceitualmente motores e geradores diferem principalmente, pela natureza da fonte primária de energia: no motor se injeta energia elétrica e o equipamento disponibiliza energia mecânica e, no gerador ocorre o contrário, injeta-se energia mecânica e o equipamento disponibiliza energia elétrica. Assim, todos os geradores de sistemas trifásicos (inclusive os de usinas hidroelétricas) são máquinas síncronas, semelhantes a motores síncronos trifásicos), daí sua grande importância. Por outro lado, os motores assíncronos, também chamados de motores de indução, são os realmente mais difundidos e utilizados nas aplicações de engenharia, por sua simplicidade de utilização, versatilidade e custo. A característica básica desse tipo de motores é que apresentam a velocidade variável, em função do valor carga mecânica que os solicita. Os motores assíncronos monofásicos são, usualmente, utilizados quando se requer um potência de até cerca de 5HP, sendo que, para potências maiores são utilizados motores trifásicos, embora também haja motores trifásicos desse último tipo, com potências menores do que 5HP. Por esta razão, o foco central desta apostila são os motores trifásicos de indução, cujo princípio de funcionamento, características técnicas e de aplicação serão abordados com maior detalhe nos capítulos seguintes. c) Motores Universais Este tipo de motor pode ser alimentado em corrente alternada ou em corrente contínua, porém, é economicamente viável para pequenas potências (pequenas frações de HP) sendo utilizados em principalmente, em eletrodomésticos de pequeno porte tais como liqüidificadores, enceradeiras, etc. 6

7 3. MOTORES TRIFÁSICOS DE INDUÇÃO 3.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS Neste capítulo, são apresentados os principais elementos referentes a motores de indução trifásicos, quais sejam: a) princípio de funcionamento; b) detalhes construtivos; c) tipos de ligação; d) conjugado e; e) métodos de partida. 3.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO CAMPO GIRANTE Consideramos uma superfície cilíndrica, sobre a qual dispomos de 3 espiras (constituídas por condutores de mesma impedância), cujos eixos de simetria normais à superfície cilíndrica formam ângulos de 120 o entre si como mostra a figura 3.1. Figura espiras dispostas sobre uma superfície cilíndrica 7

8 Como sabemos, quando uma corrente i(t) percorre uma dessas espiras, estabelece-se um campo de indução B, cuja direção e sentido (dados pela regra da mão direita ) pode ser representado pelos vetores B 1, B 2 e B 3 cuja intensidade é proporcional a i(t) ou seja B = K i(t). Note que a figura determina uma convenção de sinais para a corrente e campo B ou seja, quando a corrente i 1 entra na espira 1, pelo ramo esquerdo da bobina, o campo de indução criado B 1 entra no cilindro, sendo que esses sentidos são convencionados como positivos. De modo análogo ocorre com as espiras 2 e 3. O campo B reinante no interior do cilindro é a composição vetorial de B 1, B 2 e B 3. Assim por exemplo se i 1 = i 2 = i 3, B seria nulo. Consideremos agora, que se injete, respectivamente nas 3 espiras, 3 correntes senoidais, defasadas de 120 o no tempo, ou seja, alimenta-se as 3 espiras com um sistema trifásico simétrico. Nessas condições teremos: i i (t) = I max sen wt i 2 (t) = I max sen (wt o ) i 3 (t) = I max sen (wt o ) b 1 (t) = K I max wt = B max wt b 2 (t) = K I max (wt - 120) = B max (wb - 120) b 3 (t) = K I max (wt + 120) = B max (wt + 120) É possível calcularmos o campo B resultante no interior do cilindro a cada instante. Assim no instante t = t o = 0, teremos: i 1 (t o ) = 0 b 1 (t o ) = 0 i 2 (t o ) = - 3/2 I max b 2 (t o ) = - 3/2 K I max i 3 (t o ) = + 3/2 I max b 3 (t o ) = 3/2 K I max 8

9 O campo resultante será a soma vetorial dos campos e terá módulo: 3/2 K I max e direção normal ao eixo da bobina 1. (Fig. 3.2) Figura Campos de Indução produzidos pelas bobinas Com procedimento análogo, determinamos os valores da tabela 3.1, na qual a direção da resultante é indicada pelo ângulo que forma com a direção r, tomado como positivo no sentido anti-horário (fig. 3.2). Verificamos que o campo resultante tem módulo constante e sua direção desloca-se com velocidade angular ω, isto é, descreve f ciclos por segundo, pois ω = 2 π f. 9

10 b 3 b 3 b 2 b b 1 b 2 b 30 o b1 b2 b 60 o t o t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 b b b b 2 b 3 b 2 b 3 b 1 b 2 b o t 6 t 7 t 8 Figura 3.3 Campo Girante 10

11 11

12 Observamos ainda que o campo produzido pelas bobinas pode ser assimilado ao existente no entreferro de um imã permanente que gira com velocidade angular ω (fig. 3.4); podendo se imaginar a existência de um polo norte e um polo sul localizados sobre a superfície cilíndrica substituindo as espiras, que se deslocam com velocidade angular ω; daí advindo a expressão de campo girante com um par de pólos. Figura Campo Girante produzido por um par de polos Note que se trocássemos a alimentação de 2 bobinas, isto é, alimentássemos a bobina 2 com a corrente que injetamos na bobina 3, e a bobina 3 alimentássemos com a corrente que injetamos na bobina 2, teríamos como resultado a mudança no sentido de rotação do campo girante VELOCIDADE DE SINCRONISMO A velocidade de rotação do campo girante é chamada de velocidade de sincronismo ou síncrona. O valor desta velocidade depende da maneira como estão distribuídas e ligadas as bobinas no estator do motor, bem como da freqüência da corrente que circula pelo enrolamento estatórico. Prova-se que esta velocidade vale: f N s = 60 onde, P Ns = velocidade do campo girante em rpm. f = freqüência da tensão de alimentação (Hz) P = número de pares de pólos Observa-se que: 12

13 a) um par de pólos é obtido pela montagem de 3 bobinas no estator, dispostas a 120 o no espaço e, alimentados por um sistema trifásico, como exposto anteriormente; b) para se obter 2 pares de pólos deve-se montar sobre o estator dois conjuntos de 3 bobinas defasados de 60 o no espaço e, alimentar cada conjunto constituído de bobinas alternadas, pelo sistema trifásico; c) considerando que a frequência de rede no Brasil é 60 Hz, a velocidade síncrona de um motor com 1 par de pólos é 3600 rpm, com 2 pares 1800 rpm e assim sucessivamente. A figura 3.5 ilustra os enrolamento de um motor de 1 par de polos e outro de 2 pares de polos, onde se observa que no motor de 4 polos, há 3 pares de duas bobinas em serie, portanto alimentadas pela mesma fase. Motor de 2 Polos a c N S b Ia c2 Motor de 4 Polos a1 b2 N1 S1 S2 b1 a2 Ia N2 c1 Figura Motores de 2 e de 4 polos PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 13

14 Suponhamos colocar no interior do estator uma bobina, constituída por uma única espira fechada, livre de girar em torno de um eixo que coincide com o eixo de simetria do estator. Excitando-se o estator com uma corrente senoidal trifásica, criar-se-á um campo girante de induções. Para efeito de análise substituiremos o campo girante do enrolamento trifásico do estator por um par de pólos (Norte e Sul), girando com uma velocidade angular ω s (fig. 3.6). Inicialmente a espira parada vê o campo com velocidade ω s, portanto, por efeito da variação de fluxo, produzida pelo campo girante que se desloca em volta da espira, gera-se nesta última uma força eletromotriz induzida, e como ela está em curto circuito, uma corrente induzida circulará por ela. Esta corrente, pela Lei de Lenz, tenta anular a causa que a produziu, isto é, o sentido da corrente que circula na espira é tal que o campo magnético que ela cria, opõe-se à variação de fluxo. A figura 3.6 ilustra esse fato. Estamos agora, face ao caso de um condutor percorrido por corrente imerso num campo magnético, logo surgirá sobre o condutor uma força F, dada por: B F = i Λ isto é, tem direção normal ao plano formado por i e B, e módulo dado por i x B. A força F, poderá ser decomposta segundo as direções: normal e longitudinal da espira (fig. 3.7). N Fn I F ws F ws F B I F S d Fn Figura Campo produzido por um par de polos girante Figura Força na espira 14

15 A força longitudinal não nos interessa do ponto de vista do funcionamento do motor, de vez que somente dará esforço de deformação da espira. A primeira, será responsável pelo conjugado motor (F N x d). Sob a ação deste conjugado, a espira começa girar no mesmo sentido de rotação do campo girante. À medida que a velocidade de rotação da espira aumenta, a velocidade da espira em relação ao campo girante diminui, diminuindo desta maneira, a variação do fluxo através da espira e consequentemente diminuindo a força eletromotriz induzida, a corrente induzida e o conjugado motor criado por esta última. O conjugado motor será reduzido até atingirmos a condição de regime na qual se verifica a igualdade: C motor = C resistente É claro que a velocidade da espira, nunca poderá atingir a velocidade síncrona, de vez que isso ocorrendo, a posição relativa da espira e do campo girante permanece inalterada, não havendo variação de fluxo e consequentemente não havendo geração de correntes induzidas (C motor = 0). De quanto exposto, resulta a denominação desta máquina, motor assíncrono, que prende-se ao fato desse tipo de máquina nunca atingir a velocidade de sincronismo ESCORREGAMENTO Define-se escorregamento como sendo a diferença entre a velocidade síncrona e a parte móvel do motor, denominada rotor, expressa em porcentagem daquela, isto é: ωs ω NS N s = 100 = 100 ω N S S onde ω s e N s são respectivamente a velocidade angular do campo girante e a rotação do campo girante e; ω e N a velocidade angular e a rotação do rotor. Salientamos que a plena carga, usualmente o escorregamento de um motor quando opera em regime permanente está compreendido entre 3 e 6%; assim, sua velocidade apresenta apenas pequenas variações. 15

16 EXEMPLO - Um motor trifásico de indução de 4 pólos é alimentado com tensão de 220 V, 60 Hz e gira a 1720 r.p.m. Qual é seu escorregamento? 1. Determinação da velocidade síncrona f N = 60 x s P = = 2. Determinação de s rpm s = Ns N = x100 = 4, 45% N 1800 s EXEMPLO - Um motor de indução trifásico é alimentado com tensão de 220 V - 50 Hz gira em vazio a 995 r.p.m. Pede-se: a) o número de pólos do motor. b) o escorregamento em vazio a) Determinação do número de pólos A determinação do número de pólos é feita por tentativas. Sabemos que em vazio, o motor gira com velocidade muito próxima à de sincronismo, portanto, calcula-se a velocidade síncrona para os vários valores do número de pólos e aquela que mais se aproximar da de vazio nos dá o número de pólos. Assim, para f = 50 Hz temos: Número de pares de pólos N s (r.p.m.) portanto, trata-se de motor com 3 pares de pólos. b) Determinação do escorregamento s = Ns N = 100 = 0, 5% N 1000 s 3.3 DETALHES CONSTRUTIVOS 16

17 3.3.1 INTRODUÇÃO Os motores de indução são constituídos dois grupos de enrolamentos montados sob núcleos de materiais ferromagnéticos (bobinas): um imóvel, constituído pelas bobinas que (embora fixas) criam o campo girante, denominado estator e, outro grupo móvel (girante), constituído pelas bobinas que sob a ação do campo girante, giram no interior do estator, este é chamado de rotor. O estator também é chamado de indutor e o rotor de induzido. A necessidade de ambos serem constituídos por núcleos ferromagnéticos se prende ao fato de assim, ser possível obter fluxo de indução a partir de correntes relativamente pequenas. Se o núcleo fosse de ar, seria necessário uma corrente muitas vezes maior para se obter o mesmo fluxo ( Desde que não saturado, a relutância do ferro é muito menor que a do ar ) ESTATOR a) Núcleo de Ferro O núcleo de material ferromagnético do estator é constituído por um conjunto de lâminas de ferro com o formato de uma coroa circular, justapostas. No diâmetro interno são executados entalhes (fig. 3.8), eqüidistantes, que no conjunto, irão constituir os canais onde se alojarão os condutores. Figura Detalhes Construtivos do Núcleo de Ferro 17

18 Para a construção do núcleo, emprega-se chapa de aço de 0,5 mm de espessura, com baixo teor de silício (cifra de perda 2,5 a 3,0 Watt/kg). Não se empregam aços com alto teor de silício, (como por exemplo nos transformadores) devido à sua alta dureza e fragilidade. As lâminas são isoladas entre si por meio de verniz ou de folhas de papel de pequena espessura, tal como nos transformadores. Nas máquinas de maior potência, as lâminas não são agrupadas num conjunto único, mas, são feitos blocos parciais de 5 a 10 cm de espessura e montados com separadores, de perfil adequado, de modo a se formarem entre os blocos canais de ventilação, com largura da ordem de 10 mm. O conjunto das lâminas após cuidadosa compressão, é fixado à carcaça que tem a finalidade puramente mecânica de suporte. b) Enrolamento O material empregado para a execução do enrolamento com maior freqüência é o cobre, e mais raramente, o alumínio. Escapa ao caráter elementar deste curso, o estudo dos tipos de enrolamentos, sendo que, nos limitaremos a dar noções sucintas de sua execução. As bobinas são enroladas e posteriormente colocadas nos canais. Após a colocação de todas as bobinas, são feitas as ligações internas entre elas (ligações: série, paralelo, série-paralelo) e ligados os fios que constituirão os terminais externos. Nas bobinas devemos destacar a parte ativa - aquela que está no interior do núcleo de ferro - e a cabeça, parte externa ao núcleo, que perfaz a interligação entre os dois lados ativos (fig. 3.9). 18

19 bobina cabeça lado ativo dente cabeça canal coroa Figura Detalhes Construtivos de Enrolamento ROTOR Caso se construísse o rotor, imerso no ar, como foi esquematizado na figura 3.2, a relutância (R) do circuito magnético seria muito elevada, como conseqüência, a corrente necessária para criar um campo girante de intensidade razoável, seria exageradamente grande, pois, a força magneto motriz (I) que produz o fluxo (φ) em um circuito magnético de relutância (R) é proporcional à corrente que cria o campo magnético: I = R. φ I = NI = R φ Então, se alojarmos a bobina do rotor em um núcleo de ferro cilíndrico, deixando entre o rotor e o estator apenas o espaço suficiente para a rotação daquele (dentro das tolerâncias mecânicas de construção), o valor de R terá sido reduzido significativamente, em relação ao caso da espira 19

20 do rotor ser imersa em ar; conseqüêntemente o valor da corrente também será reduzido. Ao espaço existente entre o rotor e o estator dá-se o nome de entreferro. O rotor, tal como o estator, é constituído por um conjunto de lâminas de ferro com baixo teor de silício. As lâminas são coroas circulares com uma série de canais eqüidistantes situados na circunferência externa (figura3.10). O conjunto de lâminas é mantido comprimido por meio de anéis e é fixado ao eixo por meio de uma chaveta. Existem dois tipos principais de enrolamentos de rotor: rotor em gaiola e rotor bobinado. No rotor em gaiola, alojam-se nos canais, barras de cobre ou alumínio que são postas em curto circuito nas duas extremidades (fig. 3.11) através de aneis que lhes são solidários. Figura Coroas circulares que constituem o núcleo do rotor 20

21 Figura Rotor em Gaiola No bobinado empregam-se bobinas usualmente elaboradas por fios de cobre e ligados em estrela, de tal modo que os 3 terminais da ligação sejam conectados a aneis condutores, isolados entre si, montados concentricamente no eixo do rotor. Através de escovas fixas de grafite, que deslizam sobre a superfície dos aneis, é possível se ter acesso ao circuito do rotor. A fig ilustra esse tipo de rotor. Figura Rotor Bobinado 21

22 3.4 TIPOS DE LIGAÇÃO CONSIDERAÇÕES GERAIS Consideremos um motor de indução trifásico de 1 par de pólos, portanto constituído, como vimos, por 3 bobinas, cada uma alimentada por uma fase do sistema trifásico. Como sabemos, uma bobina é um bipólo elétrico (portanto com 2 terminais) constituída, por várias espiras. O dimensionamento do isolamento e da capacidade de corrente que as bobinas podem suportar, determinam a tensão adequada de operação e a potência elétrica do motor, que por sua vez, determinam a potência mecânica que podem fornecer. Assim sendo, se por exemplo tivermos uma bobina dimensionada para operar sob tensão de 220 V e. dispormos de uma fonte trifásica com tensão de linha de 220 V; então deveremos ligar as bobinas do motor em delta, para que se possa operar o motor conforme foi dimensionado e assim obtermos a potência especificada. Porém, se dispusermos de uma fonte trifásica de 380 V, relativamente frequente em instalações industriais, a ligação das bobinas deverá ser a ligação estrela, pois assim cada uma delas ficará submetida à tensão de 380/ 3, ou seja 220V, operando portanto conforme dimensionada. Note que a potência elétrica ( P= 3VIcos FI) que o motor absorve da rede no caso de ser alimentado por 220V e ligação delta é a mesma que absorve quando alimentado por 380V e ligação estrela. Considerando agora que se possa subdividir cada bobina de cada fase em 2 conjuntos obtem-se, ao invés de 1 bobina/fase, 2 bobinas/fase e, consequentemente 4 terminais por fase, ao invés de 2 terminais/fase. Nesse caso, teremos maior possibilidade de utilizarmos o motor, adequadamente, alimentado por uma maior variedade de tensões. Assim, por exemplo se dispusermos de um motor com bobinas isoladas para tensão de 220 V e dispusermos de uma fonte de 440 V, poderemos operalo, adequadamente, se associarmos as bobinas de cada fase em serie e, posteriormente executarmos a ligação delta. Assim, cada bobina ficará submetida a tensão de 220 V. Agora, se dispusermos de uma fonte de 760 V, devemos associar as bobinas em serie e utilizar a ligação estrela (verifique!). 22

23 Em resumo, as bobinas dos motores são dimensionadas para operarem sob tensões especificadas e conforme seja a tensão da fonte disponível, devemos proceder as convenientes ligações para que as bobinas fiquem submetidas a tensão adequada e o motor forneça a potencia especificada IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS DOS MOTORES O estator dos motores de indução trifásicos é constituído por três grupos de bobinas, um para cada fase. O fabricante pode interligar todos os terminais das bobinas de uma fase, resultando, no conjunto 2 x 3 = 6 terminais que são levados ao exterior da carcaça, resultando um motor de 6 terminais externos e que torna possível a ligação do motor em triângulo ou em estrela. Alternativamente, o fabricante pode agrupar, internamente, as bobinas de cada fase de modo a se dispor, externamente dos terminais de duas bobinas de cada fase (totalizando 2 x 2 x 3 = 12 terminais). Deste modo o estator poderá ser ligado de quatro modos diferentes, isto é: a) ligando-se as bobinas de cada fase em série e o conjunto em triângulo ou em estrela (ligação ou λ). b) ligando-se as bobinas de cada fase em paralelo e o conjunto em triângulo ou estrela (ligação duplo-triângulo ou ligação duplaestrela λλ). Finalmente o fabricante poderá interligar somente um terminal de cada fase resultando acessíveis externamente nove terminais. Note que o número de terminais acessíveis das bobinas não tem relação alguma com o número de pares de polos tratados em uma seção anterior neste texto, ou seja podem existir motores com 2 ou 4 polos com 6, 9 ou 12 terminais acessíveis. A figura a seguir ilustra esse fato. 23

24 6 terminais 2 polos 6 terminais 4 polos c2 a c a1 b2 b1 a2 b 12 terminais 2 polos c1 12 terminais 4 polos c2 a a b b a1 a1 c2 b2 b2 c b1 b1 c1 a2 a2 a - a b - b c - c c! Esm série ou em paralelo c1 a1 - a2 a1 - a2 Em série (ligações in- ternas não acessíveis) c1 - c2 Figura Motores com 2 e 4 polos, com 6 ou 12 terminais A identificação dos terminais de cada bobina torna-se possível numerando-se ou assinalando-os com letras bem determinadas. A numeração dos terminais é padronizada e é executada como segue: a) Dispõem-se as bobinas de cada fase segundo os lados de um triângulo, de modo que, percorrendo-se o triângulo, no sentido anti-horário, a partir de um dos seus vértices, encontram-se, ordenadamente, início e fim de cada bobina. b) Sempre percorrendo o triângulo no sentido anti-horário, numeram-se os inícios das bobinas de cada uma das fases, com os números 1,2 e 3 (com as letras: U, V e W). 24

25 A seguir numeram-se os terminais de saída desses mesmas bobinas com os números 4, 5 e 6 (com as letras: X, Y e Z). c) Repete-se o procedimento até a numeração de todos os terminais. Figura Esquema para a numeração dos terminais das bobinas LIGAÇÃO DE MOTORES COM 12 TERMINAIS EXTERNOS Os tipos de ligação de um motor com 12 terminais externos estão esquematizados na figura Admitimos que cada bobina é dimensionada para trabalhar com tensão V e freqüência f, resultando para as tensões de linha os valores apresentados. a) Ligação b) Ligação Tensão de linha 2V(440V) Tensão de linha V(220V) 25

26 c) Ligação λ d) Ligação λλ Tensão de linha 2 3 V(760V) Tensão de linha 3 V(380V) Figura Motor com 12 terminais MOTORES COM 9 TERMINAIS EXTERNOS 26

27 a) Ligação triângulo/duplo-triângulo ( / ) Nos motores de 9 terminais externos com ligação triângulo/duplotriângulo, o fabricante interliga internamente os terminais 1 com 12, 2 com 10 e 3 com 11, que recebem os números 1, 2, 3, respectivamente (fig (a) e (b)). a) Ligação (V linha =2 V=440V) b) Ligação (V linha =220V) Figura Motor com 9 terminais ( / ) b) Ligação estrela/dupla-estrela (λ/λλ) Este tipo de ligação é obtido interligando-se internamente os terminais e 12 (fig (c) e (d)). Evidentemente a ligação dupla-estrela é obtida ligando-se as bobinas de cada fase em paralelo, porém, como o centro estrela constituído pelos terminais 10, 11 e 12 não é acessível, resultarão dois centros de estrelas ( e 4-5-6), fato este que em nada afetará o funcionamento do motor, pois, os dois centros de estrela estão ao mesmo potencial, uma vez que as impedâncias das seis bobinas são iguais. 27

28 a) Ligação λ (V linha =2 V=440V) b) Ligação λλ (V linha =220V) Figura Motor com 9 terminais (λ/λλ) MOTOR COM 6 TERMINAIS EXTERNOS Neste caso o fabricante liga internamente as bobinas de uma fase em série ou em paralelo, tendo-se, externamente dois terminais por fase, o que possibilita a ligação em triângulo ou em estrela (fig. 3.18) a) ligação em delta b) ligação em estrela Figura Motores com 6 terminais 28

29 3.5 CONJUGADO EM FUNÇÃO DE ROTAÇÃO CONSIDERAÇÕES GERAIS Os motores de indução trifásicos são assíncronos, isto é, podem operar em uma faixa de rotação cujo limite superior é a velocidade síncrona (por exemplo: 3600 rpm, para máquinas com um par de pólos). A cada rotação está associado um valor de conjugado (torque, por exemplo em kgf x m). Neste item vamos deduzir e analisar a curva de conjugado em função de rotação CONJUGADO X ROTAÇÃO Consideremos o espaço cilíndrico interno de um estator, sujeito a um campo girante, conforme descrito anteriormente. O efeito do estator, alimentado por um sistema trifásico, nesse espaço cilíndrico, pode ser substituído pelo vetor campo girante B, cujo módulo é B MAX, que gira com velocidade angular ω s. Colocando-se nesse espaço uma espira em curto circuito que pode girar livremente, em torno de seu eixo longitudinal, coincidente com o eixo de revolução do cilindro, o campo girante produzirá um fluxo concatenado com a bobina, constituída por N espiras. Se a bobina girar com velocidade angular ω r, a figura 3.19 apresenta a situação relativa do campo girante e da bobina, em nos instantes t = 0 e t = t, sendo que: a) o fluxo concatenado entre o campo B e a bobina será dado pela expressão (I); (I) φ(t) = NS B MAX cos [(ω s - ω r ) t + θ] φ(t) = φ MAX cos[(ω s - ω r ) t + θ] onde: N é o número de espiras da bobina S é a área associada à bobinam por onde o fluxo de B se concatena B MAX é o valor máximo do campo de indução φ MAX é NS B MAX, ou seja,o valor máximo de fluxo que pode ser concatenado 29

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