Seleção e Aplicação de Motores de Indução Standard e de Alto Rendimento

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1 Apostila Disciplia de Coversão de Eergia B Seleção e Aplicação de Motores de Idução Stadard e de Alto Redimeto. Itrodução Nesta apostila são abordados os pricipais aspectos relacioados com a seleção e aplicação de motores de idução icluido motores de alto redimeto. Iicialmete são apresetados e discutidos as características da carga e dos motores que determiam sua a escolha. Em seguida são apresetados e discutidos critérios técicos que são determiates para a correta seleção de motores. A seleção do motor para uma determiada aplicação determia o seu custo iicial e também o seu custo de operação. O emprego de um motor de potêcia isuficiete pode acarretar um fucioameto iadequado do sistema a ele acoplado resultado uma baixa produtividade. Também pode resultar em avarias prematuras o motor. or outro lado, um motor de potêcia acima da ecessária, além de um custo iicial maior, resultará um baixo redimeto, baixo fator de potêcia e vida útil reduzida. Todas estas coseqüêcias são idesejáveis do poto de vista ecoômico e técico. Num cotexto mais amplo, a correta aplicação e seleção de motores assume grade importâcia a atualidade devido ao crescete custo e escassez de eergia que se verifica ão apeas o Brasil, mas também em outros países. Coforme mostram as estatísticas, cerca de 60-70% de toda a eergia elétrica produzida é covertida em eergia mecâica por meio de motores elétricos. Em setores idustriais este percetual chega a 80% e em setores comerciais a 50%. Medidas de redução de cosumo, quer sejam elas restritas ao âmbito idustrial, quer sejam elas de maior alcace passam ecessariamete pela redução do cosumo de motores elétricos, o qual pode ter um valor sigificativo cosiderado-se a sua vida útil (5 a 0 aos). Coforme será visto, para cada aplicação existe uma ifiidade de opções de motores que variam em termos de características, custos de aquisição, custos de operação e tecologia de fabricação. A correta aálise de cada uma destas alterativas exige um cohecimeto bastate sólido do pricípio de operação dos motores elétricos e dos pricipais fatores que iflueciam o seu desempeho. Deve-se salietar que em geral a correta seleção do motor é sempre uma excelete forma de reduzir custos operacioais. Não é apeas o tipo de motor que determiará os custos de operação, mas também as suas características e ível de carregameto. Mesmo um motor de alta eficiêcia poderá acarretar custos maiores que um stadard, caso a sua escolha ão for feita detro de critérios técicos e ecoômicos. Sedo o motor de idução o mais empregado a atualidade, a presete apostila será restrita a este tipo de motor. Cotudo, muitas das características e cosiderações apresetadas também se aplicam a outros tipos de motores.. ricipais Características dos Motores de Idução As pricipais características dos motores de idução são apresetadas e discutidas a seqüêcia. ara a correta escolha do motor, tora-se imperativo o correto etedimeto de cada uma delas. Também é iteressate citar que muitas das características são estabelecidas em ormas acioais (NBR7094) e iteracioais

2 (NEMA, CSA, IEC 4, VDE 50, etc), outras são atribuídas pelo fabricate em fução dos materiais, critérios e da tecologia empregada a fabricação do motor.. otêcia Nomial É a potêcia mecâica máxima que o motor pode forecer o seu eixo em regime de trabalho ormal e sob codições omiais. Trata-se, portato, da potêcia de saída do motor, a qual está especificada a placa de idetificação. Na prática utilizam-se as uidades de cv, H e W e seus múltiplos. A orma brasileira, recomeda o uso do watt como uidade de potêcia, sedo também aceito o cv. Em geral esta potêcia referese ao regime de trabalho cotíuo, ou seja de forma iiterrupta.. Fator de Serviço O fator de serviço represeta uma reserva de potêcia que o motor possui e que pode ser usada em regime cotíuo (este tipo de regime é também chamado de regime S, de acordo com as ormas acioais e iteracioais). A potêcia que pode ser obtida do motor é assim a potêcia omial (idicada a placa) multiplicada pelo fator de serviço. Um motor de potêcia de 5 kw e com fator de serviço de.5 pode trabalhar cotiuamete com 5.5 = kw em regime cotíuo. Quado ão for idicado um fator de serviço, sigifica que o motor ão possui reserva de potêcia. Quado a potêcia efetivamete utilizada correspode à omial multiplicada pelo fator de serviço deve-se admitir uma elevação de temperatura de 0 0 C além do limite de temperatura da classe de isolação do motor. De acordo com as ormas, quado o fator de serviço for utilizado, pode também haver alterações em algumas das características do motor, tais como o fator de potêcia e o redimeto. Cotudo, o torque de partida, o torque máximo e a correte de partida ão devem sofre alterações. O fator de serviço ão deve ser cofudido com a sobrecarga mometâea do motor, a qual vale por curtos períodos de tempo. De acordo com a orma brasileira, motores de aplicação geral devem suportar uma sobrecarga de torque de 60% da acima do omial por 5 segudos. Mesmo motores sem idicação de fator de serviço (fator de serviço.0, portato) possuem uma determiada capacidade de sobrecarga por tempo limitado. Muitos fabricates forecem a curva de sobrecarga do motor, a qual serve,0 TENSÃO ( p.u. ) 0,95,05 0,98 A,0,0 FREQUÊNCIA ( p.u. ) B 0,95 0,90 NOMINAL ZONA A ZONA B figura - Zoas de Operação do Motor de Idução

3 também como referêcia para o ajuste dos dispositivos de proteção do motor.. Tesão Nomial É a tesão de trabalho do motor em codições ormais, ão deve ser excedida sob períodos prologados de tempo sob risco de avariar o motor; é a tesão de projeto do motor. ela orma brasileira NBR 7094 atiga, todo o motor deve ser capaz de fucioar satisfatoriamete quado alimetado tato com tesão 0% abaixo como 0% acima da tesão omial, desde que a freqüêcia seja a omial. A ova orma NBR 7094 estabelece uma ova sistemática para a operação do motor sob freqüêcia e tesão com desvios em relação aos valores omiais. A combiação das variações de freqüêcia e tesão são equadradas em duas zoas: A e B, coforme mostra a figura. O motor deve ser capaz de operar cotiuamete a zoa A apresetado, cotudo algus desvios as características omiais. A elevação de temperatura pode também ser superior àquela que ocorreria em operação ormal. Na zoa B, o motor também deve ser apto a fucioar por tempo limitado, apresetado, o etato, desvios superiores àqueles da zoa A e com elevação de temperatura também maior. Em ambas as zoas de operação, o etato, o motor deve ser capaz de forecer o seu torque omial. Os motores são em geral fabricados para operação uma temperatura ambiete máxima de 40 graus cetígrados e uma altitude máxima de 000 acima do ível do mar. Fora destas codições existem alterações as características omiais, especialmete a potêcia omial que deverá reduzida..4 Correte Nomial É a correte que o motor solicita da rede sob tesão, freqüêcia e potêcia omiais. O valor da correte depede do redimeto e do fator de potêcia do motor sedo dado pela seguite relação: I s m = (A) - motor trifásico () η V cos( ϕ) 00 5 Correte do Estator (A) Correte (A) Velocidade Mecâica (%) figura - Variação da Correte do Estator em Fução da Velocidade

4 I s m = (A) - motor moofásico () η V cos( ϕ) 00 m - potêcia mecâica forecida o eixo, potêcia de projeto, idicada o catálogo do fabricate e a placa do motor (cv, H ou watts). Caso a potêcia seja idicada em cv deve-se covertê-la usado-se a relação: cv = 76 watts, H = 746 watts. η - redimeto em %; cos( ϕ ) - fator de potêcia omial. A variação da correte em fução da velocidade do motor (rotação) expressa em percetual da velocidade sícroa é mostrada a figura. ode-se observar que durate o período de partida o motor solicita uma correte acima da omial, provocado o mesmo um aquecimeto adicioal, motivo pelo qual o tempo para a partida ão deve ultrapassar o limite estabelecido pelo fabricate. Além disso, a correte elevada causa quedas de tesão a rede de alimetação e dispositivos de maobra e proteção. Os efeitos da partida do motor devem, assim ser levados em cota o projeto da istalação ode o motor se ecotra. A correte de partida de um motor de idução é em geral de 5 a 8 vezes a correte omial. De acordo com a orma brasileira (NBR 7094), motores com potêcia meor ou iferior a 5 kw e com tesão meor que 000 volts devem estar aptos a suportar uma sobrecorrete de 50% acima da omial por miutos. Esta característica visa também a coordeação dos dispositivos de proteção do motor..5 Freqüêcia Nomial É a freqüêcia da rede de alimetação do motor, expressa em Hz, o Brasil a freqüêcia padroizada é de 60 Hz. Deve-se salietar que é possível utilizar-se um motor de 50 Hz a freqüêcia de 60 Hz, cotudo as características de partida e de fucioameto serão alteradas, havedo em geral uma alteração a potêcia omial. Quado isto for ecessário é acoselhável uma cosulta ao catálogo do fabricate. O desvio aceitável da freqüêcia da rede em relação ao valor omial está dado a figura, sedo também caracterizado por duas zoas de operação..6 Escorregameto Nomial É o escorregameto para a codição de plea carga do motor, correspodedo ao torque omial. O escorregameto omial depede da categoria do motor. Motores com escorregameto até 5% são cosiderados de escorregameto ormal; acima deste valor classifica-se o motor como sedo de alto escorregameto. Altos escorregametos estão relacioados com perdas elevadas os erolametos do rotor. O escorregameto represeta a difereça em percetual etre a velocidade mecâica o eixo e a velocidade sícroa..7 Torque Nomial É o torque forecido pelo motor o seu eixo sob tesão e correte omiais. A figura mostra uma curva típica de variação do torque em fução da velocidade do rotor, expressa em percetual da velocidade sícroa. Além do torque omial (T a figura 4), também são importates o torque máximo (T max ), o torque de partida (T p ) e o torque míimo (T mi ), todos mostrados a figura 4. O cojugado máximo exige corretes superiores à correte omial e por isso ão pode ser forecido 4

5 cotiuamete pelo motor, ele visa suprir evetuais picos de carga. Desta forma, todo motor de idução possui capacidade de forecer um torque acima do omial por breves períodos de tempo. De acordo com a orma, o motor deve poder forecer 60% acima do torque omial por 5 segudos. Deve-se salietar que a orma brasileira estabelece categorias de motores: N, H, D, NY e HY. Cada categoria estabelece uma determiada forma da curva de torque versus velocidade. A escolha da categoria do motor é feita tedo em vista o tipo da carga acioada. Os valores de catálogo em geral referem-se a motores de categoria ormal, desigados como N. Em relação ao torque de partida, é importate salietar que este deve ser maior que torque de partida da carga, a fim de que o motor possa acelerar e atigir a velocidade omial. Igualmete importate é o torque máximo, o qual determia qual a sobrecarga que o motor pode suportar por tempo limitado..8 Velocidade Nomial É a velocidade (rpm) do motor fucioado à potêcia omial, sob tesão e freqüêcia omiais. A velocidade mecâica depede do escorregameto, do úmero de pólos e da freqüêcia da rede de alimetação. A velocidade do motor de idução varia muito pouco etre a codição de vazio e plea carga, tipicamete em toro de 5% e em motores de alto escorregameto até 0%. Desta forma, o motor de idução alimetado a partir da rede da cocessioária ão é muito adequado ode se exige velocidade variável. Uma vez que a velocidade do motor depede da freqüêcia e do úmero de pólos, existe um úmero limitado de velocidades para os motores de idução alimetados diretamete da rede. No etato, quado alimetado por meio de um coversor estático, a variação de velocidade é possível uma faixa bastate ampla. Existem motores que podem ser operados em ou mais velocidades a partir da recoexão dos seus erolametos, como por exemplo o motor cohecido como Dahlader. Este tipo de motor apreseta em geral um grau de aproveitameto do material ativo meor em relação a motores stadard. Em virtude dos custos decrescete com dispositivos de cotrole de velocidade a base de semicodutores, este tipo de motores tedem a caírem em desuso sedo a sua utilização justificável apeas em casos isolados. T(ω) Tmax T p Tmi carga T ω ω figura - Torques Típicos do Motor de Idução 5

6 De acordo com a orma os motores de idução devem suportar uma sobrevelocidade de 0% por miutos sem que isso acarrete problemas mecâicos ao rotor..9 Redimeto Nomial É o redimeto que o motor apreseta sob carga, tesão, freqüêcia e codições de ambiete omiais. O redimeto omial é especificado pelo fabricate e depede do projeto e da tecologia empregada a fabricação do motor. Deve-se salietar que o redimeto varia com a carga aplicada o eixo coforme mostra a curva típica a figura 5. O redimeto represeta a relação em percetual etre a potêcia elétrica forecida pela rede e a potêcia mecâica forecida o eixo. ( e p) η= m 00 = 00 () e η - redimeto em percetual e m - potêcia mecâica (útil) o eixo (watt) η (%) carga (%) figura 4 - Curva Típica de Redimeto versus Carga cos(φ) carga (%) figura 5 - Curva Típica do Fator de otêcia versus Carga 6

7 e - potêcia elétrica de etrada (watt) p - somatório das perdas (watt). A curva típica mostra que o motor obtém o maior redimeto detro da faixa de operação que vai de 75% a 00% da carga omial. O mesmo vale para o fator de potêcia. Desta forma deve-se evitar, sempre que possível, deixar o motor fucioado sob carga muito iferior à sua potêcia omial, uma vez que isto acarreta um baixo redimeto e um baixo fator de potêcia, ambos idesejados, uma vez que sigifica custos operacioais e de aquisição do motor maiores que o ecessário. Além disso, um motor com baixo fator de potêcia cotribui para que o fator de potêcia global da istalação seja baixo, evetualmete acarretado multas e/ou operação ieficiete da istalação. Existem dispositivos eletrôicos chamados de Cotroladores de Fator de otêcia que podem ser acoplados ao motor a fim de melhorar o seu fator de potêcia. O redimeto máximo que cada motor apreseta depede dos materiais utilizados a sua fabricação e das dimesões do mesmo. Em geral, o redimeto aumeta com as dimesões e a potêcia do motor, chegado a valores em toro de 98% para grades motores (acima de 500 CV). Motores moofásicos de baixa potêcia apresetam redimetos baixos, podedo chegar a 50%. Existem atualmete motores com redimeto acima do ormal, chamados de motores de alto redimeto, que são mais caros que os ormais em cerca de 0%. A ecoomia de eergia proporcioada permite que o custo adicioal retore um tempo muito meor que a sua vida útil. O seu uso requer, todavia, um estudo técico-ecoômico..0 erdas As perdas represetam a parcela da potêcia que o motor cosome durate o seu fucioameto. or outro lado, o cosumo de eergia do motor está diretamete relacioado com o valor das perdas. Existe uma parcela das perdas que variam com a carga e uma parcela que é fixa. As pricipais perdas são descritas e discutidas o que segue: a) erda sob Carga (erdas Joule) São as perdas que ocorrem os erolametos do estator e do rotor devido ao efeito Joule. Elas existem sempre que o motor estiver coectado à rede. Deve-se salietar que esta parcela de perdas depede da temperatura de trabalho dos erolametos, uma vez que as resistêcias também depedem da temperatura. Elas são dadas pela seguite expressão: erdas Joule do Estator: cs s = I R (4) s R s - Resistêcia de Fase do Estator erdas Joule o Rotor cr r = I R (5) r I r - correte do rotor 7

8 R r - resistêcia do rotor Coforme pode ser visto pelas fórmulas, quato maior o volume de material codutor (cobre e alumíio) meor será esta parcela de perdas. A quatidade de material codutor é determiada pelo custo e pelo espaço dispoível para o mesmo. b) erdas Magéticas (erdas o Ferro) Esta parcela ocorre em todas as partes ferromagéticas que são atravessadas por fluxo magético, também chamadas de partes ativas. Do poto de vista operacioal elas depedem basicamete da freqüêcia e do ível de tesão aplicados. Do poto de vista costrutivo e de projeto elas depedem também da freqüêcia, da qualidade das chapas (expressas em perdas em W/kg), da espessura das chapas, percetual de silício, ível de idução magética e dimesões geométricas (volume) e do tratameto que elas sofrem (ou ão) durate o processo de fabricação. Elas são divididas em duas parcelas: perdas por corretes iduzidas (também chamadas de corretes de Foucault ou corretes parasitas) e perdas por histerese. Estas parcelas são em geral expressas em watts por uidades de volume dadas aproximadamete pelas seguites expressões: erdas por Corretes Iduzidas em W ci m = ε B f d V (6) ε - fator que depede da resistividade da chapa B m - idução máxima as chapas (Tesla) f - freqüêcia d - espessura das chapas V- volume das chapas erdas por Histerese em W: h x m = λ B f (7) λ, x - fatores que depede do tipo de chapa (valor típico x=.) erdas Magéticas Totais mag m x m = ε B f d V + λ B f (8) c) erdas Mecâicas As perdas mecâicas depedem basicamete das dimesões geométricas da máquia, do tipo de rolameto, tipo de lubrificação, potêcia requerida do vetilador acoplado ao eixo e do atrito rotacioal. Tora-se difícil estabelecer uma relação exata etre todas as variáveis que as iflueciam. Uma expressão aproximada pode o etato ser estabelecida: mec ( L τ ) v = k D (9) p 8

9 k - fator que depede do tipo de vetilação utilizado, para máquias com vetilação superficial vale aproximadamete 5 D - diâmetro do rotor L - comprimeto do rotor v - velocidade periférica do rotor em m/s π D τ p = - passo polar p p - úmero de pólos da máquia d) erdas Adicioais Esta é uma parcela de perdas que toma em cota efeitos secudários sobre as perdas. As pricipais perdas de caráter secudário que estão icluídas esta parcela são: perdas por efeito pelicular, perdas por pulsação do fluxo os detes, perdas devido a harmôicos superiores de campo, imperfeições e tolerâcias costrutivas (excetricidade do rotor, por exemplo) e em máquias de alta tesão perdas por efeito coroa. Uma vez que as perdas adicioais depedem de uma série de fatores é muito difícil estabelecer mesmo uma fórmula aproximada. Desta forma elas são determiadas com sedo um percetual das perdas totais da máquia, havedo fatores que são dados iclusive em ormas (veja-se por exemplo a NBR 7094). A orma IEC 4., que é adotada pela maioria dos países europeus, estabelece que as perdas adicioais devem ser cosideradas como sedo 0.5 % da potêcia do motor. As ormas japoesas ão cosideram as perdas adicioais, ao passo que a orma NEMA e CSA determiam procedimetos para a determiação idireta das perdas adicioais por meio de esaios. Outras ormas estabelecem que as perdas adicioais são em toro de 0-5% das perdas totais sob plea carga. Como as perdas adicioais iflueciam o redimeto, obtém-se valores bastate diferetes quado o mesmo é determiado segudo diferetes ormas.. Fatores que Determiam a Escolha do Motor O motor elétrico a ser escolhido deverá ateder as solicitações da carga em regime cotíuo e também durate os trasitórios que ocorrerem sem que haja prejuízos provocados por excesso de calor gerado, especialmete aqueles relacioados com a partida. Na seqüêcia são apresetadas os pricipais fatores que devem ser cosiderados a especificação do motor.. Características da Carga O poto de partida para a determiação do motor adequado é a cosideração da curva de torque versus velocidade da carga. A curva de torque versus velocidade do motor deve ser em todas velocidades meores que a velocidade de operação omial superior à curva de torque da carga. Isto permitirá que a carga acioada possa ser acelerada até a velocidade omial, coforme mostra a figura. Além do regime permaete deve-se verificar se a carga solicitará do motor torques maiores que o omial, aida que por breves istates de tempo. Sob este aspecto, a orma brasileira estabelece que motores de aplicação geral devem ser capazes de suportar um acréscimo de 60% de torque acima do omial por 5 segudos. 9

10 Sobrecargas acima destes parâmetros devem ser acordados etre fabricate e comprador. Desta forma, o cojugado máximo do motor deve ser maior que os picos evetuais solicitados cargas. O torque máximo é em geral especificado o catálogo dos fabricate. Outro fator importate a escolha do motor é o tempo de aceleração, que é o tempo que o motor levará para levar a carga desde o repouso até a velocidade omial. Este tempo deve ser sempre iferior ao tempo de rotor bloqueado que o motor suporta, o qual vem especificado o catálogo do fabricate. Em geral os fabricates acoselham que o tempo de aceleração ão deva ser superior a 80% do tempo de rotor bloqueado. O tempo de rotor bloqueado será calculado tedo como base a curva de torque da carga e do motor. Descosiderado-se o atrito mecâico o tempo de aceleração em segudos pode ser estimado pela seguite expressão: t a m ( Jm + Jc ) ( T T ) = ω (0) mmed rmed ω m - velocidade omial mecâica em rad/s J m - mometo de iércia do motor em kg.m² J c - mometo de iércia da carga referido ao eixo do motor em kg.m² T mmed - cojugado médio do motor em N.m T rmed - cojugado médio da carga em N.m Tmmed T rmed - cojugado acelerate médio em N.m O cojugado motor médio pode ser calculado aproximadamete pelas seguite expressões: T mmed Tp Tmax = T T T (Motor Categoria N e H) () p carga 5 4 t t t t 4 t 5 tempo figura 6 - Curva do Ciclo de Carga do Motor 0

11 T mmed Tp = 0.6 T (Motor Categoria D) () T ara o cálculo do cojugado resistete médio pode-se utilizar as seguites expressões, as quais variam em fução do tipo de carga: T rmed = T r (carga com torque costate) () rmed ( T T ) T = (carga com torque liear) (4) T rmed rp r ( T + T ) rp r = (carga com torque parabólico) (5) T rp - Torque resistete de partida T r - Torque resistete omial à velocidade omial ode-se verificar com base em dados de fabricates que de acordo com os critérios abordados, existe para cada carga vários motores que podem ser escolhidos. A opção por um ou outro será também iflueciada pela experiêcia e por critérios ecoômicos.. Regimes de Serviço De grade importâcia para a especificação do motor é ciclo de trabalho do motor, o qual pode ser idicado por meio de um diagrama de carga, ode se coloca a carga solicitada do motor e o respectivo tempo de duração correspodete, coforme ilustra a figura 6. Este regime de trabalho determiará o aquecimeto do motor. De acordo com as ormas acioais e iteracioais, para fis de especificação, o regime de trabalho do motor dever ser equadrado um dos 0 regimes típicos de fucioameto, os quais são deomiados de regime S, S,...S9, e S0. O regime mais importate é o s (regime cotíuo) que é o regime para o qual os fabricates em geral especificam as características dos motores. Os regimes ormalizados podem ser agrupados em três categorias: a) Regime Cotíuo Neste tipo de regime o motor forece potêcia e torque costates o eixo durate todo o tempo de fucioameto. A temperatura do motor atige um valor estável. Motores que trabalham por tempo prologado (horas ou dias) ou iiterruptamete equadram-se este regime (figura 7). b) Regime de Curta Duração Neste tipo de regime o motor altera períodos de carga com períodos de repouso. O tempo de operação do motor ão é suficiete para que a temperatura atija um valor estável. Além disto o tempo de repouso é tal que o motor volta a atigir a temperatura ambiete (resfriameto completo) (figura 8), após a retirada da carga. Este tipo de regime é comum em plataformas giratórias, potes móveis, etc. Deve-se salietar que embora o motor ão atija uma temperatura estável, a temperatura máxima pode ser bastate elevada atigido os limites da classe de isolação. Motores que foram selecioados corretamete a temperatura máxima situa-se próxima da máxima temperatura suportada pelo motor. A especificação deste tipo de motor deve sempre

12 ser acompahada pela idicação do tempo de fucioameto. Segudo as ormas, o tempos de operação padroizados são: 0, 0, 60 e 90 miutos. c) Regime Itermitete Neste tipo de regime o motor opera alteradamete com e sem carga. Em ambos os p carga p perdas Temperatura figura 7 - Regime de Fucioameto Cotíuo tempo p carga p perdas Temperatura figura 8 - Regime de Fucioameto por Tempo Limitado duração do ciclo tempo p carga p perdas Temperatura tempo figura 9 - Regime de Fucioameto Itermitete

13 p carga 5 Q 5 4 Q Q Q Q 4 t t t t 4 t 5 tempo períodos a temperatura ão atige um valor estável: durate a carga o tempo ão é suficiete para que a temperatura estável seja atigida e durate a retirada da carga (resfriameto) também o tempo ão é suficiete para que o equilíbrio com o meio ambiete seja atigido. Este regime é típico em dispositivos que são acioados ciclicamete como o caso de correias trasportadoras, lamiadoras, estampadeiras, etc.. Determiação do Regime Equivalete ao Regime Cotíuo Existem métodos que permitem selecioar motores tedo em vista o seu ciclo real de fucioameto e as temperaturas atigidas durate o ciclo de trabalho. Tais métodos são em geral bastate complexos porque ecessitam a determiação da elevação de temperatura do motor, o que é sempre uma tarefa bastate difícil e trabalhosa. Além disso, os casos práticos evolvem cargas que variam de forma muitas vezes cohecida de forma pouco precisa. O método mais comumete empregado a prática é o de obter-se um regime cotíuo equivalete ao regime real de trabalho do motor. Estes métodos tomam como base que o regime equivalete cotíuo (S) será equivalete termicamete ao regime real, ão havedo aquecimetos excessivos em daos ao isolameto. Deve-se salietar que a potêcia equivalete em regime cotíuo ão deve ser tomada como a média das diversa potêcias que a carga exige durate um ciclo de trabalho. Tal procedimeto coduz em geral à escolha de um motor de capacidade abaixo da exigida, uma vez que ão são levadas em cota as perdas que estão associadas aos diversos valores de potêcia solicitados. ara pequeas variações de carga este procedimeto é cotudo aceitável. Na seqüêcia são aalisados os diversos métodos que podem ser empregados para a determiação da potêcia equivalete em regime cotíuo. a) Método das erdas Médias figura 0 - Curva do Ciclo de Carga do Motor e erdas Associadas Este método cosiste em determiar as perdas médias do motor durate um ciclo de fucioameto e compará-las com as perdas omiais para as quais o motor foi projetado (tedo em vista que o projeto foi realizado para regime cotíuo). Este método pressupõe que a igualdade de perdas resultará uma igualdade a temperatura média de trabalho da máquia. O poto de partida é a curva de potêcia solicitada

14 do motor versus tempo (curva de carga, mostrada a figura 6). ara cada carga determia-se um valor de perdas que lhe correspode (figura 0). Estas perdas serão deomiadas de Q i e os tempos de duração das perdas de t i, coforme mostra a figura 0. A perda média Q med será etão dada como: Q med Q = + Q t + t + Q + t + K + t + K + Q A determiação da curva de perdas e também da perda média exige o cohecimeto do redimeto do motor. Desta forma a escolha do motor será feita por meio de aproximações sucessivas. Iicialmete escolhe-se um motor com base a potêcia média da carga multiplicada por. (fator prático)e calcula-se pela fórmula acima as perdas equivaletes. Em seguida compara-se o valor das perdas equivaletes com as perdas omiais do motor. Caso houver uma discrepâcia muito grade etre os valores, toma-se o próximo motor, até que haja uma cocordâcia etre os valores, ou seja que as perdas médias sejam meores ou iguais às perdas omiais, cosideradose a faixa de tolerâcia admitida. Deve-se salietar que este método forece valores bastate exatos para a temperatura média de trabalho da máquia. No etato, os valores máximos da temperatura ão são cosiderados. O método é assim idicado para casos em que os picos de carga são de curta duração ão havedo risco de aquecimeto excessivo. b) Método da Correte Equivalete Neste método a correte variável que circula o motor sob diferetes codições de carregameto é substituída por uma correte equivalete que produz as mesmas perdas que a correte que circula o motor. A partir da curva de potêcias solicitadas do motor é determiada a correte correspodete, coforme mostra a figura. A correte equivalete é determiada pela fórmula que segue. (6) I eq = I + I t + t + I + t + K + I + K + t (7) O procedimeto cosiste em calcular a correte equivalete com base o ciclo de trabalho do motor e em seguida selecioar um motor com correte igual ou superior à correte equivalete. Além disso, como o método aterior, deve-se cosiderar também as sobrecargas que o motor está sujeito e ao processo de partida. Caso a correte ão possa ser aproximada por valores costates detro dos itervalos, pode-se utilizar a seguite relação para a determiação da correte equivalete: t I eq = i dt (8) t 0 i i= 4

15 p carga 5 I 5 I I I 4 I 4 t t t t 4 t 5 tempo figura - Curva do Ciclo de Carga do Motor e Corretes Associadas Este é um método que pode ser utilizado em todo os casos ode as perdas costates (perdas rotacioais e perdas o ferro) ão variam, uma vez que ele cosidera ivariável esta parcela de perdas durate o fucioameto do motor. Ele também ão se aplica a motores com rotor em curto-circuito com rahuras profudas ou com dupla gaiola ode existem períodos prologados de partida e freagem. Esta restrição devese ao fato de que a resistêcia secudária do rotor varia muito estes regimes fazedo com que as hipóteses sobre as quais o método está baseado ão sejam válidas. Um método mais apropriado estes casos é a determiação direta das perdas como o método das perdas equivaletes. c) Método do Torque Equivalete Este método baseia-se o fato de que o torque é aproximadamete proporcioal à correte quado se cosidera que o fluxo magetizate é aproximadamete costate. ara a utilização deste método deve-se costruir uma curva de torque versus tempo que correspode à curva de carga do motor (figura ). O torque equivalete é calculado pela seguite fórmula: T eq = T + T t + t + T + t + K + t + K + T (9) As restrições da aplicação deste método são as mesmas que o da correte equivalete. Além disso ele ão se aplica a casos ode o fluxo varia bastate durate a operação do motor, como os casos de freagem de motores com rotor em curto circuito). d) Método da otêcia Equivalete Este método é muito semelhate ao do torque equivalete, uma vez que para pequeas variações de velocidade existe uma proporção direta etre torque e potêcia. Cosiderado-se a curva de carga, a potêcia equivalete é calculado pela seguite fórmula: eq = + t + t + + t + K + t + K + (0) 5

16 p carga 5 T T T 5 T 4 T 4 t t t t 4 t 5 tempo figura - Curva do Ciclo de Carga do Motor e Torques Associados As restrições para a aplicação deste método são as mesmas que o método da correte equivalete. Ele também ão se aplica a casos ode houver uma grade variação de velocidade durate o fucioameto, como os casos de freagem e arraque. Isto deve-se ao fato de que apeas a curva de potêcia útil está sedo cosiderada, a qual ão leva em cota as perdas o motor. Cotudo, fazedo-se correções as potêcias que aparecem os diagramas a fim de levar em cota as perdas, o método pode também ser utilizado..4 Características do Meio Ambiete De acordo com as ormas, todo o motor deve estar apto a trabalhar detro das suas características omiais até uma temperatura ambiete máxima 40 o C e altitudes até de 000 acima do ível do mar. ara codições além do especificado, a potêcia omial do motor deve ser reduzida de acordo com a tabela. Isto deve-se ao fato de que a vetilação do motor fica reduzida em fução da altura e temperatura ambiete. A redução da capacidade de vetilação, por sua vez, deve-se à maior rarefação do ar com o aumeto da altitude. Além destes fatores, também deve ser cosiderado a escolha do motor se existe codições especiais o ambiete ode o motor será istalado tais como poeira, gases em suspesão, maresia, perigo de explosão, etc. Em muitos casos pode ser ecessário a escolha de um tipo especial de motor, projetado e fabricado para ateder as ecessidades específicas do ambiete. Um caso típico é o de motores avais, que possuem um grau de proteção elevado, pitura especial, proteção extra para os cabos a caixa de ligação, etc. O custo de tais motores é cotudo maior que os de fabricação ormal. 6

17 .5 Características da Rede Além da freqüêcia e ível de tesão, para a especificação do motor é ecessário cosiderar os desvios de tesão aos quais a rede está sujeita e de que forma eles afetam o fucioameto do motor em termos de desempeho e elevação de temperatura. A orma brasileira equadra a combiação das variações de freqüêcia e tesão em duas zoas: A e B, coforme mostra a figura. O motor deve ser capaz de operar cotiuamete a zoa A apresetado, cotudo algus desvios as características omial. A elevação de temperatura pode também ser superior àquela que ocorreria em operação ormal. Na zoa B, o motor também deve ser apto a fucioar, apresetado, o etato, desvios superiores àqueles da zoa A e com elevação de temperatura também maior. Os motores também devem ser alimetados com tesões praticamete equilibradas, ou com desvio máximo de 5% etre as tesões fudametais das fases. Deve ser salietado, que tato a variação de tesão como os desequilíbrios afetam o redimeto do motor..6 Classe de Isolação Os materiais dos quais os motores são fabricados suportam uma elevação máxima de temperatura, dadas pelas suas características próprias. Os materiais isolates (veriz, resias, badages,...) são os mais sesíveis à temperatura, possuido um limite bem iferior aos demais materiais ativos (ferro e cobre). Quado ultrapassam a temperatura máxima permitida, os materiais isolates perdem as suas características mecâicas e de isolação, provocado daos ao motor. Desta forma, o tipo de material isolate determia o ível de elevação de temperatura que o motor pode suportar. As ormas acioais e iteracioais classificam os materiais em cico classes de isolação: A, E, B, F e H, coforme mostra a tabela. Cada classe possui um limite máximo de temperatura, coforme a tabela. O limite é obtido a partir da soma da temperatura ambiete máxima (40 o C) com a elevação de temperatura média do erolameto. A este valor deve aida ser acrescido o valor da difereça etre o poto mais quete do erolameto e sua temperatura média. Este último valor é um valor aproximado dado as ormas. A fórmula seguite descreve a relação etre as temperaturas: T T/ H max , ,05 0, ,05 0,99 0, ,05 0,98 0,9 0, ,04 0,97 0,9 0,87 0,8 5 -,0 0,96 0,9 0,86 0,8 0,77 40,00 0,94 0,89 0,85 0,80 0,76 0,7 45 0,9 0,87 0,8 0,78 0,74 0,70 0, ,85 0,80 0,76 0,7 0,68 0,65 0,6 55 0,77 0,74 0,70 0,66 0,6 0,60 0, ,7 0,67 0,64 0,60 0,57 0,55 0,5 tabela - Redução de otêcia com a Altitude e Temperatura Ambiete (T-Temperatura, H- Altitude) = T + T + T () amb med 7

18 Classe de Isolam eto - A E B F H Temperatura Ambiete ºC T = Elevação de Temperatura K ( método da resistêcia ) Difereça etre o poto mais ºC quete e a temperatura média Total: Temperatura do poto ºC mais quete tabela - Classes de Isolação Normalizadas e Elevação de Temperatura Admitida T max - temperatura máxima do erolameto T amb - temperatura ambiete T med - difereça etre a média do erolameto e o poto mais quete (orma) T - elevação de temperatura Os fabricates oferecem motores em geral em uma ou duas classes de isolação. As classes mais comus de motores são B, F e H. Cosiderado-se motores com o mesmo volume de material ativo (cobre e ferro), ao se passar de uma classe de isolação para outra pode-se retirar mais potêcia do motor. Esta é uma alterativa muitas vezes utilizada a prática: ao ivés de selecioar um motor maior, toma-se um motor com uma classe de isolação maior. Motores que operam acima da sua potêcia omial, fazem com que o material isolate se deteriore mais rapidamete dimiuido a vida útil do motor (este efeito é deomiado evelhecimeto). Desta forma deve-se tomar cuidado para que o motor ão opere com potêcias acima da omial por tempo prologado, a fim de evitar avarias prematuras..7 Sistema de artida O sistema de partida deve também ser cuidadosamete avaliado a escolha do motor, especialmete quato à redução de tesão. As curvas características que aparecem os catálogos referem-se à aplicação da tesão omial durate a partida. Em especial o torque varia com o quadrado da tesão, havedo uma redução sigificativa quado da redução da tesão a partida. Também deve ser cosiderado o tempo de aceleração e de rotor bloqueado quado da partida com tesão reduzida. Os pricipais sistemas de partida são: a) Chave Estrela-Triâgulo b) Chave Compesadora c) Chave Série-aralelo d) artida Eletrôica 8

19 .8 Categoria do Motor Baseado a forma da curva de torque versus velocidade do motor, as ormas estabelecem 5 categorias básicas de motores: classe N, classe H, classe D, classe NY, classe HY (a atiga orma NBR 7094 estabelecia apeas categorias de motores: N, H e D). A forma característica das categorias N, H e D são mostradas a figura. As ormas também estabelecem valores limites de torque de partida, torque máximo e torque míimo e escorregameto para cada uma das categorias. A maioria dos motores utilizados a prática pertecem à categoria N. Estes valores ormalizados depedem da potêcia e úmero de pólos do motor. A alteração da característica de torque é feita alterado-se as características de projeto do motor, tais como forma e úmero de rahuras do rotor. Categoria N : torque de partida, correte de partida e escorregameto ormal (meor que 5%). odem ser utilizados para acioameto de cargas ode ão são exigidos elevados torques de partida, tais como bombas, vetiladores e máquias operatrizes. Categoria H : torque de partida elevado, correte de partida de escorregameto ormais. São utilizados ode exige-se um torque de partida acima o ormal, tais como em cargas de alta iércia, trasportadores, britadeiras, etc... Categoria D : cojugado de partida alto, correte de partida alta, escorregameto alto (maior de 5%). São usados em casos ode exige-se torques de partida extremamete elevados e com corretes limitadas a partida, como em elevadores. Categoria NY : são motores com características parecidas com os motores de categoria ormal (desigados como N), mas previstos para partida estrela-triâgulo. Na ligação em estrela o torque de partida e é de 5% do valor idicado para os motores de categoria N. Categoria HY : são motores com características parecidas com os motores de categoria H, mas previstos para partida estrela-triâgulo. Na ligação em estrela o torque de partida e é de 5% do valor idicado para os motores de categoria H. T(ω) H D N ω figura - Curva de Torque das Categorias N, H e D 9