DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DEE CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

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Olívia Assunção Castro
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1 LABORATÓRIO 3: Bobinagem de máquina CA Objetivos: Apresentar um método prático e simples de cálculo da bitola do fio e quantidade de espiras/bobinas de motores de indução, especialmente motores de indução trifásicos; Mostrar como interpretar e utilizar esquemas de bobinagem de motores de indução trifásicos. Teoria O assunto do Laboratório 3 está baseado no Manual de Bobinagem de Motores Elétricos de Indução da WEG [1]. Este catálogo apresenta um método prático e simples de cálculo da bitola do fio e quantidade de espiras/bobinas de motores de indução trifásicos e monofásicos, sendo especialmente aplicado para os casos em que os dados originais de bobinagem do motor sejam desconhecidos. O manual apresenta também uma série de esquemas de bobinagem de acordo com as características do motor considerado. Neste laboratório será desenvolvido o cálculo da bitola do fio e quantidade de espiras/bobinas, e também o esquema de bobinagem para um motor de indução trifásico. 1. Terminologia Neste item são apresentados alguns termos usados na construção e bobinagem de máquinas elétricas. Espira: é um tipo de circuito elétrico formado por dois condutores interligados e com dois terminais acessíveis. Bobina: conjunto de espiras interligadas em série. Grupo: uma ou mais bobinas formando os pólos magnéticos do motor. Passo polar: distância (em radianos elétricos) entre pólos norte e sul adjacentes. Ângulo mecânico (ou ângulo geométrico): ângulo de giro do rotor ao longo do seu eixo. Ângulo elétrico: ângulo da corrente ou tensão elétrica. Bobina de passo pleno (ou passo inteiro): bobina que tem seus lados afastados de 180 graus elétricos. Bobina de passo fracionário (ou passo encurtado): bobina que tem seus lados afastados por menos de 180 graus elétricos. Enrolamento concentrado: enrolamento no qual o número de grupos de bobinas (ou número de bobinas por pólo/fase) é unitário. Enrolamento distribuído: enrolamento no qual o número de grupos de bobinas (ou número de bobinas por pólo/fase) é maior do que um. Enrolamento concêntrico: as bobinas de um mesmo grupo têm passos diferentes (uma dentro da outra) e as cabeças de bobina não se cruzam. A Figura 3.1.a mostra um exemplo de enrolamento concêntrico. Enrolamento imbricado: todas as bobinas têm o mesmo passo e as cabeças de bobina se cruzam dentro de um mesmo grupo. A Figura 3.1.b mostra o exemplo de um enrolamento imbricado. Enrolamento trifásico: enrolamento formado por três fases iguais distribuídas simetricamente e defasadas de 120 graus elétricos. Enrolamento monofásico: enrolamento formado por uma fase principal e uma fase auxiliar, defasadas de 90 graus elétricos. Camada única: cada ranhura é ocupada por apenas um lado de bobina (ranhura cheira). Camada dupla: cada ranhura é preenchida por dois lados de bobina (meia ranhura). A Figura 3.2 mostra um exemplo de camada única e dupla. 16

Figura 3.1 - a) Enrolamento concêntrico; b) Enrolamento imbricado Figura 3.

2 - a) Camada única; b) Camada dupla As Figuras 3.3 e 3.

A Figura 3.3 mostra a inserção de algumas bobinas nas ranhuras de estator enquanto a Figura 3.

2 Figura a) Enrolamento concêntrico; b) Enrolamento imbricado Figura Exemplo de um enrolamento de estator a) b) Figura a) Camada única; b) Camada dupla As Figuras 3.3 e 3.4 permitem uma visualização do aspecto real da bobinagem de um enrolamento imbricado de estator. A Figura 3.3 mostra a inserção de algumas bobinas nas ranhuras de estator enquanto a Figura 3.4 mostra o grupo de bobinas considerado. Figura Grupo de bobinas com enrolamento imbricado 2. Cálculo dos dados de bobinagem de motores trifásicos O cálculo completo dos dados de bobinagem envolve 3 etapas principais: 17

3 2.1 Determinação do número de espiras Dados necessários: Di Diâmetro interno do estator (cm) L Comprimento do pacote (cm) P Número de pólos N Número de ranhuras do estator B Indução magnética estimada no entreferro (usar 5 Kgauss) f Freqüência da rede (Hz) V Tensão da rede (V) a) Localizar o esquema a ser utilizado, conforme instruções do Item 3, determinando o passo médio de enrolamento (p). b) A partir do passo médio, determinar o fator de enrolamento (ξ), pela Tabela de Dados Técnicos para escolher ou modificar o passo do enrolamento (ver ANEXO 1). c) Calcular o passo polar (tp): 3,14 Di tp = ( cm) P d) Calcular o fluxo magnético estimado (φ): B tp L φ = ( Kmaxwell) 1000 e) Calcular o número de espiras por fase (ZF): 50 V k k1 ZF = 2,22 φ f ξ k2 onde: k = 1 para enrolamento em camada dupla; k = 2 para enrolamento em camada única; k1 = número de ligações em paralelo para tensão especificada; k2 = 1 para ligação em triângulo; k2 = 1,73 para ligação em estrela; f) Calcular o número de espiras por bobina (Z): ZF Z = 3 N O valor adotado deverá ser o número inteiro mais próximo. Para valores muito pequenos de Z, quando este arredondamento for superior a 5%, é necessária a escolha de um esquema com maior número de ligações em paralelo, aumentando-se assim o número de espiras e minimizando o erro. 2.2 Determinação da bitola do fio a) A seção do fio a ser usado pode ser determinada pela fórmula: I k2 S = d 1,73 k1 Onde: S = seção do fio em mm² I = corrente nominal do motor (obtida da placa de identificação do motor ou do catálogo) d = densidade de corrente, escolhida em função da potência do motor conforme abaixo: - menores ou iguais a 10CV: até 7 A/mm² - de 10 a 50CV: no máximo 5,5 A/mm² - acima de 50CV: consulta ao fabricante, face às características muito peculiares de cada motor. 18

4 b). A bitola do fio é obtida através da Tabela do Fio de Cobre Esmaltado (ver ANEXO 2), onde escolhe-se aquela correspondente à seção normalizada imediatamente superior a calculada. 2.3 Ajuste final do enchimento A relação entre a seção de cobre dos fios e a área da ranhura é chamada fator de enchimento, cujos valores ideais são apresentados na Tabela 3.1 para vários tamanhos de ranhuras. Área da ranhura.(mm²) Fator de Enchimento Tabela Índices para o Fator de Enchimento ,28 0,32 0,37 0,40 0,43 Valores muito abaixo deixarão os fios muito soltos dentro das ranhuras, e valores muito acima aumentarão consideravelmente o tempo de inserção das bobinas. 3. Interpretação e localização de esquemas de bobinagem A interpretação e localização do esquema de bobinagem correspondente podem ser determinadas partindo-se do número de ranhuras do estator e usando a Tabela mostrada no ANEXO 3: a) a quantidade de ranhuras do estator compõe os dois primeiros algarismos; b) o número de pólos compõe os dois algarismos seguintes; c) o passo médio é indicado pelos próximos dois algarismos; d) o último algarismo, após a barra, é seqüencial, não tendo valor significativo, face à quantidade de combinações possíveis de tipos de bobinagem para um mesmo número de ranhuras, pólos e passo médio. Deve-se escolher o tipo desejado pelo índice ou folheando-se os esquemas cujos números iniciais sejam idênticos. e) o esquema a ser escolhido e consiste na opção entre as seguintes alternativas: trifásico versus monofásico, concêntrico versus imbricado, camada única versus camada dupla, bobinas em série versus bobinas em paralelo. f) cada esquema apresenta a configuração básica do enrolamento, seguidas dos tipos de ligações possíveis, cada qual representada por uma letra de A a F. Assim, os esquemas trifásicos apresentam as ligações indicadas para 12 (A), 9 (B ou C), 6(D), 3 (E ou F). Pré-Relatório 1. Interprete o seguinte esquema de bobinagem: /2 D 19

5 Material Experimental Para a realização do Laboratório 3 serão utilizados dois motores de indução trifásicos desmontados, com os pacotes de chapas do estator desbobinados, e um conjunto de bobinas previamente formadas. Parte Prática 1- Fazer os cálculos dos dados de bobinagem e apresentar o esquema de bobinagem completo de um motor com os seguintes dados: Motor de indução trifásico rotor gaiola 1 CV 3370 rpm Categoria N FS 1,15 Reg. S1 IP 55 Di Diâmetro interno do estator (cm) = 6,3 L Comprimento do pacote (cm) = 7,5 P Número de pólos = 2 N Número de ranhuras do estator = 24 B Indução magnética estimada no entreferro (usar 5 KGauss) f Freqüência da rede (Hz) = 60 V Tensão da rede (V) = 220( )/380(Y) Corrente (A) = 5,64( )/3,27(Y) Passo 1:10:12 Camada simples Enrolamento concêntrico Bobinas em série Referência Bibliográfica [1] WEG. Manual de Bobinagem Motores Elétricos de Indução Catálogo 54117/

6 ANEXO 1 ANEXO 2 21

7 ANEXO 3 22

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