ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA CARCAÇA EM MOTORES ELÉTRICOS TRIFÁSICOS E MONOFÁSICOS

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA - AUTOMAÇÃO EVERTON CESAR RUPPEL WANDER LUIS DA SILVA VIANA ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA CARCAÇA EM MOTORES ELÉTRICOS TRIFÁSICOS E MONOFÁSICOS TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CURITIBA 2012

2 EVERTON CESAR RUPPEL WANDER LUIS DA SILVA VIANA ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA CARCAÇA EM MOTORES ELÉTRICOS TRIFÁSICOS E MONOFÁSICOS Proposta de Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado à disciplina de Metodologia Aplicada ao TCC, do curso de Engenharia Industrial Elétrica Ênfase em Automação do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. José Alberto Coraiola, Me. CURITIBA 2012

3 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO TEMA Delimitação do tema Problemas e Premissas OBJETIVOS Objetivo geral Objetivos Específicos JUSTIFICATIVA PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ESTRUTURA DO TRABALHO CRONOGRAMA REFERÊNCIAS...13

4 4 1 INTRODUÇÃO 1.1 TEMA Delimitação do tema Motores elétricos constituem uma significativa parte do processo produtivo industrial, não apenas no Brasil como no mundo. Para se ter uma compreensão do que se deseja atingir com este trabalho, será necessário ao leitor um conhecimento teórico mínimo. Estas informações são a seguir apresentadas. Estima-se, que motores elétricos na indústria brasileira consumam GWh/ano, que equivalem a 60% da eletricidade consumida no setor secundário e 27% do consumo brasileiro (vale lembrar que motores são usados também nos outros setores, o que eleva a sua participação). Em relação à energia total, consomem 5% da indústria e 1,7% do total da energia consumida no país (Garcia, 2003). Segundo Oliveira (2009, p ) os materiais mais comuns para a fabricação da carcaça nos motores elétricos industriais é o ferro fundido (Fe + [2.11% a 6,77%]C) branco, sendo este resistente, facilmente usinável e barato. Como se encontra numa parte fixa do motor, seu peso é de menor importância. Outra vantagem do ferro fundido é sua boa condutibilidade térmica, essencial para motores blindados. Neste tipo de motores, encontramos aletas distribuídas ao redor de sua superfície externa, feitas ali para aumentar a superfície de contato com o ar e assim elevar a dissipação térmica do motor. Além do ferro fundido, podem-se encontrar outros materiais que são empregados na fabricação das carcaças dentre eles destaca-se o alumínio. Entretanto para este trabalho estudar-se-á a substituição destes por um material polimérico transparente, focando a aplicação dele em motores elétricos com fins didáticos, e possivelmente para fins não didáticos, de baixa potência. A substituição destes materiais poderá acarretar em alterações na condutibilidade térmica, assim

5 5 como os níveis de ruído e de isolação (classe de isolamento). O índice de proteção também possuirá um valor diferente do especificado para um motor que foi projetado com uma carcaça de ferro fundido. Serão levantados todos os problemas ou alterações que a substituição do material poderá causar ao motor. Índice de proteção dado pelas letras IP seguidas de dois algarismos. O primeiro indica a proteção contra a penetração de corpos sólidos estranhos e contato acidental; o segundo refere-se à proteção contra a penetração de água. O significado dos algarismos é dado na tabela abaixo (Furukawa, 2012): Tabela 1: Índice de proteção dos motores elétricos ÍNDICE DE PROTEÇÃO Proteção contra objetos sólidos (poeira) Primeiro número Segundo número Proteção contra líquidos (água) Sem proteção 0 0 Sem proteção Proteção contra corpos estranhos grandes 1 1 À prova de gotejamento Proteção contra corpos estranhos de médio porte 2 2 À prova de gotejamento em até Proteção contra corpos estranhos pequenos Proteção contra corpos estranhos pequenos em forma de grãos Proteção contra depósitos de poeira Proteção contra ingresso 15º 3 3 À prova de borrifamento em até 60º 4 4 À prova de borrifamento em qualquer direção 5 5 Proteção contra jatos de água 6 6 Proteção contra jatos de água poderosos de poeira - 7 Imersão temporária - 8 À prova d'água Fonte: (Münchow; Neves, 2012, p. 69) Não se podem encontrar motores com quaisquer combinações desses dois algarismos. Os índices de proteção mais comuns são: 12, 22, 23, 44, 54 e 55; os três primeiros são considerados motores abertos e os demais são motores fechados (Münchow; Neves, 2012, p. 69). Condutibilidade térmica é uma propriedade térmica típica de um material homogêneo que é igual à quantidade de calor por unidade de tempo que atravessa

6 6 uma camada de espessura e de área unitárias desse material por unidade de diferença de temperatura entre as suas duas faces. Assim, a condutibilidade térmica caracteriza a maior ou menor facilidade de transferência de calor, ou seja, de condução de calor por parte dos materiais (Futureng, 2012). Classe de isolamento é a máxima temperatura de trabalho de seus enrolamentos. As classes são dividas em A (105 ºC), E (120 ºC), B (130 ºC), F (155 ºC) e H (180 ºC). A ultrapassagem desses valores produz a degradação do isolamento dos enrolamentos, reduzindo a vida útil do motor e podendo provocar curtos-circuitos, caso em que a máquina precisará ser rebobinada (Münchow; Neves, 2012, p ); O texto acima evidencia a importância dos motores elétricos, sendo o material empregado na fabricação de sua carcaça o escopo principal deste trabalho. A alteração do motor elétrico limitar-se-á apenas na substituição do material da carcaça, ou seja, o eixo, estator, rotor, rolamentos e ventilador, permanecerão inalterados aos comercializados com carcaças de ferro fundido de mesmo modelo Problemas e Premissas Devido a grande aplicabilidade dos motores elétricos nas mais diversas situações, sendo constantemente expostos a regimes de trabalho extremos ou inadequados, em locais inapropriados para operação como descritos no manual de utilização ou ainda sem os devidos cuidados de manutenção, podem comprometer a vida útil do mesmo. Para Oliveira (2009, p. 19) um fator que implica diretamente na vida útil do motor elétrico está relacionado a sua carcaça, esta é confeccionada de um material robusto para dar sustentação e proteção ao motor. Os materiais que a constituem são variados, e baseiam-se principalmente na aplicação e exposição do motor. Para motores de uso domestico ou cujo equipamento a que serão acoplados provém proteção o suficiente, a carcaça não passa de um sustentáculo para as chapas do estator. Em aplicações onde o motor ficará exposto a atmosferas agressivas ou mesmo explosivas, a proteção mecânica não é o suficiente, e vedações e pintura

7 7 diferenciada são usadas de modo a tornar a carcaça resistente às agressões que encontrará. Diante dos mais variados materiais utilizados para a confecção das carcaças e das tampas laterais dos motores elétricos, este trabalho abordará o estudo da utilização de um material polimérico transparente e quais seus aspectos no uso deste que impactarão no desempenho desta máquina elétrica rotativa. A aplicação de materiais diferentes como descrito acima, delimitam a localidade a qual os motores elétricos podem ser utilizados, por influência da condutibilidade térmica, nível de ruído, vibração, classe de isolação e o índice de proteção. Como o polímero transparente não possui as mesmas propriedades do ferro fundido, por exemplo, as características acima podem sofrer variações consideráveis quando submetidas a testes que delimitam a faixa de trabalho dessa nova carcaça. O escopo deste trabalho resume-se ao estudo, realização dos testes e avaliações que comprovem estas evidências. 1.2 OBJETIVOS Objetivo Geral Realizar o estudo da aplicação de um material polimérico transparente na carcaça dos motores elétricos monofásicos com capacitor de partida, trifásico com seis e doze terminais e motor elétrico do tipo dahlander. Avaliar a possibilidade de uso deste motor em atividades didáticas e não didáticas Objetivos Específicos Definir os modelos dos motores monofásicos, trifásicos e do tipo dahlander; Desenvolver os desenhos das carcaças; Estudar os testes aos quais as carcaças serão submetidas;

8 8 Definir qual material polimérico transparente poderá ser utilizado; Realizar os testes com as carcaças de material polimérico transparente; Realiza a análise técnica e teórica dos resultados dos testes realizados. 1.3 JUSTIFICATIVA O estudo de uma máquina elétrica sempre começa na teoria; o aluno estuda as propriedades magnéticas, compreende a geração dos campos magnéticos do estator, analisa a interação destes campos com o rotor, estuda o torque, a velocidade e muitos outros parâmetros. Após isso, liga o motor à rede de energia e confirma que este realmente gera o movimento rotativo esperado. Um processo capaz de melhorar o entendimento do funcionamento de um motor seria a visualização do interior deste equipamento. Visualizar a disposição dos enrolamentos do estator, ter uma noção quantitativa dos fios de cobre necessário para o motor funcionar, trariam um grande ganho no processo de aprendizagem e de fixação do conhecimento. Outro ponto positivo dos motores de carcaça polimérica transparente é a segurança. Em laboratórios os motores são levados pelos alunos à condições consideradas não ideais de funcionamento, como muitas partidas em pequenos intervalos de tempo, ligações erradas, sobrecarga, sobretensão, etc., o que pode gerar, entre outras coisas, um aumento excessivo da temperatura do motor (WEG S. A, 2012). Os enrolamentos sobreaquecidos podem perder seu esmalte isolante o que pode gerar uma fuga de corrente, um curto-circuito, colocando o aluno em risco de receber um choque elétrico. Assim, uma carcaça polimérica que é isolante, reduziria o risco de acontecer esse tipo de acidente. Mais um dos benefícios a ser considerado está relacionado á manutenção preventiva dos motores. Alguns problemas que ocorrem nos motores elétricos poderiam ser diagnosticados com antecedência se fosse possível visualizar seu interior. Por exemplo, uma inspeção visual nos enrolamentos do estator poderia

9 9 evitar a queima total do produto, pois ao perceber uma anomalia no cobre, por exemplo, uma manutenção preventiva seria aplicada neste momento. Figura 01 Estator danificado por faltaa de fase. FONTE: Danos em enrolamentos de motores trifásicos. (2012, p. 1) E ainda, seria possível visualizar resíduos gerados por desgastes mecânicos, tornando possível uma inspeção para analisar a necessidade de manutenção mecânica no motor. Portanto, a melhora no processo de aprendizagem sobre máquinas elétricas, a segurança dos alunos durante os ensaios em laboratório e a facilitação de aplicação da manutenção preventiva nos motores elétricos justificam o estudo deste tema. 1.4 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS Para iniciar o trabalho a equipe irá pesquisar um material adequado para desenvolver as carcaças. Um polímero transparente, rígido, e que suporte uma temperatura pré-determinada. Serão fabricadas até quatro carcaças diferentes, duas para um motor de indução trifásica de 0.25 CV (com 12 terminais e com 6 terminais), outra para um motor de indução monofásica de 0.25 CV com chave centrífuga (Capacitor de partida) e, finalmente, uma para o motor trifásico tipo Dahlander.

10 10 A próxima etapa será o estudo das normas que envolvem os parâmetros citados no tópico dos objetivos específicos. Será necessário um estudo teórico para entender como é estipulada a classe de proteção do motor, as normas e técnicas para medir ruído, vibração, temperatura do motor, grau de proteção, resistência de isolamento e alguns tópicos de segurança. Também será necessário o estudo dos métodos e procedimentos para fazer os ensaios mecânicos da carcaça como resistência a choque mecânico. A etapa seguinte será constituída pelos testes. Serão feitos testes de temperatura no rotor, estator, mancais de rolamentos e carcaça com motor a vazio e com plena carga, além dos testes mecânicos. Feitos os testes, entra a aplicação da teoria estudada na etapa anterior, onde será determinado grau de proteção, classe de isolação, nível de ruído, etc. Apos coletar esses dados será feito uma análise para comparar alguns aspectos com motores da mesma categoria, porém comerciais de carcaça comum. A finalização do trabalho será a análise de todos os aspectos envolvidos e uma definição da possibilidade dos motores com carcaças poliméricas transparentes serem usados em aplicações não didáticas. 1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO O trabalho será dividido ao longo de cinco capítulos principais. O segundo capítulo trará a contextualização do tema, como são feitas as aulas práticas hoje e no que o projeto pretende ajudar na aprendizagem de máquinas elétricas. Neste capítulo também, será mostrada a idéia de ir mais além e verificar a possibilidade do uso não didático deste motor. No capítulo 3 será mostrado o embasamento teórico e a interpretação das normas relacionadas bem como serão descritos os processos de testes e determinação dos parâmetros citados no tópico anterior. Serão apresentados os dados obtidos a partir destes testes. A análise destes dados será assunto do capítulo 4. Por fim, o capitulo 5 trará a conclusão geral do trabalho, os prós e os contras do projeto. Serão apresentadas as conclusões especificas de cada teste e por fim uma

11 11 interpretação final dos dados comprovando a possibilidade ou não de uso destes motores para fins didáticos e não didáticos. 1.6 CRONOGRAMA A elaboração do cronograma pretende englobar todas as atividades necessárias para o desenvolvimento teórico e prático do projeto. Alguns prazos foram aumentado com a finalidade de absorver o tempo necessário para algumas reuniões não programadas com antecedencia e imprevistos. A documentação será elaborada em paralelo com o restante das atividades.

12 Tabela 2 Cronograma das atividades prevista para o desenvolvimento do trabalho 12

13 13 REFERÊNCIAS FURUKAWA. Proteção e resistência para as conexões no chão de fábrica. Disponível em: < 148.html> Acesso em 30 de abril de 2012, 22h00. FUTURENG. Coeficiente de condutibilidade térmica. Disponível em: < Acesso em 28 de abril de 2012, 19h30. GARCIA, Agenor Gomes Pinto. Impacto da lei de eficiência energética para motores elétricos no potencial de conservação de energia na indústria f. Tese (Mestrado em Planejamento energético) - COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, MÜNCHOW, Rubi; NEVES, Eurico G. de Castro. Eletrotécnica Volume Ed. Rio Grande do Sul: UFPEL, OLIVEIRA, João Gabriel Souza Martins de. Materiais usados na construção de motores elétricos. Disponível em: < Acesso em 20 de Abril de 2012, 23h00. WEG S. A. Danos em enrolamentos motores trifásicos. Blumenau: Weg, p. WEG S.A. Manual Geral de Instalação, Operação e Manutenção de Motores Elétricos. Blumenau: Weg, p. WEG S.A. Motores elétricos. Disponível em: < Servicos/Motores-Eletricos> Acesso em 16 de Abril de 2012, 15h00.