PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS
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- Tânia Galvão Azenha
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1 ESTADO DO MATO GROSSO SECRETÁRIA DE ESTADO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS: CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS SINOP-MT, 2016
2 ESTADO DO MATO GROSSO SECRETÁRIA DE ESTADO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS ENGENHARIA ELÉTRICA 8 SEMESTRE Trabalho apresentado ao Professor Emerson Ricardo de Moraes de máquinas elétricas, do curso de engenharia elétrica, como parte das exigências para avaliação da disciplina. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS EDUARDO APARECIDO FRANCO JOSÉ DOS SANTOS ERIVALDO EVARISTO DE LIMA JADER WILLIAN EVARISTO MARCELO MATEUS RIEGER
3 Sumário 1. INTRODUÇÃO PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO LEI DE FARADAY LEI DE LENZ EXISTEM DOIS TIPOS DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS: ROTOR EM GAIOLA ROTOR BOBINADO (EM ANÉIS) CAMPO MAGNÉTICO GIRANTE VELOCIDADE DO CAMPO GIRANTE VELOCIDADE DO ROTOR ESCORREGAMENTO CURVA TORQUE-ESCORREGAMENTO VANTAGENS E DESVANTAGENS CONCLUSÃO... 11
4 1. INTRODUÇÃO Uma questão fundamental em todo tipo de motor elétrico é entender como se produz o movimento rotatório de um eixo (energia mecânica) a partir de corrente elétrica (energia elétrica). Em palavras mais técnicas, como se produz um torque eletromecânico no rotor. Como se sabe, torque (ou conjugado) é definido pelo produto de uma força por uma distância, sendo medido em Newton-metro (N.m) no sistema SI. Em um motor de indução, a criação do torque no rotor baseia-se na lei de indução de Faraday e na lei de Lenz. O princípio de funcionamento de um motor de indução pode ser entendido com a ajuda da figura abaixo, onde se mostra um imã permanente em formato de ferradura que está suspenso, através de um fio, sobre um leve disco metálico que pode girar facilmente em torno de seu eixo, graças a uma suspensão cônica apoiada em uma base fixa. Imagine que o imã permanente começa a girar em torno de seu eixo, por exemplo torcendo-se o fio, enquanto o disco está parado. O fluxo magnético NS produzido pelo imã começa a varrer a superfície do disco, caracterizando um fluxo variável ao longo do tempo. Essa variação produz a indução de uma tensão no disco, pela lei de Faraday, e consequentemente a circulação de correntes, pois o disco é metálico. Essas correntes induzidas têm sentido de circulação determinados pela lei de Lenz (o fluxo criado por elas deve se opor à variação do fluxo), de tal modo que criam no disco polaridades magnéticas opostas aos polos do imã permanente. Sob o polo norte do imã cria-se um polo
5 sul no disco, que se atraem. No outro polo acontece a mesma coisa. Em consequência, o disco gira no mesmo sentido do movimento do imã. Se o sentido de rotação do imã permanente for invertido, também inverte-se o sentido de giro do disco. Essa montagem acima apenas descreve o princípio de funcionamento, sendo que em um motor de indução real, o imã permanente girando é substituído por um campo girante criado por três bobinas fixas no estator, nas quais circulam correntes alternadas defasadas de 120 graus, e o disco metálico é substituído por um rotor cilíndrico na forma de uma gaiola metálica, como ilustrado na figura abaixo. Note que a gaiola possui aros metálicos na tampa e na base, de tal modo a curto-circuitar as varetas e permitir a circulação de correntes por elas. 2. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO O princípio de funcionamento do motor de indução trifásico é o mesmo de todos os motores elétricos, ou seja, baseia-se na iteração do fluxo magnético com uma corrente em um condutor, resultando numa força no condutor. Esta força é proporcional às intensidades de fluxo e de corrente. O estator está ligado à fonte de alimentação CA. O rotor não está ligado eletricamente a nenhuma fonte de alimentação.
6 Quando o enrolamento do estator é energizado através de uma alimentação trifásica, cria-se um campo magnético girante. À medida que o campo varre os condutores do rotor, é induzida uma fem nesses condutores ocasionando o aparecimento de uma corrente elétrica nos condutores. Os condutores do rotor, percorridos por corrente elétrica, interagem com o campo magnético girante do estator para produzir um torque eletromagnético que atua sobre os condutores do rotor fazendo-o girar. Entretanto, como o campo do estator gira continuamente, o rotor não consegue se alinhar com ele. A velocidade do rotor é sempre menor que a velocidade síncrona (velocidade do campo girante) LEI DE FARADAY Sempre através da superfície abraçada por um circuito tiver lugar uma variação de fluxo, gera-se nesse circuito uma força eletromotriz induzida. Seu circuito é fechado será percorrido por uma corrente induzida LEI DE LENZ O sentido da corrente induzida é tal que esta pelas suas ações magnéticas tende sempre a impor-se a causa que lhe deu origem De acordo com a Lei de Lenz, qualquer corrente induzida tende a se opor às variações do campo que a produziu. No caso de um motor de indução, a variação é a rotação do campo do estator, e a força exercida sobre o rotor pela reação entre o rotor e o campo do estator é tal que tenta cancelar o movimento contínuo do campo do estator. Esta é a razão pela qual o rotor acompanha o campo do estator, tão próximo quanto permitam o seu peso e a carga. O motor de indução tem corrente no rotor por indução, e é semelhante a um transformador com secundário girante. É impossível para o rotor de um motor de indução girar com a mesma velocidade do campo magnético girante. Se as velocidades fossem iguais, não haveria movimento relativo entre eles e, em consequência, não haveria fem
7 induzida no rotor. Sem tensão induzida não há conjugado (torque) agindo sobre o rotor. A diferença percentual entre as velocidades do campo girante e do rotor é chamada de deslizamento (S de slip ). O deslizamento também é comumente chamado de escorregamento. Quanto menor for o escorregamento, mais se aproximarão as velocidades do rotor e do campo girante (velocidade síncrona). A velocidade do motor de indução cai, com cargas pesadas EXISTEM DOIS TIPOS DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS: ROTOR EM GAIOLA A gaiola possui anéis metálicos na tampa e na base, de tal modo a curtocircuitar as barras e permitir a circulação de correntes por elas. O rotor em gaiola de esquilo é constituído por um núcleo de chapas ferromagnéticas, isoladas entre si, sobre o qual são inseridas barras de cobre, dispostas paralelamente entre si e unidas nas suas extremidades por dois anéis condutores, que curto-circuitam as barras. As barras da gaiola de esquilo podem ainda ser fabricadas de alumínio injetado ou liga de latão. As barras do rotor tipo gaiola de esquilo nem sempre são paralelas ao eixo do rotor. As mesmas podem ser deslocadas ou colocadas segundo um pequeno ângulo em relação a ele, para produzir um torque mais uniforme e para reduzir o ruído magnético durante a operação do motor. O estator do motor é também constituído por um núcleo ferromagnético laminado, nas cavas do qual são colocados os enrolamentos alimentados pela rede de corrente alternada trifásica.
8 ROTOR BOBINADO (EM ANÉIS). O motor de indução de rotor bobinado difere do motor de rotor em gaiola de esquilo apenas quanto ao rotor. O rotor é constituído por um núcleo ferromagnético laminado sobre o qual são alojadas as espiras que constituem o enrolamento trifásico, geralmente em estrela. Os três terminais livres de cada uma das bobinas do enrolamento trifásico são ligados a três anéis coletores. Estes três anéis ligam-se externamente a um reostato de partida, constituído por resistências variáveis, ligadas também em estrela. Deste modo os enrolamentos do rotor também ficam em circuito fechado. A função do reostato de partida, ligado aos enrolamentos do rotor, é a de reduzir as correntes de partida elevadas e ao mesmo tempo elevar o torque, possibilitando a partida de cargas pesadas, no caso de motores de elevada potência.
9 2.4. CAMPO MAGNÉTICO GIRANTE Este princípio do eletromagnetismo clássico é extremamente interessante e sua descoberta possibilitou o desenvolvimento dos modernos motores de corrente alternada, em particular os motores de indução. De modo sintético, seu enunciado é: Três correntes alternadas senoidais, com mesma amplitude e defasadas de 120º, circulando por três bobinas fixas, cujos eixos magnéticos distam 120º entre si, produzem um campo magnético girante de intensidade constante. A invenção desta engenhosa maneira de criar este campo se deve a um brilhante engenheiro croata, Nikola Tesla ( ).
10 VELOCIDADE DO CAMPO GIRANTE A velocidade do campo girante em um motor de indução é chamada velocidade síncrona. Como já mencionado, essa velocidade depende da frequência da tensão trifásica de alimentação do motor. Quanto maior a frequência, maior a velocidade. Porém, os motores de indução podem ser construídos com número de polos diferentes de dois e, nesse caso, o número de polos precisa ser levado em conta. Para motores de indução, a relação entre velocidade do campo girante, frequência da tensão e número de polos é a mesma deduzida anteriormente para os alternadores, ou seja: 120. Em que ns é a velocidade do campo girante (síncrona) em rpm, o número de polos é p e f é a frequência expressa em Hz VELOCIDADE DO ROTOR Em qualquer motor de indução, a velocidade do rotor (que é a mesma do eixo) é sempre menor que a velocidade síncrona (do campo girante). Se, por hipótese, o rotor conseguisse alcançar a velocidade síncrona, então o campo girante e o rotor gaiola estariam efetivamente parados (um em relação ao
11 outro), não haveria variação relativa de fluxo e portanto indução. Em regime permanente, a velocidade do rotor depende da diferença relativa das frequências da tensão de alimentação e da tensão induzida no rotor, da seguinte forma: 120 Em que nr é a velocidade do rotor e fr é a frequência da tensão induzida no rotor, em Hz ESCORREGAMENTO A diferença relativa entre a velocidade do rotor e a velocidade síncrona em um motor de indução é expressa através de um parâmetro chamado escorregamento, símbolo s, definido da seguinte maneira: % Por ser uma grandeza adimensional e menor que um, o escorregamento é expresso normalmente em porcentagem. Para compreender melhor o significado do escorregamento, considere, por exemplo, um motor de indução trifásico de 4 polos sendo alimentado por uma rede de 60 Hz. A velocidade do campo girante (síncrona) desse motor é: Se a velocidade do rotor do motor em vazio (sem carga) é 1780 rpm, o escorregamento nessa situação será: ,1% Por outro lado, se a velocidade do motor quando em plena carga (nominal) é 1200 rpm, então o escorregamento será:
12 ,5% 1800 Como se observa, o escorregamento vai aumentando à medida que a carga mecânica exigida do motor aumenta, pois o rotor vai se atrasando para permitir uma maior indução e aumentar o torque CURVA TORQUE-ESCORREGAMENTO A curva torque versus escorregamento, em regime permanente, de um motor de indução típico é mostrada na figura abaixo: Note, antes de tudo, que o escorregamento s é plotado do maior valor (100 %) para o menor valor (0 %), correspondendo aos valores de velocidade do rotor nula (motor parado) e igual à velocidade síncrona (impossível), respectivamente. O valor de torque nominal, Tn corresponde ao ponto de operação normal para o qual o motor foi projetado, sendo que o respectivo escorregamento é o escorregamento nominal. Geralmente, os motores de indução operam em velocidades próximas à velocidade síncrona, vale dizer, com escorregamentos bem pequenos. Outros pontos notáveis na curva são: Tp - torque de partida (deve ser maior que o torque de carga nominal, senão o motor não parte; Tmax e Tmin) - torque máximo e mínimo, respectivamente.
13 2.7. VANTAGENS E DESVANTAGENS Este tipo de motor se apresenta como uma boa opção para acionamentos controlados, pois possui vantagens sobre o motor de corrente contínua (CC), pois não existe o comutador. Há inúmeras vantagens neste tipo de motor, pode-se citar: Limpeza e simplicidade de comando; Construção simples e custo reduzido; Grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos Menor que o motor de CC de mesma potência; A manutenção simples e menos onerosa; O consumo de energia nos processos de aceleração e frenagem é menor; Pode obter velocidades maiores, o que implica em potências maiores. Simplificando, normalmente o motor de indução trifásico opera com uma velocidade constante que varia ligeiramente com a carga mecânica aplicada ao eixo, devido a sua simplicidade e robustez é um motor muito utilizado e adequado para quase todos os tipos de máquinas acionadas. E quando se compara os motores com rotor de gaiola e rotor bobinado, se vê que os motores com rotor de gaiola resultam em uma construção do induzido mais rápida, mais prática e mais barata. Trata-se de um motor robusto, barato, de rápida produção, não exigindo coletor, reduzindo, portanto a quantidade de componentes no motor e consequentemente simplificando sua manutenção, além de se ser uma máquina de rápida ligação à rede. Porém, quando se fala em desvantagem, essa por sua vez reside na dependência entre fluxo e a tensão do estator, o que não ocorre nos motores de corrente continua (CC) com excitação independente. Este fato limita a faixa de variação de velocidade do motor, quando controlado por variação da tensão do estator. Porém, como houve uma evolução em sistemas eletrônicos que
14 permitem o controle do motor por variação simultânea da tensão e frequência do estator, esta desvantagem acaba desaparecendo. 3. CONCLUSÃO Todo motor elétrico converte energia elétrica em energia mecânica. O processo de conversão de energia dos motores de indução baseia-se na lei de indução de Faraday e na lei de Lenz, daí derivando seu nome. Um motor de indução é um motor elétrico que funciona somente em corrente alternada - assim como os transformadores - o que ficará claro quando se estudar o seu princípio de funcionamento. O motor de indução é o tipo de motor elétrico mais utilizado em geral, sendo largamente usado em instalações industriais devido à sua simplicidade, robustez, durabilidade e pequena necessidade de manutenção. Normalmente, cerca de 60 % da carga de uma instalação industrial é constituída por motores de indução, enquanto que, considerando a carga total em regiões industrializadas, os motores de indução são responsáveis por cerca de 40 % dessa carga. Por essa razão, os motores de indução são também chamados motores industriais.
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