CAPÍTULO 4 - MOTORES DE INDUÇÃO

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA JULIO DE MESQUITA FILHO FACULDADE DE ENGENHARIA - DEP. DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELE ELETROTÉCNICA CAPÍTULO 4 - MOTORES DE INDUÇÃO Máquina elética fazem a inteface ente um itema mecânico e um itema elético; endo que o acoplamento ente o doi itema ocoe atavé do campo magnético. São denominada máquina CA quando ligada a um itema de coente altenada, e denominada máquina CC quando ligada a um itema de coente contínua. Máquina de coente contínua (CC), máquina de indução (aíncona) e máquina íncona epeentam o tê maioe gupo com aplicaçõe pática A máquina CA ão dita íncona: quando a velocidade do eixo etive em inconimo com a feqüência da tenão elética de alimentação e aíncona: quando a velocidade do eixo etive foa de inconimo (velocidade difeente) com a tenão elética de alimentação, ou eja. Quando a coente no oto ugem omente devido ao efeito de indução, em alimentação extena, a máquina é denominada de indução O motoe têm como função tanfoma a enegia elética em enegia mecânica atavé de inteaçõe eletomagnética, onde a enegia elética cia um eletoímã que vaia o campo magnético. No dia de hoje tem-e penado em como melhoa a eficiência, penando também no cuto, paa io etuda-e o melhoe iolamento, elemento magnético mai eficiente, a melhoa da condutibilidade ente outa caacteítica do mateiai. Atualmente, a emagadoa maioia do acionamento indutiai ão feito com motoe de indução, além de epeenta um invetimento muito meno e compaado ao outo tipo de motoe elético, ea máquina pouem confiabilidade elevada e caacteítica contutiva imple, o que eulta em obutez e pouco equiito de manutenção, vito que não há contato com ecova ou contato dieto ente oto e etato. 1

2 Com o advento da eletônica de potência, a devantagen e dificuldade ineente ao motoe de indução como alta coente de patida e velocidade eencialmente contante vem e tonado iióia, pemitindo um maio contole quando condiçõe mai igooa de toque ou velocidade ão neceáia. I Moto de Indução Tifáico (MIT) 1.0 Contução 1.1 Etato O etato poui um pacote magnético cilíndico, vazado e anhuado intenamente. Na anhua ão alojado o enolamento de campo. O pacote magnético é fomado de lâmina de aço ilício. 1. Roto O oto é fomado po pacote magnético cilíndico, anhuado, feito também de chapa de aço ilício. É onde e deenvolve o toque. São uado doi tipo de contução Roto Bobinado Nete cao o oto poui anhua abeta que ecebem o enolamento de amadua. Cada fae do enolamento poui um do teminai ligado a anéi montado no eixo. Paa um itema tifáico teemo: O cicuito exteno é compoto po um eotato tifáico (φ) que é ineido duante a patida e eliminado gadativamente à medida que o moto acelea.

3 O fechamento do enolamento (cuto) é feito extenamente 1.. Roto de Gaiola de Equilo A anhua ão fechada e nela é injetado alumínio fundido, que, depoi de efiado, fomaão baa condutoa no entido axial. Eta baa têem eu teminai cuto cicuitado atavé de um anel, também fundido em alumínio. A gaiola é alojada na anhua do pacote magnético. 1. Cacaça É feita de f o f o, evindo de upote paa o etato e o oto. A cacaça não faz pate do cicuito magnético do etato..0 Gau elético / Gau mecânico Po definição um pa de pólo coeponde a 60º elético ou π ad.

4 Máquina de pólo: Máquina de 4 pólo : Paa uma máquina de P pólo temo: θ º mec α P º el EXEMPLO: Quanto gau mecânico equivalem à 180º elet. Paa uma máquina com 8 pólo P8 φ o mec α º el φ x180 45º mec. 1 º mec 4º elet. P 8.0 Campo Giante Uma ede de alimentação tifáica balanceada poui tenõe enoidai de mema amplitude, poém defaada no tempo de 10º elet. 4

5 Em cada intante, a oma da tenõe da fae é zeo. A bobina (embobinamento) do etato do moto de indução tifáico (MIφ ou MIT) ão idêntico e montado a 10º geomético um do outo. A bobina ão alimentada po coente elética tifáica (defaada 10º elet. ente i e com mema amplitude). i a I am en (ωt) i b I bm en (ωt 10º) i c I cm en (ωt + 10º ) endo I am I bm I cm I m Como H é popocional a I, temo ha H am. en (ωt) hb H bm. en (ωt 10º) hc H cm. en (ωt + 10º) H am H bm H cm H m A bobina de campo de um MIφ, podem e epeentado da eguinte foma. 5

6 .1 Etudo da dieção do campo eultante (h) paa váio intante Paa ωt o Paa ωt 60º Paa ωt 10º Paa ωt 180º Paa ωt 60º, volta-e à poição inicial. 6

7 Podemo detemina o valo de h utilizando, po exemplo, a lei do coeno. h H m + H m + H m H m co(60) h 4 H m + 4 H m + 4 H m H m h H m h Obevamo que a intenidade de campo eultante é contante H m ) e gia com velocidade ω. (vale. Velocidade íncona É a velocidade de gio do campo giante, definida como ω ad elet ad mec ω.π.f ( ).π.f ( ) eg P eg ω.π.f. P 60 π (pm) 10 f P ω 10.f P (pm) Campo giante é uma onda de f.m.m. que e deloca ao longo do entefeo com 10 f velocidade íncona ω fomando P pólo giante ao longo do entefeo. P Conideando a feqüência de alimentação de 60 Hz pode-e monta a eguinte tabela: 7

8 N o de pólo ω (pm) Pincipio de Opeação do Moto de indução tifáico Quando o enolamento do etato (campo) ão ligado a um itema φ balanceado de tenõe, o campo giante é poduzido. Nete intante a velocidade elativa ente o campo giante e gaiola do oto é igual à velocidade íncona do campo giante. No condutoe da gaiola ão induzida voltagen e como a gaiola foma diveo caminho fechado, nela ciculaá coente. Como conequência da ciculação da coente no condutoe da gaiola imeo no campo magnético do campo giante, há o apaecimento de toque obe o oto no entido do campo giante. Se ete toque moto fo maio que o toque eitente, o moto pate. O moto de indução não pode atingi a velocidade íncona. Se tal ocoe, a velocidade elativa ente o campo giante e o oto e anula. Aim não há voltagem induzida na gaiola, anulando, potanto o toque. Potanto, o MI φ opea empe abaixo da velocidade íncona mantendo empe uma velocidade elativa com o campo giante. Po io, o MI φ é conhecido como moto aínono. Obeve também que a enegia levada do etato paa o oto é de foma indutiva, em nenhuma conecção elética. 5.0 Ecoegamento S (Slip) Velocidade de ecoegamento é a velocidade elativa ente o oto e o campo giante. ω ec ω - ω Definimo ecoegamento pela elação S ω ω ω ω ec 1 ou ω 1 ω ω ω ( S ) ω 8

9 Na patida (intante), a velocidade elativa ente o oto e o campo giante é máxima, ou eja: ω 0 S 1 Se o oto alcança a velocidade íncona ω ω S 0 Em caga: Com ito podemo conclui que 0 S 1 e ainda, a f.e.m. induzida na amadua tem módulo e fequência popocionai ao ecoegamento. b oto bloqueado E S.E b f S f b 6.0 Cicuito equivalente do MIφ 6.1 No Etato Cicuito elético equivalente, po fae, do etato. Onde; V E + (R + jx ). I V - Tenão po fae aplicada ao moto. E - Foça conta eletomotiz (tenão induzida) no enolamento do etato. I - Coente no etato R - Reitência ôhmica do enolamento do etato X - Reatância indutiva devido ao fluxo dipeo no enolamento do etato. 9

10 6. No Roto Cicuito elético equivalente, po fae, do oto. E (R + jx ) I X π f L Devemo atenta paa o fato de que a tenõe e coente induzida no oto ão vaiávei duante o poceo de aceleação, uma vez, que ão funçõe da velocidade do oto. Em paticula no cao do oto bloqueado a gandeza tem valoe contante e tonam-e função da fequência do etato (ede ± comum 60 Hz). E S E b X S X b X b π.f.l R E b + j X b.i S logo S.E b [ R + j S X b ]. I R Onde epeenta a eitência R pópio do enolamento do oto em éie com S uma eitência fictícia Rc, que taduz o compotamento da caga no eixo do oto. R c R 1 S S O cicuito equivalente, po fae do oto fica: 10

11 6. Cicuito equivalente completo po fae. Agupando o cicuito do etato e do oto e intoduzindo no cicuito do etato o amo magnetizante, contituído de uma eitência Rm, taduzindo a peda magnética em paalelo com uma eatância jxm eponável pela podução do fluxo magnético giante. Como a tanfeência de enegia do etato paa o oto e faz de foma indutiva, podemo aemelha eta pate do cicuito a um tanfomado ideal. Então eulta: 6.4 Cicuito equivalente do MIφ po fae, efeido ao etato. A fim de obte o cicuito equivalente acoplado eleticamente é neceáio expea a quantidade do oto como efeida ao etato, atavé da azão de tanfomação E e E b, eultando em: 7.0 Análie do cicuito equivalente do MIφ 11

12 7.1 Potência abovida da ede ou potência de entada ou potência de alimentação Pe.V.I.coϕ 7. Peda no cobe do etato Pc.R.(I ) 7. Potência fonecida no oto R Pf Pe Pc. S.(I ) 7.4 Peda no cobe do oto Pc.R. (I ) 7.5 Potência deenvolvida pelo oto ou potência intena R S Pd Pf Pc (1 S).( I ) (1 S) P f 7.5 Toque inteno Ti Pint ω Pd ω Pd S ( 1 ) ω pf ω ω R S ( Ι ) 7.7 Peda otacional a vazio (no enaio a vazio medimo Po, Vo, Io) P ot Po Pc Po R.( I ) Po R.( Io) 7.8 Toque de Peda 1

13 Tpeda Pot ω 7.9 Potência útil ou potência de aída (P) ou potência no eixo Seu valo nominal (plena caga) é dado de placa do moto Pu Pd - Pot 7.10 Toque útil ou de aída Tu Ti - Tpeda 7.11 Rendimento η (%) P.100 Pe ob: 1 CV 75 W 1 HP 746 W 8.0 Equação Geal do Toque (ou conjugado) Potência ativa P R.I Potência mecânica Pmec Rc Pmec Rc.(I 1 S S ) R.(I ) Toque T Pmec ω ω.(1 S) 1 S S. R ω. S.. R.( I ).( I ) Como Ι R + Ε b j Χ b R S Ε b + [ Χ ] b R S. ( Ε ) + b ( S. Χ ) b 1

14 Τ ω. R. S S. ( E ) b ( R ) + ( S. Χ ) b ω. R. R S. + ( E ) b ( S. Χ ) b 8.1 Caacteítica T f(ω ) 8. Caacteítica T f() e I f() Na obecaga a coente excede o valo nominal, o moto paa a te aquecimento acima do pemitido. A máxima tanfeência de potência e dá quando: 14

15 9.0 Influência da tenão e da eitência do oto obe o conjugado (T) do moto. 9.1 Influência da tenão A meno de um pequeno eo podemo depeza a queda de tenão obe a impedância do etato I S (R S + j X) e tomamo. V S E B I I Ι Τ S R ω ( R ( E ) b V S. R.. V ( S X ) ) + ω b ( R ) + ( S X b ). cte Ι V Ι R S. [ X b] V cte 15

16 9. Influência da eitência do oto (R ) δ mt R X b ecoegamento no qual ocoe Tmax depende de R δ mt Τ max b Ε ω 1 X b valo de Tmax independe de R Concluão: Se quiemo aumenta o toque do moto na patida, bata inei eitência no cicuito otóico, (eotato). À medida que o moto ganha velocidade a eitência deve e etiada ao pouco. Método inteeante de e ua quando o moto deve pati em caga Sitema Uuai de Patida do Motoe Aíncono. Sempe que poível, a patida de um moto tifáico, oto em gaiola, deve e dieta, ito é, a plena tenão. Cao a patida dieta não eja poível, que po impoição da conceionáia (>7,5 CV deve pati com tenão eduzida) que po exigência da pópia intalação, deve-e ua um itema de patida indieta, com tenão eduzida paa eduzi a coente de patida Método de Patida do MIφ Coente nominal do moto de indução tifáico coente de linha 16

17 I N I L Potência Nominal no Eixo V η coϕ L Pmec V Ι η coϕ L I nom Ι V R + Sn Sn [ Χ ] B No intante da patida do moto (ω 0 S 1) Vnom Ipatida I V1 cte R + ( X b) Paa que o moto tenha condição de gio T p > T caga mec Patida com chave etela-tiângulo ( Υ ) O moto deve neceaiamente poui 6 teminai aceívei e dipo de dupla tenão nominal, tal como 0/80V e 80/660V. A tenão da ede deve neceaiamente coincidi com a tenão em do moto Na patida o MIφ é ligado em etela, apó o tanitóio de patida o enolamento do etato tem a conecçõe extena mudada de Y paa. 17

18 Ι Ι L LΥ V L V L Ζ Ζ V L V L Ζ Ι LΥ 1 Ι L O toque também é eduzido na mema popoção T Y Τ T/TN Caga com alto conjugado Τ Caga com baixo conjugado 1 TY 0,8 0, W W Y 4 5 h Caga de alto conjugado Patida em Y o moto acelea a caga até 85% da otação nominal, com I Y I N ou eja 100% então a chave deveá e ligada em e a Ι 00 % Ι 00% > Ι py 00 % o que não é vantagem uma vez que na patida a coente ea omente 00% Caga de baixo conjugado 18

19 Patida em Y: O moto acelea a caga até 95% da otação nominal com IV 50% então a chave deveá e ligada em b e Ι 180 % ou eja paticamente igual a patida em Y. Aqui a ligação coente de patida eia 600%. Υ apeenta vantagem, poi cao a ligação do moto foe dieta a Concluão: A patida Υ omente compena quando a caga mecânica fo baixa duante a patida, ou inee-e a caga total, omente quando o moto etive à velocidade nominal. 10. Patida com Chave Compenadoa A chave compenadoa pode e uada paa a patida de motoe ob caga. Ela eduz I p, evitando uma obecaga no cicuito deixando, poém o moto com um conjugado uficiente paa a patida e aceleação. A tenão na chave compenadoa é eduzida atavé de um autotanfomado que poui nomalmente tape de 65 e 80% da tenão nominal. Neta condiçõe I p e T p ficam eduzida a K. (valoe de plena tenão), onde K é o valo do tap. Κ 0,80 / 0,65/ 0,50 I pch K I pdieta 19

20 Κ Ν Ν Ν Ν Κ Κ elação de tanfomação Κ 1 Ν 1 Ν Ν1 Ιγ ( Ν Ν ) Ι ρ Ν Ι y Ν Κ Ν Ι ρ Ν Ι y Ι y 1 Κ 1 Ι ρ poém Iec I p + I y Ιec Ι ρ Κ paa caga I pp coente de patida à plena tenão I p coente de patida tenão eduzida Iec I p K. I pp Ι ρ Κ Ι ρρ I p KIec 11.0 Contole de Velocidade do MIφ ω 1 ( S ) ω ω 10 f P (pm) 0

21 Paa e altea a velocidade do MIφ ou e altea o númeo de pólo ou e altea a fequência da alimentação do memo Vaiação da Fequência de Alimentação Vaiando-e a fequência de alimentação conegue-e uma vaiação contínua da velocidade como e conegue: geação pópia fonte de fequência vaíavel - É neceáio um contole imultâneo da tenão aplicada (V ) Χ L. π. L. f V Χ L Ι 11.1 Método pólo conequente (ligação Dahlande) Altea o númeo de pólo na azão :1 Máq. 4 pólo Conideando bobina de uma da fae α α 1 X X α 1 α α 1 α α 1 α 1

22 apena: Invetendo-e o entido da coente numa da bobina fomaemo pólo Ρ 4 Ρ1 Ρ α α 1 X α 1 X α α 1 α α α 1 Método eficiente e baato. Devantagen: Não pemite contole contínuo da velocidade Difícil de e empegado no moto de anéi II Moto de Indução monofáico Atualmente, o motoe elético e tonaam indipenávei no equipamento elético e eleto-eletônico, endo que aamente encontam-e indútia, comécio e eidência em que ete etejam deempenhando um papel eencial em um poceo epecífico. Na indútia ão utilizado motoe tifáico de gande potência em laga ecala, poém, há numeoa intalaçõe comeciai ou eidenciai onde a alimentação de enegia elética é feita apena atavé de itema monofáico CA, tonando-e indipenável a utilização de motoe monofáico. Toda eta intalaçõe demandam motoe pequeno que, opeando em ede monofáica, acionam divea máquina como apiadoe, condicionadoe de a, máquina de lava e de cotua, potõe automático, além de motoe com a finalidade de poduzi ciculação de a. Um moto pequeno pode e entendido como aquele que poui potência igual ou meno que 1HP, também conhecida como potência facionáia.

23 A maioia do motoe monofáico é de pequena potência, poém, ete também ão encontado com potência de 1,5,,, 5, 7,5 e 10 HP, paa ede monofáica de 115V, 0V e 440V, motando que exite uma gande veatilidade na utilização. Podemo enquada o motoe de indução monofáico (MIM) em ei tipo, conideando o pincípio de patida e funcionamento. Ete motoe neceitam de técnica epecífica paa a ua patida com a finalidade de gea um toque inicial, endo que cada uma é mai adequada paa uma difeente utilização do memo. Exitem o MIM de fae epaada ou dividida (plit-phae), o com capacito de patida pemanente ou tempoáio, com doi capacitoe, de pólo ombeado ou anel de aate e o motoe íncono de elutância com patida pópia..0 Contução Aim como qualque moto de indução, o moto monofáico poui baicamente um oto do tipo gaiola, um etato onde eão enolada a bobina, olamento ou bucha, ventiladoe de efiamento e caixa paa conexão elética. Outa pate dependeão do tipo de patida e, como coneqüência, da ua contução. Não exitem ligaçõe fíica ente o oto e o etato, como vito anteiomente, havendo um entefeo unifome ente ele. A anhua do etato ão unifomemente ditibuída e nomalmente utilizam-e doi enolamento, endo um pincipal e outo auxilia.um enolamento monofáico imple não poduz campo magnético giante nem toquede patida e, potanto, é neceáio modifica ou dividi o enolamento do etato em dua pate, cada uma dela delocada no epaço e no tempo..0 Pincipio de funcionamento Motoe de indução monofáico não pouem toque de patida, devido ao alinhamento no epaço e no tempo ente o campo poduzido pelo enolamento do etato e o campo poduzido pela coente induzida no enolamento do oto; não havendo defaagem angula ente o doi fluxo pulante não há podução de toque. Um etato com doi enolamento idêntico defaado de 90 gau poduz um campo giante com magnitude contante; ito é, na peença de doi campo defaado no tempo e no epaço poduzido po enolamento no etato, tem-e um campo

24 giante. Potanto, a pincipai foma empegada paa pati um moto de indução ão baeada no uo de enolamento auxiliae que ciam doi campo defaado. Um enolamento auxilia é uado paa popociona uma defaagem inicial ente o campo pincipal e auxilia de foma a cia um campo giante; ete entolamento tem alta taxa R/X (eitência elevada: fio fino e baixa eatância: pouca epia) de foma a aumenta a defaagem, O enolamento pincipal tem baixa taxa R/X de foma a gaanti melho endimento em egime pemanente e magnetização uficiente paa a máquina (baixo R e X elevada/muita epia); A defaagem vai e empe meno que 90 gau (tipicamente em tono de 5 o ), fonecendo toque de patida modeado, paa baixa coente de patida. Uma chave centífuga deliga o enolamento auxilia a 75% da velocidade nominal. Paa invete o entido de otação é neceáio invete a ligação do enolamento auxilia com a máquina paada (não eveível), vito que o toque poduzido pelo enolamento auxilia (opeação bifáica) é meno que o toque poduzido pelo enolamento pincipal (opeação monofáica 4

25 III Moto linea de Indução (MLI) Em ceta ituaçõe (como po exemplo em tanpote feoviáio e metoviáio) deeja-e obte movimento tanlacional (em vez de otacional). Nete cao pode-e utiliza um itema de cemalheia paa mecanicamente convete o movimento otacional em tanlacional. Sendo que a vantagem dee itema é a implicidade e a devantagem é o aumento da peda mecânica e maio neceidade de manutenção devido ao degate Outa opção é empega um moto linea que poduz dietamente movimento tanlacional. Tai motoe ão denominado motoe lineae. O motoe lineae, que tem eu ugimento datado na egunda metade do éculo XIX, ante do deenvolvimento da pimeia máquina otativa de Tela, em 1888, no entanto, foi a pati de meado do éculo XX que o empego da máquina lineae tonou-e mai notóia. O funcionamento dee motoe é emelhante ao do motoe otativo, no qual uma foça eletomagnética decoente da inteação ente a coente no enolamento do moto e um campo magnético poduz o delocamento do cuo. Dea foma, a foça e a velocidade de delocamento que o moto poduz podem e conideada como fatoe de deempenho paa ee tipo de moto. O MLI tem um começo e um fim, ete ecuo poduz um efeito final, ete é uma da mai impotante difeença ente o moto de indução linea e o moto de indução otativo. O motoe lineae, que tem eu ugimento datado na egunda metade do éculo XIX, ante do deenvolvimento da pimeia máquina otativa de Tela, em 5

26 1888, no entanto, foi a pati de meado do éculo XX que o empego da máquina lineae tonou-e mai notóia. O funcionamento dee motoe é emelhante ao do motoe otativo, no qual uma foça eletomagnética decoente da inteação ente a coente no enolamento do moto e um campo magnético poduz o delocamento do cuo. Dea foma, a foça e a velocidade de delocamento que o moto poduz podem e conideada como fatoe de deempenho paa ee tipo de moto. O MLI tem um começo e um fim, ete ecuo poduz um efeito final, ete é uma da mai impotante difeença ente o moto de indução linea e o moto de indução otativo..0 Contução O etato e oto ão a dua pate pincipi. O etato é contituído po um enolamento polifáico equilibado que é colocado de foma unifome na anhua do etato ao longo da ua peifeia. O etato poduz um campo magnético ditibuído enoidal no entefeo. O movimento elativo ente o condutoe do oto e do campo magnético induz uma tenão no oto. Eta tenão induzida vai faze com que uma coente flua no oto e gee um campo magnético. A inteaçõe dee doi campo magnético vão poduzi um bináio que aata o oto na dieção do campo. Deivado do moto otativo, fazendo um cote nete, obtém o moto linea Paa o moto otativo o campo magnético ecebe o nome de campo giante, já paa o moto linea o campo magnético ecebe o nome de campo viajante, ou eja, ao invé de gea um toque útil, o moto linea cia uma foça longitudinal no entido do campo. E o ecundáio do MLI é contituído po uma lamina de um mateial paamagnético com alta condutibilidade elética. 6

27 Tem-e que o pimáio de um moto linea é a pate fixa ou etato, e o ecundáio é a pate móvel ou cuo. Pode e claificado também em oto cuto ou etato cuto. E com elação ao numeo de etato, claifica-e em imple etato ou duplo etato. Sendo que o de imple etato apeentam um cicuito feomagnético acima do oto paa concatena melho o fluxo magnético diminuindo a dipeão da linha de fluxo..0 Pincipio de funcionamento O pincipio de funcionamento de um MLI é o memo de um moto otativo de indução, endo que o MLI é obtido baicamente abindo o moto do tipo gaiola de equilo e colocando-o deitado. Eta etutua plana poduz uma foça linea em vez de podução de toque otativo como em uma máquina cilíndica. A fequência de pojeto e o numeo de enolamento deteminam a velocidade de MLI. 4.0 Aplicaçõe Máquina envolvida em poceo indutiai que exigem movimento lineae Tanpote (meto/tem) Coação atificial (itema de êmbolo) Pota delizante Bombeamento de líquido (itema de êmbolo) VANTAGENS Não ão neceáia pate mecânica paa tanfoma o movimento otacional em linea Pemitem alta aceleaçõe e velocidade DESVANTAGENS Efeito longitudinal de extemidade Exitência de uma foça nomal Pof. Malange 7