Máquinas Eléctricas. Motores de indução. Motores assíncronos. Arranque

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1 Motore de indução Arranque São motore robuto e barato (fabricado em maa), embora tendo o inconveniente de não erem regulávei. Conequentemente, uma vez definido um binário e uma corrente, ete apena dependem de: Tenão de alimentação (c te ) Velocidade em qualquer momento O motor repeitante à Figura 1.1 é pequeno e arranca em vazio (inércia de carga nula). Devido à baixa inércia, toda a magnitude variam fortemente durante o arranque, já que o binário electromagnético gerado é função da poição angular entre rotor e etator, em cada momento (para motore de maior potência, arrancando em carga tai variaçõe urgem mai diluída). tempo A intenidade de corrente (para uma fae a retante endo iguai), acende a uma valor elevado (vária veze uperior à nominal) e ocila à frequência da rede. Além dio, eta corrente tarda a baixar para valore próximo da corrente nominal do motor e a ua magnitude inicial é independente do binário reitente que a carga opõe durante a aceleração. Também o binário motor adquire, inicialmente, valore não tão alto, obretudo coniderando que é produzido por corrente elevada. Além dio, no tempo primeiro intante do arranque, é um binário ocilante, pelo que, ao motor, cuta-lhe adquirir velocidade. Apena depoi de 4% do tempo de arranque, exite uma zona de binário poitivo, que é o que realmente acelera o motor. Na fae final do arranque, o binário motor volta a adquirir um carácter ocilante, rapidamente amortecido, que converge para o eu valor final ou nominal (nulo nete cao, dado er um arranque em vazio). Conequência lógica do binário motor é a evolução da velocidade. Na primeira fae urgem ocilaçõe relativamente importante, apena aumentando tempo ignificativamente a velocidade, quando o binário motor tem um valor médio poitivo. Paada eta fae, a velocidade ofre ainda ocilaçõe, menore e mai amortecida. Voltando à elevada corrente, em caua no arranque, eta ão a aborvida na bobine do etator. Embora não endo poível medi-la em motore de gaiola de equilo, a corrente induzida na bobine do rotor ão também muito elevada (equivalência com tranformador relação de tranformação). Eta corrente elevada, quer no rotor quer no etator, conjugada com arranque de duração prolongada, têm a eguinte conequência: Queda de tenão no tranformadore/rede de alimentação (inadmiívei para aparelho de outro utilizadore, ligado à mema fonte) corrente binário velocidade 1/11

2 Perda de Joule elevada ( RI ), tanto no rotor como no etator. Eta potência têm muita dificuldade em diipar-e durante o arranque dada a ua curta duração acumulando-e maioritariamente na própria bobine, provocando importante aumento de temperatura que podem conduzir a: o Falha prematura do motor, por e ter ultrapaado a temperatura relativa à clae de iolamento o Não acontecendo a anterior, haverá lugar a um encurtamento da vida útil do motor (envelhecimento) \ Exite a neceidade de limitar o número de arranque. Grandeza fíica relacionada com o funcionamento do motore Coniderando um motor accionando uma carga rigidamente acoplada figura 1. aplica-e a equação que exprea a ª lei de Newton: A oma do binário actuando obre um volante, é igual à variação da quantidade de movimento angular do memo, durante o tempo de aplicação do binário T motor T c arg a = d ( J ω) T = binário [N.m] J = Inércia da maa do rotor [kg.m ] ω = velocidade angular [rad. -1 ] origem Figura 1. ângulo girado ω J T carg A equação pode er deenvolvida, T M T C dω dj = J + ω Figura 1.3 Modelo implificado T mot Como na maior parte do cao de accionamento a inércia é contante 1, podemo dizer que, ficando a equação nete cao, dj = T M T C dω = J 1 Para o cao em que não podemo coniderar carga com inércia contante robô, accionadore, centrifugadora, enroladore de cabo, bobinadora, etc. haverá que conhecer a lei temporal que rege a variação de inércia [J = f (t)] e aplicar a lei geral. /11

3 A retante grandeza ão, eencialmente, variávei, dependendo de: T M = f (ω, ε, t). T C = f (ω, ε, t) ε = epaço angular percorrido [rad] Exitem, no entanto, batante cao particulare, tanto para o binário motor como para o binário reitente, no quai a dependência é apena da velocidade, T M = f (ω). T C = f (ω) A equaçõe apreentada anteriormente, não decrevem completamente o movimento. Neceitamo agora de equaçõe proveniente da cinemática: dε ω = e dω α = = d ε em que α = aceleração angular [rad. - ] que também e podem exprear na ua forma integral: ω = α e ε = ω Na integração deta equaçõe, haverá que coniderar o valore iniciai: a) Movimento uniforme α = ω = c te ε = ε + ω t b) Movimento uniformemente acelerado α = c te ω = ω + α t ε = ε + ω t + ½ α t ω = ω + α ε Geração do binário motor O binário motor gera-e electromagnéticamente pela interacção do fluxo no entreferro com a corrente rotórica: jε ( ) T = L I [ i ( t ) ( i ( t) e )] t M M M 1 3 Exitem algun cao de máquina accionada, cujo binário reitente é dado por T C = f (ω, ε), tai como máquina com êmbolo e piton (compreore p. ex.), cujo binário é função da poição angular do rotor. 3/11

4 Pode condenar-e eta equação, dizendo que o binário motor reponde a uma expreão do tipo: ( ω,ε t) T M = f, No cao normalmente encontrado na prática, a componente que dependem do tempo devanecem-e pouco período apó a ligação do motor, podendo eliminar-e a dependência da variável tempo. Algo emelhante acontece com a influência do ângulo de poição (ε). Para além dio, o aumento de velocidade etá, como e verá à frente, condicionado pela inércia total (J) a acelerar. Referindo-no à figura 1.1, contatamo que o que importa no arranque é o valor médio da curva de binário em função do tempo, ito é, o integral deta função. Ete integral é poitivo e crecente com o tempo e, portanto, o motor arranca apear da ocilaçõe de velocidade no primeiro intante. Aim, para aplicaçõe normai, o binário motor depende da velocidade angular, T M = f (ω) obtendo-e o eu valor atravé da curva fornecida pelo fabricante, ou calculando-o conhecida a caracterítica da reitência e reactância do motor atravé do circuito equivalente. Evolução da corrente etatórica e rotórica É abido que, em regime etaccionário, I 1 = corrente etatórica I = corrente rotórica I m = corrente de magnetização I 1 + I = I m A corrente I é a que origina o binário, de forma que, para binário nulo eta corrente é nula. A corrente I m etá condicionada pelo etado magnético do motor e depende da eguinte variávei: Tenão aplicada crece com a tenão Dimenionamento do motor (projecto): o Superior para motore lento o Crece com o entreferro o Crece com circuito magnético de baixa qualidade Para um dado motor, alimentado com tenão contante, eta corrente permanece praticamente contante, em regime etacionário, ocilando o eu valor entre 1 a 15 % de I N para motore grande, rápido e com bom projecto e entre 5 a 6% de I N para motore pequeno, lento com fraco projecto. Para motore parado o ecorregamento é = 1. À medida que o motor acelera, o ecorregamento diminui até valore de =,1 a,5. Quer ito dizer, que a reitência rotórica aparente (R /) varia muito, dede valore baixo (no início do arranque) até valore que podem er entre 1 a veze uperiore ao valor inicial (motor no ponto de funcionamento nominal). Aim, o ramo rotórico paa de: i. Uma ituação de arranque com = 1 e baixa reitência, que faz com que ete ramo eja muito reactivo e aborva corrente elevada e muito defaada da tenão aplicada. 4/11

5 ii. Uma ituação de funcionamento normal, com =,1 a,5 e alta reitência que faz com que ete ramo eja muito reitivo e aborva corrente reduzida com baixo defaamento. Em regime de arranque, com baixo fluxo, a corrente I m é muito reduzida, pelo que a corrente etatórica I 1 egue uma evolução muito imilar à corrente rotórica x I N 3 1 1,75,5,5 Figura 1.4 Como e pode contatar do gráfico da figura 1.4, a corrente ão muito elevada na maior parte do tempo, gerando-e, em conequência, perda de Joule elevada. Torna-e, deta forma, neceário que o motor arranque rápidamente, para minorar o aquecimento da bobine do motor. No entanto, ete comportamento do motor no arranque proporciona, paralelamente, alto valore de binário à cuta da alta corrente aborvida. Motore Exitem tipo de motore de indução (ou aíncrono): Rotor bobinado Neceitam de equipamento de arranque ou de controle obre o circuito rotórico reitência trifáica ligada electricamente ao rotor por meio de ecova e egmento 3. Quando o motor atinge a velocidade nominal eta reitência ão curto circuitada. Ete tipo de motor é mai delicado e mai caro, para a mema potência/velocidade. egmento Figura Rotor bobinado 3 Ete tipo de motore, por utilizarem ecova e egmento (faícamento) impõem precauçõe adicionai quando utilizado em atmofera húmida, poeirenta ou exploiva. 5/11

6 Rotor em curto circuito (ou gaiola de equilo ) Ete tipo de motor, quando mal aplicado, dão origem a avaria mai forte. Figura Rotor gaiola equilo Caracterítica principai do motore de indução I. Potência nominal [KW] Potência diponível no eixo do motor (potência mecânica), em que eja ultrapaado o aquecimento epecificado para o motor. II. Tenão de alimentação e frequência [V] e [Hz] Tenão e frequência de alimentação, para a quai o motor fornece a potência e velocidade nominai. No cao do rotor bobinado, é epecificada ainda a tenão rotórica. III. Velocidade a. de incronimo velocidade do campo girante 1 n = f [ rpm] ω = π n [ rad / ] p 6 b. nominal velocidade real, ligeiramente inferior à velocidade de incronimo π ω = n [ rad/ ] 6 IV. Intenidade de corrente etatórica Corrente aborvida pela bobine do etator. Ponto de interee: corrente em vazio ( = ), corrente nominal e corrente de arranque ( = 1) V. Binário Força fornecida pelo motor. Ponto de interee: binário nominal, binário máximo, binário mínimo e binário de arranque ( = 1) VI. Factor de potência Relação entre a potência activa e a aparente. O eu melhor valor encontra-e para a potência nominal. O piore valore (de,1 a,4) encontram-e para = e para = 1. VII. Rendimento Relação entre a potência mecânica útil (no eixo) e a potência eléctrica aborvida da alimentação. Varia com a carga e alcança o eu valor máximo na proximidade do ponto nominal 6/11

7 VIII. Ecorregamento Diferença entre a velocidade mecânica e a velocidade de incronimo (ou do campo girante). Para haver binário é neceário que o ecorregamento eja diferente de zero. n n ω ω = = n ω O ecorregamento em motore pequeno (p. ex. 1,1 kw) tem valore importante, na ordem do 7 a 8%, ao pao que em motore de elevada potência (p. ex. 8 kw) anda na ordem do,3 a,5% Figura 1.6 %T n 3 5 x IN binário máximo arranqu e zona intável 1 binário nominal corrente nominal Figura % n S A zona de funcionamento etável do motor, é a zona compreendida entre o ponto de binário máximo e o de ecorregamento nulo (ponto de velocidade nominal). O ponto de funcionamento 7/11

8 nominal do motor encontra-e na interecção da curva do binário motor com a curva do binário da carga (binário reitente) que a máquina accionada exige. T Ponto de etabilidade T carga T aceleração T travagem T motor n 1 n n n Na velocidade de incronimo, o binário é nulo Na zona compreendida entre a velocidade nominal e a velocidade de incronimo, a curva de binário é linear (recta) e o binário é proporcional ao ecorregamento. A curva binário-velocidade ão função da reitência rotórica 4 o Variando a reitência, não varia o binário máximo, ma apena a ua poição o O binário máximo dá-e para um ecorregamento ( ), para o qual a reactância iguala o valor da reitência total do rotor (R + R externa ) o Para um determinado binário, na zona recta, etável, da curva de binário, o ecorregamento é praticamente proporcional à reitência total do rotor. O binário motor, para todo o ecorregamento, é proporcional ao quadrado da tenão de alimentação {um motor que deenvolve um binário de arranque de 1%, à tenão nominal, quando alimentado a 8% da tenão nominal, terá um binário de arranque de 1% x,8 = 76,8 %} A corrente aborvida, para todo o ecorregamento, é proporcional à tenão de alimentação {e o motor anterior tem uma corrente de arranque de 5% à tenão nominal, quando alimentado a 8% da tenão nominal, aborverá uma corrente de arranque de 5% x,8 = 4%} Motor de rotor bobinado Já foi indicado que, no motore, e podem alterar alguma da ua caracterítica, por exemplo, alterando a reitência do rotor, alterando, conequentemente, o eu comportamento mecânico (binário / velocidade) e eléctrico (corrente aborvida). No cao do motore com rotor bobinado e atravé do egmento/ecova há a poibilidade de ligar, em érie com a bobine do rotor, reitência externa, dede R ext = (rotor em curto circuito R ext em curto circuito) até R ext elevada (arranque limitação da corrente elevada). Para cada valor de R ext ligada à bobine do rotor obtêm-e um par de curva Corrente Figura 1.8 / Binário Figura 1.9. Pode também deduzir-e a equação que dá o valor do binário motor, para cada valor de ecorregamento, partindo do valore de projecto de um motor concreto, alimentado a uma determinada tenão V 1 : 4 Fundamental para o motore de rotor bobinado 8/11

9 T M = T + Em zona de ecorregamento reduzido e inferior a pode linearizar-e eta expreão, de acordo com: << pelo que: / vindo a expreão: T M = T T = T M = K em que K é uma contante para cada ecorregamento máximo. Eta expreão pode er aproveitada para determinar o reótato de arranque. R ext = R ext = R 1 R ext = R R ext = R 3 R ext = R 4 R ext = R 5 R ext = R 6 x I N ,8,6,4, Figura 1.8 R ext = R 6 R ext = R 5 3 x T N,5 R ext = R 4 1,5 R ext = R 3 R ext = R R ext = R 1 R ext = 1,8,6,4, 1,5 R6 > R5 > R4 > R3 > R > R1 Figura 1.9 9/11

10 Motor de gaiola de equilo O rotor dete tipo de motore tem a bobina rotórica ubtituída por barra longitudinai, oldada do topo por anei curto circuitada (figura 1.1). Aim, não exite poibilidade de regulação. Figura 1.1 A barra, contituinte da gaiola, podem er de cobre macio, liga de cobre, alumínio 5 ou liga de alumínio O rotor dete tipo de motore pode er contituído por uma ou dua gaiola. Cada gaiola tem ranhura onde ão encatrada a barra, que e unem no topo por anéi do memo metal. A barra não etão iolada, relativamente à ranhura, urgindo, por eta razão, alguma corrente paraita que originam binário da mema natureza. É, obviamente, uma forma contrutiva extremamente robuta. No entanto, a ua natureza contrutiva mecânica, condiciona a ua %T caracterítica (tornando-a fixa) de 3 binário e corrente, Ito é, não e 75 conegue actuar obre a caracterítica D 5 eléctrica do rotor (tal como no rotore 5 bobinado quando e adicionam C reitência). Deta forma, diferente caracterítica de binário e de corrente 175 apena podem er obtida por projecto, 15 B tendo dado origem a 4 tipo de gaiola A, B, C e D 6 15 correpondente a 4 tipo 1 de binário e corrente, tal como pode 75 er obervado na figura Ete tipo de motore ão obtido à cuta de variaçõe em torno da contrução do rotor, nomeadamente atravé de ranhura fina e com pouca Figura 1.11 % n S 5 Que diminui o peo / inércia do rotor 6 Nomenclatura NEMA 1/11

11 altura (figura 1.1), ranhura profunda (figura 1.1) e gaiola dupla (figura 1.13). Gaiola externa Gaiola interna Figura /11

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