Mecânica de Locomotivas II. Aula 9 Motores Elétricos de Tração

Transcrição

1 Aula 9 Motores Elétricos de Tração 1

2 A utilização de motores de corrente contínua apresenta inúmeras desvantagens oriundas de suas características construtivas, que elevam seu custo de fabricação e de manutenção. Devido a essas desvantagens, um esforço intenso vem sendo realizado para substituir os motores de corrente contínua por motores de corrente alternada, principalmente por motores de indução. Os esforços contínuos de se usar o motor de indução como motor de tração se baseiam principalmente no fato de: 2

3 Ser o mais largamente utilizado na indústria; Apresentar custo reduzido e vida útil longa; Possuir uma construção excepcionalmente simples e robusta; Operar em situações severas de trabalho; Não possuir comutador ou escovas; Apresentar menores desgastes mecânicos; Demandar uma menor manutenção; Sofrer uma menor sobrecarga térmica na partida; Apresentar melhor comportamento em frenagem dinâmica; Proporcionar maior capacidade de potência e maior força de tração com igual volume e igual peso de construção de um motor de corrente contínua. 3

4 Associados aos modernos conversores eletrônicos de tensão e freqüência variáveis e as técnicas de controle vetorial, os motores de indução tendem a assumir um papel quase que exclusivo no sistema de tração das locomotivas diesel-elétricas. No entanto, a sua popularização vem sendo dificultada por: Aumentar a eletrônica embarcada; Demandar pessoal especializado para manutenção do seu sistema de controle, com conhecimentos de eletrônica analógica, digital e de potência; Haver possibilidade do seu sistema de controle produzir interferências elétricas nos sistemas de sinalização; O custo inicial de uma locomotiva dotada de motores de corrente alternada é mais elevado do que uma locomotiva impulsionada por 4 motores de corrente contínua.

5 9.3. O motor de indução é constituído de duas partes básicas: Estator Rotor Figura Motor de indução utilizado como motor de tração Não há conexão elétrica externa para o rotor e nem ligação elétrica entre o rotor e o estator, de modo que toda a tensão desenvolvida no enrolamento do rotor é induzida através do espaço vazio existente entre o estator e o rotor, denominado de entreferro, pelos campos magnéticos criados pelas correntes de estator. Os circuitos do rotor e do estator são acoplados magneticamente. 5

6 Estator Em aço laminado é soldado a carcaça. Para pólos não salientes, os condutores de cobre das bobinas são distribuídos e engastados nas ranhuras existentes na periferia interna do núcleo magnético. Figura indução Estator do motor de 6

7 Rotor Os condutores de cobre engastados nas ranhuras existentes em seu núcleo, um cilindro de aço laminado, são curto-circuitados por anéis condutores em ambas extremidades. Por sua configuração e seu movimento se assemelhar ao de uma gaiola de esquilo, esse tipo de rotor recebe a denominação de rotor gaiola de esquilo. Figura Rotor gaiola de esquilo 7

8 Campo magnético girante Quando uma bobina é percorrida por uma corrente elétrica I, é criado um campo magnético H, direcionado conforme o eixo da bobina e de valor diretamente proporcional a corrente. O enrolamento do estator da figura é constituído de um par de pólos, um pólo norte e um pólo sul, cujos efeitos se somam para estabelecer o campo magnético. O fluxo magnético atravessa o rotor posicionado entre os dois pólos e se fecha através do núcleo magnético do estator. Figura Fluxo magnético 8

9 Quando o enrolamento é percorrido por uma corrente alternada, estabelece-se um campo magnético alternado, que varia entre os dois valores máximos +Hm e Hm. Como sua orientação norte-sul não é sempre a mesma, diz-se que o campo magnético é pulsante. Para a geração de um campo magnético girante trifásico ocorrem três enrolamentos idênticos chamados fases, simetricamente dispostos, com os respectivos eixos deslocados um dos outros de 120º. Figura Alimentação dos três enrolamentos do motor 9

10 Cada um dos três enrolamentos cria um campo magnético pulsante direcionado conforme seu eixo respectivo. Os três campos estão representados na figura, levando em conta que o campo negativo é representado por uma seta de sentido oposto ao que seria normal. Figura Representação dos três campos 10

11 No instante 1, o campo H1 é nulo, o campo H3 é positivo e o campo H2 é negativo e de mesmo valor. O campo resultante R é mostrado formando 90º com a direção do enrolamento da fase A e com amplitude igual a 1,5 do valor de cada um dos campos componentes. Repetindo a construção para os instantes 2, 3, 4, 5 e 6, observa-se que o campo R apresenta um valor fixo, porém sua direção vai girando, completando uma volta ao final de cada ciclo. Portanto, concluímos que o campo magnético resultante é girante, ou seja, sua orientação norte-sul gira continuamente e sua intensidade é constante. Este campo magnético girante é formado a cada instante pela combinação dos campos magnéticos estabelecidos em cada um dos enrolamentos. Pode-se enunciar, então, o seguinte princípio: 11

12 Três enrolamentos idênticos, simetricamente dispostos, com os respectivos eixos a 120 entre si, percorridos por três correntes alternadas de igual freqüência e valor eficaz, mas defasadas uma das outras de 120, geram um campo magnético girante, com amplitude constante igual a 1,5 do valor máximo de cada um dos três campos componentes. O sentido de rotação está ligado à sucessão de atrasos de fase das correntes nas bobinas. Em geral, os três enrolamentos agrupam-se em estrela ou triângulo, para alimentá-los com uma linha trifásica com três fios. Neste caso, o sentido de rotação do campo inverte-se, trocando-se simplesmente dois fios da linha entre si. Na prática, a maioria dos motores não é de pólos salientes, como é mostrado na Figura e Figura Mas a teoria demonstrada também é valida para motores de pólos não salientes. 12

13 Velocidade Síncrona O número de pólos magnéticos, que deve ser sempre par, de um motor de indução trifásico é determinado pelo modo com que os enrolamentos são dispostos no estator. Cada uma das fases da linha de alimentação trifásica deve ser aplicada a cada polo magnético do estator, fazendo circular uma corrente através deles, que produz uma onda invisível de fluxo magnético que gira em torno do estator, denominada de campo magnético girante. A velocidade de rotação do campo magnético girante é a velocidade síncrona do motor, definida pela expressão: f- Frequência da rede de alimentação p- Número de polos criados no processo de enrolamento do estator 13

14 Escorregamento Quando conectamos os enrolamentos do estator de um motor de indução trifásico a uma linha de alimentação trifásica, fazemos circular uma corrente através desses enrolamentos que produz um campo magnético que gira na velocidade síncrona do motor. A diferença entre a velocidade de rotação do rotor e a do campo girante aumenta o número de linhas de força a ser cortada pelos condutores do rotor que, pelas leis do eletromagnetismo, induz uma maior tensão no circuito do rotor. Esta tensão induzida causa a circulação de correntes elevadas nos condutores do rotor com uma freqüência igual à freqüência da linha de alimentação. Estas correntes induzidas criarão seus próprios campos magnéticos, de polaridades opostas à do campo girante. 14

15 Como campos opostos se atraem, e como o campo girante é rotativo, o rotor tenta acompanhar a rotação do campo girante, desenvolvendo um conjugado no motor que faz com que o motor gire acionando a carga acoplada ao eixo. Quanto maior a carga, maior terá que ser o conjugado necessário para acioná-la. Para obter maior conjugado, teremos que ter maiores campos produzidos e maiores correntes induzidas, o que é obtido com uma maior diferença de velocidades. À medida que a carga aumenta, cai a rotação do rotor. Portanto, ao ser aplicado um conjugado externo ao motor, o seu rotor diminuirá de velocidade na justa proporção necessária para que a corrente induzida devida à diferença de rotação entre o campo girante e o rotor, passe a produzir um conjugado eletromagnético igual e oposto ao conjugado externamente aplicado. 15

16 A perda de rotação do rotor, necessária para que seja produzido conjugado eletromagnético, é denominada de escorregamento, e pode ser expressa por: s=ns-n Teoricamente, para um motor girando em vazio e sem perdas, não temos tensão induzida no rotor, que irá girar na velocidade síncrona, isto é: s=0 A indicação do escorregamento também pode ser feita em porcentagem da velocidade síncrona: Para um motor de 4 pólos ligado a uma rede de alimentação de 50Hz, qual é sua velocidade síncrona e seu escorregamento, se sua rotação é de rpm? ns=(120*50)/4=1500 rpm s=[( )/1500]*100%=3,33% 16

17 Impedância Para um circuito alimentado em corrente alternada, onde são gerados campos magnéticos por bobinas ou enrolamentos, podemos escrever o circuito elétrico representativo mostrado na Figura Uma variação na freqüência produz uma variação na reatância indutiva, que causa uma alteração nas correntes do rotor com a conseqüente mudança no conjugado produzido. Figura Circuito equivalente de uma bobina 17

18 Curva conjugado-velocidade A curva típica de um motor de indução trifásico, para uma tensão de alimentação a uma dada freqüência mantida constante, é mostrada na Figura Esta curva indica como o conjugado varia com a velocidade de rotação do motor. Figura Curva conjugado-velocidade 18

19 A figura mostra que, o conjugado cresce com o aumento da velocidade até atingir um ponto em que a reatância indutiva começa a limitar a corrente do rotor. A partir desse ponto, um aumento adicional na velocidade provoca um aumento na reatância indutiva, que por sua vez causa uma diminuição na corrente do rotor e, conseqüentemente se verifica uma queda no conjugado. Para a velocidade síncrona o conjugado é nulo. À medida que vai sendo adicionada carga ao motor, sua rotação cai gradativamente até atingir um valor máximo de conjugado. Se esse valor de conjugado máximo for ultrapassado, haverá uma queda abrupta na velocidade e na potência do motor, podendo até travá-lo. Na prática, a região de funcionamento de um motor AC está situada entre o ponto de velocidade síncrona e um ponto de conjugado no máximo igual a duas vezes e meia o conjugado nominal do motor, inferior ao conjugado máximo. 19

20 9.3.9 Conjugado de aceleração médio A diferença entre o conjugado motor médio e o conjugado resistente médio, nos fornece o conjugado de aceleração médio: Seu valor deveria ser calculado para cada intervalo de rotação. Na prática, porém, este valor pode ser obtido graficamente como mostra a Figura Figura Curvas de conjugado médio 20

21 Corrente de rotor bloqueado A Corrente de Rotor Bloqueado é o valor eficaz máximo da corrente em condições estáveis que percorre o motor parado, quando alimentado sob tensão e frequências nominais. Os valores máximos de corrente com rotor bloqueado em função da potência aparente absorvida com rotor bloqueado em relação à potência nominal são obtidos através da fórmula: Ip-Corrente com o rotor bloqueado[a]; V-Tensão de alimentação nominal[v]; Pn-Potência nominal [hp]. 21

22 Regime de partida Durante o tempo de aceleração, ou seja, o tempo de partida, os motores de indução são submetidos a altos valores de corrente. Como, sua temperatura é diretamente proporcional às perdas ôhmicas, e estas são proporcionais ao quadrado da corrente, teremos durante a partida uma rápida elevação da temperatura do motor. Portanto, o intervalo entre partidas sucessivas deve ser suficientemente grande de tal forma que o calor gerado no instante da partida possa ser dissipado, evitando-se assim que o motor queime ou que sua vida útil seja reduzida. 22