Motores Elétricos. Prática 06 Aula Demonstrativa de Motores Elétricos
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- EDUARDO RAMIRES
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1 Motores Elétricos
2 Motores Elétricos Definição São dispositivos que convertem energia elétrica em energia mecânica pela interação entre os campos magnéticos produzidos no estator (campo) e no rotor (armadura). Produzem o torque (conjugado), que é a capacidade de girar um eixo, relacionado a uma rotação.
3 Motores Elétricos Classificação Podem ser classificados em: Motor de Corrente Contínua. Motor de Corrente Alternada Assíncrono (ou de Indução). Motor de Corrente Alternada Síncrono. Motores Elétricos Corrente Alternada Corrente Contínua Universal Síncrono Assíncrono Ímã Permanente Campo Enrolado Ímã Permanente Rotor Bobinado Passo Monofásico Trifásico Rotor Bobinado Capacitor Partida Rotor Gaiola Rotor Bobinado
4 Motores Elétricos CC Características: Permitem controle preciso da velocidade através de um circuito razoavelmente simples. Oferecem torque constante em toda a faixa de velocidade. Têm baixa relação peso/potência. Demandam manutenções periódicas para a troca de escovas (reposição) e limpeza do coletor.
5 Motores Elétricos CC Princípio de Funcionamento: Um motor CC consiste em uma bobina que gira em um campo magnético (formado por ímãs permanentes ou por um enrolamento energizado campo), conforme a seqüência apresentada ao lado. No instante (a), os pólos magnéticos do rotor (representados como ímã) são atraídos pelos pólos opostos do campo. Então, no instante (b) o rotor gira para levar esses pólos magnéticos o mais perto possível um do outro; porém, (c) ao chegar nessa posição, o sentido da corrente é invertido e (d) os pólos opostos se repelem, continuando a impulsionar o rotor.
6 Motores Elétricos CC Principais Componentes: (1) Escova. 4 (2) Coletor ou comutador. (3) Estator ou campo. (4) Rotor ou armadura.
7 Motores Elétricos CC Partida: Para partida e operação de motores CC normalmente são utilizados os circuitos abaixo: Chave de partida: permite controlar a corrente de armadura e do campo através de uma resistência variável. Geram, porém, perda por calor. Sistema Ward-Leornard: permite rápida regulagem de rotação. Conversor estático: amplamente utilizado, compõe-se basicamente de uma ponte retificadora tiristorizada que fornece corrente contínua, com tensão variável, a partir de uma tensão alternada.
8 Motores Elétricos CC Controle de Velocidade e Torque: O controle de velocidade, na faixa nominal do motor, é feito através da variação da tensão de armadura. O aumento da tensão de armadura implica no aumento da velocidade. Há também a alternativa de controlar a velocidade através da tensão de campo, já que a diminuição desta tensão provoca o aumento da velocidade (nos motores de campo bobinado). Neste caso há perda de torque.
9 Motores Elétricos CC Defeitos Comuns: Coletor ou comutador com pontos de curto-circuito: implica em perda de potência e normalmente é conseqüência do acúmulo de grafite oriundo do desgaste das escovas (sem as devidas limpezas periódicas) ou do uso de escovas de má qualidade. Uma limpeza detalhada do coletor resolve boa parte dos casos, porém situações extremas exigem que o mesmo seja torneado. Superaquecimento: causa danos à isolação dos enrolamentos (verniz dos fios), possivelmente em função de sobrecarga ou ventilação insuficiente (sujeira em excesso nas tampas de captação de ar, por exemplo). A revisão da carga ou uma limpeza no motor, caso os danos ao enrolamento não sejam permanentes (situação que pode ser diagnosticada com o megôhmetro) é suficiente.
10 Motores Elétricos CC Desgaste excessivo ou falta de contato das escovas: provoca faíscamento e operação aos solavancos. Nestes casos, as mesmas devem ser substituídas, conforme o manual do fabricante. Importante que sejam assentadas corretamente nas suas posições. Enrolamento de campo aberto : provoca rotação demasiadamente acelerada do motor. Depois de verificar que a alimentação do campo está correta, somente a desmontagem e inspeção do motor determinará o procedimento adequado para reparo, que pode ser inclusive a rebobinagem. Curto-circuito nos enrolamentos do campo e/ou armadura: pode provocar superaquecimento e consumo excessivo de potência, em função do maior esforço do motor para movimentar a carga. Exige a rebobinagem ou a troca definitiva do motor.
11 Motores Elétricos CC Motor Ímã Permanente: Possui dois ímãs fixados na parte interna da carcaça, em posições opostas, de modo a fornecer um campo permanente (estator). Somente o rotor é bobinado, recebendo a corrente de armadura através do conjunto de escovas + comutador. O ajuste de velocidade é feito exclusivamente através da tensão aplicada à armadura. Ainda é bastante encontrado na indústria, especialmente em aplicações de baixa potência e necessidade de controle de velocidade.
12 Motores Elétricos CC Motor Campo Enrolado (Bobinado): Além do rotor, o estator é bobinado. A forma de ligação destas bobinas varia de acordo com a aplicação do motor. Ligação Série Ligação Composta Não deve operar a vazio (sem carga). A corrente de campo, constituído de 2 bobinas, é igual a corrente de armadura (circuito série). Possui elevado torque de partida. O campo, também constituído de 2 bobinas, tem uma delas ligada em série e a outra em paralelo com a armadura. Garante velocidade constante e conjugado variável com a carga (conseqüência da ligação em paralelo). Fornece alto conjugado de partida (conseqüência da ligação série).
13 Motores Elétricos CA Assíncronos Características: Com a evolução dos circuitos de controle de velocidade, vêm substituindo largamente o motor CC na indústria. Estudos apontam que já representam mais de 90% dos motores instalados no Brasil. Têm processo construtivo simples e de baixo custo. Apresentam alta corrente de partida (até 8 vezes a nominal).
14 Motores Elétricos CA Assíncronos Princípio de Funcionamento: Somente o estator é alimentado. Assim, a corrente no rotor é induzida pelo campo gerado no estator. O rotor segue o movimento rotativo do campo magnético do estator, apresentando escorregamento, que é a diferença de velocidade entre este campo magnético girante (velocidade síncrona) e a rotação mecânica do eixo. O escorregamento tende a aumentar conforme aumenta a carga (normalmente 3% com carga nominal). A velocidade depende da freqüência e do número de pólos do motor.
15 Motores Elétricos CA Assíncronos Componentes: (1) Carcaça. (2) Núcleo de chapas do estator. (3) Núcleo de chapas do rotor. (4) Tampa. (5) Ventilador ou ventoinha. (6) Tampa do ventilador. (7) Eixo. (8) Enrolamento do estator. (9) Caixa de ligações elétricas. (10) Bornes de ligação. (11) Rolamento. (12) Barras e anéis de curto-circuito do rotor.
16 Motores Elétricos CA Assíncronos Partida: Permitem partida seca (partida direta), porém nesta condição apresentam alta corrente de partida. Assim, normalmente são utilizados circuitos de reversão estrela-triângulo ou de partida controlada (através de soft-starters ou inversores de freqüência, por exemplo). Podem partir com ou sem carga.
17 Motores Elétricos CA Assíncronos Controle de Velocidade: O controle de velocidade é baseado na variação da freqüência ou, em alguns casos de motores de construção diferenciada, na variação do número de pólos (chamados motores Dahlander). A indústria utiliza largamente inversores de freqüência para este fim. freqüência velocidade síncrona (RPM) = 120 número de pólos
18 Motores Elétricos CA Assíncronos Falhas mais Comuns: Curto-circuito entre espiras, entre fases ou contra a massa: implica em perda de potência ou até mesmo inoperância do motor e pode ser causado por oscilações constantes de tensão ou contaminação por líquidos ou objetos estranhos. Exige a rebobinagem ou a troca definitiva do motor. Queima do isolamento (verniz): nesse caso, onde todo o enrolamento trifásico é literalmente queimado, o motor fica totalmente fora de operação, normalmente em conseqüência de sobrecarga, sub ou sobretensões. O bloqueio do rotor em função de travamento mecânico, sem o desarme do circuito de alimentação, também pode causar tal problema. Exige a rebobinagem ou a troca definitiva do motor.
19 Motores Elétricos CA Assíncronos Pode ser detectada também a queima do isolamento de apenas um conjunto de bobinas, de uma das fases. Isso ocorre em função de problemas na alimentação do motor que, indevidamente, permitem sua operação em 2 fases, com correntes extremamente desbalanceadas. Baixa resistência de isolamento: provoca corrente de fuga à massa e o desarme do circuito de alimentação do motor. Pode ser causada por excesso de pó sobre as bobinas, pela presença de agentes químicos em contato com o verniz de isolação ou pela montagem incorreta do motor (após um procedimento de manutenção preventiva, por exemplo). Normalmente a eliminação da causa do problema permite recolocar o motor em operação normal.
20 Motores Elétricos CA Assíncronos Superaquecimento: causa danos à isolação dos enrolamentos (verniz dos fios), possivelmente em função de sobrecarga ou ventilação insuficiente (sujeira em excesso nas tampas de captação de ar, por exemplo). A revisão da carga ou uma limpeza no motor, caso os danos ao enrolamento não sejam permanentes (situação que pode ser diagnosticada com o megôhmetro) é suficiente. Desbalanceamento das correntes (por fase): é um importante indicativo de operação anormal do motor, podendo ser conseqüência de excesso de tensão na correia (carga), ligação incorreta, rolamentos gastos, vibração excessiva, tensão ou freqüência abaixo do valor nominal ou interferência mecânica de partes do motor. A causa deve ser investigada e eliminada.
21 Motores Elétricos CA Assíncronos Motor com Capacitor de Partida (monofásico): Possui dois enrolamentos de campo (principal e auxiliar) e um capacitor eletrolítico, que pode ser instalado externamente ou na própria carcaça do motor. Na partida, o capacitor tem a função de criar uma defasagem entre estes dois campos até que o motor atinja a velocidade nominal, quando o capacitor é desligado (através de um dispositivo mecânico instalado internamente no motor). Em operação, a inércia do movimento mantém a indução no rotor.
22 Motores Elétricos CA Assíncronos Motor Rotor Gaiola de Esquilo (trifásico): Possui conjunto de bobinas apenas no estator. Apresenta rendimento em torno de 90%. É o mais simples e robusto de todos os motores. Praticamente não requer manutenções elétricas, apenas sofre desgaste mecânico. Não possui partes faiscantes. Modelo mais utilizado no mercado.
23 Motores Elétricos CA Assíncronos Motor Rotor Bobinado (mono ou trifásico): O rotor possui um conjunto de bobinas cujos terminais são ligados a anéis coletores fixados ao eixo do motor (isolados). Através de escovas, estas bobinas são ligadas em série a uma resistência ajustável, permitindo variar a impedância do rotor, para ajuste da corrente de partida e da velocidade. Permite uma partida suave. Empregado na movimentação de cargas verticais em baixas velocidades (guindastes), correias transportadoras, compressores, etc.
24 Motores Elétricos CA Síncronos Características: Além de oferecerem alto rendimento e baixo custo, são bastante flexíveis e ideais para aplicações dedicadas. Podem ser usados para correção do fator de potência. Mantém velocidade constante sob variação de carga. Suas características construtivas permitem aplicações de maior potência, especialmente na partida, sem que a corrente seja elevada substancialmente.
25 Motores Elétricos CA Síncronos Princípio de funcionamento: Os motores síncronos necessitam de uma fonte de corrente contínua para alimentar o enrolamento do rotor, usualmente através de anéis coletores e escovas (excitatriz estática) ou através de uma excitatriz girante sem escovas (brushless).
26 Motores Elétricos CA Síncronos A excitatriz estática (com escovas) requer um circuito externo para controle da corrente aplicada ao rotor. É utilizada em aplicações com variação de velocidade através de inversores de freqüência. No caso da excitatriz girante sem escovas, sua alimentação é gerada internamente no próprio conjunto do motor. Por não possuírem contatos elétricos deslizantes, eliminando a possibilidade de faiscamento, os motores síncronos com excitação do tipo brushless são recomendados para aplicações em áreas especiais com atmosfera explosiva.
27 Motores Elétricos CA Síncronos Principais Componentes (brushless): (1) Caixa de ligações elétricas. 1 (2) Rotor principal. (3) Rotor da excitatriz. 4 (4) Ventilador ou ventoinha. 2 3 (5) Excitatriz. (6) Estator. 5 6
28 Motores Elétricos CA Síncronos Partida: O principal método utilizado é a partida assíncrona. Para tanto, o enrolamento do rotor é curto-circuitado ou conectado a uma resistência (usualmente chamada resistência de partida), fazendo com que o motor parta de forma idêntica ao motor assíncrono. Quando atinge uma velocidade muito próxima da velocidade síncrona, aplica-se uma corrente contínua no enrolamento do rotor, levando o motor ao sincronismo. Nas máquinas com escovas, utiliza-se um circuito auxiliar de partida (externo), enquanto nos motores brushless, utiliza-se um circuito eletrônico de disparo (interno). Ambos têm a função de gerenciar a seqüência de partida, desde o fechamento (curto-circuito) do rotor até a alimentação da excitatriz.
29 Motores Elétricos CA Síncronos Controle de Velocidade: Normalmente funciona com velocidade fixa, utilizado somente para grandes potências (devido ao seu alto custo em tamanhos menores) ou quando se necessita de velocidade invariável. As aplicações de motores síncronos com velocidade variável se justificam apenas em aplicações de alto torque com baixa rotação e larga faixa de ajuste de velocidade.
30 Motores Elétricos CA Síncronos Motor de Passo: Converte sinais elétricos digitais de entrada em movimentos mecânicos do eixo, ou seja, para cada pulso de comando aplicado nos terminais de alimentação (estator) o rotor executa um deslocamento em ângulo. As características construtivas do motor e a forma como os terminais são alimentados determinam qual é este ângulo de variação. Utilizado em sistemas com controle de posição como impressoras, registradores gráficos, periféricos de computadores, copiadoras, máquinas e ferramentas de controle numérico. Pode apresentar movimento oscilatório (instável) para certas faixas de velocidade.
31 Motores Elétricos Dados de Placa Tensão Nominal (V): As tensões mais utilizadas em ambientes industriais são 220, 380 e 440VCA; a tensão aplicada ao motor depende da forma de ligação do conjunto de bobinas. Os motores admitem, normalmente, variações de até 10% na tensão, sem variações de freqüência. Corrente Nominal (A): Refere-se à corrente solicitada da rede quando o motor opera com potência, tensão e freqüências nominais. Freqüência Nominal (Hz): Refere-se à freqüência que deve ser fornecida ao motor (normalmente 60Hz). Com tensão nominal constante, são admitidas variações de até 5% na freqüência.
32 Motores Elétricos Dados de Placa Potência Mecânica (cv): Refere-se à potência fornecida no eixo do motor. Potência Elétrica (kw): Refere-se à potência fornecida ao motor. Torque (Nm): Refere-se ao conjugado desenvolvido no eixo do motor. Rotação (RPM): Refere-se à rotação no eixo do motor. Rendimento (η): É a relação entre a potência mecânica e a potência elétrica.
33 Motores Elétricos Dados de Placa Fator de Serviço (FS): É um fator que, multiplicado pela potência nominal, representa uma potência adicional contínua que o motor pode suportar, em condições normais de operação (não deve ser confundido com uma sobrecarga instantânea). Normalmente 1,0 ou 1,15. Além disso, as placas apresentam dados do fabricante, tipos de ligação, códigos dos rolamentos utilizados e informações importantes para o projeto (como categoria do motor e classe de isolação, por exemplo).
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