Máquinas Assíncronas. Prof. Gabriel Granzotto Madruga.

Transcrição

1 Máquinas Assíncronas Prof. Gabriel Granzotto Madruga

2 Maquinas elétricas: INTRODUÇÃO Motores: Energia Elétrica Acoplamento Magnético Energia Mecânica Geradores: Energia Mecânica Acoplamento Magnético Energia Elétrica

3 Classificação das Máquinas Elétricas

4 Limitações: Máquinas Assíncronas Máquina de velocidade essencialmente constante: - Número de pólos; - Frequência; Dificuldades inerentes na partida devido à corrente elevada (partida estrela-triângulo, chave compensadora, soft starter,...)

5 Máquinas Assíncronas

6 Princípio de funcionamento Conceitos básicos: Força de Lorentz (origina o torque) - A interação entre um campo magnético e uma corrente gera uma força de deslocamento em um condutor. Lei de indução de Faraday F q. v. B. sen( ) ( N / m) ou ( T) - Um condutor que experimenta uma variação de fluxo, terá em seus terminais uma tensão induzida ou força eletromotriz. Caso o circuito elétrico esteja fechado, esta força eletromotriz induzida fará circular uma corrente elétrica induzida. Lei de Lenz O sentido da corrente induzida é tal que, esta provoca o surgimento de um campo magnético que se opõe ao que lhe deu origem.

7 Lei de Lenz: Princípio de funcionamento

8 a - V + a b l B B r Princípio de funcionamento Gerador elementar: Instante 1 Instante 2 Instante 3 Instante 4 B F q. v. B. sen( ) b - V +

9 Princípio de funcionamento Motor de indução elementar: Para realizarmos o processo inverso (motor), é necessário a conexão de uma carga aos terminais da espira. Ao conectar a carga aos terminais, a tensão induzida no circuito (agora fechado) provocará a circulação de uma corrente, que formará um campo magnético que tenderá a se alinhar com o campo principal. Dessa forma, haverá o surgimento de um conjugado de alinhamento entre os campos. Porém, há um inconveniente: é necessário a rotação do campo externo.

10 A máquina de indução é, dentre as máquinas elétricas, a mais utilizada na indústria. Ou seja, Na máquina assíncrona tanto o rotor quanto o estator conduzem corrente alternada.

11 Princípio de funcionamento A corrente que circula pelo rotor é uma corrente induzida devido a um campo variável devido à diferença de velocidade de rotação do rotor e do campo girante. Por isso a nomenclatura máquina de indução.

12 a ESAF A IN B OB c ESAF º 021 b A IN ESAF B OB º A 021 IN B OB Princípio de funcionamento Motor de indução elementar: Monofásico Trifásico

13 Campo magnético girante A força magneto motriz resultante é a composição vetorial das três componentes de força magneto motriz. Devido a corrente na fase A está em um instante de máximo, a força magneto motriz produzida por este enrolamento é máxima. O vetor resultante força magneto motriz F possui a mesma amplitude em todos os instantes de tempo, girando em sentido anti-horário.

14 Campo magnético girante No instante de tempo to, a corrente na fase A passa por um máximo positivo e as corrente nas fases B e C por metade da amplitude máxima negativa.

15 Princípio de funcionamento Corrente induzida no rotor:

16 Princípio de funcionamento Velocidade síncrona: 120. f N s P ( RPM ) Escorregamento: s Ns N N s r

17 Características construtivas A estrutura de um motor assíncrono é composta, basicamente, por três elementos: Carcaça: Parte envolvente do motor, feita de ferro fundido ou alumínio. Serve para proteção das partes metálicas e para refrigeração do motor.

18 Características construtivas A estrutura de um motor assíncrono é composta, basicamente, por três elementos: Estator: Parte estática do motor. O enrolamento do estator produz o campo girante que corta os condutores do rotor, gerando tensão e corrente induzidas.

19 Rotor: Características construtivas Parte móvel do motor. Pode ser de dois tipos: Gaiola de Esquilo (mais comum) e Rotor Bobinado. Núcleo Pacotes de chapas de aço-silício isolados entre si. Anéis e condutores Cobre ou Alumínio. Eixo Feito de aço de alto grau de pureza.

20 Rotor gaiola de esquilo

21 Rotor tipo bobinado

22 Pacote magnético do estator CHAPA DE AÇO SILÍCIO

23 Características construtivas Tampas dianteiras e traseiras: Proteção e encaixe dos rolamentos do rotor. Ventilador: Ventilação e refrigeração. Rolamentos: Possibilitam o movimento do rotor. Caixa de Ligação: Possibilita a proteção dos condutores do motor e a conexão à rede elétrica.

24 Características construtivas

25 Características construtivas Tensão de Trabalho e Ligações: 6 pontas 9 pontas 12 pontas

26 Tensões de Trabalho e Ligações Motor de 6 pontas (220/380V): Ligação em 220 V (Δ) Ligação em 380 V (Y)

27 Tensões de Trabalho e Ligações Motor de 6 pontas (380/660V): Ligação em 380 V (Δ) Ligação em 660 V (Y) 27

28 Tensões de Trabalho e Ligações Motor de 9 pontas (220/440V): Ligação em 220 V (YY) Ligação em 440 V (Y)

29 Tensões de Trabalho e Ligações Motor de 9 pontas (380/760V): Ligação em 380 V (YY) Ligação em 760 V (Y)

30 Tensões de Trabalho e Ligações Motor de 12 pontas (220/380V): Ligação em 220 V (ΔΔ) Ligação em 380 V (YY)

31 Tensões de Trabalho e Ligações Motor de 12 pontas (440/760V): Ligação em 440 V (Δ) Ligação em 760 V (Y)

32 Tensões de Trabalho e Ligações Motor de 12 pontas (440/760V): Ligação em 440 V (Δ) Ligação em 760 V (Y)

33 Placa de identificação Aqui temos a infomação sobre a potência nominal do motor. Um motor de 3,7 KW e dentro do parênteses 5 CV. Definição: Cada cavalo tem 736 watts, portanto 5 cv x 736 w = watts.

34 Placa de identificação RPM (rotações por minuto), trata-se de um motor de 2 polos, um motor de alta rotação assíncrona. Velocidade assíncrona é a rotação medida no eixo do motor. Em síntese, é a verdadeira rotação do motor, descontadose as perdas; daí o nome de motor assíncrono (em português assíncrono significa fora de sincronismo, no caso entre a velocidade do campo magnético e a do eixo do motor). O valor lido na placa dos motores, portanto valor nominal, é o valor da velocidade assíncrona.

35 Controle de velocidade Um motor de indução possui velocidade aproximadamente constante quando conectado a uma fonte de tensão constante com uma freqüência fixa. A velocidade em regime permanente é muito próxima da velocidade síncrona. Quando o torque solicitado aumenta, a velocidade diminui.

36 Controle de velocidade Em muitas aplicações industriais, velocidades variáveis ou continuamente ajustáveis são necessárias. Tradicionalmente, motores de corrente contínua sempre foram utilizados em aplicações onde era necessário variar a velocidade da máquina.

37 Controle de velocidade Entretanto, motores de corrente contínua são caros, requerem manutenção das escovas e dos comutadores e são proibitivos em ambientes agressivos. Em contrapartida, motores de indução são baratos, não requerem manutenção, estão aptos a funcionar em ambientes agressivos e estão disponíveis para velocidades elevadas.

38 Controle de velocidade através da variação da freqüência. Inversor de freqüência Motor De Indução

39 Placa de identificação Fator de serviço é um multiplicador que, quando aplicado à potência nominal do motor elétrico, indica a carga que pode ser acionada continuamente sob tensão e frequência nominais e com limite de elevação de temperatura do enrolamento. A utilização do fator de serviço implica uma vida útil inferior aquela do motor com carga nominal. O fator de serviço não deve ser confundido com a capacidade de sobrecarga momentânea que o motor pode suportar. Para este caso, o valor é geralmente de até 60% da carga nominal durante 15 segundos.

40 Influência da carga mecânica na operação do MIT As principais conseqüências do superdimensionamento são: Maior custo, volume e peso do motor. Redução do fator de potência. Redução da eficiência, embora muito motores apresentem sua eficiência máxima a, aproximadamente, 75% da sua carga nominal. Maior corrente de partida, acarretando maior custo da instalação e proteção.

41 Fator de serviço A norma ABNT NBR 7094/1996, define fator de serviço como um multiplicador que, quando aplicado à potência nominal do motor, indica a carga que pode ser acionada continuamente sob tensão e freqüência nominais. Entretanto, a utilização do fator de serviço implica em vida útil inferior àquela do motor com carga nominal.

42 Placa de identificação Exemplo : Um motor de 8,7 A e FS 1,15 Corrente máxima admissível = 8,7 A x 1,15 = 10,005 A

43 Placa de identificação É a determinação da temperatura máxima de trabalho, que o motor pode suportar continuamente sem ter prejuízos em sua vida útil. A classe de cada motor, é em função de suas características construtivas. As classes de isolamento padronizadas para máquinas elétricas são: CLASSE A C; CLASSE E C; CLASSE B C; CLASSE F C; CLASSE H-180 C.

44 Placa de identificação Os motores elétricos solicitam da rede de alimentação, durante a partida, uma corrente de valor elevado, da ordem de 6 a 10 vezes a corrente nominal. Este valor depende das características construtivas do motor e não da carga acionada. A carga influencia apenas no tempo durante o qual a corrente de acionamento circula no motor e na rede de alimentação (tempo de aceleração do motor). A corrente é representada na placa de identificação pela sigla Ip/In (corrente de partida / corrente nominal).

45 Métodos de partida dos motores de indução Uma corrente de partida de 500 a 800 % maior que a corrente nominal pode circular pela rede de alimentação. Além de causar uma queda de tensão apreciável, pode afetar outras cargas conectadas à rede de alimentação. Além disso, se uma corrente elevada circular no motor por um longo intervalo de tempo, poderá aquecê-lo, danificando o isolamento do enrolamento.

46 Autotransformador abaixador

47 Partida estrela-triângulo

48 Fase dividida

49 Conversor de estado sólido

50 Métodos de partida dos motores de indução É importante ressaltar que embora tensões menores reduzam a corrente durante a partida dos motores, o torque de partida decresce porque o torque é proporcional ao quadrado da tensão aplicada.

51 Influência da rede elétrica na operação do MIT A operação eficiente dos motores de indução trifásicos depende, entre outras coisas, da qualidade da rede elétrica de alimentação. O ideal é que esta rede seja equilibrada e com suas tensões apresentando amplitudes e freqüência constantes.

52 Influência da rede elétrica na operação do MIT A eficiência e o fator de potência dos motores de indução trifásicos variam segundo o valor da tensão de alimentação. Estes motores são projetados para suportarem variações de ±10% da tensão nominal. Os motores devem suportar variações de freqüência de -5% a até +3%. Uma variação simultânea da amplitude e da freqüência pode ser prejudicial para o motor.

53 Influência da rede elétrica na operação do MIT Uma tensão de alimentação abaixo do valor nominal do motor provoca aumento da corrente e da temperatura e ainda redução dos torques de partida e de regime. Por outro lado, um valor de tensão acima do nominal acarreta redução do fator de potência e aumento da corrente de partida.

54 Placa de identificação GRAU DE PROTEÇÃO - É a indicação das características física dos equipamentos elétricos, referenciando-se a permissão da entrada de corpos estranhos para seu interior. É definido pelas letras IP seguidas por dois algarismos que representam: 1º algarismo: indica o grau de proteção contra a penetração de corpos sólidos estranhos e contato acidental (5 proteção contra o acúmulo de poeira prejudicial ao equipamento). 2º algarismo: indica o grau de proteção contra a penetração de água no interior do equipamento (5 jatos de água de todas as direções).

55 Tabela 2.1 Indica grau de proteção contra penetração de corpos sólidos estranhos e contato acidental. 1 o Algarismo Algarismo Indicação 0 Sem proteção 1 Corpos estranhos acima de 50mm 2 Corpos estranhos acima de 12mm 3 Corpos estranhos acima de 2,5mm 4 Corpos estranhos acima de 1,0mm 5 Proteção contra acúmulo de poeiras prejudiciais ao motor. 6 Totalmente protegido contra poeira.

56 Tabela 2.2 Indica grau de proteção contra penetração de água no interior do motor. 2 o Algarismo Algarismo Indicação 0 Sem proteção 1 Pingos de água na vertical. 2 Pingos de água até a inclinação de 15 o com a vertical. 3 Pingos de água até a inclinação de 60 o com a vertical. 4 Respingos em todas as direções. 5 Jatos de água em todas as direções. 6 Água de vagalhões. 7 Imersão temporária. 8 Imersão permanente.

57 Placa de identificação A tensão de funcionamento na grande maioria dos motores elétricos são fornecidos com os terminais religáveis, de modo que possam funcionar ao menos em dois tipos de tensões. No caso da nossa placa 220 volts e 380 volts. A tensão aceitável nas bobinas sempre é a menor das tensões indicadas.

58 Placa de identificação A corrente nominal é lida na placa de identificação do motor, ou seja, aquela que o motor absorve da rede quando funcionando à potência nominal, sob tensão e frequência nominais.

59 Placa de identificação Regime de funcionamento do motor em função da condição de carga. Ventilador ou bomba centrífuga; rolante. Prensa, guindaste ou ponte

60 Placa de identificação Frequência nominal de trabalho do motor. quanto maior a frequência de um motor, maior vai ser a sua velocidade.

61 Placa de identificação Categoria - conjugado de partida, corrente de partida, escorregamento.

62 Curva conjugado x rotação para o motor assíncrono

63 Classificação por categorias

64 Categoria N São caracterizados por possuírem um conjugado de partida normal, corrente de partida normal e pequeno valor de escorregamento em regime permanente. Constituem a maioria dos motores encontrados no mercado e prestam-se ao acionamento de cargas normais, com baixo conjugado de partida como: bombas e máquinas operatrizes.

65 Categoria H Os motores dessa categoria são caracterizados por possuírem um conjugado de partida elevado, corrente de partida normal e baixo valor para o escorregamento em regime permanente. Esta categoria de motores é utilizada para acionamento de cargas que exigem maior conjugado de partida, como peneiras, transportadores carregados, cargas com alta inércia, etc.

66 Categoria D São caracterizados por conjugado de partida elevado, corrente de partida normal e alto escorregamento. Utilizados para acionamento de cargas como: prensas excêntricas e máquinas semelhantes, em que a carga apresenta picos periódicos e cargas que necessitam de conjugado de partida elevado e corrente de partida limitada.

67 Placa de identificação A energia elétrica absorvida da rede por um motor elétrico é transformada em energia mecânica disponível no eixo. A potência ativa fornecida pela rede não será cedida na totalidade como sendo potência mecânica no eixo do motor. A potência cedida sofre uma diminuição relativa as perdas que ocorrem no motor. O rendimento define a eficiência desta transformação sendo expresso por um número (<1) ou em percentagem.

68 Placa de identificação Exemplo : Qual é a potência fornecida à carga por um motor trifásico, com rendimento de 90%, que recebe uma potência de 15,5 kw? P = 15,5 kw x 0,90 P = 13,95 kw

69 Exercício 1) Um motor de indução trifásico de 230 V, 50 Hp, 60 Hz, 6 pólos, entrega a potência nominal com um escorregamento de 5%. Calcular: a) A velocidade do campo magnético girante, Ns. b) A velocidade do rotor, Nr.

70 Resolução a) b)

71 Referências NASCIMENTO JR, G.C.; Máquinas Elétricas: Teoria e Ensaios. SP. ÉRICA Ed 1ª, p 260. KOSOW, Irving L.; Máquinas Elétricas e Transformadores. 14ª e.d. São Paulo.Editora. Globo, p. DEL TORO, V.; Fundamentos de máquinas elétricas, Rio de Janeiro: LTC 1ª Ed, p 574. ALMEIDA DE, J. E. Motores Elétricos: Manutenção e Testes. 3ª Ed. Editora Hemus, p. MARTIGNONI, Alfonso. Máquinas de Corrente Alternada. 6ª edição, SP, Ed. Globo, p 410.