Motores Trifásicos 2 - Partida e Operação Apostila

Motores Trifásicos 2 - Partida e Operação Apostila

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ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas

MOTORES – LIGAÇÕES / PARTIDAS E OPERAÇÕES Código: MOT 1 e 2

1. Apresentação03
2. Tipos de Motores04
3. Motores Trifásicos de Indução07
3.1 Considerações Gerais07
3.2 Princípio de Funcionamento07
3.2.1 Campo Girante..................................................................................................07
3.2.2 Velocidade de Sincronismo...............................................................................12
3.2.3 Princípio de Funcionamento..............................................................................14
3.2.4 Escorregamento................................................................................................15
3.3 Detalhes Construtivos17
3.3.1 Introdução17
3.3.2 Estator...............................................................................................................17
3.3.3 Rotor19
3.4 Tipos de Ligação2
3.4.1 Considerações Gerais.......................................................................................23
3.4.2 Identificação dos Terminais dos Motores..........................................................23
3.4.3 Ligação de Motores com 12 Terminais Externos..............................................25
3.4.4 Motores com 9 Terminais Externos...................................................................27
3.4.5 Motor com 6 Terminais Externos......................................................................28
3.5 Conjugado em Função de Rotação29
3.5.1 Considerações Gerais.......................................................................................29
3.5.2 Conjugado x Rotação........................................................................................29
3.5.3 Análise de Curva de Conjugado........................................................................3
3.5.4 Corrente Absorvida da Rede de Alimentação...................................................39
3.6 Métodos de Partida4
3.6.1 Considerações Gerais.......................................................................................4
3.6.2 Chave Estrela-Triângulo....................................................................................4
3.6.3 Resistores de Partida em Motores com Rotor Bobinado..................................47
3.6.4 Redução de Tensão Através de Compensadores............................................49
3.7 Dados de Placa - Valores Nominais e Rendimento50
4. Motores Monofásicos de Corrente Alternada51
4.1 Considerações Gerais...............................................................................................51
4.2 Motores Monofásicos “Shaded-Pole.........................................................................51
4.3 Motores Universais....................................................................................................5
4.3.1 Considerações Gerais......................................................................................5
4.3.2 Aspectos Construtivos......................................................................................56
4.3.3 Princípio de Funcionamento.............................................................................57
4.4 Motores Monofásicos com Dois Enrolamentos.........................................................60
4.4.1 Considerações Gerais......................................................................................60
4.4.2 Motor “Split-Phase”...........................................................................................61
4.4.3 Motor Monofásico com Capacitor de Partida...................................................62
4.4.4 Motor Monofásico com Capacitor Permanente................................................65
4.4.5 Aplicações6

ÍNDICE 2

1. APRESENTAÇÃO

O setor industrial é responsável por cerca de 40% a 50% de toda a energia elétrica consumida no país. Dentro deste setor o consumo de motores elétricos é estimado em cerca de 70% a 80%, o que evidência a grande importância do conhecimento, por parte dos engenheiros, deste tipo de equipamento.

Nesta apostila é dada maior ênfase aos motores trifásicos de indução, pois representam cerca de 90% da potência de motores fabricados. Para esse tipo de motor este texto apresenta o princípio de funcionamento, as principais características técnicas e algumas informações sobre sua aplicação.

São abordados, ainda, outros tipos de motores, porém com menor profundidade. Incluem-se motores síncronos, de corrente contínua e monofásicos de indução.

A finalidade básica dos motores é o acionamento de máquinas e equipamentos mecânicos.

Cabe ao usuário a correta seleção do motor adequado a cada processo industrial. Existe uma gama variada de motores, que operam em corrente alternada (monofásico ou trifásico) ou contínua, porém para cada aplicação existe um motor com característica mecânica e elétrica que atende o processo da melhor maneira.

O processo de seleção dos motores deve satisfazer basicamente três requisitos:

a) Fonte de alimentação: tipo, tensão, frequência, etc,;

temperatura, etc,;

b) Condições ambientais: agressividade, periculosidade, altitude,

rotação, conjugados, esforços mecânicos, ciclo de operação,
confiabilidade exigida pelo processo industrial, etc.

c) Exigências da carga e condições de serviço: potência solicitada, 3

2. TIPOS DE MOTORES

A classificação clássica dos motores consiste agrupá-los da seguintes forma:

a) Motores de Corrente Contínua

Este tipo de motores opera alimentado por fonte de energia em corrente contínua. Este fato impõe uma grande limitação no campo de aplicação desse tipo de motores, pois, como sabemos, a rede elétrica pública que atende nossas casas, as industrias e o comércio opera em corrente alternada. Porém as características técnicas de um motor deste tipo, como por exemplo a relativa facilidade com que se consegue controlar a sua velocidade e os altos níveis de torque a baixas rotações, lhe garante aplicações específicas como tração elétrica (trens, troleibus, bondes) e usos em processos industriais que requerem essas propriedades como laminadores e acionamentos para posicionamentos de cargas mecânicas (sistemas automatizados e robôs).

Uma aplicação bastante comum desse tipo de motor é em motor de partida de veículos movidos a motores de combustão, onde se dispõe de uma fonte de corrente contínua (bateria) e se requer altos torques a baixa rotação.

Como será abordado em capítulos posteriores, basicamente o princípio de funcionamento dos motores elétricos resulta do surgimento de forças de origem eletromagnéticas, produzidas pela interação dos campos magnéticos produzidos por dois tipos de enrolamentos (bobinas): um que permanece fixo, estático (no estator do motor) e outro que gira solidário ao eixo do motor, que por sua vez, é a sua parte móvel (rotor).

Posto isto, há outras subclassificações que identificam os motores de corrente contínua, associados a forma com que esses enrolamentos (o fixo e o móvel) estão interligados. Por exemplo, se os ligarmos em série, a mesma corrente percorre a ambos, o que confere uma característica diferente se alimentarmos cada um desses enrolamentos de forma independente. Então, esta sub classificação agrupa os motores de corrente contínua em 4 (quatro) grupos:

- motores de C.C. com excitação independente; - motores de C.C. com enrolamento em série;

- motores de C.C. com enrolamento em paralelo e

- motores de C.C. com enrolamento compostos.

Há uma vasta literatura sobre esse assunto, que poderá ser consultada pelo leitor que desejar se aperfeiçoar no tema.

b) Motores de Corrente Alternada

Esta modalidade de motores é a mais comum, podendo-se estimar que mais de 95% da potência instalada em motores elétricos operam em corrente alternada. Isto se dá pela disponibilidade desse tipo de fonte de alimentação e pela própria simplicidade de operação e construção de certos tipos de motores de corrente alternada, que lhe conferem grande campo de aplicação, e confiabilidade a baixo custo.

Como sabemos, as redes públicas disponibilizam energia elétrica sob duas modalidades básicas:

- fontes de tensão monofásica; - fontes de tensão trifásica.

Assim, os motores de corrente alternada são classificadas em 2 (dois) grupos, conforme opere sob alimentação monofásica ou trifásica.

Os motores monofásicos são utilizados para aplicação onde, em primeiro lugar, só se dispõe de fonte monofásica, como por exemplo, na grande maioria das instalações residenciais e pequenos comércios e indústrias e, cujas necessidades de potência sejam relativamente pequenas (usualmente até cerca de 5 HP). Assim, bombas d’água, eletrodomésticos de maior porte (os de menor utilizam um outro tipo de motor que veremos a seguir), aparelhos de ar condicionado, acionamentos industriais de pequeno porte são aplicações típicas de motores monofásicos.

Os motores trifásicos são do ponto de vista da engenharia, que apresentam maior importância, por ser aqueles mais frequentes em aplicações de potência. Estes tipo de motores são agrupados em:

- motores síncronos, que apresentam rotação rigorosamente constante e,

- motores assíncronos, que cuja rotação é função da carga mecânica (conjugado resistente) a que é submetido.

Os motores síncronos, pela sua própria característica, requerem cuidados especiais na operação (em potências mais elevadas, devem partir sem carga mecânica), apresentam construção mais elaborada e tem campo de aplicação restrito.

A propósito, conceitualmente motores e geradores diferem principalmente, pela natureza da fonte primária de energia: no motor se injeta energia elétrica e o equipamento disponibiliza energia mecânica e, no gerador ocorre o contrário, injeta-se energia mecânica e o equipamento disponibiliza energia elétrica. Assim, todos os geradores de sistemas trifásicos (inclusive os de usinas hidroelétricas) são máquinas síncronas, semelhantes a motores síncronos trifásicos), daí sua grande importância.

Por outro lado, os motores assíncronos, também chamados de “motores de indução”, são os realmente mais difundidos e utilizados nas aplicações de engenharia, por sua simplicidade de utilização, versatilidade e custo.

A característica básica desse tipo de motores é que apresentam a velocidade variável, em função do valor carga mecânica que os solicita. Os motores assíncronos monofásicos são, usualmente, utilizados quando se requer um potência de até cerca de 5HP, sendo que, para potências maiores são utilizados motores trifásicos, embora também haja motores trifásicos desse último tipo, com potências menores do que 5HP.

Por esta razão, o foco central desta apostila são os motores trifásicos de indução, cujo princípio de funcionamento, características técnicas e de aplicação serão abordados com maior detalhe nos capítulos seguintes.

c) Motores Universais

Este tipo de motor pode ser alimentado em corrente alternada ou em corrente contínua, porém, é economicamente viável para pequenas potências (pequenas frações de HP) sendo utilizados em principalmente, em eletrodomésticos de pequeno porte tais como liqüidificadores, enceradeiras, etc.

3. MOTORES TRIFÁSICOS DE INDUÇÃO

3.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS

Neste capítulo, são apresentados os principais elementos referentes a motores de indução trifásicos, quais sejam:

a) princípio de funcionamento; b) detalhes construtivos; c) tipos de ligação; d) conjugado e; e) métodos de partida.

3.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 3.2.1 CAMPO GIRANTE

Consideramos uma superfície cilíndrica, sobre a qual dispomos de 3 espiras (constituídas por condutores de mesma impedância), cujos eixos de simetria normais à superfície cilíndrica formam ângulos de 120o entre si como mostra a figura 3.1.

Figura 3.1 - 3 espiras dispostas sobre uma superfície cilíndrica 7

Como sabemos, quando uma corrente i(t) percorre uma dessas espiras, estabelece-se um campo de indução B, cuja direção e sentido (dados pela

figura determina uma convenção de sinais para a corrente e campo B ou seja, quando a corrente i1 “entra” na espira 1, pelo ramo esquerdo da bobina, o campo de indução criado B1 “entra” no cilindro, sendo que esses sentidos são convencionados como positivos. De modo análogo ocorre com as espiras 2 e 3.

O campo B reinante no interior do cilindro é a composição vetorial de B1,

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