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Vitória – ES 2006

6 – MOTORES ELÉTRICOS

6.1 NOÇÕES FUNDAMENTAIS

A primeira indicação de que poderia haver um intercâmbio entre a energia elétrica e a energia mecânica foi mostrada por Michael Faraday em 1831, através da Lei da Indução Eletromagnética, considerada uma das maiores descobertas individuais para o progresso da ciência e aperfeiçoamento da humanidade. Baseado nos estudos de Faraday, o físico italiano Galileu Ferraris, em 1885, desenvolveu o primeiro motor elétrico assíncrono de corrente alternada. O motor elétrico é uma máquina destinada a transformar energia elétrica em energia mecânica. É o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da utilização de energia elétrica – baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando – com sua construção simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos.

Os tipos mais comuns de motores elétricos são:

a) Motores de Corrente Contínua – são motores de custo mais elevado e, além disso, precisam de uma fonte de C, ou de um dispositivo que converta a corrente alternada disponível em contínua. Podem funcionar com velocidade ajustável entre amplos limites e se prestam a controles de grande flexibilidade e precisão. Por isso, seu uso é restrito a casos especiais em que estas exigências compensam o custo mais alto da instalação.

b) Motores de Corrente Alternada – são os mais utilizados, porque a distribuição de energia elétrica é feita normalmente em corrente alternada. Os principais tipos são: Motor Síncrono: funciona com velocidade fixa, sendo utilizado somente para grandes potências (devido ao seu alto custo em tamanhos menores) ou quando se necessita de velocidade invariável.

Motor de Indução: funciona normalmente com uma velocidade constante que varia ligeiramente com a carga mecânica aplicada ao eixo. Devido a sua grande simplicidade, robustez e baixo custo é o motor mais utilizado de todos, sendo adequado para quase todos os tipos de máquinas acionadas, encontradas na prática.

6.2 - MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO

O motor de indução trifásico é composto fundamentalmente de duas partes: estator e rotor.

Composição do Estator: Carcaça - é a estrutura suporte do conjunto; de estrutura robusta em ferro fundido, aço ou alumínio injetado, resistente à corrosão e com aletas.

Núcleo de chapas - as chapas são de aço magnético, tratadas termicamente para reduzir ao mínimo as perdas no ferro.

Enrolamento trifásico - três conjuntos iguais de bobinas, uma para cada fase, formando um sistema trifásico ligado à rede trifásica de alimentação.

Composição do Rotor:

Eixo - transmite a potência mecânica desenvolvida pelo motor. É tratado termicamente para evitar problemas como empenamento e fadiga.

Núcleo de chapas – as chapas possuem as mesmas características das chapas do estator.

Barras e anéis de curto-circuito – são de alumínio injetado sob pressão, numa única peça.

Outras partes do motor de indução: Tampa lateral

Tampa defletora (protege o ventilador)

Rolamentos As descrições dadas são para um motor do tipo “rotor gaiola”, cujo rotor é constituído por um conjunto de barras não isoladas e interligadas por anéis em curto-circuito. O que caracteriza o motor de indução é que só o enrolamento do estator é ligado à rede de alimentação. O rotor não é alimentado externamente e as correntes que circulam são induzidas eletromagneticamente pelo enrolamento do estator.

6.3 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO – CAMPO GIRANTE

É sabido que “quando uma bobina é percorrida por uma corrente elétrica, é criado um campo magnético dirigido conforme o eixo da bobina e de valor proporcional à corrente”. No motor trifásico, os 3 enrolamentos distribuídos no estator, quando alimentados por um sistema trifásico com defasagem de 120o elétricos, criam um campo magnético resultante que gira no interior do estator. Este campo girante, criado pelo enrolamento trifásico do estator, induz nas barras do rotor uma tensão induzida (linhas de fluxo cortam as barras do rotor) as quais geram correntes induzidas e, conseqüentemente, um campo magnético no rotor, de polaridade oposta à do campo girante. Como campos opostos se atraem e como o campo magnético do estator (campo girante) é rotativo, o rotor tende a acompanhar a rotação deste campo. Desenvolve-se então no rotor, um conjugado motor (torque, momento ou binário) fazendo com que ele gire, acionando a carga.

6.4 - VELOCIDADE SÍNCRONA

A velocidade síncrona do motor é definida pela velocidade de rotação do campo girante, a qual depende do número de pólos do motor e da freqüência da rede, em hertz. Os enrolamentos podem ser construídos com um ou mais pares de pólos que se distribuem alternadamente (um “norte” e outro “sul”) ao longo da periferia do núcleo magnético. O campo girante percorre um par de pólos a cada ciclo. Assim, como o enrolamento tem “p” pólos, a velocidade do campo será:

Ns = 120 x f p

Note que o número de pólos do motor terá de ser sempre par, para formar os pares de pólos. Para as freqüências e “polaridades” usuais, as velocidades síncronas são:

Rotação síncrona (rpm) Número de pólos 50 Hertz 60 Hertz 2 3000 3600 4 1500 1800 6 1000 1200 8 750 900 10 600 720

Para motores de “2 pólos”, o campo girante percorre uma volta completa no estator a cada ciclo. Assim, os graus elétricos equivalem aos graus mecânicos. Para motores com mais de 2 pólos, teremos de acordo com o número de pólos, um giro “geométrico” menor.

6.5 - ESCORREGAMENTO OU DESLIZAMENTO

Se o motor gira a uma velocidade diferente da velocidade síncrona, ou seja, diferente da velocidade do campo girante, as barras do rotor “cortam” as linhas de fluxo do campo girante e, pelas leis do eletromagnetismo, circularão nelas correntes induzidas. Quanto maior for a carga, maior terá de ser o conjugado necessário para acioná-la. Para obter este aumento de conjugado, terá que ser maior a diferença de velocidade para que as correntes induzidas e os campos produzidos sejam maiores. Portanto, à medida que a carga aumenta cai a rotação do motor. Quando a carga é zero (motor a vazio) o rotor girará muito próximo da rotação síncrona. A diferença entre a velocidade do motor n e a velocidade síncrona Ns, que pode ser expressa em rpm, como fração da velocidade síncrona, ou como porcentagem desta será:

NsNs

s (rpm) = Ns – n s = Ns – n s (%) = Ns – n x 100 4

6.6 - CARACTERÍSTICAS DA REDE DE ALIMENTAÇÃO

No Brasil, o sistema de alimentação pode ser monofásico ou trifásico. O sistema monofásico é utilizado em serviços domésticos, comerciais e rurais, enquanto que o sistema trifásico, é mais utilizado em aplicações industriais, ambos em 60 Hz. As tensões monofásicas padronizadas no Brasil são as de 127 V e 220 V.

Os sistemas trifásicos mais usados nas redes industriais são; Baixa tensão: 220 V, 380 V e 440 V. Média tensão: 2300V, 4160 V e 60 V.

A grande maioria dos motores elétricos trifásicos é fornecida com terminais do enrolamento religáveis, de modo a permitir o funcionamento em redes de pelo menos duas tensões diferentes. Os principais tipos de religação de terminais de motores para funcionamento em mais de uma tensão são:

a) Ligação série-paralela – o enrolamento de cada fase é dividido em duas partes. Ligando as duas metades em série, cada metade ficará com a metade da tensão da fase nominal do motor. Ligando as duas metades em paralelo, o motor poderá ser alimentado com uma tensão igual a metade da tensão anterior, sem que se altere a tensão aplicada a cada bobina. Este tipo de ligação exige 9 terminais no motor e a tensão nominal (dupla) mais comum é 220/440 V.

b) Ligação estrela-triângulo – o enrolamento de cada fase tem duas pontas disponibilizadas na caixa de ligação do motor. Se ligarmos as 3 fases numa combinação em triângulo, cada enrolamento receberá a tensão da linha. Se ligarmos as 3 fases numa combinação em estrela, o motor poderá ser ligado a uma linha de tensão raiz de 3 vezes maior que a tensão anterior, sem alterar a tensão no enrolamento. Este tipo de ligação exige seis terminais no motor e serve para quaisquer tensões nominais duplas, desde que a maior seja igual a menor multiplicada por raiz de 3. Como exemplo, temos: 220/380 V ; 380/660 V; 440/760 V.

c) Quatro tensões nominais – podemos combinar os dois casos anteriores: cada enrolamento dividido em duas partes para ligação série-paralela e o conjunto dos 3 enrolamentos na formação estrela ou triângulo. Desse modo, temos quatro combinações possíveis de tensão nominal: Ligação triângulo-paralelo: 220 V

Ligação estrela-paralela: 380 V

Ligação triângulo-série: 440 V

Ligação estrela-série: 760 V

Este tipo de ligação exige 12 terminais para operação nos quatro valores de tensão nominal.

6.7 - CARACTERÍSTICAS DE REGIME

A potência útil fornecida pelo motor na ponta do eixo é menor que a potência que o motor absorve da linha de alimentação, isto é, o rendimento do motor é sempre inferior a 100%. A diferença entre as duas potências representa as perdas que são transformadas em calor, o qual aquece o enrolamento e deve ser dissipado para fora do motor para evitar que a elevação de temperatura seja excessiva. O mesmo acontece em todos os tipos de motores. O calor gerado pelas perdas no interior do motor é dissipado para o ar ambiente através da superfície externa da carcaça. Nos motores fechados essa dissipação é normalmente auxiliada pelo ventilador montado no próprio eixo do motor. Uma boa dissipação depende:

da eficiência do sistema de ventilação; da área total de dissipação da carcaça;

da diferença de temperatura entre a superfície da carcaça e do ar ambiente.

O que realmente queremos limitar é a elevação da temperatura no enrolamento sobre a temperatura do ar ambiente. Esta diferença total é comumente chamada “elevação de temperatura” do motor e vale a soma da queda interna com a queda externa.

Assim o que interessa é reduzir a queda interna (melhorar a transferência de calor) para poder ter uma queda externa maior possível, pois esta é que realmente ajuda a dissipar o calor. Graças a projetos modernos de máquinas, o uso de materiais avançados, processos de fabricação aprimorados sob um permanente controle de qualidade, os motores podem apresentar uma ótima transferência de calor do interior para a superfície eliminando “pontos quentes” no enrolamento.

Era comum antigamente, verificar o aquecimento do motor, medindo, com a mão, a temperatura externa da carcaça. Em motores modernos, este método primitivo é completamente errado. Como vimos anteriormente, os critérios modernos de projeto, procuram aprimorar a transmissão de calor internamente, de modo que a temperatura do enrolamento fique um pouco acima da temperatura externa da carcaça, onde ela realmente contribui para dissipar as perdas. Em resumo, a temperatura da carcaça não dá indicação do aquecimento interno do motor, nem de sua qualidade. Um motor frio por fora pode ter perdas maiores e temperatura mais alta no enrolamento do que um motor externamente quente.

6.8 - VIDA ÚTIL DO MOTOR

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