Baixe Motores Elétricos Automação Industrial e outras Notas de estudo em PDF para Tecnologia Industrial, somente na Docsity! Curso Pós-técnico em Automação Industrial Automação Industrial _____________________________________________________________________________ Prof. Valdir Noll - vnoll@cefetsc.rct-sc.br Motores Elétricos 1 Capítulo 8 - MOTORES ELÉTRICOS ________________________________________________________________________ 8.1 - Motores de Corrente Contínua 8.2 - Motores de Corrente Alternada 8.3 - Motores Especiais 8.4 - Exercícios Propostos Na natureza a energia se encontra distribuída sob diversas formas, tanto energia mecânica, térmica, luminosa e outras formas; no entanto a energia mecânica é a mais conhecida forma de energia e na qual o homem tem mais domínio. A energia mecânica, tal como ela está disponível na natureza é de difícil utilização prática, além de ser uma energia variável no tempo. Então, converte-se a energia mecânica em Energia Elétrica através das Máquinas Elétricas conhecidas como geradores. A energia elétrica possui as vantagens de ser uma energia limpa, de fácil transporte e de fácil manuseio, podendo ser reconvertida em energia térmica, luminosa, eletromagnética, e também em energia mecânica. Quem efetua esta última transformação são as Máquinas Elétricas conhecidas como motores. Então, o motor é um elemento de trabalho que converte energia elétrica em energia mecânica de rotação. Já o gerador é uma máquina que converte energia mecânica de rotação em energia elétrica. Num motor elétrico, distinguem-se essencialmente duas peças: o estator, conjunto de elementos fixados à carcaça da máquina, e o rotor, conjunto de elementos fixados em torno do eixo, internamente ao estator. O rotor é composto de : a) Eixo da Armadura: responsável pela transmissão de energia mecânica para fora do motor, pelo suporte dos elementos internos do rotor e pela fixação ao estator, por meio de rolamentos e mancais. b) Núcleo da Armadura: composta de lâminas de Fe-Si, isoladas umas das outras, com ranhuras axiais na sua periferia para a colocação dos enrolamentos da armadura. c) Enrolamento da Armadura: São bobinas isoladas entre sí e eletricamente ligadas ao comutador. d) Comutador: consiste de uma anel com segmentos de cobre isolados entre sí, e eletricamente conectados às bobinas do enrolamento da armadura. Curso Pós-técnico em Automação Industrial Automação Industrial _____________________________________________________________________________ Prof. Valdir Noll - vnoll@cefetsc.rct-sc.br Motores Elétricos 2 O estator é composto de: a) Carcaça: serve de suporte ao rotor, aos pólos e de fechamento de caminho magnético. b) Enrolamento de campo: são bobinas que geram um campo magnético intenso nos pólos. c) Pólos ou sapatas polares: distribui o fluxo magnético produzido pela bobinas de campo. d) Escovas: são barras de carvão e grafite que estão em contato permanente com o comutador. As máquinas elétricas possuem praticamente os mesmos elementos principais, porém com diferenças importantes entre eles. Às vezes a bobina de armadura está no estator e não no rotor, o mesmo acontecendo com a bobina de campo. Outras não possuem escovas, outros ainda não possuem bobina de armadura, e assim por diante. Porém, os nomes dados aos componentes da máquina são gerais e valem para a maioria das máquinas elétricas. De forma geral os motores elétricos são classificados em: • Motores de Corrente Contínua ♦ Motores Série ♦ Motores Paralelo ♦ Motores Composto ou Misto • Motores de Corrente Alternada ♦ Motores Síncronos ♦ Motores Assíncronos • Motores Especiais ♦ Servomotores ♦ Motores de Passo ♦ Universais Todo o motor apresenta suas principais caraterísticas elétricas escrita sobre o mesmo ou em uma placa de identificação. Os principais dados elétricos são: tipo de motor, tensão nominal, corrente nominal, freqüência, potência mecânica, velocidade nominal, esquema de ligação, grau de proteção, temperatura máxima de funcionamento, fator de serviço, etc.. 4.1 Motor de Corrente Contínua Curso Pós-técnico em Automação Industrial Automação Industrial _____________________________________________________________________________ Prof. Valdir Noll - vnoll@cefetsc.rct-sc.br Motores Elétricos 5 E K . .nc 2= φ ( Volts ) Onde: n = número de rotações por minuto; K2=constante construtiva do campo magnético; O fluxo magnético, por sua vez, depende da corrente de campo If, pela seguinte expressão: φ = K .If3 Tanto as bobinas de campo como as bobinas de armadura apresentam um resistência elétrica a passagem da corrente, e chamamos aqui de Rf e Ra respectivamete. Analisando o circuito do rotor, podemos conclui que: Va IaRa Ec Ec Va IaRa = + = − Como Ec varia com a velocidade e o fluxo, podemos subsutitui Ec na equação anterior e isolar a velocidade n ( em rpm ). Então: n Va IaRa K .3 = − φ Esta equação é fundamental, pois nos diz que a velocidade do motor depende das tensão aplicada na armadura, da corrente na bobina e do valor do fluxo magnético. Note que a velocidade do motor tende ao infinito quando o fluxo tende a zero. Conseqüentemente, não devemos tirar, sob hipótese alguma, a corrente de campo, pois o motor “dispara” . O princípio de funcionamento do motor de corrente contínua também pode ser baseado na ação de forças magnéticas sobre o rotor, geradas pela interação do campo magnético criado pelas bobinas de campo com o campo magnético criado pelas bobinas da armadura, conforme mostra a figura 8.3. Observa-se que o comutador possui a função de inverter o sentido da corrente na bobina da armadura em 90º e 270º dando continuidade ao movimento rotativo do motor. Curso Pós-técnico em Automação Industrial Automação Industrial _____________________________________________________________________________ Prof. Valdir Noll - vnoll@cefetsc.rct-sc.br Motores Elétricos 6 Figura Capítulo 8 .3 - Princípio de Funcionamento Tipos de Motores de Corrente Contínua Os motores CC são divididos de acordo com o tipo de conecção entre as bobinas do rotor e do estator. Se forem conectados em série, são chamados de Motor Série. Se for em paralelo, são chamados de Motor Paralelo. Se for misto, são chamados de Motor Misto ou Composto. A figura 8.4 mostra conexão Série e a conexão paralelo. Curso Pós-técnico em Automação Industrial Automação Industrial _____________________________________________________________________________ Prof. Valdir Noll - vnoll@cefetsc.rct-sc.br Motores Elétricos 7 Figura Capítulo 8 .4 - Ligações Elétricas do Motor de Corrente Contínua Motor CC Série Neste tipo de motor a corrente que circula pelo campo é o mesmo que circula pela armadura. Como o torque é proporcional ao fluxo magnético, que por sua vez é proporcional à corrente de campo, concluímos que neste motor o torque é dado por: T K.Ia= 2 O torque apresenta uma relação exponencial com a corrente de armadura. A corrente de armadura é grande na partida, já que Ec é zero, pois não há movimento do rotor. Concluí-se, portanto, que o torque de partida do motor série é muito grande. Devido a esta característica este motor é utilizado para acionar trens elétricos, metrôs, elevadores, ônibus e automóveis elétricos, etc.. Este motor é conhecido como motor universal por poder funcionar em corrente alternada, porém este tipo de aplicação só é viável economicamente para pequenos motores de fração de CV. A velocidade do motor série é dado por: Curso Pós-técnico em Automação Industrial Automação Industrial _____________________________________________________________________________ Prof. Valdir Noll - vnoll@cefetsc.rct-sc.br Motores Elétricos 10 O controle de velocidade pode ser realizado através de um conversor estático CC ou por meio de um reostato como mostra a figura 8.5. Neste caso estamos controlando a velocidade através do ajuste da corrente das bobinas de campo. Figura Capítulo 8 .5 - Ajuste de Velocidade Através do Fluxo do Motor Torque do Motor e Resistente O torque do motor é a medida do esforço necessário para fazer girar um eixo, e é dado pela seguinte equação básica: T F.raio(N.m)= No caso de qualquer motor, o torque de partida deve ser maior do que o torque resistente acoplado ao eixo. Após um certo tempo depois que o motor partiu, na velocidade nominal, há o encontro das curvas de Torque do motor e do torque resistente. Na curva abaixo percebemos que, quando a carga mecânica no eixo varia ( por algum motivo), o torque motor varia junto, e conseqüentemente a velocidade de rotação do motor varia junto. Por exemplo, se a carga mecânica diminui, o torque do motor também diminui e a velocidade aumenta, estabilizando num novo regime. Na curva abaixo, vemos este comportamento: Curso Pós-técnico em Automação Industrial Automação Industrial _____________________________________________________________________________ Prof. Valdir Noll - vnoll@cefetsc.rct-sc.br Motores Elétricos 11 8.2 - Motores de Corrente Alternada Neste tipo de motor, o fluxo magnético do estator é gerado nas bobinas de campo pela corrente alternada da fonte de alimentação monofásica ou trifásica, portanto trata-se de um campo magnético cuja a intensidade varia continuamente e cuja polaridade é invertida periodicamente. Quanto ao rotor, há dois casos a considerar: • Motores Síncronos No motor síncrono, o rotor é constituído por um ímã permanente ou bobinas alimentadas em corrente contínua mediante anéis coletores. Neste caso, o rotor gira com uma velocidade diretamente proporcional a freqüência da corrente no estator e inversamente proporcional ao número de pólos magnéticos do motor. São motores de velocidade constante e constitui-se a sua principal aplicação. São utilizados somente para grandes potências devido ao seu alto custo de fabricação. A seguinte equação define a velocidade síncrona nS deste tipo de motor: n f pS = ⋅120 Onde: ♦ nS: velocidade síncrono ( rpm ) ♦ f: freqüência da corrente do rotor ( Hz ) ♦ p: número de pólos magnéticos do motor • Motores Assíncronos No motor assíncrono ou de indução, o rotor possui vários condutores conectados em curto- circuito no formato de uma “gaiola de esquilo”, conforme mostra a figura 8.6. Curso Pós-técnico em Automação Industrial Automação Industrial _____________________________________________________________________________ Prof. Valdir Noll - vnoll@cefetsc.rct-sc.br Motores Elétricos 12 Figura Capítulo 8 .6 - Rotor Gaiola de Esquilo O campo magnético variável no estator, figura 8.6, induz correntes senoidais nos condutores da gaiola do rotor. Estas correntes induzidas, por sua vez, criam um campo magnético no rotor que se opõe ao campo indutor do estator ( Lei de Lenz ). Como os pólos se mesmo nome se repelem, então há uma força no sentido de giro no rotor. O rotor gira com uma velocidade n um pouco inferior à velocidade síncrona, isto é, a velocidade da corrente do campo. Como é um pouco inferior, diz que este motor é assincrono, isto é, sem sincronia. Observe que este motor não consegue partir, isto é, acelerar desde a velocidade zero até a nominal. As forças que atuam nas barras curto-circuitas se opõem uma à outra, impedindo o giro. Então, na partida, utiliza-se uma bobina de campo auxiliar, defasada de 90 graus das bobinas de campo principais, que cria um campo magnético auxiliar na partida. Assim, o fluxo resultante inicial está defasado em relação ao eixo das abcissas, e produz um torque de giro ( par binário). Após a partida, não há mais a necessidade do enrolamento auxiliar, pois a própria inércia do rotor compõem forças tais que mantém o giro. Figura Capítulo 8 .7 - Motor de Indução Monofásico de Dois Pólos Curso Pós-técnico em Automação Industrial Automação Industrial _____________________________________________________________________________ Prof. Valdir Noll - vnoll@cefetsc.rct-sc.br Motores Elétricos 15 ♦ Motores de Indução Trifásicos É um motor elétrico de pequena, média ou grande potência que não necessita de circuito auxiliar de partida, ou seja, é mais simples, menor, e mais leve que o motor de indução monofásico de mesma potência, por isso apresenta um custo menor. A figura abaixo mostra o princípio de funcionamento do campo girante. Curso Pós-técnico em Automação Industrial Automação Industrial _____________________________________________________________________________ Prof. Valdir Noll - vnoll@cefetsc.rct-sc.br Motores Elétricos 16 Figura Capítulo 8 .10 - Princípio de Funcionamento Elétrico Curso Pós-técnico em Automação Industrial Automação Industrial _____________________________________________________________________________ Prof. Valdir Noll - vnoll@cefetsc.rct-sc.br Motores Elétricos 17 O motor de indução trifásico comumente usado no Brasil apresenta seis terminais acessíveis, dois para cada enrolamento de trabalho Et e, a tensão de alimentação destas bobinas é projetada para 220V. Para o sistema de alimentação 220/127V-60Hz este motor deve ser ligado em delta e para o sistema 380/220V-60Hz o motor deve ser ligado em estrela conforme mostra a figura 8.10. Figura Capítulo 8 .11 - Esquemas de Ligação do Motor de Indução Trifásico Para a inversão no sentido de rotação nos motores de indução trifásicos basta inverter duas das conexões do motor com as fontes de alimentação. A potência elétrica PE absorvida da rede para o funcionamento do motor é maior que a potência mecânica PM fornecida no eixo especificado pelo fabricante, pois existe um determinado rendimento η do motor a ser considerado, isto é: η = = ⋅ ⋅ ⋅ P P P V i FP M E M L L3 A potência mecânica no eixo PM do motor ( em W ) está relacionada com o momento de torção M ou conjugado ( em N⋅m ) e com a velocidade do rotor n ( em rpm ) através da seguinte operação. P n MM = ⋅ ⋅ 2 60 π Curso Pós-técnico em Automação Industrial Automação Industrial _____________________________________________________________________________ Prof. Valdir Noll - vnoll@cefetsc.rct-sc.br Motores Elétricos 20 ( a ) Circuito Simplificado de Acionamento PASSO SA SB SC SD PASSO à PASSO 1 1 0 1 0 1 ç 2 2 1 0 0 1 á ê é â 3 0 1 0 1 PASSO è PASSO 4 0 1 1 0 4 ß 3 1 = Chave fechada à Sentido horário de rotação 0 = Chave Aberta ç Sentido anti-horário de rotação ( b ) Seqüência de Comando Figura Capítulo 8 .13 - Motor de Passo Cada fase é energizada quando a sua respectiva chave é fechada. A figura 8.12 ( b ) mostra a seqüência de comandos do motor de passo para os dois sentidos de rotação. Se o motor permanecer num determinado passo, o rotor fica travado devido à força eletromagnética entre o rotor e o estator. Para liberar o rotor, ou seja, deixá-lo em movimento livre, basta abrir todas as chaves do circuito de comando. A cada passo executado, o eixo do motor realiza um determinado deslocamento angular. Este deslocamento é conhecido como ângulo de passo, sendo repetido precisamente em cada passo. A seguinte tabela mostra os valores de ângulo de passo com seus respectivos números de passos por volta dos motores de passo mais utilizados. Ângulo de Passo 0,72º 1,80º 2,00º 2,50º 5,00º 7,50º 15,00º Passos por Volta 500 200 180 144 72 48 24 8.4 - Exercícios Propostos: Curso Pós-técnico em Automação Industrial Automação Industrial _____________________________________________________________________________ Prof. Valdir Noll - vnoll@cefetsc.rct-sc.br Motores Elétricos 21 1) Qual é o princípio geral de funcionamento de um motor elétrico? 2) Com relação ao motor de corrente contínua, associe a 1a coluna com a 2a. a) Escovas ( ) Elementos do rotor responsável pela criação de um campo magnético no rotor. b) Bobinas de campo ( ) Elementos do rotor responsável pela inversão da corrente nas bobinas do rotor. c) Bobinas de armadura ( ) Elementos do estator que leva a corrente da rede elétrica para o rotor. d) Comutador ( ) É o número de linhas de campo magnético por unidade de área. e) Fluxo magnético ( ) Elemento do estator responsável pela criação de um campo magnético que envolve o rotor. 3) Um motor de indução de 3 CV e 4 pólos é alimentado pela rede elétrica 220V/380-60Hz. Calcule a velocidade do motor, com um escorregamento de 5% a plena carga. R: 1710 rpm. 4) Um motor de indução trifásico 5 HP, dois pólos, ligado em estrela, a plena carga com escorregamento de 8%, rendimento de 80% e fator de potência de 0,86 é alimentado pela rede elétrica de 220/380V-60Hz. Calcule: a) A potência elétrica fornecida. b) A corrente elétrica por fase. c) O torque do motor. R: a) 4,60 kW; b) 8,13 A, c) 10,61 N⋅m 5) Como se varia a velocidade de um motor de passo? 6) O que significa um motor de passo possuir 200 passos por volta?