Motores de Indução

Motores de Indução

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FACULDADE DE ENGENHARIA SÃO PAULO – FESP

EN2 – MÁQUINAS E EQUIPAMENTOS DE CONVERSÃO

TURMAS: 4º ANO DIURNO / 5º ANO NOTURNO

MOTORES TRIFÁSICOS DE INDUÇÃO

(1ª PARTE)

:

Prof. Norberto Augusto Júnior/Teodoro M.Amorim Filho

Objetivo: Compreender o funcionamento e as ligações do motor de indução. Analisar os diferentes tipos de construção e as principais características de operação.

O Motor Trifásico de Indução - MTI

    1. Introdução

Os motores elétricos são máquinas que transformam energia elétrica em energia mecânica. A conversão eletro-mecânica de energia se processa através da interação de campos magnéticos.

Caso a energia elétrica que alimenta o motor for de corrente contínua, o motor é denominado de motor C.C.; se a energia elétrica que alimenta o motor for de corrente alternada, o motor é denominado de motor C.A., podendo ser monofásico ou trifásico.

Os princípios básicos que explicam a operação dos motores C.C. e dos motores C.A. são os mesmos, e são conseqüentes das mesmas leis básicas (como, por exemplo, a lei circuital de Ampere, a lei da f.e.m. induzida de Faraday, etc.). Os motores C.C. e motores C.A. diferem entre si devido a detalhes de construção e características de funcionamento, mas os princípios que regem a operação são os mesmos.

Os motores mais largamente utilizados são os trifásicos, C.A., tipo assíncronos, também denominados de motores de indução. Atualmente o Brasil fabrica mais de 100.000 unidades/mês de motores de indução, desde potências de ¼ c.v até os motores de grandes sistemas de bombeamento de 10.000 c.v. O princípio de funcionamento desses motores fundamenta-se na indução eletromagnética proporcionada por um campo magnético variável atravessando os enrolamentos do rotor. Essa classe de motores corresponde a mais de 90 % dos motores instalados nos diversos setores de atividade industrial e residencial

2. Aspectos Construtivos

Basicamente o motor de indução é constituído das seguintes partes fundamentais:

    • Estator

    • Rotor

    • Carcaça

Adicionalmente a essas partes fundamentais temos alguns componentes adicionais, os quais poderão variar em função do tipo de motor utilizado:

  • Rolamentos

  • Ventilador

  • Anéis e Escovas (nos motores com rotor bobinado, também chamados de motores de anéis)

2.1Considerações Sobre o Estator

O estator é constituído de chapas de aço-silício justapostas, as quais são de pequena espessura (tipicamente de 0,25 a 0,6 mm) e que apresentam baixas perdas no ferro (histerese ou magnéticas e Foucault ou pelo efeito das correntes parasitas). Em motores de baixo custo essas laminações são muitas vezes fabricadas com aço convencional de baixo teor de carbono (aço 1006 ou 1008), acarretando um nível mais elevado de perdas e consequentemente um rendimento menor do motor.

As chapas do estator possuem ranhuras para alojar os fios condutores, na grande maioria das vezes de cobre, das bobinas ou enrolamentos do estator.

Detalhes da Construção do Estator

2.2Considerações Sobre o Rotor

O rotor dos motores de indução pode ser de dois tipos básicos: rotor tipo gaiola de maior quantidade de aplicações e rotor bobinado ou de anéis, para aplicações especiais. A finalidade do motor de anéis é permitir um ajuste da velocidade e do torque de partida pela inserção de uma resistência variável externa (reostato) nos enrolamentos do rotor, através de escovas de grafite (carvão), as quais deslizam e fazem contato elétrico com os anéis.

Rotor Bobinado ou de Anéis

(Pacote + Enrolamento)

Rotor Gaiola

(Pacote + Gaiola)

Motor Trifásico de Indução de Gaiola - MTI

2.3 • Classe de Térmica do Motor

Analogamente ao transformador, os motores apresentam perdas no cobre (enrolamentos) e no ferro (núcleo do estator), alem das perdas de atritos dos rolamentos e ventilação. Assim, a temperatura interna dos enrolamentos e do núcleo tende a aumentar com o motor em carga. Caso o calor não for removido adequadamente, a temperatura dos enrolamentos poderá atingir valores proibitivos, acarretando a destruição do isolante elétrico dos condutores das bobinas (normalmente esmalte ou verniz específico) ou dos demais materiais de isolação, fazendo com que as espiras entrem em curto-circuito entre si ou para a “massa”, danificando o motor.

A temperatura máxima admissível para os diversos materiais isolantes, tais como esmalte, verniz, resinas, componentes de isolação etc. dependem da classe térmica utilizada e são classificadas conforme norma ABNT como segue:

Classe A - 105˚ C

Classe E - 120˚ C

Classe B - 130˚ C

Classe F - 155˚ C

Classe H - 180˚ C

A temperatura ambiente estabelecida pela norma ABNT é 40ºC. Assim, por exemplo, nos motores com isolação classe A a diferença Δθ de temperatura do ponto mais quente não deve exceder a 55˚ C, admitindo uma tolerância de 10º C, pois 40º + 55 º + 10º = 105º. Analogamente para os motores classe F, Δθ é de 105˚ C e com a mesma tolerância (40º + 105 º + 10º = 155º). Todavia, para a classe térmica de H a tolerância é 15º C e o Δθ =125ºC.

A forma utilizada para a remoção do calor interno depende do tipo de construção do motor. Nos motores de construção aberta, nos quais as tampas da carcaça apresentam aberturas para a entrada e saída do ar, utiliza-se uma ventoinha interna solidária ao eixo, a qual provoca uma troca de calor por convecção forçada nos enrolamentos.

Nos motores blindados, onde a carcaça é hermeticamente fechada, um ventilador externo é utilizado, bem como a carcaça possui aletas que facilitam a troca de calor com o ambiente. Normalmente esse ventilador externo, também solidário ao eixo do motor, é protegido por uma carenagem adequada, a qual contribui para dirigir o fluxo de ar nas aletas da carcaça.

Atualmente os principais fabricantes de motores de indução apresentam duas linhas de motores, uma denominada Standard ou Padrão e a outra de maior rendimento, embora de custo mais elevado denominado de Alto Rendimento. A linha de Alto Rendimento por apresentar menores perdas possui um custo de energia consumida menor. Assim, a decisão da escolha de um modelo é determinada não apenas pelo custo de aquisição e sim também pelo custo da energia consumida ao longo do período do projeto. Estudos revelam que motores que operam com mais de 2.000 h/ ano, o custo do processo é mais econômico se a linha do motor for de Alto Rendimento.

    1. Circuito Magnético no Motor Trifásico de Indução

O circuito magnético do motor de indução é constituído por um núcleo ferromagnético estacionário, denominado estator, um entreferro, e um núcleo ferromagnético rotativo denominado rotor. O rotor é livre para girar no interior do estator, graças à utilização de rolamentos alojados nas tampas do motor. Esses rolamentos suportam o eixo do rotor e oferecem um baixo coeficiente de atrito.

O estator e o rotor são constituídos por chapas laminadas justapostas de aço-silício, (Ferro + impurezas de 2 a 4% de Si) normalmente de pequena espessura (0,25 a 0,60mm), a fim de se minimizar as perdas no ferro. O tratamento térmico das referidas laminações permite também a redução das perdas de histerese desses materiais.

Tanto o núcleo do estator quanto do rotor possuem ranhuras nas respectivas chapas, afim de permitir o alojamento dos condutores que constituirão o enrolamento do estator e do rotor respectivamente.

Os enrolamentos do estator são constituídos normalmente de espiras de fio de cobre esmaltado, as quais são convenientemente alojadas nas ranhuras do seu núcleo. Tais enrolamentos serão ligados à fonte de energia elétrica de C.A., e são responsáveis pelo estabelecimento do campo magnético girante na região do entreferro.

Podemos fazer uma analogia entre um transformador elétrico e o conjunto estator e o rotor de um motor de indução. Os enrolamentos do estator correspondem, nessa analogia, aos enrolamentos do primário do transformador. As espiras do rotor (ou barras condutoras em curto-circuito no motor tipo gaiola de esquilo) correspondem ao secundário do transformador. O fluxo magnético criado pelos enrolamentos do estator induz tensões nas espiras do rotor, provocando a circulação de corrente nas mesmas. As correntes do enrolamento do rotor interagem com o campo magnético do estator, desenvolvendo um conjunto de forças tangenciais ao rotor resultando no conjugado motor ou torque, causando a rotação do rotor a uma velocidade ligeiramente inferior à velocidade síncrona. A diferença entre a velocidade síncrona do campo do estator e a velocidade mecânica do rotor é denominada de escorregamento. Quanto maior o carregamento do motor, maior é o escorregamento.

A figura seguinte ilustra o aspecto das lâminas de aço silício do estator e do rotor.

4. Campo Girante do Motor Trifásico de Indução

O estator do motor de indução corresponde ao núcleo ferromagnético estacionário. Nas ranhuras do estator são alojadas as espiras de fio condutor que constituem os enrolamentos ou bobinas do estator. Dependendo do número de ranhuras e da maneira como serão dispostas as espiras dos enrolamentos, poderemos ter 2, 4, 6 ou 8 pólos magnéticos.

Inicialmente considere três bobinas independentes no estator, as quais são montadas com uma defasagem angular de 120˚ entre si.

Se essas bobinas forem percorridas por correntes senoidais defasadas no tempo por 120˚ elétricos, teremos como conseqüência um campo magnético girante.

Seja, por exemplo:

Bobina A → ia = Im sen ωt

Bobina B → ib = Im sen (ωt - 120˚)

Bobina C → ic = Im sen (ωt - 240˚)

Considerando que cada uma das bobinas possua N espiras, as forças magnetomotrizes produzidas pelas mesmas serão:

Como as bobinas estão defasadas no espaço, de 120˚ entre si, a força magnetomotriz em um determinado eixo tomado como referência poderá ser expressa por:

Aplicando a transformação trigonométrica:

e substituindo os valores de

Obtém-se:

A força magnetomotriz em um determinado eixo varia senoidalmente no tempo. Entretanto, para um dado instante considerado ela varia ao longo do espaço segundo uma distribuição senoidal, o que equivale a termos um campo magnético que gira em função do tempo. Evidentemente a velocidade angular desse campo girante depende da freqüência das correntes aplicadas ao conjunto das bobinas do estator.

A figura abaixo ilustra a direção do campo girante em quatro instantes selecionados:

Na ilustração anterior pode-se observar que o campo magnético girou no sentido horário. Se a ligação de duas fases quaisquer for invertida, por exemplo, considerando que a bobina B fosse percorrida pela corrente ic e a bobina C fosse percorrida pela corrente ib, ocorrem a inversão do sentido de rotação do campo girante.

5Representação das Bobinas do Estator

ENROLAMENTO PARA QUATRO PÓLOS – BOBINA CONCÊNTRICA – CAMADA SIMPLES

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