Baixe Motores Elétricos e outras Trabalhos em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity! INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIA ENGENHARIA INDUSTRIAL MECÂNICA ELETROTÉCNICA – PROF. ALDO BORGES ALUNOS: AMANDA CABRAL S. DE SOUZA ANDERSON HENRY PIMENTEL JOSÉ RENATO FRÓES FONSECA SERGIO SILVA PESSOA FILHO MOTORES ELÉTRICOS SALVADOR-BA Nov/2009 2 AMANDA CABRAL S. DE SOUZA ANDERSON HENRY PIMENTEL JOSÉ RENATO FRÓES FONSECA SERGIO SILVA PESSOA FILHO MOTORES ELÉTRICOS Trabalho submetido à avaliação como requisito parcial para obtenção de aprovação na disciplina Eletrotécnica Geral, ministrada no Curso de Engenharia Mecânica do IFBA. Orientação: Prof. Aldo Borges Salvador 2009 5 HISTÓRIA Tudo começa com o grego Tales de Mileto que, em 41 a.C. ao esfregar um pedaço de resina fóssil em um pano, a resina parecia atrair pequenos corpos, como fios de cabelo. Depois de muito tempo, cerca de quinze séculos, Mileto foi completado pelo físico e inglês da corte, William Gilbert, em 1600, descobriu que além da resina experimentada por Tales, muitos outros materiais poderiam atrair se fossem friccionados. A partir desse marco muitos inventos surgiram. Foi em 1663, o alemão Otto Von Guericke construiu a primeira máquina eletrostática, que transformava energia mecânica em energia elétrica. No final do século XVIII, foi verificado também que, por meio do princípio eletrostático, poderia ser possível também gerar energia mecânica. Antes dessa comprovação, o americano Benjamin Franklin, em 1752, com o experimento da pipa percebeu que a eletricidade podia ser captada e conduzida por fios. Somente após o final do século XVIII, com o dinamarquês Hans Christian Oersted e o francês André Marie Ampère que foi dado realmente o primeiro e grande passo ao surgimento do motor elétrico. Oersted observou a agulha magnética de uma bússola desviar da posição original perto de um condutor de energia elétrica e voltar à posição inicial ao ser afastado dele, assim foi provado a influencia da eletricidade no magnetismo. Ampère, em 1821, um ano depois da conclusão de Oersted, complementou o experimento, criando a “lei da mão direita” que tomou como base a orientação de uma agulha imantada no sentido da corrente. Os cientistas ingleses William Sturgeon e Michael Faraday, inspirados pelas descobertas de Oersted e Ampère foram os responsáveis pelos últimos passos rumo à construção do motor elétrico onde Sturgeon inventou, em 1825, o eletroímã, fundamental na construção de máquinas elétricas gigantes e Faraday descobriu enfim a indução eletromagnética, provando que Tales de Mileto há quase dois mil anos atrás estava certo. Entre 1831 quando Faraday comprovou o eletromagnetismo e 1886 quando o cientista alemão Werner Von criou o primeiro motor elétrico, esse intervalo de 35 anos para que o primeiro motor elétrico da história surgisse não 6 atrapalhou que durante esse período, outras máquinas com o mesmo princípio fossem inventadas, pra começar Faraday criou um gerador, o inglês W. Ritchie inventou o comutador, peça que seria importante na composição do motor elétrico e o mecânico francês H. Pixii colocou o invento em prática. Pixii construiu um gerador composto de um imã em ferradura que girava na frente de duas bobinas presas com um núcleo de ferro, no final dessa mesma década, o alemão, Moritz Hermann Von Jacobi, instalou um motor movido a pilhas galvânicas dentro de uma lancha e transportou 14 pessoas durante algumas horas foi ai que se mostrou, pela primeira vez, que a energia elétrica podia ser utilizada a favor do trabalho mecânico, porem o custo fez com que o invento se tornasse um item de luxo. Werner Von Siemens, em 1866, já tenha criado um gerador de tensão elétrico baseado no princípio de indução eletromagnética, construiu um dínamo, ou seja, uma máquina eletrodinâmica que converte força mecânica em corrente elétrica e provou que a tensão necessária para o magnetismo podia ser extraída do próprio enrolamento do rotor, assim, a máquina podia gerar sua própria energia e não ficar dependente dos imãs então a invenção barateou o gerador, que também funcionava como motor quando alimentado por energia elétrica. Com preço menor, estavam criadas as condições para uma maior propagação do invento. Novas evoluções foram surgindo, em 1879, Siemens em conjunto com Johann George Halske, apresentou uma nova invenção: uma locomotiva movida por um motor elétrico de dois quilowatts. O motor, apesar de mais barato que no início, continuava com o custo muito elevado para ser produzido em escala industrial, além de apresentar problemas técnicos. O italiano Galileu Ferraris, o iugoslavo Nicolau Tesla e alemão Friedrich Haselwander passar a estudar a maquina e tentar tornar mais viável, então suas descobertas pareciam solucionar os problemas em um primeiro momento, mas logo se mostram inútil. Em 1890, o cientista russo enraizado na Alemanha, Michael Von, que antes, desenvolveu um motor trifásico de corrente alternada com potência contínua de 80 watts e rendimento de aproximadamente 80%. O equipamento mostrou-se ideal para os planos da indústria, por apresentar alto rendimento, ótima partida, relativo silêncio durante o funcionamento e baixa complexidade o que facilitava a manutenção, tornando-o mais seguro para a operação. 7 Em 1891, o construtor russo já tinha conseguido produzir o novo equipamento em série. Simultaneamente, começaram a aparecer as primeiras indústrias de motores que logo se tornaram muitas. Os equipamentos se padronizaram e aos poucos diminuíram de tamanho e peso os motores de hoje, cujo peso representa somente 8% das máquinas com a mesma potência fabricadas no início do século XIX. Para que desenvolvimentos e inovações ocorressem, foram necessários diversos motivos. O primeiro deles pode ser creditado na conta dos estudiosos da área, que ao analisar mais detalhadamente os aspectos técnicos do motor elétrico, consolidaram a teoria necessária para que construtores pudessem a partir delas realizar melhorias. O segundo fator deve-se à competição. Em busca de maiores fatias do mercado, indústrias de motores buscavam destaque, lançando equipamentos diferentes da concorrência, assim eram colocados à disposição dos consumidores motores com potência igual,mas cada vez menor. A terceira razão foi o uso de matérias-primas mais nobres e apropriadas na estrutura dos motores. A quarta talvez mais importante foi o uso em grande escala dos motores pela população mundial que impulsionou os fabricantes a desenvolverem mais e melhores produtos. TIPOS DE MOTORES De acordo com o tipo de fonte de alimentação os motores podem ser divididos em: • Motores de Corrente Alternada (AC): são os mais utilizados, porque a distribuição de energia elétrica é feita normalmente em corrente alternada. Estima-se que 90% dos motores fabricados são motores de indução de gaiola. • Motores de Corrente Contínua (DC): conhecidos por seu controle preciso de velocidade. São motores de custo mais elevado e, além disso, precisam de uma fonte de corrente contínua, ou de um dispositivo que converta a corrente alternada comum em contínua. 10 variáveis. Também pode ser utilizado quando se requer grande potência, com torque constante. - Motor de indução assíncrono: funciona normalmente com 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. Atualmente é possível controlarmos a velocidade dos motores de indução com o auxílio de conversores de freqüência. - Motor com rotor gaiola de esquilo: por ser robusto evita muitos problemas relacionados a desgaste e manutenção. - Motor com rotor bobinado: é composto por 3 bobinas em estrela. Em relação ao anterior, permite o controle de velocidade. 11 - Motor Dahlander: possui seis bobinas e duas velocidades distintas na relação1:2. Rendimento e a potência é melhor em ALTA velocidade. Ex: 4/2 pólos (1800/3600rpm) e 8/4 pólos(900/1800rpm). - Motor com dois enrolamentos independentes e separados: cada enrolamento possui números diferentes de pólos. Quando um enrolamento está ligado o outro tem que estar desligado. Ex: 6/4 pólos (1200/1800rpm); 12/4 pólos (600/1800rpm). MOTORES TRIFÁSICOS Os motores elétricos trifásicos para a maioria das aplicações no meio rural e nas agroindústrias são os motores de indução. Esses motores são fabricados para operarem com tensão de 220 volts em cada bobina. Desta forma, dependendo da tensão oferecida pela concessionária de energia elétrica, o fechamento dos terminais do motor será diferente. Por exemplo, se a tensão no secundário do transformador for de 220 Volts (tensão de linha), o motor deverá ser conectado em triângulo, como representado na figura 3. 12 Todavia, se a tensão no secundário do transformador for de 380 Volts, o motor deverá funcionar na conexão estrela, como representado na figura 4. Conexão triângulo para motores trifásicos Conexão estrela para motores trifásicos Observe que na conexão estrela, a corrente de linha é a mesma corrente que atravessa as bobinas, enquanto que a tensão de linha vale raiz de três vezes a tensão de cada bobina. Para conexão triângulo, a tensão de linha é a própria tensão da bobina, mas a corrente de linha é a componente vetorial da corrente de uma bobina menos a corrente da outra bobina, resultando em um valor raiz de três vezes o valor da corrente da bobina. Isso se deve ao fato de existir o defasamento angular de 120 graus entre as tensões de linha do sistema trifásico. A potência aparente de uma carga trifásica vale 3 vezes o produto da tensão versus corrente de cada fase, ou seja, o motor trifásico é equivalente a três motores monofásico, em termos de potência. A potência de um motor trifásico de 10 CV, ligado em triângulo (220 Volts) será a mesma se o motor for ligado em estrela (380 Volts). Para demonstrar essa igualdade, analise as duas 6 4 5 3 2 1 5 6 4 3 2 1 15 Na ligação em triângulo (220V), o início de uma fase é fechado com o final da outra e essa junção é ligada á rede. Os motores trifásicos de uma só velocidade podem dispor de 3, 6, 9 ou 12 terminais para a ligação á rede elétrica. A ligação de motores trifásicos com três terminais á rede é feita conectando-se os teminais 1, 2, e 3 aos terminais de rede RST em qualquer ordem. OBS: Para inverter o sentido de rotação do motor trifásico, basta inverter duas fases R com S, por exemplo: Os motores trifásicos com seis terminais só tem condição de ligação em 2 tensões: 220/380V, ou 440/760V. Esses motores são ligados em triângulo 16 na menor tensão e em estrela, na maior tensão. A figura a seguir mostra uma placa de ligação desse tipo de motor. OBS: Nos motores de seis terminais, é comum encontrarmos as marcações U, V W, X, Y, e Z, ao invés de 1, 2, 3, 4, 5, e 6, respectivamente. Os motores com nove terminais tem possibilidade deligação em três tensões: 220/380/440V. Os motores com doze terminais tem possibilidade de ligação em quatro tensões: 220/380/440/760V. Placa de Ligação 17 Indentificação de Motores Trifásicos (placa do motor) Os motores elétricos possuem uma placa identificadora, colocada pelo fabricante. Para se instalar adequadamente o motor é imprescindível que o eletricista saiba interpretar os dados da placa. A figura nos dá o exemplo de uma placa de um motor trifásico. Os dados mais importantes são: - a potência do motor, dada em HP ou CV (1 HP = 746 W, 1 CV = 735 W), para saber, se esse motor é capaz de executar o trabalho desejado (no caso do exemplo da figura acima), a potência do motor é de 3 CV. - a tensão alimentadora que o motor exige (220 ou 380 V). - a frequência exigida da tensão alimentadora (60 Hz). - a corrente nominal que o motor consumirá (9 ou 5,2 A, dependendo da tensão alimentadora), para dimensionar os condutores de alimentaçao e os dispositivos de proteção. - as rotações que o motor fará por minuto (3510 RPM). - a letra-código para dimensionar os fusíveis (no exemplo H). - o esquema de ligação que mosta como os terminais devem ser ligados entre si e com a rede de alimentação. 20 Pela atuação do anel comutador que tem como função alternar o sentido de circulação da corrente no enrolamento da armadura, quando aplicamos uma tensão no comutador, com a máquina parada, a tensão é transferida ao enrolamento da armadura fazendo com que se circule uma corrente pelo mesmo o que produz um campo magnético e outros pares de pólos no enrolamento da armadura. A orientação desse campo, ou seja, a posição do pólo norte e sul permanece fixa, simultaneamente temos uma tensão elétrica aplicada no enrolamento de campo no estator, assim, ao termos a interação entre os campos magnéticos da armadura no rotor e do campo no estator, os mesmos tentarão se alinhar, ou seja, o pólo norte de um dos campos tentará se aproximar do pólo sul do outro. Como o eixo da máquina pode girar, caso os campos da armadura e do estator não estejam alinhados, surgirá um binário de forças que produzirá um torque no eixo, fazendo o mesmo girar. Ao girar, o eixo gira o anel comutador que é montado sobre o eixo, e ao girar o anel comutador muda o sentido de aplicação da tensão, o que faz com que a corrente circule no sentido contrário, mudando o sentido do campo magnético produzido. Assim, ao girar o anel comutador muda a posição dos pólos magnéticos norte e sul do campo da armadura e como o campo produzido pelo enrolamento de campo no estator fica fixo, temos novamente a produção do binário de forças que mantém a mudança dos pólos e conseqüentemente o movimento do eixo da máquina. Classificação das máquinas de corrente contínua segundo a maneira como se alimenta a máquina Excitação independente ou separada Nesta configuração o circuito de excitação da máquina é alimentada por uma fonte adicional independente ou separada da fonte de corrente contínua que alimenta a armadura. Em geral o enrolamento de campo que produz a excitação é constituído de condutores que não suportam 21 grandes correntes, pois a excitação em geral utiliza correntes baixas para produzir o campo magnético em comparação com as correntes que circulam no enrolamento de armadura. Excitação série O circuito do enrolamento de campo que produz a excitação está em série com o circuito de armadura, sendo assim necessário apenas uma fonte para alimentar o circuito de campo e da armadura. Como neste caso a corrente que circula no enrolamento de campo que produz a excitação é a mesma corrente que circula no enrolamento da armadura, é necessário um enrolamento próprio para o circuito de excitação, capaz de suportar correntes relativamente altas da armadura. Excitação shunt ou em derivação O circuito do enrolamento de campo que produz a excitação está em paralelo ou em derivação com o circuito de armadura. Nesta configuração, é necessário apenas uma fonte de corrente contínua para alimentar o circuito de armadura e de campo, pois ambos os circuito estão em paralelo. Como o enrolamento de campo está em paralelo ou em derivação com o circuito de armadura, é possível utilizar o mesmo tipo de condutor do caso de excitação independente. Excitação Composta Com dois enrolamentos de excitação, um em série e outro em derivação, podendo existir o esquema de ligação longo ou curto e composto aditivo ou subtrativo. Neste esquema de ligação utiliza-se uma combinação da excitação série e shunt, de forma a aproveitar os benefícios de ambas as ligações. Em muitas aplicações o enrolamento série é utilizado para compensar o efeito desmagnetizante da reação de armadura. 22 Vantagens dos Motores CC - Operação em 4 quadrantes com custos relativamente mais baixos - Ciclo contínuo mesmo em baixas rotações - Alto torque na partida e em baixas rotações - Ampla variação de velocidade - Facilidade de controlar a velocidade - Os conversores CA/CC requerem menos espaço - Confiabilidade - Flexibilidade (vários tipos de excitação) - Relativa simplicidade dos modernos conversores CA/CC Desvantagens - Os motores CC são maiores e mais caros que os motores de indução para uma mesma potência - Maior necessidade de manutenção (devido aos comutadores) - Arcos e faíscas devido a comutação de corrente por elemento mecânico (não pode se aplicado em ambientes perigosos) - Tensão entre lâminas não pode exceder 20V (motores CA podem ser alimentados com milhares de volts) - Necessidade de medidas especiais de partida, mesmo em máquinas pequenas. Aplicações Motores CC estão sendo substituídos por motores CA acionados por inversores de freqüência. Porém em alguns setores sua utilização ainda é vantajosa: - Máquinas de Papel - Bobinadoras e desbobinadoras - Laminadores - Máquinas de Impressão - Extrusoras - Prensas - Elevadores - Movimentação e elevação de cargas 25 Num motor de passo, o rotor é atraído por um par de pólos do estator e a seguir, por outro. O rotor movimenta-se por etapas discretas, pausando em cada orientação, até que novo coman- do do computador ative um jogo diferente de eletroímãs. Estes eletroímãs são ligados/ desligados seguindo impulsos cuidadosamente controlados de modo que os pólos magnéticos do rotor se movam de um eletroímã para outro devidamente habilitado. Aplicações - Mesas XY - Periféricos de computadores - Célula de manufatura integrada - Sistemas robóticos Vantagens - Tamanho e custos reduzidos - Total adaptação à lógica digital (controle preciso da velocidade, direção e distância) - Características de bloqueio - Pouco desgaste - Dispensa realimentação Desvantagem - Má relação potência-volume Motor 26 Lista com motores elétricos diversos: Mega Torque Motores elétricos de velocidade variável Micro Moto-redutores Motores elétricos especiais Moto Acionadores Motores elétricos lineares Moto Freios Motores elétricos monofásicos Motores à prova de poeira Motores elétricos operados à bateria Motores Coreless Motores elétricos reversíveis Motores de Corrente Contínua Motores elétricos síncronos Motores de Passo Motores elétricos síncronos de relutância Motores de pólo graduado Motores elétricos submersíveis Motores Elétricos Motores elétricos tipo comutador Motores elétricos à prova de explosão Motores elétricos trifásicos Motores elétricos assíncronos Motores elétricos universais Motores elétricos com capacitor em série Motores elétricos ventilados Motores elétricos de alta freqüência Motores Enrolados em Shunt Motores Elétricos de Alta Velocidade Motores Flangeados Motores elétricos de baixa inércia Motores HP fracionário Motores elétricos de baixa tensão Motores para Aparelhos Domésticos Motores elétricos de fase bipartida Motores para elevadores Motores elétricos de Gaiola Motores para ventilador de forno Motores Elétricos de HP Fracionário Motores polifásicos Motores Elétricos de HP inteiro Motores sem escova Motores Elétricos de Ímã Permanente Motores tipo Gaiola Motores elétricos de múltiplas velocidades Motores ventilados à hélice Motores elétricos de precisão Motovibradores Motores elétricos de torque Peças para Motores Marítimos Elétricos Motores elétricos de tração Reforma de motores elétricos Motores elétricos de velocidade constante 27 COMO FUNCIONAM OS MOTORES ELÉTRICOS Os motores elétricos usam as forças de atração e repulsão que ocorrem entre dois campos magnéticos para fazer girar um eixo, ou seja, transformam energia eletromagnética, em energia mecânica. Este é o princípio básico de qualquer motor elétrico, seja de qual tipo for. Para entender melhor o funcionamento de um motor movido a energia eletromagnética, é importante estar familiarizado com alguns conceitos de eletromagnetismo, além de saber como eles se relacionam. - CONCEITOS PRELIMINARES MAGNETISMO E PÓLOS MAGNÉTICOS O termo magnetismo se refere à atração e repulsão que existe entre dois pedaços de material ferromagnético, um dos quais está magnetizado. Dentre os principais materiais ferromagnéticos temos o ferro, o aço, o cobalto e o níquel. A força gerada destes processos de atração e repulsão é regida pela lei de força de Lorentz (a lei basicamente nos diz que esta força de Lorentz gerada é a soma da força elétrica com a força magnética), com direção perpendicular ao campo magnético. As extremidades (ou pólos) de uma unidade magnética são denominados pólos magnéticos, sendo estes divididos em pólo sul e pólo norte. As reações de atração e repulsão se devem justamente ao fato de coincidirem ou não duas extremidades equivalentes (norte com norte, sul com sul) entre dois ferromagnéticos. ÍMÃS Uma unidade magnética por si só, não tem tanta relevância em termos quantitativos de atração e repulsão. Porém, se associados numa grande cadeia podem gerar forças consideravelmente maiores. Esta associação de inúmeras unidades magnéticas se comporta como uma grande unidade e é chamada de ímã. Os princípios de pólos servem tanto pra unidade magnética como para o ímã. 30 Os enrolamentos do estator são bobinas de fio isolado através dos quais a corrente pode passar. Os enrolamentos do estator criam os campos eletromagnéticos giratórios aos quais o rotor responde. As bobinas estão ligadas e formadas de modo a atender às dimensões específicas do estator e aos respectivos pólos do estator. A camisa dos mancais são placas metálicas que ficam em cada extremidade do motor. A camisa dos mancais abriga os mancais do eixo e mantém o rotor na posição correta dentro do estator. ROTOR Um rotor é um conjunto de enrolamentos que giram dentro do estator. Um rotor consiste de um núcleo, os enrolamentos do rotor, anéis de fechamento ,o eixo e um ventilador para refrigeração. Nos motores elétricos de indução, que são os mais utilizados, os rotores possuem enrolamentos constituídos de barras de cobre ou alumínio dispostas circularmente e fechadas por anéis do mesmo metal. O núcleo do rotor reforça o campo eletromagnético gerado pelos enrolamentos do rotor. O núcleo do rotor consiste em camadas (laminações) de chapas de aço justadas ao eixo do rotor. As laminações possuem fendas de forma a permitir que os enrolamentos do rotor se encaixem com segurança em volta do núcleo. Os enrolamentos do rotor são barras sólidas, geralmente de cobre ou alumínio, sendo curtocircuitadas pelos anéis de fechamento do rotor. Estas barras são fundidas nas fendas dentro do núcleo do rotor formando assim uma 31 gaiola. Quando a corrente flui através dos enrolamentos do rotor, é gerado um campo eletromagnético. O campo eletromagnético interage com o campo eletromagnético gerado pelos enrolamentos do estator para produzir energia mecânica. Os anéis de fechamento são anéis lisos que atuam como terminais elétricos. Estes estão localizados em cada extremidade dos condutores do rotor e são feitos do mesmo material dos condutores do rotor aos quais estão conectados. As barras do rotor estão ligadas aos anéis coletores para formar um circuito elétrico fechado. A corrente elétrica que passa pelo circuito fechado gera o campo eletromagnético do rotor. O eixo do rotor está localizado no centro do rotor e se estende além do núcleo do rotor para fora da carcaça do estator, onde fica apoiado por mancais nas camisas dos mancais. Um ventilador fica acoplado a uma extremidade do rotor. À medida que o rotor gira, o ventilador faz o ar circular pelo rotor e pelos enrolamentos do estator para mantê-los frios. MANCAIS Um mancal é um dispositivo que fica em uma base de montagem fixa que sustenta o eixo e permite que ele gire. Os mancais evitam que o eixo do motor faça movimentos axiais (movimentos ao longo do eixo) ou radiais (movimentos laterais ao eixo). O eixo gira sobre uma posição fixa. CARCAÇAS A carcaça é o envoltório que envolve o motor. A carcaça evita a ação do tempo e a penetração de objetos estranhos, assegurando que nada vai atingir e danificar as peças girantes do motor. A carcaça também abriga o sistema de 32 ventilação que resfria o motor durante o funcionamento. Existem três tipos principais de carcaças: protegido contra o tempo segundo Norma NEMA II, ventilação forçada a partir da base e ventilação forçada a partir da parte superior. FUNCIONAMENTO DO MOTOR ELÉTRICO DE C.A. POR INDUÇÃO Quando uma corrente elétrica passa por um fio no estator, ela produz um campo eletromagnético. Da mesma forma há uma corrente elétrica passando pelo rotor produzindo um campo eletromagnético. Os campos eletromagnéticos produzidos pelo estator e pelo rotor possuem um pólo norte e um pólo sul cada um. Os pólos norte de cada campo se repelem, da mesma forma que os pólos sul de cada campo. Assim, o pólo norte do estator é atraído pelo pólo sul do rotor e o pólo sul do estator é atraído pelo pólo norte do rotor. A combinação dessas forças de atração e repulsão faz com que o rotor gire, de forma que o pólo norte do campo magnético do rotor fique mais perto do pólo sul do campo magnético do estator, e o pólo sul do campo magnético do rotor se aproxime do pólo norte do campo magnético do estator. Este movimento giratório é denominado primeira metade do ciclo da revolução de um motor elétrico. Quando o sentido da corrente elétrica que passa pelo estator é invertido, o campo eletromagnético do estator é invertido, e os pólos norte e sul do campo trocam de lugar. Assim que isso acontece, a força de atração entre o pólo norte do rotor e o pólo sul do estator se transforma em uma força de repulsão, porque o pólo sul do estator se transformou em pólo norte. O rotor gira novamente, de modo que os pólos norte e sul do rotor e do estator se aproximem do seus opostos. O rotor então, concluiu uma revolução. A polaridade é invertida novamente no motor e o rotor dá uma meia volta outra vez. Este processo de revolução do rotor é a energia mecânica produzida pelo motor. O eixo fica preso a um dispositivo, como uma bomba por exemplo, que usa a energia do rotor para girar o rotor da bomba. Como a fonte de CA faz com eu os pólos do estator se alternem entre as polaridades N e S, o rotor, uma vez acionado, continuará a girar a uma velocidade próxima à velocidade síncrona (3600 rpm a 60Hz). Um enrolamento 35 Objetivo : Esta parte da ABNT NBR 5383 especifica os ensaios mais comumente aplicáveis para determinação das características de desempenho de motores de indução monofásicos e para verificação de sua conformidade de acordo com a ABNT NBR 7094. Código : ABNT NBR 7094:2003 Título Primário : Máquinas elétricas girantes - Motores de indução - Especificação Título Sec. : Rotating electrical machines - Induction motors - Specification Comitê Técnico : ABNT/CB-03 Eletricidade Páginas : 49 Data de Publ. : 2/28/2003 Objetivo : Esta Norma fixa os requisitos básicos a serem atendidos pelos motores de indução, com exceção daqueles motores mencionados em 1.3. Código : ABNT NBR 8441:1984 Título Primário : Máquina elétrica girantes - Motores de indução de gaiola, Trifásicos, fechados - Correspondência entre potência nominal e dimensões Título Sec. : Comitê Técnico : ABNT/CB-03 Eletricidade Páginas : 3 Data de Publ. : 4/30/1984 Objetivo : Esta Norma padroniza a correspondência entre a potência nominal em regime contínuo, a velocidade síncrona e as dimensões de fixação e de ponta e de eixo e a designação dos flanges. MANUTENÇÃO DE MOTORES ELÉTRICOS Os motores elétricos são responsáveis por grande parte da energia consumida nos segmentos onde seu uso é mais efetivo, como nas indústrias, onde representam em média mais de 50% do consumo de eletricidade dessas instalações. São, portanto, equipamentos sobre os quais é preciso buscar, prioritariamente, a economia de energia. Nos motores elétricos as operações de controle de materiais e equipamentos têm na sua maioria um efeito direto sobre o estudo mecânico e elétrico destes equipamentos, agindo direta ou indiretamente sobre seus rendimentos. Apresentaremos agora ações que, se adotadas pelos técnicos de manutenção, resultarão na melhoria do rendimento dos motores existentes em suas instalações, bem como numa maior vida útil dos componentes do mesmo. Cabe ainda observar que 90% dos motores elétricos instalados são assíncronos com rotor em curto-circuito, sendo, portanto este tipo de equipamento objeto da análise a seguir apresentada. A figura abaixo mostra as principais perdas que ocorrem nos motores elétricos: 36 Analisando a foto, vemos que as perdas são: perdas por ventilação; perdas térmicas (estator mais rotor; perdas nos mancais). Vejamos pois como proceder para diminuí-las. CARREGAMENTO CONVENIENTE DOS MOTORES Um motor elétrico é dimensionado para fornecer um conjugado nominal Cn, a uma velocidade nominal Nn. Isto é, para uma potência nominal Pn, temos: Pn = Cn x Nn As perdas elétricas (ou perdas térmicas) variam com o quadrado do conjugado resistente (carga). Num motor bem dimensionado, o conjugado resistente deve ser menor que o conjugado nominal. Se for igual ou ligeiramente superior, o aquecimento resultante será considerável. Por outro lado, um motor "sub- carregado" apresente uma sensível redução no rendimento. O carregamento ideal deveria corresponder à carga do trabalho a ser efetuado, o que nem sempre é fácil de determinar. Se o trabalho exigido da máquina acionada apresente sobrecargas temporárias, a potência do motor deve ser ligeiramente superior à potência necessária. É importante limitar o crescimento das perdas, realizando adequada manutenção das máquinas e componentes mecânicos de acionamento, como por exemplo: regulagem das folgas, lubrificação adequada, 37 verificação dos alinhamentos, etc. Finalmente, devemos lembrar que motores individuais são geralmente mais econômicos em energia do que as transmissões múltiplas. VENTILAÇÃO ADEQUADA: Nos motores auto-ventilados, o ar de resfriamento é fornecido por um ventilador interno ou externo acionado pelo eixo do motor. O fluxo de ar arrasta consigo poeira e materiais leves que obstruem aos poucos as aberturas ou canais e impedem a passagem do ar e a dispersão normal de calor, o que aumenta fortemente o aquecimento do motor. Por outro lado, é comum encontrar nas indústrias motores instalados em espaços exíguos que limitam a circulação do ar, provocando aquecimentos excessivos. Nos motores que utilizam ventilação forçada externa, a parada do grupo moto-ventilador pode causar os mesmos problemas. Portanto, para assegurar o bom funcionamento das instalações, devem ser tomadas as seguintes precauções: - Limpar cuidadosamente os orifícios de ventilação; Limpar as aletas retirando a poeira e materiais fibrosos; Cuidar para que o local de instalação do motor permita livre circulação de ar; Verificar o funcionamento do sistema de ventilação auxiliar e a livre circulação do ar nos dutos de ventilação. CONTROLE DA TEMPERATURA AMBIENTE De forma geral, a temperatura limite suportada pelos isolantes do motor é calculada para o funcionamento num ambiente com temperatura de 40ºC, variando pouco de um motor para outro. Portanto, é importante verificar e controlar a temperatura ambiente para não ultrapassar os valores para os quais o motor foi projetado. CUIDADO COM AS VARIAÇÕES DE TENSÃO O equilíbrio térmico de um motor é modificado quando a tensão de alimentação varia. Uma queda de tensão limita o fluxo do circuito magnético, reduzindo as perdas no ferro e a corrente em vazio. Porém, o conjugado motor deve superar o conjugado resistente, para impedir o aumento excessivo do escorregamento. Como o conjugado motor é função do produto entre o fluxo e 40 - Verificar qualquer desprendimento de fumaça. - Verificar periodicamente as condições de isolamento. - Equipar os motores com dispositivos de alarme e proteção contra curtos- circuitos. - Observar ruídos e vibrações intempestivas. - Observar sinais de superaquecimento e anotar periodicamente as temperaturas durante a operação. - Observar o equilíbrio das correntes nas três fases. - Verificar se a freqüência prevista para o motor é realmente igual à freqüência da rede de alimentação. FIXAÇÃO CORRETA DOS MOTORES E ELIMINAÇÃO DE VIBRAÇÕES O motor standard é construído para funcionar com eixo numa determinada posição: horizontal ou vertical. Em poucas palavras, um motor nunca deve ser fixado numa inclinação qualquer de seu eixo sem que se tenha certeza de suas características próprias. Vibrações anormais causam uma redução no rendimento do motor: elas podem ser conseqüência de uma falha no alinhamento, de uma fixação insuficiente ou defeituosa do motor em sua base, de folgas excessivas dos mancais, ou ainda de um balanceamento inadequado nas partes giratórias. Para controlar este problema, podemos tomar algumas medidas preventivas, que são: - Observar o estado dos mancais. - Observar a vida útil média dos mancais (informação fornecida pelos fabricantes). - Controlar e analisar as vibrações de forma muito simples: basta colocar uma ferramenta sobre o mancal, aproximando o ouvido e detectando as falhas pelos ruídos produzidos. - Tomar cuidado ao substituir um rolamento por outro. - Nas paradas de longa duração, trocar periodicamente a posição de repouso dos rotores dos motores elétricos, assim como das partes móveis das máquinas. LUBRIFICAÇÃO CORRETA DOS MANCAIS 41 É importante saber que a uma temperatura de 40ºC, a vida útil de um rolamento de esferas em funcionamento contínuo pode ser de 3 a 4 anos ou mais. No entanto, para cada 10ºC de elevação da temperatura de trabalho a vida útil diminui, em média, 50%. A correta lubrificação dos rolamentos, além de permitir um melhoria de rendimento, evita a elevação da temperatura que prejudica a vida útil desses equipamentos. A lubrificação dos rolamentos é feita geralmente com graxa mineral. Quando as temperaturas de operação forem elevadas (de 120ºC a 150ºC) ou as velocidades de rotação forem acima de 1.500 rpm, usa-se óleo mineral para a lubrificação. Esses óleos devem ter características lubrificantes adequadas às condições de trabalho. Nos motores de pequena potência, a lubrificação inicial na montagem é prevista de modo a assegurar um número elevado de horas de funcionamento. Às vezes, a reserva de graxa é suficiente para toda a vida útil do equipamento. Nos motores maiores há necessidade de lubrificação externa. A freqüência de lubrificação depende do projeto dos mancais e das características dos lubrificantes utilizados. Algumas recomendações que podem garantir maior vida útil para os rolamentos e um menor consumo de energia são:. - Respeitar os intervalos de lubrificação. - Não engraxar excessivamente os rolamentos e limpá-los com gasolina antes de colar a graxa nova (salvo se houver evacuador automático de graxa). - Utilizar as graxas recomendadas pelo fabricante em função do serviço e da temperatura. - Para os mancais lubrificados a óleo, verificar os anéis de retenção e utilizar o óleo recomendado. - Observar a temperatura dos mancais em operação. - Cuidar para que a temperatura ambiente permaneça dentro dos limites normais. - Se o motor precisa funcionar num ambiente anormal, assinalar este fato ao fabricante no momento do pedido. - Durante a limpeza, evitar os depósitos de poeira nas caixas de rolamentos. 42 Tabela I. Defeitos mais freqüentes em motores elétricos Nº Defeito Sistemas Externos Sintomas Internos Causas Razões mais freqüentes Cuidados Futuros 01 Estator queimado por sobrecarga -Temperatura alta da carcaça; -Cheiro de queimado; -Atuação das proteções; -Baixa Resistência de Isolamento nas 3 fases. - Cabeças das bobinas uniformemente carbonizadas nas 3 fases. Sobrecarga baixa durante um tempo longo ou sobrecarga forte por tempo curto. Ver TAB II 02 Fase queimada - Costuma acontecer em motores delta; - Baixa resistência de isolamento à massa de 1 fase; - Baixa resistência ôhmica da fase. - Bobinas de fase carbonizada; - As duas outras fases intactas; - Sinais de curto na fase. Falta de uma fase da alimentação. O motor ficou rodando como monofásico (com toda a carga). - Fusível queimado numa fase; - Condutor de fase com interrupção. - Verificar cabos e painéis; - Verificar o nível de rorina das proteções. 03 Duas Fases queimadas - Costuma acontecer em motores Y; - Duas fases com baixa resistência de isolamento à massa; - Resistência ôhmica alterada em uma ou nas duas fases queimadas. - Duas fases carbonizadas; - Uma fase intacta; - Às vezes, sinais de descarga entre espiras nas fases queimadas. - Falta de uma Fase- motor rodando em monofásico. - Cabo de fase interrompido; - Fusível queimado; - Falha no disjuntor térmico. IDEM ITEM II 04 Curto entre duas fases - As três fases com resistência de isolamento boa para a massa; - Resistência de isolamento nula entre 2 fases. - Sinal de descarga entre duas fases, quase sempre na cabeça das bobinas. - Colapso do isolante; - Sobretensão momentânea (manobra) - Umidade excessiva; - Baixa resistência de isolamento entre fases; - Motor parado muito tempo. IDEM ITEM II 05 Curto entre fase e massa - 2 fases com boa resistência de isolamento entre si; - 1 fase "furada" para a massa; - Resistência ôhmicas certas em duas fases; - Resistência boa ou nula na fase "furada". - Muitas vezes não são visíveis; NOTA: Algumas proteções não atuam com o defeito se não houver interrupções por arco. 06 Fase Interrompida - Nos motores Y: interrupção ôhmica entre um borne e os outros dois; - Nos motores estrela: Nas 3 medições ôhmicas, uma é dupla das outras duas. 45 Nas figuras abaixo temos as ilustrações dos principais defeitos listados acima. Diagnóstico: Fase danificada por desbalanceamento da tensão da rede. Causa: Tensões desiguais normalmente são motivadas por cargas não balanceadas na * rede de alimentação, por conexões deficientes junto aos terminais do motor ou por mau contato. Um desequilíbrio de corrente de 6% a 10% da nominal. Diagnóstico: Falta de fase, motor ligado em estrela, Causa; Surge em consequência de interrupção numa fase da rede de alimentação do motor, Geralmente, é um fusivel queimado, um contator aberto, uma linha de força interrompida ou conexão deficiente. Diagnóstico: Queima na bobina principal, Causa: A sobrecarga do motor provoca a queima total do isolamento da bobina principal do enrolamento monofásico. Subtensões, sobretensões ou ainda, a bobina auxiliar não conectada no momento da partida, causam o mesmo tipo de falha, 47 VANTAGENS DO USO DE MOTOR CA EM COMPARAÇÃO COM MOTOR CC E SISTEMAS DE VARIAÇÃO DE VELOCIDADE. 1 O motor CA é mais barato do que motor CC, reduzindo custo de compra e/ou valor financeiro do estoque. 2 O acionamento CA é mais barato do que o acionamento CC,reduzindo custo de compra e/ou valor financeiro do estoque. 3 A eficiência do motor CA é melhor do que a do motor CC, garantindo uma redução no consumo de energia e menor aquecimento do motor 4 Redução em até 200% no custo de manutenção, pois o motor CA tem menos peças na sua fabricação (o motor CC tem CAMPO e ARMADURA, escovas comutadoras, etc, que devem ser reparadas em caso de falha. 5 . A construção do motor CA é mais simples). O rebobinamento de um motor CC traz resultado inferior ao do motor CA, a performance após um rebobinamento não é a mesma . Mais oficinas estão habilitadas a rebobinarem motores CA, o que permitem uma oferta de serviços com custo reduzido, devido a competitividade comercial. 6 Disponibilidade comercial maior do motor CA do que motor CC – compra mais fácil e rápida. 7 Disponibilidade comercial maior do acionamento do motor CA do que motor CC – compra mais fácil e rápida. 8 O motor CA normalmente tem tamanho menor do que o motor CC. 9 Padronização de tamanhos, potências e características técnicas facilitam escolha do motor mais adequado para a aplicação, substituição de um motor danificado por outro em caso de falha, intercambiabilidade de peças entre motores, rebobinamento, uso de chaves de partidas convencionais (direta, estrela – triangulo, compensadora, soft-start, inversor de freqüência). Enquanto o motor CC só pode ser acionado por equipamento especializado. 10 Para variação de velocidade, o sistema CA (inversor de freqüência) permite economizar energia, produz menos harmônicos (quando vem 50 não há mais muita coisa a fazer. Mas também sabemos que o desenvolvimento, uma vez desencadeado, não pára. O que, hoje, faz parte da ficção científica, amanhã poderá ser realidade. 51 BIBLIOGRAFIA http://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_de_corrente_cont%C3%ADnua http://www.brasilescola.com/fisica/eletricidade-acionamento-motores- eletricos.htm http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9trico http://www.inf.ufsc.br/~lucia/Semestre2009-1/EletrotecnicaGeral/ http://www.youtube.com/watch?v=-HLACTF9YQg www.thomasglobal.com.br/products/10830-Motores_eletricos/ Eletrotécnica Geral – IX. 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