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Seleção e Aplicação de Motores de Indução Standard e de Alto Rendimento

1. Introdução

Nesta apostila são abordados os principais aspectos relacionados com a seleção e aplicação de motores de indução incluindo motores de alto rendimento. Inicialmente são apresentados e discutidos as características da carga e dos motores que determinam sua a escolha. Em seguida são apresentados e discutidos critérios técnicos que são determinantes para a correta seleção de motores.

A seleção do motor para uma determinada aplicação determina o seu custo inicial e também o seu custo de operação. O emprego de um motor de potência insuficiente pode acarretar um funcionamento inadequado do sistema a ele acoplado resultando numa baixa produtividade. Também pode resultar em avarias prematuras no motor. Por outro lado, um motor de potência acima da necessária, além de um custo inicial maior, resultará num baixo rendimento, baixo fator de potência e vida útil reduzida. Todas estas conseqüências são indesejáveis do ponto de vista econômico e técnico. Num contexto mais amplo, a correta aplicação e seleção de motores assume grande importância na atualidade devido ao crescente custo e escassez de energia que se verifica não apenas no Brasil, mas também em outros países. Conforme mostram as estatísticas, cerca de 60-70% de toda a energia elétrica produzida é convertida em energia mecânica por meio de motores elétricos. Em setores industriais este percentual chega a 80% e em setores comerciais a 50%. Medidas de redução de consumo, quer sejam elas restritas ao âmbito industrial, quer sejam elas de maior alcance passam necessariamente pela redução do consumo de motores elétricos, o qual pode ter um valor significativo considerando-se a sua vida útil (15 a 20 anos). Conforme será visto, para cada aplicação existe uma infinidade de opções de motores que variam em termos de características, custos de aquisição, custos de operação e tecnologia de fabricação. A correta análise de cada uma destas alternativas exige um conhecimento bastante sólido do princípio de operação dos motores elétricos e dos principais fatores que influenciam o seu desempenho. Deve-se salientar que em geral a correta seleção do motor é sempre uma excelente forma de reduzir custos operacionais. Não é apenas o tipo de motor que determinará os custos de operação, mas também as suas características e nível de carregamento. Mesmo um motor de alta eficiência poderá acarretar custos maiores que um standard, caso a sua escolha não for feita dentro de critérios técnicos e econômicos.

Sendo o motor de indução o mais empregado na atualidade, a presente apostila será restrita a este tipo de motor. Contudo, muitas das características e considerações apresentadas também se aplicam a outros tipos de motores.

2. Principais Características dos Motores de Indução

As principais características dos motores de indução são apresentadas e discutidas na seqüência. Para a correta escolha do motor, torna-se imperativo o correto entendimento de cada uma delas. Também é interessante citar que muitas das características são estabelecidas em normas nacionais (NBR7094) e internacionais (NEMA, CSA, IEC 34, VDE 530, etc), outras são atribuídas pelo fabricante em função dos materiais, critérios e da tecnologia empregada na fabricação do motor.

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2.1 Potência Nominal

É a potência mecânica máxima que o motor pode fornecer no seu eixo em regime de trabalho normal e sob condições nominais. Trata-se, portanto, da potência de saída do motor, a qual está especificada na placa de identificação. Na prática utilizam-se as unidades de cv, HP e W e seus múltiplos. A norma brasileira, recomenda o uso do watt como unidade de potência, sendo também aceito o cv. Em geral esta potência referese ao regime de trabalho contínuo, ou seja de forma ininterrupta.

2.2 Fator de Serviço

O fator de serviço representa uma reserva de potência que o motor possui e que pode ser usada em regime contínuo (este tipo de regime é também chamado de regime S1, de acordo com as normas nacionais e internacionais). A potência que pode ser obtida do motor é assim a potência nominal (indicada na placa) multiplicada pelo fator de serviço. Um motor de potência de 5 kW e com fator de serviço de 1.15 pode trabalhar continuamente com 75.515.15=⋅ kW em regime contínuo. Quando não for indicado um fator de serviço, significa que o motor não possui reserva de potência. Quando a potência efetivamente utilizada corresponde à nominal multiplicada pelo fator de serviço deve-se admitir uma elevação de temperatura de 100 C além do limite de temperatura da classe de isolação do motor. De acordo com as normas, quando o fator de serviço for utilizado, pode também haver alterações em algumas das características do motor, tais como o fator de potência e o rendimento. Contudo, o torque de partida, o torque máximo e a corrente de partida não devem sofre alterações.

O fator de serviço não deve ser confundido com a sobrecarga momentânea do motor, a qual vale por curtos períodos de tempo. De acordo com a norma brasileira, motores de aplicação geral devem suportar uma sobrecarga de torque de 60% da acima do nominal por 15 segundos. Mesmo motores sem indicação de fator de serviço (fator de serviço 1.0, portanto) possuem uma determinada capacidade de sobrecarga por tempo limitado. Muitos fabricantes fornecem a curva de sobrecarga do motor, a qual serve também como referência para o ajuste dos dispositivos de proteção do motor.

0,95 “B”

1,05 1,021,03

0,95 0,90

0,98 “A”

TENSÃO ( p.u. )

FREQUÊNCIA ( p.u. )

ZONA “ B ”ZONA “ B ”0,95 “B”

1,05 1,021,03

0,95 0,90

0,98 “A”

TENSÃO ( p.u. )

FREQUÊNCIA ( p.u. ) figura 1 - Zonas de Operação do Motor de Indução

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2.3 Tensão Nominal

É a tensão de trabalho do motor em condições normais, não deve ser excedida sob períodos prolongados de tempo sob risco de avariar o motor; é a tensão de projeto do motor. Pela norma brasileira NBR 7094 antiga, todo o motor deve ser capaz de funcionar satisfatoriamente quando alimentado tanto com tensão 10% abaixo como 10% acima da tensão nominal, desde que a freqüência seja a nominal. A nova norma NBR 7094 estabelece uma nova sistemática para a operação do motor sob freqüência e tensão com desvios em relação aos valores nominais. A combinação das variações de freqüência e tensão são enquadradas em duas zonas: A e B, conforme mostra a figura 1. O motor deve ser capaz de operar continuamente na zona A apresentando, contudo alguns desvios nas características nominais. A elevação de temperatura pode também ser superior àquela que ocorreria em operação normal. Na zona B, o motor também deve ser apto a funcionar por tempo limitado, apresentando, no entanto, desvios superiores àqueles da zona A e com elevação de temperatura também maior. Em ambas as zonas de operação, no entanto, o motor deve ser capaz de fornecer o seu torque nominal.

Os motores são em geral fabricados para operação numa temperatura ambiente máxima de 40 graus centígrados e uma altitude máxima de 1000 acima do nível do mar. Fora destas condições existem alterações nas características nominais, especialmente a potência nominal que deverá reduzida.

2.4 Corrente Nominal

É a corrente que o motor solicita da rede sob tensão, freqüência e potência nominais. O valor da corrente depende do rendimento e do fator de potência do motor sendo dado pela seguinte relação:

PI m s

= (A) - motor trifásico (1)

15 Corrente do Estator (A)

Velocidade Mecânica (%) Corrente (A)

figura 2 - Variação da Corrente do Estator em Função da Velocidade

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PI m s

= (A) - motor monofásico (2)

Pm- potência mecânica fornecida no eixo, potência de projeto, indicada no catálogo do fabricante e na placa do motor (cv, HP ou watts). Caso a potência seja indicada em cv deve-se convertê-la usando-se a relação: 1 cv = 736 watts, 1HP = 746 watts.

η - rendimento em %; cos()ϕ - fator de potência nominal.

A variação da corrente em função da velocidade do motor (rotação) expressa em percentual da velocidade síncrona é mostrada na figura 2. Pode-se observar que durante o período de partida o motor solicita uma corrente acima da nominal, provocando no mesmo um aquecimento adicional, motivo pelo qual o tempo para a partida não deve ultrapassar o limite estabelecido pelo fabricante. Além disso, a corrente elevada causa quedas de tensão na rede de alimentação e dispositivos de manobra e proteção. Os efeitos da partida do motor devem, assim ser levados em conta no projeto da instalação onde o motor se encontra. A corrente de partida de um motor de indução é em geral de 5 a 8 vezes a corrente nominal.

De acordo com a norma brasileira (NBR 7094), motores com potência menor ou inferior a 315 kW e com tensão menor que 1000 volts devem estar aptos a suportar uma sobrecorrente de 50% acima da nominal por 2 minutos. Esta característica visa também a coordenação dos dispositivos de proteção do motor.

2.5 Freqüência Nominal

É a freqüência da rede de alimentação do motor, expressa em Hz, no Brasil a freqüência padronizada é de 60 Hz. Deve-se salientar que é possível utilizar-se um motor de 50 Hz na freqüência de 60 Hz, contudo as características de partida e de funcionamento serão alteradas, havendo em geral uma alteração na potência nominal. Quando isto for necessário é aconselhável uma consulta ao catálogo do fabricante. O desvio aceitável da freqüência da rede em relação ao valor nominal está dado na figura 1, sendo também caracterizado por duas zonas de operação.

2.6 Escorregamento Nominal

É o escorregamento para a condição de plena carga do motor, correspondendo ao torque nominal. O escorregamento nominal depende da categoria do motor. Motores com escorregamento até 5% são considerados de escorregamento normal; acima deste valor classifica-se o motor como sendo de alto escorregamento. Altos escorregamentos estão relacionados com perdas elevadas nos enrolamentos do rotor. O escorregamento representa a diferença em percentual entre a velocidade mecânica no eixo e a velocidade síncrona.

2.7 Torque Nominal

É o torque fornecido pelo motor no seu eixo sob tensão e corrente nominais. A figura 3 mostra uma curva típica de variação do torque em função da velocidade do rotor, expressa em percentual da velocidade síncrona. Além do torque nominal (Tn na figura 4), também são importantes o torque máximo (Tmax), o torque de partida (Tp) e o torque mínimo (Tmin), todos mostrados na figura 4. O conjugado máximo exige correntes superiores à corrente nominal e por isso não pode ser fornecido

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continuamente pelo motor, ele visa suprir eventuais picos de carga. Desta forma, todo motor de indução possui capacidade de fornecer um torque acima do nominal por breves períodos de tempo. De acordo com a norma, o motor deve poder fornecer 60% acima do torque nominal por 15 segundos.

Deve-se salientar que a norma brasileira estabelece categorias de motores: N, H, D, NY e HY. Cada categoria estabelece uma determinada forma da curva de torque versus velocidade. A escolha da categoria do motor é feita tendo em vista o tipo da carga acionada. Os valores de catálogo em geral referem-se a motores de categoria normal, designados como N.

Em relação ao torque de partida, é importante salientar que este deve ser maior que torque de partida da carga, a fim de que o motor possa acelerar e atingir a velocidade nominal. Igualmente importante é o torque máximo, o qual determina qual a sobrecarga que o motor pode suportar por tempo limitado.

2.8 Velocidade Nominal

É a velocidade (rpm) do motor funcionando à potência nominal, sob tensão e freqüência nominais. A velocidade mecânica depende do escorregamento, do número de pólos e da freqüência da rede de alimentação. A velocidade do motor de indução varia muito pouco entre a condição de vazio e plena carga, tipicamente em torno de 5% e em motores de alto escorregamento até 10%. Desta forma, o motor de indução alimentado a partir da rede da concessionária não é muito adequado onde se exige velocidade variável. Uma vez que a velocidade do motor depende da freqüência e do número de pólos, existe um número limitado de velocidades para os motores de indução alimentados diretamente da rede. No entanto, quando alimentado por meio de um conversor estático, a variação de velocidade é possível numa faixa bastante ampla. Existem motores que podem ser operados em 2 ou mais velocidades a partir da reconexão dos seus enrolamentos, como por exemplo o motor conhecido como Dahlander. Este tipo de motor apresenta em geral um grau de aproveitamento do material ativo menor em relação a motores standard. Em virtude dos custos decrescente com dispositivos de controle de velocidade a base de semicondutores, este tipo de motores tendem a caírem em desuso sendo a sua utilização justificável apenas em casos isolados.

TminTp T(ω)

Tmax Tn ωn carga figura 3 - Torques Típicos do Motor de Indução

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De acordo com a norma os motores de indução devem suportar uma sobrevelocidade de 20% por 2 minutos sem que isso acarrete problemas mecânicos ao rotor.

2.9 Rendimento Nominal

É o rendimento que o motor apresenta sob carga, tensão, freqüência e condições de ambiente nominais. O rendimento nominal é especificado pelo fabricante e depende do projeto e da tecnologia empregada na fabricação do motor. Deve-se salientar que o rendimento varia com a carga aplicada no eixo conforme mostra a curva típica na figura 5. O rendimento representa a relação em percentual entre a potência elétrica fornecida pela rede e a potência mecânica fornecida no eixo.

P PPme epe 100100 (3) η - rendimento em percentual Pm - potência mecânica (útil) no eixo (watt)

ηηηη((((%%%%))))

figura 5 - Curva Típica do Fator de Potência versus Carga

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Pe - potência elétrica de entrada (watt) pP - somatório das perdas (watt).

A curva típica mostra que o motor obtém o maior rendimento dentro da faixa de operação que vai de 75% a 100% da carga nominal. O mesmo vale para o fator de potência. Desta forma deve-se evitar, sempre que possível, deixar o motor funcionando sob carga muito inferior à sua potência nominal, uma vez que isto acarreta um baixo rendimento e um baixo fator de potência, ambos indesejados, uma vez que significa custos operacionais e de aquisição do motor maiores que o necessário. Além disso, um motor com baixo fator de potência contribui para que o fator de potência global da instalação seja baixo, eventualmente acarretando multas e/ou operação ineficiente da instalação. Existem dispositivos eletrônicos chamados de Controladores de Fator de Potência que podem ser acoplados ao motor a fim de melhorar o seu fator de potência.

O rendimento máximo que cada motor apresenta depende dos materiais utilizados na sua fabricação e das dimensões do mesmo. Em geral, o rendimento aumenta com as dimensões e a potência do motor, chegando a valores em torno de 98% para grandes motores (acima de 500 CV). Motores monofásicos de baixa potência apresentam rendimentos baixos, podendo chegar a 50%. Existem atualmente motores com rendimento acima do normal, chamados de motores de alto rendimento, que são mais caros que os normais em cerca de 30%. A economia de energia proporcionada permite que o custo adicional retorne num tempo muito menor que a sua vida útil. O seu uso requer, todavia, um estudo técnico-econômico.

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