Motores Elétricos Síncronos e Assíncronos

Motores Elétricos Síncronos e Assíncronos

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1.0 - MOTORES DE CORRENTE ALTERNADA

Motor elétrico é uma máquina destinada a transformar energia elétrica em mecânica. É o mais usado de todos os tipos de motores, pois combinam as vantagens da 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:

Motores Elétricos e a sua Importância, o acionamento de máquinas e equipamentos mecânicos por motores elétricos é um assunto de extraordinária importância econômica. No campo de acionamentos industriais, avalia-se que de 70 a 80% da energia elétrica consumida pelo conjunto de todas as indústrias seja transformada em energia mecânica através de motores elétricos.

Figura - Organograma de Motores de Corrente Alternada

2.0 - MOTORES SÍNCRONOS

2.1- Princípio de Funcionamento:

Funciona com velocidade constante; utiliza-se de um induzido que possui um campo constante pré-definido e, com isso, aumenta a resposta ao processo de arraste criado pelo campo girante. É geralmente utilizado quando se necessita de velocidades estáveis sob a ação de cargas variáveis. Também pode ser utilizado quando se requer grande potência, com torque constante.

Ao operar o Motor síncrono, a energia elétrica é fornecida à máquina pela aplicação de tensões alternadas trifásicas aos terminais dos enrolamentos do estator, além disso, os enrolamentos de campo do rotor são alimentados por uma fonte de tensão contínua.

Como as tensões aplicadas aos enrolamentos do estator são alternadas e trifásicas, circulará nos mesmos, uma corrente alternada de mesma frequência que a tensão, essa corrente produzirá campos magnéticos também alternados que variam no tempo.Além disso, devido a disposição espacial dos enrolamentos no estator, esses campos magnéticos variantes no tempo também irão circular pelo estator, de forma que o campo magnético resultante irá rodar em torno da circunferência do estator com velocidade angular proporcional à frequência da tensão alternada aplicada nos enrolamentos.

Assim, quando um dos pólos do campo magnético gerado pelo enrolamento de campo do rotor interagir com o campo girante resultante do estator, tentará alinhar-se com o pólo de sinal oposto, e como o pólo do campo girante do estator está a girar, surgirá no rotor um binário de forças que gerarão um torque de forma que o rotor gire e mantenha os campos do enrolamento de campo do rotor e o campo girante do estator alinhados.

Com o surgimento do torque, o rotor girará seguindo o sentido e velocidade do campo girante do estator, logo, a velocidade angular do motor síncrono estará sincronizada com a frequência da tensão alternada aplicada aos enrolamentos do estator.

Este motor tem uma velocidade de rotação, denominada de velocidade de sincronismo, constante e rigorosamente definida pela frequência da corrente e pelo número de pólos, de conformidade com a seguinte expressão:

ns = ( 120 f / p )            

                                                                             

Sendo:

ns- velocidade síncrona (RPM); 

f- freqüência da corrente em Hz (no Brasil = 60); 

p- número de pólos (em geral 6 a 14).

A estrutura e o mecanismo de operação dos rotores síncronos são relativamente complicados e para o seu funcionamento há necessidade de uma fonte suplementar de energia em corrente contínua destinada à alimentação dos enrolamentos do rotor, visto que o estator recebe corrente alternada. Isto é obtido através de um pequeno gerador (espécie de dínamo) conhecido por excitatriz, acionado pelo mesmo eixo do motor. Também não possuem condições próprias de partida necessitando de equipamento auxiliar de partida até atingir a velocidade de sincronismo, em geral, pequenos motores de indução tipo gaiola.

Figura - Partes de Motores CA (Corrente Alternadas).

O campo prático de aplicação dos motores síncronos é o das grandes instalações, geralmente quando a potência das bombas ultrapassa de 500HP e as velocidades necessitam ser baixas (até 1800rpm) e constantes. Devido a sua maior eficiência, o dispêndio com a energia elétrica em grandes instalações, passa a ter significativo valor na economia global do sistema. O custo inicial, entretanto, é elevado e a fabricação ainda restrita em no país. São ainda citados como desvantagem dos síncronos controle relativamente difícil e sua sensibilidade às perturbações do sistema (excesso de carga, por exemplo) podendo provocar saídas do sincronismo que provocam paradas de funcionamento, acarretando prejuízos significativos.

Figura - Componentes

3.0 - MOTORES ASSÍNCRONOS

Motor assíncrono é um motor elétrico de corrente trifásica, cujo rotor não está excitado pelo estator e a velocidade de rotação não é proporcional à frequência da sua alimentação (a velocidade do rotor é menor que a do campo girante, devido ao escorregamento). O rotor assíncrono pode ser de dois tipos: Gaiola de esquilo; Bobinado.

3.1 - Princípios de Funcionamento

Quando os enrolamentos localizados nas cavas do estator são sujeitos a uma corrente alternada, gera-se um campo magnético no estator. Por conseqüência no rotor surge uma força eletromotriz induzida devido ao fluxo magnético variável que atravessa o rotor. Esta f.e.m. (força eletro-motriz) induzida dá origem a uma corrente induzida no rotor que tende a opor-se à causa que lhe deu origem, criando assim um movimento giratório no rotor.

O motor de indução converteu-se no tipo de motor mais usado na industria. Este fato deve-se à maioria dos sistemas atuais de distribuição de energia elétrica serem de corrente alternada. Comparando com o motor de corrente contínua, o motor de indução tem como vantagem a sua simplicidade, que se traduz em baixo custo e máxima eficácia com manutenção mínima. O rendimento é elevado para média e máxima carga, e pode-se assegurar um bom fator de potência com uma seleção correta. Esse estudo torna-se mais relevante, já que a maioria dos motores elétricos utilizados na indústrias são de motores de indução gaiola de esquilo.

3.2 - Constituição do Motor de Indução

O motor assíncrono é constituído basicamente pelos seguintes elementos: - um circuito magnético estático, constituído por chapas ferromagnéticas empilhadas e isoladas entre si, ao qual se dá o nome de estator; - por bobines (n. de grupos, consoante o motor monofásico ou polifásico) localizadas em cavas abertas no estator e alimentadas pela rede de corrente alternada; por um rotor constituído por um núcleo ferromagnético, também laminado, sobre o qual se encontra um enrolamento ou um conjunto de condutores paralelos, nos quais são induzidas correntes provocadas pela corrente alternada das bobinas do estator.

O rotor é apoiado num veio, que por sua vez transmite à carga a energia mecânica produzida. O entreferro (distância entre o rotor e o estator) é bastante reduzido, de forma a reduzir a corrente em vazio e, portanto as perdas, mas também para aumentar o fator de potência em vazio.

Como exemplo apresentamos a "projeção" dos diversos elementos o motor assíncrono de rotor em gaiola de esquilo.

Figura - Motor Assíncrono gaiola de esquilo.

3.3 - Funcionamentos de um Motor Assíncrono

A partir do momento que os enrolamentos localizados nas cavas do estator são sujeitos a uma corrente alternada, gera-se um campo magnético no estator, conseqüentemente, no rotor surge uma força eletromotriz induzida devido ao fluxo magnético variável que atravessa o rotor. A f.e.m. induzida dá origem a uma corrente induzida no rotor que tende a opor-se à causa que lhe deu origem, criando assim um movimento giratório no rotor. Como podemos constatar o princípio de funcionamento do motor de indução baseia-se em duas leis do Eletromagnetismo, a Lei de Lenz e a Lei de Faraday.

Faraday: "Sempre que através da superfície abraçada por um circuito tiver lugar uma variação de fluxo, gera-se nesse circuito uma força eletromotriz induzida. Se o circuito é fechado será percorrido por uma corrente induzida".

Lenz: "O sentido da corrente induzida é tal que esta pelas suas ações magnéticas tende sempre a opor-se à causa que lhe deu origem".

O motor elétrico transforma a potência elétrica fornecida em potência mecânica e uma reduzida percentagem em perdas.As perdas, que são inerentes ao processo de transformação, são quantificadas através do rendimento (mais à frente analisamos melhor os vários tipos de perdas nos motores).

A Potência Mecânica traduz-se basicamente, no Binário que o motor gera no veio do rotor. O Binário é conseqüência direta do efeito originado pela indução magnética do estator em interação com a do rotor.

T = K . Best . Brot. sen a

T - Binário

K - Constante

Best - Indução magnética criada pelo estator

Brot - Indução magnética criada pelo rotor

a - ângulo entre Best e Brot

A velocidade de um motor de indução é essencialmente determinada pela freqüência da energia fornecida ao motor e pelo numero de pares de pólos existentes no estator. No motor assíncrono ou de indução o campo girante roda a velocidade síncrona, como nos motores síncronos. A velocidade do campo girante obtém-se pela seguinte expressão:

Vg - velocidade do campo girante

f - freqüência

n - numero de pares de pólos

Uma característica fundamental dos motores de indução é o escorregamento, daí tratarem-se de motores assíncronos, o seu valor é dado pela seguinte expressão:

s – escorregamento.

n - velocidade do eixo do motor (RPM).

ns- velocidade síncrona (RPM).

A velocidade sofre um ligeiro decréscimo quando o motor passa de um funcionamento em vazio (sem carga) para um funcionamento em carga máxima. O motor assíncrono tem atualmente uma aplicação muito grande tanto na industria como em utilizações domésticas, dada a sua grande robustez, baixo preço, arranque fácil (pode mesmo ser direto, em motores de baixa potência). Não possui coletor (órgão delicado e caro) tratando-se de uma gaiola de esquilo; não produz faíscas e tem, portanto uma manutenção muito mais reduzida do que qualquer outro motor. É utilizado o motor monofásico para baixas potências (até 1 a 2 Kw) e o polifásico para potências superiores.

Há que destacar que o motor de indução ideal está numa faixa de velocidade entre 900 e 1800rpm, e com potências inferiores a alguns milhares de KW. Associados aos conversores eletrônicos de tensão e freqüência variáveis (variadores eletrônicos de velocidade), os motores de indução tendem a assumir um papel quase que exclusivo nos acionamentos elétricos.

As perdas que ocorrem num motor dividem-se em quatro diferentes tipos:

- Perdas elétricas

- Perdas magnéticas

- Perdas mecânicas

- Perdas parasitas

- As perdas elétricas são do tipo { RI2}, aumentam acentuadamente com a carga aplicada ao motor. Estas perdas, por efeito de Joule podem ser reduzidas, aumentando a secção do estator e dos condutores do rotor.

- As perdas magnéticas ocorrem nas lâminas de ferro do estator e do rotor. Ocorrem devido ao efeito de histerese e às correntes induzidas (neste caso, correntes de Foucault), e variam com a densidade do fluxo e a freqüência. Podem ser reduzidas através do aumento da secção do ferro no estator e rotor, através do uso de lâminas delgadas e do melhoramento dos materiais magnéticos.

- As perdas mecânicas são devido à fricção dos procedimentos, ventilação e perdas devido à oposição do ar. Podem ser reduzidas, usando procedimentos com baixa fricção e com o aperfeiçoamento do sistema de ventilação. - As perdas parasitas (stray losses) ou perdas extraviadas são devidas a fugas do fluxo, distribuição de corrente não uniforme, imperfeições mecânicas nas aberturas para escoamento do ar, e irregularidades na densidade do fluxo do ar ao ser escoado pelas aberturas. Podem ser reduzidas através da otimização do projeto do motor e ainda de uma produção ou fabrico cuidadoso.

Apresentamos seguidamente a distribuição das perdas no motor, as perdas parasitas não são representadas por terem um valor insignificante.

3.4 - Motores de Indução Monofásicos

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