Maquinas - eletricas, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

Baixe Maquinas - eletricas e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! MÁQUINAS ELÉTRICAS CENTRO DE FORMAÇÃO PROFISSIONAL PEDRO MARTINS GUERRA Itabira 2004 Presidente da FIEMG Robson Braga de Andrade Gestor do SENAI Petrônio Machado Zica Diretor Regional do SENAI e Superintendente de Conhecimento e Tecnologia Alexandre Magno Leão dos Santos Gerente de Educação e Tecnologia Edmar Fernando de Alcântara Elaboração/Organização Eugênio Sérgio de Macedo Andrade Unidade Operacional Centro de Formação Profissional Pedro Martins Guerra Elétrica ____________________________________________________________ Apresentação “Muda a forma de trabalhar, agir, sentir, pensar na chamada sociedade do conhecimento. “ Peter Drucker O ingresso na sociedade da informação exige mudanças profundas em todos os perfis profissionais, especialmente naqueles diretamente envolvidos na produção, coleta, disseminação e uso da informação. O SENAI, maior rede privada de educação profissional do país,sabe disso , e ,consciente do seu papel formativo , educa o trabalhador sob a égide do conceito da competência:” formar o profissional com responsabilidade no processo produtivo, com iniciativa na resolução de problemas, com conhecimentos técnicos aprofundados, flexibilidade e criatividade, empreendedorismo e consciência da necessidade de educação continuada.” Vivemos numa sociedade da informação. O conhecimento , na sua área tecnológica, amplia-se e se multiplica a cada dia. Uma constante atualização se faz necessária. Para o SENAI, cuidar do seu acervo bibliográfico, da sua infovia, da conexão de suas escolas à rede mundial de informações – internet- é tão importante quanto zelar pela produção de material didático. Isto porque, nos embates diários,instrutores e alunos , nas diversas oficinas e laboratórios do SENAI, fazem com que as informações, contidas nos materiais didáticos, tomem sentido e se concretizem em múltiplos conhecimentos. O SENAI deseja , por meio dos diversos materiais didáticos, aguçar a sua curiosidade, responder às suas demandas de informações e construir links entre os diversos conhecimentos, tão importantes para sua formação continuada ! Gerência de Educação e Tecnologia ____________________________________________________________ 5/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico 110 V CA T R A N S F O R M A D O R 220 V CA 220 VCA T R A N S F O R M A D O R 110 V CA Elétrica ____________________________________________________________ 1. TRANSFORMADORES O transformador é um dispositivo que permite elevar ou abaixar os valores de tensão ou corrente em um circuito de CA. Figura 1.1 A grande maioria dos equipamentos eletrônicos emprega transformadores, seja como elevador ou abaixador de tensões. Figura 1.2 Quando uma bobina é conectada a uma fonte de CA surge um campo magnético variável ao seu redor. Figura 1.3 – Campo magnético variável Aproximando-se outra bobina à primeira, o campo magnético variável gerado na primeira bobina “corta” as espiras da segunda bobina. Figura 1.4 ____________________________________________________________ 6/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico 220V 2A 110V 4A 110V 4A 220V 1A Elétrica ____________________________________________________________ Como conseqüência da variação de campo magnético sobre suas espiras surge, na segunda bobina, uma tensão induzida. Figura 1.5 A bobina na qual se aplica a tensão CA é denominada de primário do transformador e a bobina onde surge a tensão induzida é denominada de secundário do transformador. Figura 1.6 É importante observar que as bobinas primária e secundária são eletricamente isoladas entre si. A transferência de energia de uma para outra se dá exclusivamente através das linhas de força magnética. A tensão induzida no secundário de um transformador é proporcional ao número de linhas magnéticas que corta a bobina secundária. Por esta razão, o primário e o secundário de um transformador são montados sobre um núcleo de material ferromagnético. Figura 1.7 O núcleo diminui a dispersão do campo magnético, fazendo com que o secundário seja cortado pelo maior número de linhas magnéticas possível, obtendo uma melhor transferência de energia entre primário e secundário. As figuras abaixo ilustram o efeito provocado pela colocação do núcleo no transformador. ____________________________________________________________ 7/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ VS NS = VP NP Matematicamente pode-se escrever que, para o transformador usado como exemplo: VS = 0,5 VP onde VS = tensão no secundário. VP = tensão no primário. O resultado desta relação (VS/VP) é denominado de relação de transformação. VS = Relação de Transformação VP A relação de transformação expressa a relação entre a tensão aplicada ao primário e a tensão induzida no secundário. Um transformador pode ser construído de forma a ter qualquer relação de transformação de que se necessite. Por exemplo: Relação de Transformador Tensões 3 VS = 3 x VP 5,2 VS = 5,2 x VP 0,3 VS = 0,3 x VP Tabela 1.1 Os transformadores isoladores são muito utilizados em laboratórios de eletrônica para que a tensão presente nas bancadas seja eletricamente isolada da rede. 1.2 RELAÇÃO DE POTÊNCIA EM TRANSFORMADORES O transformador é um dispositivo que permite modificar os valores de tensão e corrente em um circuito de CA. Em realidade o transformador recebe uma quantidade de energia elétrica no primário, transforma em campo magnético e converte novamente em energia elétrica disponível no secundário. ____________________________________________________________ 10/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ Figura 1.14 A quantidade de potência absorvida da rede elétrica pelo primário do transformador é denominada de potência do primário, representada pela notação PP . Admitindo-se que não existam perdas por aquecimento do núcleo, pode-se concluir que toda a potência absorvida no primário está disponível no secundário. Potência Disponível no Secundário = Potência Absorvida no Primário A potência disponível no secundário é denominada de potência do secundário PS. Se não existem perdas, pode-se afirmar: PS = PP A potência do primário depende da tensão aplicada e da corrente absorvida da rede: Potência do Primário ⇒ PP = VP x IP A potência do secundário é produto da tensão e corrente no secundário: Potência do Secundário ⇒ PS = VS x IS Considerando o transformador como ideal pode-se, então escrever: PS =PP VS x IS = VP x IP ⇐ Relação de potências no transformador Esta equação permite que se determine um valor do transformador se os outros três forem conhecidos. Exemplo 1) Um transformador abaixador de 110 V para 6 V deverá alimentar no seu secundário uma carga que absorve uma corrente de 4,5 A . Qual será a corrente no primário? ____________________________________________________________ 11/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ 1.3 DIAGRAMA FASORIAL Figura 1.15 – Relações fasoriais no transformador ideal 1.4 FUNCIONAMENTO DE UM TRANSFORMADOR A VAZIO E COM CARGA Figura 1.16 – A vazio ____________________________________________________________ 12/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ Esse sistema é mais econômico, pois facilita os serviços de manutenção, reparação e aumento de capacidade do banco de transformadores. A ligação inicial de dois transformadores monofásicos em triângulo aberto permite que um terceiro transformador seja acrescentado quando houver um aumento de carga. 2.1 TIPOS DE LIGAÇÃO DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS As ligações internas entre as três fases do transformador trifásico podem ser feitas de duas maneiras: − ligação em estrela (y); − ligação em triângulo (∆). Tudo o que já foi estudado sobre as ligações em estrela e em triângulo vale também para os transformadores trifásicos. Figura 2.2 - Representações esquemáticas possíveis para esses tipos de ligação As ligações em estrela e em triângulo são executadas tanto no primário quanto no secundário do transformador. Nos diagramas, as letras H e X representam, respectivamente, o primário e o secundário, enquanto as extremidades dos enrolamentos são identificadas por números. ____________________________________________________________ 15/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ Figura 2.3 As ligações do primário e do secundário podem ser combinadas de várias formas: − em estrela no primário e em estrela no secundário; − em triângulo no primário e em triângulo no secundário; − em estrela no primário e em triângulo no secundário e vice-versa. Figura 2.4 – Esquemas dos tipos de combinações Figura 2.5 - Quando é necessário equilibrar as cargas entre as fases do secundário, emprega-se a ligação em ziguezague Se, por exemplo, a fase 1 do secundário estiver recebendo mais carga, esse desequilíbrio será compensado pela indução das duas colunas onde a fase 1 está distribuída. ____________________________________________________________ 16/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ Para que as combinações de ligações sejam realizadas, os transformadores são divididos em dois grupos: − grupo A: quando a tensão do secundário está em fase com a tensão do primário; − grupo B: quando a tensão do secundário está defasada em 30º. Dois transformadores de um pequeno grupo podem ser ligados em paralelo, desde que exista entre eles correspondência de tensão e impedância. Transformadores de grupos diferentes não podem ser ligados em paralelo. Na tabela abaixo são representadas as interligações dos enrolamentos, a relação de transformação e os tipos de ligação que podem ser feitos com os transformadores do grupo A . TIPOS DE LIGAÇÃO DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS DO GRUPO A Símbolo e denominação Diagrama Enrolamento de mais alta tensão Enrolamento de mais baixa tensão Relação de transformação (tensão entre fases) ∆/∆ Triângulo-triângulo NX’ EX = . EH NH Y/Y Estrela-estrela NX EX = . EH NH ∆/ Triângulo-ziguezague NX . EH . √3 EX = 2NH Tabela 2.1 Para verificar se as ligações estão corretas, alimenta-se o transformador pelos lides ou terminais de tensão mais elevada com uma fonte de corrente trifásica apropriada. Em seguida, ligam-se os terminais H1 e X1 entre si (curto –circuito). ____________________________________________________________ 17/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ Circuito Equivalente do Material Isolante Figura 2.8 O isolante na prática é constituído por pequenos capacitores ligados em paralelo com resistores elementares , conforme figura acima , que é uma representação geral e simplificada . No caso de um isolante perfeito , temos If = 0 A It = ic R = infinito Instante t segundos If = 0 A Ic = 0 A No caso de um isolante não perfeito ,temos If diferente de 0 A It = ic + if R de valor mensurável Instante t segundos If diferente de 0 A Ic = 0 A It = if Em ambos os casos , ic é considerado corrente de carga dos capacitores elementares e se anula após algum tempo que a chave ch for fechada. Medidas de Isolamento a) Resistência de isolamento :consiste em se medir o valor de R no circuito equivalente . O material isolante em bom estado tem R elevado e if tendendo a 0A b) Perdas dielétricas : se aplicarmos uma fonte de tensão C.A. ao isolante conforme circuito equivalente teremos o diagrama fasorial abaixo : ____________________________________________________________ 20/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico C R it ch Elétrica ____________________________________________________________ Podemos avaliar o estado do isolante através do ângulo δ,chamado de ângulo de perdas Figura 2.9 Com efeito , cos ( θ ) = if . It Para um isolante em bom estado , if 0 A e cós(θ) 0 ou θ = 90° O cosseno chama-se fator de potência do isolamento . Alguns autores citam a medida através da tangente do ângulo δ que será : tg(δ) = if . ic Nos isolantes práticos δ 90° e it = ic . então tg ( δ ) = cós ( θ ) . Um material mais isolante que o vácuo , tem capacitância cujo valor será menor que a do vácuo . Se C < C0 , então k ∠ 1, enquanto que, se o material for menos isolante que o vácuo, teremos C > C0 , e k >1. Classificação dos Materiais Isolantes Modernamente , faz-se a classificação de modo a orientar o usuário para o emprego adequado de um isolante . Como se sabe a temperatura aumenta a mobilidade molecular , degradando o isolante. Sendo assim, as características dielétricas em si , não são suficientes para a escolha do material isolante , valendo mais para a escolha , as condições de temperatura sob as quais o material vai trabalhar. Assim sendo , não se deve isolar um fio em algodão para trabalhar dentro de uma estufa , e assim a ASA classificou os isolantes segundo as temperaturas máximas de trabalho , onde presume-se que o isolante não perde suas características dielétricas . Esta classificação baseia-se em duas temperaturas notáveis e que são : a) Ponto de Fulgor É a temperatura na qual um material começa a emanar vapores e sob chama externa pode inflamar-se. b) Ponto de Ignição É a temperatura na qual espontaneamente sem presença de chama externa, o material se inflama. ____________________________________________________________ 21/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico θ ic if it δ Elétrica ____________________________________________________________ Deve-se então tomar o cuidado de se utilizar materiais que não atinjam as respectivas temperaturas . c) Constante Dielétrica É uma grandeza que relaciona as capacitâncias de um isolante em relação à capacitância do vácuo (permissividade). K = C . C0 d) Rigidez Dielétrica Suponha a figura a seguir , onde se tenha um isolante de espessura `d` sobre o qual se aplica um potencial proveniente de uma fonte de tensão. d Figura 2.9 Para valores pequenos de tensão não há corrente através do isolante , porém se a tensão for aumentada , existirá um instante em que flui uma corrente através do isolante , ocorrendo a perfuração do mesmo . Esta tensão que provoca a perfuração é denominada tensão desruptiva ou de descarga e sua medida é em kV/cm ou kV/mm. Para isolantes sólidos utiliza-se o megohmetro para avaliar a resistência elétrica do isolamento . A ocorrência da umidade influencia na medição de isolação . Agora , falaremos sobre o assunto proposto que é analise de óleo e umidade nos transformadores . Para o resfriamento das partes elétricas e magnéticas de transformadores de distribuição de energia elétrica utiliza-se o óleo mineral , cujas principais características devem obedecer a critérios normalizados e aprovados . A rigidez dielétrica que é medida com eletrodos distanciados a 2,5mm deve ser de 30kV (ABNT –MB 330). A cor característica é o amarelo limão. O ponto de fulgor aproximado de 130°C. O fator de potência máximo de 0,1%. ____________________________________________________________ 22/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ Temperatura de serviço(°C) Vida útil do óleo isolante 60 70 80 90 100 110 20 anos 10 anos 6 anos 2,5 anos 1,25 anos 7 meses Tabela 2.3 Número de neutralização (NN) e tensão interfacial (TIF) A experiência de campo ,durante quinze anos ,indica que os valores abaixo tabelados podem ser atingidos: Tempo de serviço (anos) NN(máximo) (mgKOH/g TIF (mínima) (dina/cm) De 1 a 5 De 6 a 10 0,05 0,06 35 30 - 35 Tabela 2.4 Assim que o valor de NN chegar a 0,10 mgKOH/g ou a TIF cair para 30 dina/cm,é recomendável que o óleo seja submetido a tratamento. O intervalo de tempo recomendável entre a realização de testes do óleo do transformador depende da temperatura do óleo da parte superior do tanque do transformador em serviço contínuo. Os testes recomendáveis do óleo são: rigidez dielétrica ,número de neutralização (NN) ,tensão interfacial (TIF) , cor , teor de água em ppm, densidade, aspecto, sedimento e fator de potência , que são referidos conforme a temperatura do óleo na parte superior do tanque , conforme tabela abaixo: Temperatura contínua do óleo isolante do topo do tanque (°C) 60 a 70 70 a 80 80 a 90 90 a 100 intervalos anual 6 meses 4 meses mensalmente Tabela 2.5 2.3 RESFRIAMENTO DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS Os transformadores, quando em funcionamento, apresentam uma pequena perda que também se manifesta sob a forma de calor. Assim, quanto maior a potência consumida, maior é a geração de calor dentro do transformador. Como a temperatura elevada traz danos irreparáveis ao funcionamento do transformador, deve-se mantê-la dentro de limites seguros. Segundo a norma da ABNT (EB91), existem dois tipos de resfriamento: − a seco; ____________________________________________________________ 25/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ − com líquido isolante. Transformador Com Resfriamento Seco Segundo a norma EB91, “transformador a seco é o transformador cujos núcleos e enrolamento estão envoltos e refrigerados pelo ar do ambiente” . Dentro desse grupo estão todos os pequenos transformadores e os de baixa potência nos quais a troca de calor é feita com o ar. Para os transformadores desse grupo que necessitarem de maior refrigeração, usam-se ventiladores que forçam a circulação do ar. Isso acontece em aparelhos eletrônicos como os microcomputadores, por exemplo. Transformador Em Líquido Isolante De acordo com a norma EB91, transformador em líquido isolante “é o transformador cujos núcleo e enrolamento são imersos em líquido isolante”. Esse líquido isolante exerce duas funções: isolação e resfriamento, pois transfere para as paredes do tanque o calor produzido. Para cumprir essas funções, o óleo refrigerante deve possuir: − elevada rigidez dielétrica; − boa fluidez; − capacidade de funcionamento em temperaturas elevadas. O líquido isolante que possui essa característica é o óleo mineral. Observação: Existe também um óleo chamado de ascarel, mas seu uso é proibido por ser altamente tóxico e, portanto, prejudicial à saúde. Os transformadores que necessitam desse tipo de resfriamento são os trifásicos de grande potência, usados na rede de distribuição de energia elétrica. 2.4 CARACTERÍSTICAS DOS TRANSFORMADORES Os transformadores, em geral, apresentam perdas de potência, quando estão em funcionamento. Essas perdas podem ser por efeito Joule (calor) e perdas no ferro. Além dessa característica, estudaremos o rendimento e a impedância percentual dos transformadores monofásicos e trifásicos. Perdas Por Efeito Joule ____________________________________________________________ 26/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ As perdas por efeito Joule ocorrem em forma de calor, devido à resistência ôhmica dos enrolamentos; elas são chamadas de perdas no cobre. Outras perdas são conhecidas como: perdas do núcleo que ocorrem pelo efeito da histerese magnética, e perdas adicionais devidas às correntes parasitas (ou correntes de Foucault). As perdas no cobre dos transformadores monofásicos são calculadas através da fórmula: PCu = R1 . I21 + R2 . I 22 onde: Pcu corresponde às perdas no cobre em Watts; R1 é a resistência ôhmica do enrolamento primário, medida na temperatura de trabalho (75ºC); I1 é a corrente primária em plena carga; R2 é a resistência ôhmica do enrolamento secundário, medida na temperatura de trabalho (75ºC); I2 é a corrente secundária em plena carga. Pode-se observar, através da fórmula, que as perdas no cobre sofrem dois tipos de variação, ou seja: − através da variação da carga do transformador, pois, variando a carga, variam também as correntes primárias I1 e correntes secundárias I2 ; − através da variação de temperatura de trabalho do transformador, variam também as resistências ôhmicas dos enrolamentos primários R1 e R2 . Para o cálculo de perda nos transformadores trifásicos, a fórmula é: PCu = 3 (R1 . IF21 + R22 . IF2 ) Rendimento Você já estudou que o enrolamento primário absorve potência elétrica, enquanto o enrolamento secundário fornece potência elétrica. O rendimento de um transformador é definido pela relação entre a potência elétrica fornecida pelo secundário e a potência elétrica absorvida pelo primário. A potência absorvida pelo primário corresponde à potência fornecida pelo secundário mais as perdas no cobre e no ferro. Como as perdas no cobre variam em função da temperatura, o rendimento do transformador deve ser calculado com a temperatura em regime de trabalho, ou seja, 75ºC. Para este cálculo, usa-se a seguinte fórmula: V2 . I2 V2 . I2 η = ou η(75ºC) V2 . I2 + Pcu + Pfe V2 . I2 + PCu (75ºC) + PFe ____________________________________________________________ 27/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ Figura 2.10 Consumo de energia se faz, pois, em baixa tensão. Assim, antes de ser distribuída, a tensão é reduzida outra vez nas subestações. A distribuição em baixa tensão se processa nas tensões de 110/220V é realizada por transformadores monofásicos. Já a distribuição das tensões de 127/220V se faz por transformadores trifásicos com o secundário ligado em estrela. ____________________________________________________________ 30/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ 3. MOTORES DE CA MONOFÁSICOS Os motores de CA podem ser monofásicos ou polifásicos. Estudaremos os motores monofásicos alimentados por uma única fase de CA. Para melhor entender o funcionamento desse tipo de motor, você deverá ter bons conhecimentos sobre os princípios de magnetismo e eletromagnetismo, indução eletromagnética e corrente alternada. Os motores monofásicos possuem apenas um conjunto de bobinas, e sua alimentação é feita por uma única fase de CA. Dessa forma, eles absorvem energia elétrica de uma rede monofásica e transformam-na em energia mecânica. Os motores monofásicos são empregados para cargas que necessitam de motores de pequena potência como, por exemplo, motores para ventiladores, geladeiras, furadeiras portáteis etc. De acordo com o funcionamento, os motores monofásicos podem ser classificados em dois tipos: universal e de indução. 3.1 MOTORES DO TIPO UNIVERSAL Podem funcionar tanto em CC como em CA; daí a origem de seu nome. O motor universal é o único motor monofásico cujas bobinas do estator são ligadas eletricamente ao rotor por meio de dois contatos deslizantes (escovas). Esses dois contatos, por sua vez, ligam em série o estator e o rotor. Figura 3.1 – Esquema elétrico do motor universal Observação: É possível inverter o sentido do movimento de rotação desse tipo de motor, invertendo-se apenas as ligações das escovas, ou seja, a bobina ligada à escova A deverá ser ligada à escova B e vice-versa. Os motores universais apresentam conjugado de partida elevado e tendência a disparar, mas permitem variar a velocidade quando o valor da tensão de alimentação varia. Sua potência não ultrapassa a 500W ou 0,75cv e permite velocidade de 1500 a 15000rpm. ____________________________________________________________ 31/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ Esse tipo de motor é o motor de CA mais empregado e está presente em máquinas de costura, liquidificadores, enceradeiras e outros eletrodomésticos, e também em máquinas portáteis, como furadeiras, lixadeiras e serras. Funcionamento dos Motores Tipo Universal A construção e o princípio de funcionamento do motor universal são iguais ao do motor em série de CC. Quando o motor universal é alimentado por corrente alternada, a variação do sentido da corrente provoca variação no campo, tanto do rotor quanto do estator. Dessa forma, o conjugado continua a girar no mesmo sentido inicial, não havendo inversão do sentido da rotação. 3.2 MOTORES MONOFÁSICOS DE INDUÇÃO Possuem um único enrolamento no estator. Esse enrolamento gera um campo magnético que se alterna juntamente com as alternâncias da corrente. Neste caso, o movimento provocado não é rotativo. Funcionamento dos Motores Monofásicos de Indução Quando o rotor estiver parado, o campo magnético do estator, ao se expandir e se contrair, induz correntes no rotor. O campo gerado no rotor é de polaridade oposta à do estator. Assim, a oposição dos campos exerce um conjugado nas partes superior e inferior do rotor, o que tenderia a girá-lo 180° de sua posição original. Como o conjugado é igual em ambas as direções, pois as forças são exercidas pelo centro do rotor e em sentidos contrários, o rotor continua parado. Figura 3.2 – Campo magnético com o rotor parado Se o rotor estiver girando, ele continuará o giro na direção inicial, já que o conjugado será ajudado pela inércia do rotor e pela indução de seu campo magnético. Como o rotor está girando, a defasagem entre os campos magnéticos do rotor e do estator não será mais que 180°. Figura 3.3 – Campo magnético com o rotor girando ____________________________________________________________ 32/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ É o de mais larga aplicação. Sua construção mecânica é igual à dos motores trifásicos de indução. Assim, no estator há dois enrolamentos: um de fio mais grosso e com grande número de espiras (enrolamento principal ou de trabalho), e outro de fio mais fino e com poucas espiras (enrolamento auxiliar ou de partida). O enrolamento principal fica ligado durante todo o tempo de funcionamento do motor, mas o enrolamento auxiliar só atua durante a partida. Esse enrolamento é desligado ao ser acionado um dispositivo automático localizado parte na tampa do motor e parte no rotor. Geralmente, um capacitor é ligado em série com o enrolamento auxiliar, melhorando, desse modo, o conjugado de partida do motor. Figura 3.10 – Enrolamento auxiliar Funcionamento dos Motores de Fase Auxiliar O motor monofásico de fase auxiliar funciona em função da diferença entre as indutâncias dos dois enrolamentos, uma vez que o número de espiras e a bitola dos condutores do enrolamento principal são diferentes em relação ao enrolamento auxiliar. As correntes que circulam nesses enrolamentos são defasadas entre si. Devido à maior indutância no enrolamento de trabalho (principal), a corrente que circula por ele se atrasa em relação à que circula no enrolamento de partida (auxiliar), cuja indutância é menor. O capacitor colocado em série com o enrolamento tem a função de acentuar ainda mais esse efeito e aumentar o conjugado de partida. Isso aumenta a defasagem, aproximando-a de 90° e facilitando a partida do motor. ____________________________________________________________ 35/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ Figura 3.11 – Defasagem quando é colocado um capacitor em série com o enrolamento Depois da partida, ou seja, quando o motor atinge aproximadamente 80% de sua rotação nominal, o interruptor automático se abre e desliga o enrolamento de partida. O motor, porém, continua funcionando normalmente. Os motores monofásicos de fase auxiliar podem ser construídos com dois, quatro ou seis terminais de saída. Os motores de dois terminais funcionam em uma tensão (110 ou 220V) e em um sentido de rotação. Os de quatro terminais são construídos para uma tensão (110 ou 220V) e dois sentidos de rotação, os quais são determinados conforme a ligação efetuada entre o enrolamento principal e o auxiliar. De modo geral, os terminais do enrolamento principal são designados pelos números 1 e 2 e os do auxiliar, por 3 e 4. Para inverter o sentido de rotação, é necessário inverter o sentido da corrente no enrolamento auxiliar, isto é, trocar o 3 pelo 4. Figura 3.12 – Inversão da rotação dos motores de 4 terminais Os motores de seis terminais são construídos para duas tensões (110 e 220V) e para dois sentidos de rotação. Para a inversão do sentido de rotação, inverte-se o sentido da corrente no enrolamento auxiliar. O enrolamento principal é designado pelos números 1, 2, 3 e 4 e o auxiliar por 5 e 6. Para a inversão do sentido de rotação, troca-se o terminal 5 pelo 6. ____________________________________________________________ 36/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ As bobinas do enrolamento principal são ligadas em paralelo, quando a tensão é de 110V e, em série, quando a tensão é de 220V. Figura 3.13 – Inversão de rotação dos motores de 6 terminais O motor de fase auxiliar admite reversibilidade quando retiram-se os terminais do enrolamento auxiliar para fora com cabos de ligação. Admite também chave de reversão, mas nesse caso, a reversão só é possível com o motor parado. A potência desse motor varia de 1/6cv até 1cv, mas para trabalhos especiais existem motores de maior potência. A velocidade desse tipo de motor é constante e, de acordo com a freqüência e o número de pólos, pode variar de 1425 a 3515rpm. 4. MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO (MIT) ____________________________________________________________ 37/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ O campo magnético gerado por uma bobina depende da intensidade da corrente que passa por ela. Como as correntes estão defasadas de 120º elétricos, e como variam tanto de intensidade quanto de sentido, em função do tempo, daí serem alternadas, os campos magnéticos que produzem têm as mesmas características. Os três campos magnéticos combinam-se em um único, cuja posição varia de acordo com o tempo, para agirem sobre o rotor. Figura 4.6 - Formas de onda das correntes alternadas que vão gerar os campos magnéticos, defasados de 120º, alimentando os enrolamentos do estator Essas bobinas interagem, produzindo um campo magnético girante. Isso só acontece graças à construção do estator, e por estar alimentado por uma corrente alternada trifásica, cujas fases estão defasadas entre si de 120º elétricos. O campo magnético girante produzido no estator estabeleceu o sentido horário de acordo com a ligação dos terminais na rede ABC. Se quaisquer dos terminais da linha que alimenta o estator forem invertidos, ocorrerá uma inversão no campo magnético girante, o que ocasionará a inversão do motor. ____________________________________________________________ 40/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ Figura 4.7 - Novo sentido do campo magnético girante, após a inversão das fases A e C, por exemplo, no estator do motor A velocidade do campo magnético girante varia diretamente com a freqüência, ou seja, o campo girante está em sincronismo com a freqüência da rede. Daí a ser chamada de velocidade síncrona, que pode ser deduzida da seguinte forma: F 60F 60 . 2 . F 120 . F NS(rps) = ___ ⇒ NS(rpm) = _____ ⇒ NS(rpm) = ________ ⇒ NS(rpm) = ______ P p p p ___ 2 onde: Ns é a velocidade síncrona; rps são as rotações por segundo; rpm são as rotações por minuto; F é a freqüência da rede, em Hz; P são os pares de pólo do motor; p são os números de pólos do motor p = P . 2 4.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Ao circular uma corrente alternada nos enrolamentos do estator, surge um campo magnético girante. As linhas de indução deste campo magnético “cortam” os condutores do rotor, induzindo neles, uma d.d.p. Devido ao circuito estar fechado, surge uma corrente ; esta corrente, induzida, gera um campo magnético em volta dos condutores, que tende a acompanhar, ou se alinhar, com o campo girante produzido pelo estator. Como o campo magnético do estator “gira” à velocidade síncrona, o campo do rotor não consegue acompanhá-lo. Portanto, o campo magnético do rotor segue o campo do estator, mas sempre atrasado em relação a ele. De acordo com a alei de Lenz, qualquer corrente induzida tende a se opor às variações do campo que a produziu. No caso do motor de indução, a variação é a rotação do campo magnético no rotor, que é oposto ao do estator. Esta é a razão pela qual o rotor acompanha o estator tão próximo o permitam o seu peso e a sua carga. Se a velocidade do estator e do rotor fossem iguais, não haveria movimento relativo entre eles e, em conseqüência, não haveria f.e.m induzida no rotor; não ____________________________________________________________ 41/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ existindo tensão induzida não existiria torque agindo no rotor. A velocidade do rotor deve ser inferior à do campo magnético girante, para existir movimento relativo entre os dois. Assim, o rotor deve “escorregar” em velocidade a fim de produzir o torque . Por isto há uma diferença de velocidades produzidas entre a velocidade síncrona do campo girante e a do rotor, denominada velocidade de escorregamento ou deslize. Pode ser expressa como uma porcentagem da velocidade síncrona, ou como número decimal para o caso dos motores. Então, o escorregamento ou deslize pode ser expresso da seguinte forma: S = Ns – Nr . 100 Ns ou simplesmente: Nr = Ns.(1-S) onde: S é o escorregamento; Ns é a velocidade síncrona do campo magnético girante, em rpm; Nr é a velocidade do rotor. Então, o motor de indução ou motor assíncrono é assim chamado devido ao seu princípio de funcionamento, baseado na indução eletromagnética. Por isso, a velocidade do rotor não é igual à velocidade do campo magnético girante. 4.3 LIGAÇÃO DE MOTORES O motor de indução, ou melhor, o estator do MIT, pode ser ligado a uma, duas ou quatro tensões diferentes, padronizadas por norma. A ligação de motores nestas várias tensões não é mais que combinações de conexão dos terminais do estator, possibilitando sua ligação em estrela ou triângulo. É exatamente o número de terminais (ou pontas) do estator que determina quantas são as tensões de ligação: o motor de três terminais só poderá ser ligado em uma tensão; o motor de seis e nove terminais poderá ser ligado em duas tensões; e o motor de 12 terminais poderá ser ligado em quatro tensões, porém uma das ligações não é mais usual, pois as concessionárias de energia elétrica não mais distribuem tensões superiores a 500V. No entanto, independente do número de terminais e da tensão aplicada aos terminais do motor, por meio da combinação desejada, a bobina só trabalha com uma tensão , a tensão de triângulo. As figuras a seguir apresentam as ligações dos motores trifásicos de seis e de 12 terminais. ____________________________________________________________ 42/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ Pode-se observar que a reatância a rotor bloqueado é uma referência que vai do máximo a rotor bloqueado e varia de acordo com a rotação. A tensão induzida no rotor também varia de acordo com o escorregamento, de tal forma que, se o rotor estiver girando a velocidade síncrona, a f.e.m. é mínima. Então, a tensão no rotor será: ER = S . Ebl onde: ER é a f.e.m. induzida no rotor; S é o deslize ou escorregamento; Ebl é a f.e.m. induzida a rotor bloqueado (máximo quando o rotor estiver travado). Conclusão A tensão induzida, reatância e freqüência do rotor variam em função do escorregamento, ou seja, variam do valor máximo quando bloqueado a zero quando a velocidade do rotor for igual à velocidade do campo girante. Torque do Mit Rotor Gaiola de Esquilo O torque desenvolvido pelos condutores do rotor, independente da velocidade, pode ser expresso em função do fluxo magnético e da corrente que produz o fluxo no estator e no rotor da seguinte forma: T = K. φ . IR . cos θR onde: T é o torque desenvolvido (N . m) ou (Kgf m); φ é o fluxo resultante produzido pelas tensões de excitação de campo do estator e o rotor; IR .cos θR surge devido à corrente do rotor não estar em fase com a tensão induzida e o fluxo do campo magnético girante. Torque de Partida Para a definição do toque de partida de um MIT, deve-se analisá-lo considerando seus parâmetros com o rotor bloqueado. De acordo com as equações estudadas anteriormente, de tensão, freqüência e reatância, deduzem-se outras como: Z bl = RR + j . Xbl ⇒ |Zbl| = √R2R + X2 bl onde: Zbl é a impedância a rotor bloqueado; |Zbl| representa o módulo de Zbl; RR + J . Xbl é a soma da resistência do rotor com a reatância a rotor; bloqueado em quadratura. ____________________________________________________________ 45/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ O fator de potência a rotor bloqueado será: cos θR = RR zbl E o módulo da corrente do rotor pode ser definido por: Ebl Ebl Ebl Ibl = = = Zbl RR + j . Xbl √R2R + X2bl Então, substituindo estes termos na equação do torque, tem-se o torque de partida do MIT: Ebl RR K . φ . Ebl . RR Tp = K . φ . x = √R2R + X2bl √R2R + X2bl R2R + X2bl Como já foi dito, esta análise do torque de partida é a partir do rotor travado, e as tensões são induzidas nos condutores por ação transformadora. A tensão Ebl é proporcional ao fluxo φ, que por sua vez é proporcional à tensão do barramento que alimenta o estator. Como a tensão que alimenta o estator é definida como Vf ‘ , tem-se: K . V2f . RR TP = R2R + X2bl Uma vez que a resistência RR e a reatância a rotor bloqueado Xbl são constantes para uma determinada tensão aplicada, pode-se concluir que: K . RR Se K’ = então TP = K’ . Vf2 R2R + X2bl Ou seja, o torque de partida varia com o quadrado da tensão aplicada nas bobinas. Ao reduzir a tensão nos enrolamentos do estator, desde que o motor esteja a vazio, reduzirá a corrente de primário e secundário (rotor) do motor. Então, a teoria básica dos métodos de partida à tensão reduzida, de motores de indução trifásico, é reduzir a corrente de partida. Torque Máximo de um MIT ____________________________________________________________ 46/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ Num motor de indução de rotor gaiola de esquilo não é comum o torque de partida ser igual ao torque máximo. Por isto, é usual considerar que o torque máximo acontece a um escorregamento S diferente de 1. Então, para qualquer escorregamento, a corrente do rotor, bem como o fator de potência, serão: S . Ebl RR IR = e cos θR = √R2R + (S . Xbl)2 √R2R + (S . Xbl)2 Substituindo estes termos na equação do torque T = Kφ IR cos θR , tem-se: K . φ . S . Ebl RR K . φ . S . Ebl . RR T = . ⇒ T = √R2R + (S . Xbl)2 √R2R + (S . Xbl)2 R2R + (S . Xbl)2 Como a tensão a rotor bloqueado Ebl é proporcional ao fluxo φ, tem-se a equação: K . φ2 . S . RR T = R2R + (S . Xbl)2 O torque máximo é obtido quando esta equação do torque é derivada em relação à resistência do rotor e igualada a zero, da seguinte forma: dT = 0 dRR Utilizando a regra de cadeia, tem-se: dT K . φ2 . R2R + (S . Xbl)2 – K . φ2 . RR . (2RR) = dRR R2R + (S . Xbl)2 2 dT Fazendo = 0 para que se determine o valor máximo de T, teremos: dRR K . φ2 . R2R + (S . Xbl)2 – K . φ2 . R2R . 2 = 0 R2R + (S . Xbl)2 2 ⇒ K . φ2 . R2R + (S . Xbl)2 – 2R2R ____________________________________________________________ 47/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ Figura 4.12 – Rotor bobinado de um MIT Figura 4.13 – Enrolamentos internos e externos de um MIT rotor bobinado Características Operacionais e de Funcionamento Ao ligar o estator do MIT de rotor bobinado à rede trifásica, cria-se um campo magnético girante, que vai induzir no rotor bobinado um campo magnético, cuja tendência será acompanhar o campo do estator. Como se percebe, o princípio de funcionamento é o mesmo do rotor gaiola. A diferença está na possibilidade de partir este motor com resistores acoplados em série com o rotor, com o objetivo de aumentar o torque de partida, diminuir sua rotação e sua corrente de partida. O torque de partida deste motor será alterado com a variação de resistência em série com o rotor. De acordo com a equação do torque de partida, estudado anteriormente, tem-se: K . V2 . RR TP = R2R + X2bl Ao adicionar uma resistência externa Re à resistência do rotor RR , o novo torque de partida e o fator de potência serão: K . V2 . (RR + Re) RR + Re TP = cos θ = (RR + Re)2 + X2bl √(RR + Re)2 + (S . Xbl )2 Desse modo, se houver variação de resistência do rotor, as conseqüências serão as variações do fator de potência e do torque de partida. Porém, o torque de partida irá aumentar com o aumento de resistência em série até o limite do torque máximo; a partir daí o torque de partida irá diminuir, não mais compensando inserir resistores em série com o motor. Na prática, é usual partir o MIT de rotor bobinado com resistores fixos em série com ele, e, através de contatores ou outras chaves, reduzir o valor dos resistores até o curto-circuito, ou seja, até ficar com o rotor bobinado curto-circuitado com apenas a resistência RR . ____________________________________________________________ 50/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ Figura 4.14 4.7 DIMENSIONAMENTO DE CIRCUITOS TERMINAIS, RAMAIS E ALIMENTADORES O dimensionamento elétrico de circuitos de uma instalação elétrica deve levar em consideração as condições atuais necessárias à operação dos equipamentos e a previsão de expansão futura . Em primeira analise, objetiva a determinação da seção dos condutores de fase e de neutro que constituem os circuitos terminais, bem como as características dos equipamentos de proteção e manobra. Os elementos necessários para a especificação são: − Diagrama unifilar; − Tabela de cargas do circuito; − A tabela de capacidade de corrente dos condutores; − Tabelas de fator de correção para eletrodutos; − Tabela de quedas de tensão em função da carga; − Tabela de características gerais dos dispositivos de proteção. A partir dos dados fornecidos é possível preparar o esboço de dimensionamento e daí reavaliar alguns aspectos como, quantidade de condutores, e redistribuição de cargas. Dois critérios iniciais básicos devem ser obedecidos : − Capacidade de corrente; − Queda de tensão admissível. ____________________________________________________________ 51/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ Estes dois critérios estão contemplados em disposições de normas e em características técnicas dos materiais que os fabricantes garantem. Em sistemas trifásicos, a corrente nominal de motores elétricos é estabelecida através de dados de placa, ou pela formula : I = P ( CV ) x 736 . ou I = P ( HP ) x 746 . √ 3 x Vn x cós(ϕ) x η √ 3 x Vn x cós(ϕ) x η onde : P é a potência mecânica nominal do motor em CV ou em HP; Vn é a tensão nominal de operação do motor; cos(ϕ) é o fator de potência do motor a plena carga; η é o rendimento do motor. Conhecendo-se então a corrente do circuito, deve-se determinar a seção adequada dos condutores elétricos através da escolha do cabo em função da corrente suportável e da queda de tensão admissível. Analogamente aos circuitos terminais, o dimensionamento do alimentador principal, leva em consideração a carga a ser atendida, os fatores de utilização das mesmas, e de simultaneidade, que envolvem a demanda de energia da instalação elétrica, o fator de potência e níveis de curto circuito. Além dos alimentadores e dos circuitos terminais apresentarem suficiente capacidade de corrente para atender a sua carga, o suprimento deve ser feito respeitando-se limites adequados de tensão estabelecidos por normas. O cálculo da queda de tensão (∆V) num trecho de um circuito bifásico, por exemplo, pode ser previsto de modo aproximado pela fórmula : ∆V = I x ( 2L) x ( R x cós(ϕ) + X x sen(ϕ)) onde: I é a corrente passante no trecho considerado; L é o comprimento do trecho no circuito; R é a resistência do condutor por unidade de comprimento; X é a reatância do condutor por unidade de comprimento; cos(ϕ) é o fator de potência da carga a ser alimentada. Devem ser também previstos os dispositivos de proteção elétrica de cada circuito terminal e dos alimentadores principais de modo que níveis de corrente que possam causar danos aos condutores sejam interrompidos em períodos adequados. Há basicamente duas condições que devem provocar a atuação dos dispositivos de proteção: sobrecargas e curto-circuitos. Os dispositivos de proteção são constituídos de fusíveis, relés térmicos, disjuntores termomagnéticos possuindo sua corrente nominal In , corrente que ____________________________________________________________ 52/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ 5. MOTOR DE INDUÇÃO - ROTOR DE DUPLA GAIOLA Em resposta à grande demanda de um motor de construção simples, que pudesse arrancar diretamente ligado à linha e que não produzisse objetáveis flutuações na tensão daquela, desenvolveu-se o rotor de dupla gaiola. Figura 5.1 – Construção dupla gaiola do rotor O rotor de dupla gaiola foi desenhado para que se conseguisse um melhor motor de indução de partida direta da linha. Na figura, observamos um rotor fundido correspondente a um motor de grande capacidade, no qual são usados dois conjuntos de barras do rotor de diferentes ligas, tendo secões transversais de mesma área ou de áreas diferentes. A barra de cima é construída de uma liga de cobre de alta resistência e a barra de baixo pode ser de alumínio fundido ou de uma liga de cobre de baixa resistência. As barras de cima estão próximas do campo magnético girante e estão engastadas em ferro, de maneira que, quando por elas circula a corrente, sua auto-indutância e sua reatância de dispersão são pequenas. As barras de baixo são engastadas profundamente nas ranhuras e estão separadas do ferro do estator por um grande entreferro magnético, produzindo uma elevada auto-indutância e uma grande reatância de dispersão. Na partida, portanto, quando a freqüência do rotor é grande e igual à da linha, a impedância do enrolamento de baixo é muito maior que a do enrolamento de cima. A maior parte da corrente do rotor é induzida, portanto, no enrolamento de cima, que é projetado de tal maneira que sua alta resistência iguale sua reatância durante a partida, desenvolvendo-se o torque máximo. Conforme o motor acelera, entretanto, a freqüência do rotor decresce e a impedância do enrolamento mais baixo ou mais interno também decresce, fazendo com que mais e mais corrente seja induzida nele. Para pequenos valores de escorregamento, portanto, quando o motor está na sua gama de funcionamento normal de plena carga, a maior parte da corrente circula pelo enrolamento de baixo de baixa resistência, levando a um alto rendimento (baixas perdas no cobre) e a uma boa regulação de velocidade (escorregamento proporcional à resistência). ____________________________________________________________ 55/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ 6. MOTORES DE MÚLTIPLAS VELOCIDADES São motores elétricos construídos para duas, três ou até quatro velocidades diferentes. Esses motores podem ser: − motor de dois enrolamentos para duas velocidades; − motor de um enrolamento para duas velocidades. 6.1 MOTORES DE DOIS ENROLAMENTOS Esse motor possui dois enrolamentos distintos, no mesmo estator. Por essa razão, apresenta também duas velocidades. É como se fossem dois motores em um. Normalmente, os motores de dois enrolamentos são fabricados na relação de velocidade, ou de número de pólos na relação 1: 1,5, como por exemplo: − motor para 6 e 4 pólos = 1.200/1.800rpm; − motor para 12 e 8 pólos = 600/900rpm. Há casos em que são fabricados na relação 1:2, porém em apenas situações especiais, pois esta relação é conseguida nos motores de 1 enrolamento, os motores Dahlander. Os terminais de dois enrolamentos são apresentados de forma distinta. Cada enrolamento pode ter, por exemplo, seis terminais, e neste caso pode ser ligado nas tensões de estrela ou triângulo. Uma precaução é necessária neste tipo de motor: sempre que se fecha um dos enrolamentos e o liga à rede, o outro deverá ficar aberto e isolado; caso contrário haverá tensão induzida no enrolamento ( mesmo efeito que acontece no transformador e acarretará, acidentalmente, circulação de corrente pelo enrolamento ). 6.2 MOTOR DAHLANDER Possui um enrolamento especial, que poderá receber dois fechamentos distintos, denominados fechamentos Dahlander. Esse motor atende a situações que exigem duas velocidades, desde que seja uma o dobro da outra. A ligação interna é feita em triângulo e seis terminais (pontas) são colocados na caixa de ligações. Apesar do número de terminais, esse motor poderá ser ligado em uma única tensão. Porém, possibilitam dois tipos de fechamentos: ____________________________________________________________ 56/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ − fechamento para baixa velocidade; − fechamento para alta velocidade. Em baixa velocidade, o fechamento é chamado de triângulo, isto é, o próprio fechamento triângulo, que é feito internamente no motor. Já para alta velocidade, o fechamento é a dupla estrela (YY). Uma observação muito importante para os motores de múltiplas velocidades é que a potência varia de acordo com a velocidade, de tal forma que maior velocidade significa maior potência. ____________________________________________________________ 57/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ 8. MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA O motor CC é uma máquina que, ligada a uma tensão e corrente contínua, transforma a energia elétrica em energia mecânica e energia calorífica. A construção do motor de corrente contínua é idêntica à do gerador CC. 8.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO O funcionamento do motor de corrente contínua baseia-se no princípio do eletromagnetismo, que diz: “Todo condutor, percorrido por uma corrente elétrica, imerso num campo magnético, está sujeito a uma força magnética”. No motor CC, o condutor é cada fio que compõe a armadura. Todos os fios estarão alimentados por uma corrente contínua e imersos num campo magnético. O campo magnético pode ser produzido pelas bobinas de campo. Cada condutor que constitui a armadura sofre uma força de intensidade: Fm = B.I.I.sen θ. Figura 8.1 - O motor elementar, constituído de uma espira e um par de pólos ____________________________________________________________ 60/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ O sentido das forças, nos dois condutores, é determinado pela regra da mão esquerda, na qual os dedos indicadores, médio e polegar devem estar perpendiculares entre si, indicando: sentido do campo magnético, sentido da corrente na armadura e sentido do movimento, respectivamente. Sob ação de cada uma dessas forças, a espira tende a se movimentar. Pode-se observar que as forças que surgem em toda a sua extensão útil produzem um conjugado ou torque, que é demonstrado por meio de sua equação fundamental: T = K . φ . Ia onde: T é o torque ou conjugado; K constante da máquina, refere-se à sua construção; φ fluxo produzido pelo enrolamento do campo; Ia corrente de armadura. Comutação O anel comutador desempenha papel muito importante no funcionamento do motor. Ele faz com que a corrente, na armadura, seja invertida no momento em que cessa a força magnética que o fez deslocar. Isto é, quando um condutor percorrido por uma corrente elétrica estiver dentro de um campo magnético, de acordo com a regra de Fleming da mão esquerda, ele irá se deslocar. O deslocamento do condutor, naquele sentido, será de 180º, conforme a figura a seguir. Após 180º a corrente será invertida neste condutor, o que fará com que ele se desloque novamente em sentido oposto, e a partir daí há uma seqüência de deslocamentos estabelecendo a rotação de motor. Figura 8.2 Força Contra-Eletromotriz A interação entre o fluxo magnético do campo principal e o fluxo magnético criado pela corrente, na armadura, faz surgir um conjunto de forças nos condutores do motor, originando o torque ou conjugado motor, que faz o motor girar. O torque desenvolvido nos condutores faz com que o rotor se movimente dentro do campo magnético, resultando uma variação de fluxo concatenado em volta destes condutores, induzindo assim uma f.e.m. nos condutores do motor. ____________________________________________________________ 61/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ Figura 8.3 - Sentido da f.e.m. induzida comprovado pela regra da mão direita para os mesmos sentidos do campo e movimento. Pode-se observar também, na figura, que a f.e.m. induzida no condutor opõe-se à corrente que criou a força ou movimento. Assim, esta f.e.m. induzida é chamada de força contra-eletromotriz. Nota-se que o desenvolvimento desta força contra- eletromotriz, representada como linha pontilhada na figura 8.3, é uma aplicação da Lei de Lenz. Assim, quando quer que ocorra a ação motora, uma ação geradora é simultaneamente desenvolvida. Ação Motora x Ação Geradora Se toda vez que ocorre a ação motora também se estabelece a ação geradora, pode-se questionar a possível ocorrência do caso inverso. Na figura seguinte temos: Ia é a corrente da armadura; Ra é a resistência da armadura; EC é a força contra-eletromotriz; Va(motor) é a tensão aplicada ao motor; Va(gerada) é a tensão na saída do gerador; Eg é a força eletromotriz gerada. ____________________________________________________________ 62/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ onde: Ev é o somatório de todas as quedas de tensão internas ao circuito da armadura; Ra é a resistência equivalente da armadura. Sabe-se que o somatório de todas as quedas de tensão internas ao circuito da armadura é de suma importância nos cálculos de motores CC. Mas com o objetivo de simplificar e verificar os valores mais relevantes, será sucumbido Ev . Como se sabe: Ec = K.φ.N Ia = Va – K. φ .N Ra Então N = Va – Ia. Ra K.φ Pode-se concluir que, se a tensão aplicada Va e o fluxo Ф permanecem constantes, a velocidade N do motor varia com a corrente da armadura, isto é, com a carga aplicada ao seu eixo. Então, se a carga aumenta, a velocidade do motor diminui, o que quer dizer que, se a carga aumenta, a corrente da armadura aumenta e a velocidade do motor diminui, proporcional com o decréscimo da Ec. 8.2 PARTIDA DOS MOTORES CC Ao dar a partida em motor CC, deve-se atentar ao fato de que sua armadura está inerte. Então, a força contra-eletromotriz, neste instante, é nula. Por isto o valor da corrente na armadura é: Ia = Va Ra O valor da resistência do circuito da armadura Ra é muito pequeno; em conseqüência a corrente é elevada, o que reduz a vida útil do enrolamento e causa problemas aos circuitos de proteção. Para evitar esta corrente elevada, coloca-se em série com a armadura um resistor, chamado de reostato de partida. Este reostato torna-se dispensável, se a fonte CC ajustável ou variável, pois o objetivo é variar a tensão que alimenta a armadura, aumentando gradativamente o seu valor na partida. O fluxo magnético também é muito importante na partida de um motor CC, pois se ele for nulo o torque também será; então, não haverá f.e.m. e a corrente aumentará até a queima do motor. Portanto, durante a partida, recomenda-se ____________________________________________________________ 65/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ utilizar o fluxo magnético máximo, que pode ser controlado por meio de uma outra fonte variável ou simplesmente ou por um reostato em série com o circuito de excitação, chamado de reostato de campo. Figura 8.5 - Armadura com o reostato de partida e um enrolamento de campo ligado em série com um reostato 8.3 CARACTERÍSTICAS DE TORQUE DOS MOTORES CC Para análise das características de torque dos motores CC será considerado que o motor teve sua partida realizada e possui em seus terminais, tanto de campo quanto da armadura, a tensão nominal. Será analisado, então o efeito da variação de carga sobre torques dos motores série, shunt e composto. O estudo das características de torque e velocidade dos motores de corrente contínua tendo como objetivo apontar as grandezas responsáveis diretamente por estas características. Não é intenção usar as expressões como fórmulas diretas para calcular o torque e a velocidade dos motores CC. 8.3.1 MOTOR SÉRIE Como no motor série, o enrolamento de campo ligado em série com a armadura, conforme o diagrama de ligação a seguir. Figura 8.6 – Motor série A corrente da armadura é responsável direta pelo fluxo magnético do enrolamento série. Quando a carga for pequena, o fluxo será menor, e quando a carga for grande, o fluxo também o será. ____________________________________________________________ 66/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ Na equação fundamental do torque, tem-se: T = K . φ . Ia Como φ é proporcional à corrente da armadura, temos: φ = K’ . Ia Onde K representa uma constante de proporcionalidade. Pode-se deduzir que: T = K’ . K . Ia . I a ⇒ T = K” . I a 2 Pode-se observar que a relação entre o torque e a corrente da armadura é quadrática, desde que seja considerado o núcleo da máquina não – saturado. 8.3.2 MOTOR SHUNT Na partida de um motor shunt, deve-se, em primeiro lugar, alimentar o campo para só depois alimentar a armadura, conforme o diagrama de ligação a seguir. Figura 8.7 – Motor CC Shunt excitação independente A equação fundamental do torque é: T = K . φ . Ia Como o fluxo Ф é constante: φ = K’ Pode-se deduzir que: T = K . K’ . Ia ⇒ T = K” . Ia Pode-se observar que o torque varia diretamente com a corrente da armadura; então, o gráfico T x Ia será uma reta. 8.3.3 MOTOR COMPOSTO ____________________________________________________________ 67/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ De acordo com o diagrama de ligação do motor shunt, observa-se que o fluxo produzido pela bobina de campo shunt é constante. Pela equação fundamental da velocidade N, tem-se: N = Va – Ia. Ra ⇒ N = K’ . Va – Ia . Ra , considerando K’ = 1 K . φ φ K Pode-se observar que, quando aumenta a carga no eixo , a f.c.e.m.(Va – Ia . Ra) decresce e a velocidade diminui proporcionalmente. Comparando com o motor série e o composto, que variam sua velocidade de acordo com o numerador e o denominador da equação, conclui-se que este motor varia menos a sua velocidade que os demais; daí ser considerado motor de velocidade constante. 8.4.3 MOTOR COMPOSTO Nos motores de excitação composta, o fluxo é produzido, em parte, pelo circuito de excitação shunt e o restante pelo circuito de excitação série. A forma de ligar estes dois campos caracteriza o tipo de motor composto, que pode ser: composto cumulativo: possuem fluxos no mesmo sentido e o fluxo resultante é obtido pela soma dos mesmos; composto diferencial: possuem fluxos em sentido oposto e o fluxo resultante é obtido pela diferença entre eles. Partindo da equação fundamental, a característica de velocidade do motor composto cumulativo será: N = K’ . Va – Ia . Ra ⇒ N = K’ . Va – Ia . (Ra + Rs) φ φs + φf ____________________________________________________________ 70/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ Figura 8.10 - Curvas de velocidade versus corrente para motores CC 8.5 POTÊNCIA MECÂNICA E RENDIMENTO DE UM MOTOR CC De acordo com as equações anteriores, ficou comprovado que a força contra- eletromotriz é dada por : Ec = Va – Ra . Ia , não se esquecendo que Ra representa a resistência interna do circuito da armadura. Esta f.c.e.m. varia de acordo com a tensão aplicada aos terminais da armadura a plena carga, desde 80% de Va’ , para máquinas de pequena potência, a 95% de Va’ , para máquinas de grande potência. Multiplicando-se toda a equação citada por Ia’ , tem-se: Ec . Ia = Va . Ia – I2a . Ra onde: Ec.Ia representa potência mecânica desenvolvida pela armadura; Va.Ia determina a potência elétrica entregue pela rede à armadura do motor, para realizar a conversão; I2a .Ra é a potência elétrica transformada em calor por efeito joule, no circuito da armadura. O rendimento de uma máquina CC é definido da mesma forma que nas outras máquinas e transformadores, ou seja, é a relação entre a potência de saída e a potência de entrada. η(%) = Ps . 100 = Ec . Ia . 100 = Ec. 100 Pe Va .Ia Va Pode-se concluir que, quanto maior for a força contra-eletromotriz Ec num motor, maior será o rendimento. Nas máquinas elétricas, em geral, o rendimento máximo ocorre quando há perdas fixas. 8.6 FORMAS DE CONTROLE DA VELOCIDADE DOS MOTORES CC ____________________________________________________________ 71/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ De acordo com a equação fundamental da velocidade N = Va – Ia . Ra , observa-se K . φ que a corrente de armadura influencia, em pequena escala, a velocidade do motor; no entanto, a corrente da armadura é uma função da carga(do torque resistente) e nesta não se pode mexer para controlar a velocidade. Conclui-se, então, que a velocidade do motor CC pode ser controlada por meio de: a) Controle de resistência da armadura É feito pela variação de uma resistência externa inserida em série com o circuito da armadura; com a resistência Ra , que é baixa, o motor trabalha com rotação alta e, à medida que aumenta a resistência, a velocidade cai, podendo até parar. Apresenta o inconveniente da alta dissipação de calor no reostato de controle, pois este trabalha com a corrente nominal do motor. b) Controle de tensão aplicada na armadura (Va) Reduzindo a tensão na armadura a zero o motor pára; à medida que aumenta a tensão, a rotação cresce proporcionalmente até atingir a velocidade-base (obtida com armadura e campo alimentados com tensão nominal); c) Controle de fluxo dos pólos A velocidade varia de maneira inversa às mudanças de fluxo. Com o fluxo pleno obtém-se a mínima rotação (velocidade base) e à medida que se reduz o fluxo, a velocidade cresce. É o método mais simples e econômico no controle de velocidade para os motores shunt e composto; já no motor série este método não é tão econômico, pois, para variar o fluxo, deve-se colocar resistor em paralelo com o enrolamento série ou com a armadura. Como os dois enrolamentos têm baixa resistência, apresentam perdas muito grandes pelo efeito Joule. Figura 8.11 - Métodos de controle de velocidade, válido para o motor de excitação independente De acordo com este gráfico, para se ter boa comutação e controle estável de velocidade, a corrente de armadura poderá ser normal somente até a velocidade máxima, a fim de não ocorrer uma sobrecarga térmica, pois o valor máximo da ____________________________________________________________ 72/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ Figura 8.15 - São instalados em ranhuras existentes nas sapadas polares. Os enrolamentos de compensação também devem ser ligados em série com armadura e atravessados por correntes de sentido contrário à armadura. Disto resulta que a zona neutra fica estática e a distribuição de fluxo uniforme ao longo das faces polares, eliminando praticamente os problemas de comutação. 8.9 INVERSÃO DE ROTAÇÃO DO MOTOR CC De acordo com a regra mão esquerda, de Fleming, o movimento de rotação é definido pelo sentido do fluxo magnético, e o sentido da corrente da armadura(convencional). Então, para inverter o sentido de rotação de qualquer motor CC, é necessário inverter o sentido do fluxo magnético ou sentido da corrente na armadura. A inversão, em ambos os circuitos, manterá o mesmo sentido de rotação. Pode parecer que a corrente Ia não seja a mais indicada para fazer a reversão, desde que o circuito da armadura carregue uma corrente maior. Porém, ao utilizar dispositivos automáticos de reversão, o circuito da armadura é o escolhido para a inversão em virtude de: a) O enrolamento de campo é um circuito altamente indutivo, e inversões freqüentes produzem elevadas tensões induzidas, desgastando (queimando) os contatos dos dispositivos de partidas; b) No motor composto é necessário fazer a inversão nos dois campos, senão passará de composto cumulativo para composto diferencial; c) Normalmente, os condutores da armadura estão abertos para fins dinâmicos, como, por exemplo, frenagem. E como essas conexões são normalmente disponíveis, podem ser usadas para fazer a reversão; d) Se o dispositivo de inversão estiver defeituoso e o circuito de campo não estiver ligado, o motor pode disparar. ____________________________________________________________ 75/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ 8.10 FRENAGENS Frenagem Em Motor CC A frenagem de um motor de corrente contínua se faz necessária de acordo com o processo industrial e quando não se quer utilizar apenas equipamento mecânico, devido ao grande desgaste. Distinguem-se três processos de frenagem para os motores CC: − frenagem por contracorrente; − frenagem dinâmica; − frenagem regenerativa. Frenagem por Contracorrente Ocorre quando os terminais da armadura estão conectados à fonte para um sentido de rotação e invertem-se, instantaneamente, os terminais da fonte de alimentação, num tempo suficiente para que a ação de conjugados em sentidos contrários anulem as forças de inércia do motor, fazendo-o parar. A corrente de armadura tem valores bastante elevados, sendo necessário conectar uma resistência adicional no circuito com o objetivo de limitar esta corrente. Frenagem Dinâmica A frenagem dos motores shunt e composto ocorre após desconectar a armadura do motor da rede e conectá-la a um resistor, permanecendo o campo conectado à rede . No caso do motor série, o enrolamento de campo é ligado em série com o resistor, invertendo a polaridade da armadura para evitar a desmagnetização da máquina. A frenagem dinâmica ocorre quando um motor é desconectado da rede, por meio dos terminais da armadura, e, permanecendo o fluxo magnético, a máquina passa a trabalhar como gerador enquanto houver movimento. A energia cinética que se acumulou no motor e nos elementos móveis do equipamento acionado pelo motor se transforma em energia elétrica. Esta energia é dissipada em forma de calor. Devido à corrente elétrica que circula no gerador dentro do campo magnético, cria-se um conjugado contrário ao motor, fazendo a frenagem da máquina. Frenagem Regenerativa É semelhante à frenagem dinâmica, só que em vez da energia ser dissipada em forma de calor, num resistor, é devolvida à fonte. 8.11 CONTROLE DE VELOCIDADE DO MOTOR CC – CIRCUITO RLE ____________________________________________________________ 76/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ Em quaisquer circunstâncias, pode-se analisar o motor CC baseado no circuito Resistivo – Indutivo – Equivalente – RLE da armadura. As equações que seguem as tensões num motor CC são dadas pelo circuito equivalente, a seguir: Figura 8.16 Percebe-se: Va – Ia . Ra – La . diA – Ec = 0 df Como La di = 0 para grande parte das aplicações, a equação torna-se: dt Va – Ia . Ra – Ec = 0 Temos também que: Ec = K1 . φc . N φc = K2 . Ic onde: Ec é a força contra-eleromotriz, em volts; φ é o fluxo magnético efetivo do campo, em Weber; N é a velocidade, em rpm; Ra é a resistência da armadura, em Ohm; K1 e K2 são constantes de ajustes das equações: N = Va – Ia . Ra K1 . φc ____________________________________________________________ 77/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ Figura 8.20 8.12 ESCOVAS ELÉTRICAS Em 1869, o engenheiro eletricista e inventor belga Zénobe-Théophile Gramme construiu um motor CC que também se comportava como gerador – a máquina CC. Utilizava fios de cobre dispostos em forma de feixe para fazer o contato entre a armadura, através do anel comutador e a caixa de ligação para fazer conexões. Em função da semelhança desse feixe de fios com as escovas de limpeza, conhecidas na época, surgiu a denominação escovas. Este material utilizado não era o mais adequado, pois além de se desgastarem rapidamente, agrediam a superfície do comutador. Como primeira evolução surgiram os contatos formados de tela de latão enrolada e prensada em forma paralelepípedo. Mais tarde desenvolveu-se um contato de carvão obtido pela ____________________________________________________________ 80/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ aglomeração de coque de retorta moída e cozida, que apresentou excelente resultado. Surgiram, assim, as escovas de carvão. 8.13 O CARBONO O carbono é o mais refratário dos elementos que se conhece. Na sua forma cristalina é denominado grafite. Como característica deste material tem-se: − sensibilidade total a choques térmicos; − conservação das suas propriedades mecânicas a altas temperaturas; − baixa densidade; − facilidade de usinagem. O emprego do grafite também é limitado devido a seu poder de oxidação, resiliência e irregularidade. Com um tratamento à temperatura correta (gravitação) do aglomerado de carbono chamado de amorfo, obtém-se o material grafite com as propriedades desejadas. Elaboração do Grafite Matérias-primas: 1. Negros de fumo e de petróleo, que são formas divididas de carbono, obtidas por meio gasoso. 2. Coques metalúrgicos, de petróleo e retorta, que são resíduos da destilação ou da condensação. 3. Grafites naturais, procedentes de Madagascar e Ceilão. 4. Grafites artificiais, resultantes de materiais eletrografitados e remoídos. 5. Piche, breu, resinas fenólicas, que são materiais ligantes. 8.14 CLASSIFICAÇÃO DAS ESCOVAS Há cinco grupos de escovas, do ponto de vista de fabricação e utilização. Os principais são: − escovas duras ou amorfas; − escovas de baquelite – grafite ou grafite especial; − escovas de grafite natural, grafite ou carvão – grafite; − escovas de eletrografite; ____________________________________________________________ 81/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico Elétrica ____________________________________________________________ − escovas metálicas. Escovas duras ou amorfas: são construídas, basicamente, de carbonos amorfos, tais como coque de petróleo e de negro fumo, misturadas e aglutinadas com piches ou resinas sintéticas; prensadas e depois cozidas em temperaturas de até 1200ºC. As escovas resultantes são altamente polidoras e têm baixa capacidade térmica e elétrica. Escovas de baquelite – grafite ou grafite especial: utiliza-se grafite natural ou artificial, que é moído e aglomerado com uma resina do tipo baquelite. Esta mistura é comprimida e polimerizada a uma temperatura conveniente. Têm alta resistência mecânica e elétrica e elevada queda de tensão por contato. Apresentam alta capacidade de comutação e geralmente são polidoras. Escovas de grafite natural, grafite ou carvão grafite: são constituídas, basicamente, de grafite natural purificado, junto com resinas sintéticas, prensado e tratado termicamente por processos especiais a aproximadamente mil graus centígrados. Têm altas perdas elétricas, elevada resistência à abrasão térmica, e são polidoras. Escovas de eletrografite: são preparadas como as amorfas, mas posteriormente eletrografitadas a uma temperatura aproximada de 2500ºC. Tem boa condutibilidade térmica e elétrica, mediana queda de tensão, e capacidade de polimento menor que as amorfas. O eletrografite é um dos materiais mais utilizados em escovas elétricas. Escovas metálicas: são misturadas em proporções convenientes de grafite e cobre, com eventual adição de pó de chumbo ou estanho. A mistura é comprimida e as placas cozidas em atmosfera e temperatura controladas. Estas escovas se caracterizam pelo peso elevado, baixo coeficiente de atrito e baixíssima queda de tensão por contato. ____________________________________________________________ 82/ 83 Mantenedor Eletroeletrônico