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Motores Elétricos - Guia de Especificação Weg, Notas de estudo de Cultura

Noções, Características, Regulagem de Velocidade...

Tipologia: Notas de estudo

2013

Compartilhado em 24/02/2013

Natalino_Vieira_de_Oliveira10
Natalino_Vieira_de_Oliveira10 🇧🇷

4.6

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Baixe Motores Elétricos - Guia de Especificação Weg e outras Notas de estudo em PDF para Cultura, somente na Docsity! -- Motores | Automação | Energia | Transmissão & Distribuição | Tintas Motores Elétricos Guia de Especificação mM By Wwwweg.net Especificação de Motores Elétricos 2 | Especificação do Motor Elétrico Especificação do Motor Elétrico 5 -- 9. Atmosferas Explosivas ....................................48 9.1 Áreas de Risco ..................................................48 9.2 Atmosfera Explosiva ..........................................48 9.3 Classificação das Áreas de Risco .....................48 9.3.1 Classes e Grupos das Áreas de Risco ..............48 9.3.2 Tipo de Proteção do Invólucro ...........................49 9.4 Classes de Temperatura ....................................50 9.5 Equipamentos para Áreas de Risco ..................50 9.6 Equipamentos de Segurança Aumentada .........50 9.7 Equipamentos à Prova de Explosão ................. 51 10. Características Construtivas ........................51 10.1 Dimensões ........................................................ 51 10.2 Formas Construtivas Normalizadas ................... 52 10.3 Dimensões dos Flanges ....................................54 10.4 Pintura ..............................................................55 10.4.1 Pintura Tropicalizada ou Tropicalização .............55 11. Seleção e Aplicação dos Motores Trifásicos ........................................................55 11.1 Seleção do Tipo de Motor para Diferentes Cargas ............................................................... 57 11.2 Níveis de Rendimentos Exigidos no Brasil .........58 11.2.1 O Programa de Eficiência Energética no País ....58 11.2.2 Motores Premium WEG .....................................58 11.2.3 WMagnet Drive System® ...................................59 11.3 Aplicação de Motores de Indução Alimentados por Inversores de Frequência ............................59 11.3.1 Aspectos Normativos ........................................59 11.3.2 Variação da Velocidade do Motor por Meio de Inversores de Frequência .............................59 11.3.3 Características dos Inversores de Frequência ..60 11.3.3.1 Modos de Controle ...........................................60 11.3.3.2 Harmônicas ...................................................... 61 11.3.4 Influência do Inversor no Desempenho do Motor ................................................................. 61 12. Informações Ambientais ..............................64 12.1 Embalagem .......................................................64 12.2 Produto .............................................................64 13. Ensaios .............................................................64 13.1 Motores Alimentados por Inversores de Frequência .........................................................64 14. Anexos ..............................................................65 14.1 Sistema Internacional de Unidades - SI .............65 14.2 Conversão de Unidades ....................................66 14.3 Normas - ABNT e IEC ....................................... 67 www.weg.net Especificação do Motor Elétrico6 1.1 Motores Elétricos Motor elétrico é a máquina destinada a transformar energia elétrica em energia mecânica. O motor de indução é o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da utilização de energia elétrica - baixo custo, facilidade de transporte, limpeza, simplicidade de comando - com sua construção simples e grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos. Os tipos mais comuns de motores elétricos são: a) Motores de corrente contínua São motores de custo mais elevado e, além disso, precisam de uma fonte de corrente contínua, ou de um dispositivo que converta a corrente alternada comum em contínua. Podem funcionar com velocidade ajustável entre amplos limites e se prestam a controles de grande flexibilidade e precisão. Por isso, seu uso é restrito a casos especiais em que estas exigências compensam o custo muito mais alto da instalação e da manutenção. b) Motores de corrente alternada São os mais utilizados, porque a distribuição de energia elétrica é feita normalmente em corrente alternada. Os principais tipos são: Motor síncrono: funciona com velocidade fixa, ou seja, sem interferência do escorregamento; utilizado normalmente para grandes potências ( devido ao seu alto custo em tamanhos menores ). Motor de indução: funciona normalmente com uma velocidade constante, que varia ligeiramente com a carga mecânica aplicada ao eixo. Devido a sua grande simplicidade, robustez e baixo custo, é o motor mais utilizado de todos, sendo adequado para quase todos os tipos de máquinas acionadas, encontradas na prática. Atualmente é possível o controle da velocidade dos motores de indução com o auxílio de inversores de frequência. O Universo Tecnológico de Motores Elétricos Tabela 1.1 1. Noções Fundamentais No diagrama acima são apresentados os tipos de motores mais utilizados. Motores para usos específicos e de aplicações reduzidas não foram relacionados www.weg.net Especificação do Motor Elétrico 7 1.2 Conceitos Básicos São apresentados a seguir os conceitos de algumas grandezas básicas, cuja compreensão é necessária para melhor acompanhar as explicações das outras partes deste guia. 1.2.1 Conjugado O conjugado ( também chamado torque ou momento ) é a medida do esforço necessário para girar um eixo. Pela experiência prática observa-se que para levantar um peso por um processo semelhante ao usado em poços ( figura 1.1 ) a força F que é preciso aplicar à manivela depende do comprimento E da mesma. Quanto maior for a manivela, menor será a força necessária. Se dobrarmos o tamanho E da manivela, a força F necessária será diminuída à metade. No exemplo da figura 1.1, se o balde pesa 20 N e o diâmetro do tambor é 0,20 m, a corda transmitirá uma força de 20 N na superfície do tambor, isto é, a 0,10 m do centro do eixo. Para contrabalançar esta força, precisa-se de 10 N na manivela, se o comprimento E for de 0,20 m. Se E for o dobro, isto é, 0,40 m, a força F será a metade, ou seja 5 N. Como vemos, para medir o “esforço” necessário para girar o eixo não basta definir a força empregada: é preciso também dizer a que distância do centro eixo a força é aplicada. O “esforço” é medido pelo conjugado, que é o produto da força pela distância, F x E. No exemplo citado, o conjugado vale: C = 20 N x 0,10 m = 10 N x 0,20 m = 5 N x 0,40 m = 2,0 Nm C = F . E ( N . m ) 1.2.2 Energia e potência mecânica A potência mede a “velocidade” com que a energia é aplicada ou consumida. No exemplo anterior, se o poço tem 24,5 metros de profundidade, a energia gasta, ou trabalho ( W ) realizado para trazer o balde do fundo até a boca do poço é sempre a mesma, valendo 20 N x 24,5 m = 490 Nm Nota: a unidade de medida de energia mecânica, Nm, é a mesma que usamos para o conjugado - trata-se, no entanto, de grandezas de naturezas diferentes, que não devem ser confundidas. W = F . d ( N . m ) OBS.: 1 Nm = 1 J = Potência x tempo = Watts x segundo A potência exprime a rapidez com que esta energia é aplicada e se calcula dividindo a energia ou trabalho total pelo tempo gasto em realizá-lo. Assim, se usarmos um motor elétrico capaz de erguer o balde de água em 2,0 segundos, a potência necessária será: F . d Pmec = ( W ) t 490 P1 = = 245 W 2,0 Se usarmos um motor mais potente, com capacidade de realizar o trabalho em 1,3 segundos, a potência necessária será: 490 P2 = = 377 W 1,3 A unidade usada no Brasil para medida de potência mecânica é o cv ( cavalo-vapor ), equivalente a 0,736 kW ( unidade de medida utilizada internacionalmente para o mesmo fim ). Relação entre unidades de potência P ( kW ) = 0,736 . P ( cv ) P ( cv ) = 1,359 P ( kW ) Então as potências dos dois motores acima serão: 245 1 377 1 P1 = = cv P2 = = cv 736 3 736 2 Para movimentos circulares C = F . r ( N.m ) π . d. n v = ( m/s ) 60 F . d Pmec = ( cv ) 736 . t onde: C = conjugado em Nm F = força em N r = raio da polia em m v = velocidade angular em m/s d = diâmetro da peça em m n = velocidade em rpm 1.2.3 Energia e potência elétrica Embora a energia seja uma coisa só, ela pode se apresentar de formas diferentes. Se ligarmos uma resistência a uma rede elétrica com tensão, passará uma corrente elétrica que irá aquecer a resistência. A resistência absorve energia elétrica e a transforma em calor, que também é uma forma de energia. Um motor elétrico absorve energia elétrica da rede e a transforma em energia mecânica disponível na ponta do eixo. Figura 1.1 www.weg.net Especificação do Motor Elétrico10 Fator de Fator de potência desejado potência original 0,80 0,81 0,82 0,83 0,84 0,85 0,86 0,87 0,88 0,89 0,90 0,91 0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 1,00 0,50 0,982 1,008 1,034 1,060 1,086 1,112 1,139 1,165 1,192 1,220 1,248 1,276 1,306 1,337 1,369 1,403 1,442 1,481 1,529 1,590 1,732 0,51 0,937 0,962 0,989 1,015 1,041 1,067 1,094 1,120 1,147 1,175 1,203 1,231 1,261 1,292 1,324 1,358 1,395 1,436 1,484 1,544 1,687 0,52 0,893 0,919 0,945 0,971 0,997 1,023 1,060 1,076 1,103 1,131 1,159 1,187 1,217 1,248 1,280 1,314 1,351 1,392 1,440 1,500 1,643 0,53 0,850 0,876 0,902 0,928 0,954 0,980 1,007 1,033 1,060 1,088 1,116 1,144 1,174 1,205 1,237 1,271 1,308 1,349 1,397 1,457 1,600 0,54 0,809 0,835 0,861 0,887 0,913 0,939 0,966 0,992 1,019 1,047 1,075 1,103 1,133 1,164 1,196 1,230 1,267 1,308 1,356 1,416 1,359 0,55 0,769 0,795 0,821 0,847 0,873 0,899 0,926 0,952 0,979 1,007 1,035 1,063 1,090 1,124 1,456 1,190 1,228 1,268 1,316 1,377 1,519 0,56 0,730 0,756 0,782 0,808 0,834 0,860 0,887 0,913 0,940 0,968 0,996 1,024 1,051 1,085 1,117 1,151 1,189 1,229 1,277 1,338 1,480 0,57 0,692 0,718 0,744 0,770 0,796 0,882 0,849 0,875 0,902 0,930 0,958 0,986 1,013 1,047 1,079 1,113 1,151 1,191 1,239 1,300 1,442 0,58 0,655 0,681 0,707 0,733 0,759 0,785 0,812 0,838 0,865 0,893 0,921 0,949 0,976 1,010 1,042 1,076 1,114 1,154 1,202 1,263 1,405 0,59 0,618 0,644 0,670 0,696 0,722 0,748 0,775 0,801 0,828 0,856 0,884 0,912 0,943 0,973 1,005 1,039 1,077 1,117 1,165 1,226 1,368 0,60 0,584 0,610 0,636 0,662 0,688 0,714 0,741 0,767 0,794 0,822 0,850 0,878 0,905 0,939 0,971 1,005 1,043 1,083 1,131 1,192 1,334 0,61 0,549 0,575 0,601 0,627 0,653 0,679 0,706 0,732 0,759 0,787 0,815 0,843 0,870 0,904 0,936 0,970 1,008 1,048 1,096 1,157 1,299 0,62 0,515 0,541 0,567 0,593 0,619 0,645 0,672 0,698 0,725 0,753 0,781 0,809 0,836 0,870 0,902 0,936 0,974 1,014 1,062 1,123 1,265 0,63 0,483 0,509 0,535 0,561 0,587 0,613 0,640 0,666 0,693 0,721 0,749 0,777 0,804 0,838 0,870 0,904 0,942 0,982 1,000 1,091 1,233 0,64 0,450 0,476 0,502 0,528 0,554 0,580 0,607 0,633 0,660 0,688 0,716 0,744 0,771 0,805 0,837 0,871 0,909 0,949 0,997 1,066 1,200 0,65 0,419 0,445 0,471 0,497 0,523 0,549 0576 0,602 0,629 0,657 0,685 0,713 0,740 0,774 0,806 0,840 0,878 0,918 0,966 1,027 1,169 0,66 0,388 0,414 0,440 0,466 0,492 0,518 0,545 0,571 0,598 0,26 0,654 0,692 0,709 0,742 0,755 0,809 0,847 0,887 0,935 0,996 1,138 0,67 0,358 0,384 0,410 0,436 0,462 0,488 0,515 0,541 0,568 0,596 0,624 0,652 0,679 0,713 0,745 0,779 0,817 0,857 0,906 0,966 1,108 0,68 0,329 0,355 0,381 0,407 0,433 0,459 0,486 0,512 0,539 0,567 0595 0,623 0,650 0,684 0,716 0,750 0,788 0,828 0,876 0,937 1,079 0,69 0,299 0,325 0,351 0,377 0,403 0,429 0,456 0,482 0,509 0,537 0,565 0,593 0,620 0,654 0,686 0,720 0,758 0,798 0,840 0,907 1,049 0,70 0,270 0,296 0,322 0,348 0,374 0,400 0,427 0,453 0,480 0,508 0,536 0,564 0,591 0,625 0,657 0,691 0,729 0,769 0,811 0,878 1,020 0,71 0,242 0,268 0,294 0,320 0,346 0,372 0,399 0,425 0,452 0,480 0,508 0,536 0,563 0,597 0,629 0,663 0,701 0,741 0,783 0,850 0,992 0,72 0,213 0,239 0,265 0,291 0,317 0,343 0,370 0,396 0,423 0,451 0,479 0,507 0,534 0,568 0,600 0,624 0,672 0,712 0,754 0,821 0,963 0,73 0,186 0,212 0,238 0,264 0,290 0,316 0,343 0,369 0,396 0,424 0,452 0,480 0,507 0,541 0,573 0,607 0,645 0,685 0,727 0,794 0,936 0,74 0,159 0,185 0,211 0,237 0,263 0,289 0,316 0,342 0,369 0,397 0,425 0,453 0,480 0,514 0,546 0,580 0,618 0,658 0,700 0,767 0,909 0,75 0,132 0,158 0,184 0,210 0,236 0,262 0,289 0,315 0,342 0,370 0,398 0,426 0,453 0,487 0,519 0,553 0,591 0,631 0,673 0,740 0,882 0,76 0,106 0,131 0,157 0,183 0,209 0,235 0,262 0,288 0,315 0,343 0,371 0,399 0,426 0,460 0,492 0,526 0,564 0,604 0,652 0,713 0,855 0,77 0,079 0,106 0,131 0,157 0,183 0,209 0,236 0,262 0,289 0,317 0,345 0,373 0,400 0,434 0,466 0,500 0,538 0,578 0,620 0,686 0,829 0,78 0,053 0,079 0,105 0,131 0,157 0,183 0,210 0,236 0,263 0,291 0,319 0,347 0,374 0,408 0,440 0,474 0,512 0,562 0,594 0,661 0,803 0,79 0,026 0,062 0,078 0,104 0,130 0,153 0,183 0,209 0,236 0,264 0,292 0,320 0,347 0,381 0,403 0,447 0,485 0,525 0,567 0,634 0,776 0,80 0,000 0,026 0,062 0,078 0,104 0,130 0,157 0,183 0,210 0,238 0,266 0,264 0,321 0,355 0,387 0,421 0,459 0,499 0,541 0,608 0,750 0,81 0,000 0,026 0,062 0,078 0,104 0,131 0,157 0,184 0,212 0,240 0,268 0,295 0,329 0,361 0,395 0,433 0,473 0,515 0,582 0,724 0,82 0,000 0,026 0,062 0,078 0,105 0,131 0,158 0,186 0,214 0,242 0,269 0,303 0,335 0,369 0,407 0,447 0,496 0,556 0,696 0,83 0,000 0,026 0,062 0,079 0,105 0,132 0,160 0,188 0,216 0,243 0,277 0,309 0,343 0,381 0,421 0,463 0,536 0,672 0,84 0,000 0,026 0,053 0,079 0,106 0,14 0,162 0,190 0,217 0,251 0,283 0,317 0,355 0,395 0,437 0,504 0,645 0,85 0,000 0,027 0,053 0,080 0,108 0,136 0,164 0,194 0,225 0,257 0,191 0,229 0,369 0,417 0,476 0,620 0,86 0,000 0,026 0,053 0,081 0,109 0,137 0,167 0,198 0,230 0,265 0,301 0,343 0,390 0,451 0,593 0,87 0,027 0,055 0,082 0,111 0,141 0,172 0,204 0,238 0,275 0,317 0,364 0,425 0,567 0,88 0,028 0,056 0,084 0,114 0,145 0,177 0,211 0,248 0,290 0,337 0,398 0,540 0,89 0,028 0,056 0,086 0,117 0,149 0,183 0,220 0,262 0,309 0,370 0,512 0,90 0,028 0,058 0,089 0,121 0,155 0,192 0,234 0,281 0,342 0,484 0,91 0,030 0,061 0,093 0,127 0,164 0,206 0,253 0,314 0,456 0,92 0,031 0,063 0,097 0,134 0,176 0,223 0,284 0,426 0,93 0,032 0,068 0,103 0,145 0,192 0,253 0,395 0,94 0,034 0,071 0,113 0,160 0,221 0,363 0,95 0,037 0,079 0,126 0,187 0,328 0,96 0,042 0,089 0,149 0,292 0,97 0,047 0,108 0,251 0,98 0,061 0,203 0,99 0,142 Tabela 1.2 - Correção do fator de potência www.weg.net Especificação do Motor Elétrico 11 1.2.6 Rendimento O rendimento define a eficiência com que é feita a conversão da energia elétrica absorvida da rede pelo motor, em energia mecânica disponível no eixo. Chamando “Potência útil” Pu a potência mecânica disponível no eixo e “Potência absorvida” Pa a potência elétrica que o motor retira da rede, o rendimento será a relação entre as duas, ou seja: Pu ( W ) 736 . P ( cv ) 1000 . P ( kW ) η = = = Pa ( W ) 3 . U . I. cos ϕ 3 . U . I . cos ϕ ou 736 . P ( cv ) η% = . 100 3 . U . I cos ϕ 1.2.7 Relação entre Conjugado e Potência Quando a energia mecânica é aplicada sob a forma de movimento rotativo, a potência desenvolvida depende do conjugado C e da velocidade de rotação n. As relações são: C ( kgfm ) . n ( rpm ) C ( Nm ) . n ( rpm ) P ( cv ) = = 716 7024 C ( kgfm ) . n ( rpm ) C ( Nm ) . n ( rpm ) P ( kW ) = = 974 9555 Inversamente 716 . P ( cv ) 974 . P ( kW ) C ( kgfm ) = = n ( rpm ) n ( rpm ) 7024 . P ( cv ) 9555 . P ( kW ) C ( Nm ) = = n ( rpm ) n ( rpm ) 1.3 Sistemas de Corrente Alternada Monofásica A corrente alternada se caracteriza pelo fato de que a tensão, em vez de permanecer fixa, como entre os polos de uma bateria, varia com o tempo, mudando de sentido alternadamente, donde o seu nome. No sistema monofásico uma tensão alternada U ( Volt ) é gerada e aplicada entre dois fios, aos quais se liga a carga, que absorve uma corrente I ( Ampère ) - ver figura 1.4a. Se representarmos num gráfico os valores de U e I, a cada instante, vamos obter a figura 1.4b. Na figura 1.4b estão também indicadas algumas grandezas que serão definidas em seguida. Note que as ondas de tensão e de corrente não estão “em fase”, isto é, não passam pelo valor zero ao mesmo tempo, embora tenham a mesma frequência; isto acontece para muitos tipos de carga, por exemplo, enrolamentos de motores ( cargas reativas ). Frequência É o número de vezes por segundo que a tensão muda de sentido e volta à condição inicial. É expressa em “ciclos por segundo” ou “Hertz”, simbolizada por Hz. Tensão máxima ( Umáx ) É o valor de “pico” da tensão, ou seja, o maior valor instantâneo atingido pela tensão durante um ciclo ( este valor é atingido duas vezes por ciclo, uma vez positivo e uma vez negativo ). Corrente máxima ( Imáx ) É o valor de “pico” da corrente. Valor eficaz de tensão e corrente ( U e I ) É o valor da tensão e corrente contínuas que desenvolvem potência correspondente àquela desenvolvida pela corrente alternada. Pode-se demonstrar que o valor eficaz vale: U = Umáx / 2 e I = Imáx / 2 . Exemplo: Se ligarmos uma “resistência” a um circuito de corrente alternada ( cos ϕ = 1 ) com Umáx = 311 V e Imáx = 14, 14 A, A potência desenvolvida será: P = 2.200 Watts = 2,2 kW OBS.: normalmente, quando se fala em tensão e corrente, por exemplo, 220 V ou 10 A, sem especificar mais nada, estamos nos referindo à valores eficazes da tensão ou da corrente, que são empregados na prática. Defasagem ( ϕ ) É o “atraso” da onda de corrente em relação à onda da tensão ( ver figura 1.4b ). Em vez de ser medido em tempo ( segundos ), este atraso é geralmente medido em ângulo ( graus ) correspondente à fração de um ciclo completo, considerando 1 ciclo = 360o. Mas comumente a defasagem é expressa pelo cosseno do ângulo ( ver item “1.2.5 - Fator de potência” ). 1.3.1 Ligações em Série e Paralelo √ √ √ √ √ Figura 1.5a Figura 1.5b Figura 1.4a Figura 1.4b P = U . I . COS ϕ = . 311 . 14,14 . 1 √ √ Umax Imax 2 2 . www.weg.net Especificação do Motor Elétrico12 Se ligarmos duas cargas iguais a um sistema monofásico, esta ligação pode ser feita em dois modos: g ligação em série ( figura 1.5a ), em que a corrente total do circuito percorre as duas cargas. Neste caso, a tensão em cada carga será a metade da tensão do circuito. g ligação em paralelo ( figura 1.5b ), em que é aplicada às duas cargas a tensão do circuito. Neste caso, a corrente em cada carga será a metade da corrente total do circuito. 1.4 Sistemas de Corrente Alternada Trifásica O sistema trifásico é formado pela associação de três sistemas monofásicos de tensões U1, U2 e U3 tais que a defasagem entre elas seja de 120o, ou seja, os “atrasos” de U2 em relação a U1, de U3 em relação a U2 e de U1 em relação a U3 sejam iguais a 120 o ( considerando um ciclo completo = 360o ). O sistema é equilibrado se as três tensões têm o mesmo valor eficaz U1 = U2 = U3 conforme figura 1.6. Ligando entre si os três sistemas monofásicos e eliminando os fios desnecessários, teremos um sistema trifásico equilibrado: três tensões U1, U2 e U3 equilibradas, defasadas entre si de 120o e aplicadas entre os três fios do sistema. A ligação pode ser feita de duas maneiras, representadas nos esquemas seguintes. Nestes esquemas, costuma-se representar as tensões com setas inclinadas ou vetores girantes, mantendo entre si o ângulo correspondente à defasagem ( 120o ), conforme figuras 1.7a, b e c, e figuras 1.8a, b e c. 1.4.1 Ligação Triângulo Se ligarmos os três sistemas monofásicos entre si, como indicam as figuras 1.7a, b e c, podemos eliminar três fios, deixando apenas um em cada ponto de ligação, e o sistema trifásico ficará reduzido a três fios L1, L2 e L3. Tensão de linha ( U ) É a tensão nominal do sistema trifásico aplicada entre dois dos três fios L1, L2 e L3. Figura 1.6 Figura 1.7a - Ligações Figura 1.7b - Diagrama elétrico Corrente de linha ( I ) É a corrente em qualquer um dos três fios L1, L2 e L3. Tensão e corrente de fase ( Uf e If ) É a tensão e corrente de cada um dos três sistemas monofásicos considerados. Examinando o esquema da figura 1.7b, vê-se que: U = Uf I = 3 . If = 1,732 If I = If3 - If1 ( figura 1.7c ) Exemplo: Temos um sistema equilibrado de tensão nominal 220 V. A corrente de linha medida é 10 A. Ligando a este sistema uma carga trifásica composta de três cargas iguais ligadas em triângulo, qual a tensão e a corrente em cada uma das cargas? Temos Uf = U1 = 220 V em cada uma das cargas. Se I = 1,732 . If, temos que If = 0,577 . I = 0,577 . 10 = 5,77 A em cada uma das cargas. 1.4.2 Ligação Estrela Ligando um dos fios de cada sistema monofásico a um ponto comum aos três, os três fios restantes formam um sistema trifásico em estrela ( figura 1.8a ). Às vezes, o sistema trifásico em estrela é “a quatro fios” ou “com neutro”. O quarto fio é ligado ao ponto comum às três fases. √ Figura 1.7c - Diagrama fasorial ® ® ® ® ® ® www.weg.net Especificação do Motor Elétrico 15 1.5.3 Escorregamento ( s ) Se o motor gira a uma velocidade diferente da velocidade síncrona, ou seja, diferente da velocidade do campo girante, o enrolamento do rotor “corta” as linhas de força magnética do campo e, pelas leis do eletromagnetismo, circularão nele correntes induzidas. Quanto maior a carga, maior terá que ser o conjugado necessário para acioná-la. Para obter um maior conjugado, terá que ser maior a diferença de velocidade, para que as correntes induzidas e os campos produzidos sejam maiores. Portanto, à medida que a carga aumenta, a rotação do motor diminui. Quando a carga é zero, motor em vazio, o rotor girará praticamente com a rotação síncrona. A diferença entre a velocidade do motor ( n ) e a velocidade síncrona ( ns ) chama-se escorregamento ( s ), que pode ser expresso em rotações por minuto ( rpm ), como fração da velocidade síncrona, ou como ainda, porcentagem desta: ns - n ns - n s ( rpm ) = ns - n ; s = ; s ( % ) = . 100 ns ns Portanto, para um dado escorregamento s ( % ), a velocidade do motor será: s ( % ) n = ns . ( 1 - ) 100 Exemplo: Qual é o escorregamento de um motor de VI polos, 50 Hz, se sua velocidade é de 960 rpm? 1000 - 960 s ( % ) = . 100 1000 s ( % ) = 4% 1.5.4 Velocidade Nominal É a velocidade ( rpm ) do motor funcionando à potência nominal, sob tensão e frequência nominais. Conforme foi visto no item 1.5.3, depende do escorregamento e da velocidade síncrona. s % n = ns . ( 1 - ) rpm 100 1.6 Materiais e Sistemas de Isolação Sendo o motor de indução, uma máquina robusta e de construção simples, a sua vida útil depende quase exclusivamente da vida útil da isolação do enrolamento. Esta é afetada por muitos fatores, como umidade, vibrações, ambientes corrosivos e outros. Dentre todos os fatores, o mais importante é, sem dúvida, a temperatura suportada pelos materiais isolantes empregados. Um aumento de 8 a 10 graus acima do limite da classe térmica da temperatura da isolação, pode reduzir a vida útil do enrolamento pela metade. Para um maior tempo de vida do motor elétrico recomendamos a utilização de sensores térmicos para proteção do enrolamento. Quando falamos em diminuição da vida útil do motor, não nos referimos às temperaturas elevadas, quando o isolante se queima e o enrolamento é destruído repentinamente. Vida útil da isolação ( em termos de temperatura de trabalho, bem abaixo daquela em que o material se queima ), refere-se ao envelhecimento gradual do isolante, que vai se tornando ressecado, perdendo o poder isolante, até que não suporte mais a tensão aplicada e produza o curto-circuito. A experiência mostra que a isolação tem uma duração praticamente ilimitada, se a sua temperatura for mantida abaixo do limite de sua classe térmica. Acima deste valor, a vida útil da isolação torna-se cada vez mais curta, à medida que a temperatura de trabalho é mais alta. Este limite de temperatura é muito mais baixo que a temperatura de “queima” do isolante e depende do tipo de material empregado. Esta limitação de temperatura refere-se ao ponto mais quente da isolação e não necessariamente ao enrolamento todo. Evidentemente, basta um “ponto fraco” no interior da bobina para que o enrolamento fique inutilizado. Com o uso cada vez mais intenso de inversores de frequência para variação de velocidade dos motores de indução, outros critérios da aplicação também devem ser observados para a preservação da vida do sistema de isolação do motor. Mais detalhes podem ser vistos no item “Influência do inversor na isolação do motor”. 1.6.1 Material Isolante O material isolante impede, limita e direciona o fluxo das correntes elétricas. Apesar da principal função do material isolante ser de impedir o fluxo de corrente de um condutor para terra ou para um potencial mais baixo, ele serve também para dar suporte mecânico, proteger o condutor de degradação provocada pelo meio ambiente e transferir calor para o ambiente externo. Gases, líquidos e sólidos são usados para isolar equipamentos elétricos, conforme as necessidades do sistema. Os sistemas de isolação influenciam na boa qualidade do equipamento, o tipo e a qualidade da isolação, afetam o custo, o peso, o desempenho e a vida útil do mesmo. 1.6.2 Sistema Isolante Uma combinação de dois ou mais materiais isolantes usados num equipamento elétrico denomina-se sistema isolante. Essa combinação num motor elétrico consiste do esmalte de isolação do fio, isolação de fundo de ranhura, isolação de fechamento de ranhura, isolação entre fases, verniz e/ ou resina de impregnação, isolação do cabo de ligação, isolação de solda. Qualquer material ou componente que não esteja em contato com a bobina, não faz parte do sistema de isolação. 1.6.3 Classes Térmicas Como a temperatura em produtos eletromecânicos é frequentemente o fator predominante para o envelhecimento do material isolante e do sistema de isolação, certas classificações térmicas básicas são úteis e reconhecidas mundialmente. www.weg.net Especificação do Motor Elétrico16 Materiais Sistemas Materiais e Sistemas UL 746B UL 1446 IEC 60085 IEC 60216 UL 1561 / 1562 IEC 60505 IEEE 117 As classes térmicas definidas para os mterias e sistemas isolantes são as seguintes: IEC - International Electrotechnical Commission - organização internacional não governamental de normas da área elétrica, eletrônica e de tecnologias relacionadas. UL - Underwriters Laboratories - Entidade norte americana de certificação de produtos. Especifica-se que em um equipamento eletromecânico, a classe térmica representa a temperatura máxima que o equipamento pode alcançar no seu ponto mais quente, ao estar operando em carga nominal, sem diminuição da vida útil. A classificação térmica de um material ou sistema é baseada na comparação com sistemas ou material de referência conhecidos. No entanto, nos casos em que não se conhece nenhum material de referência, a classe térmica pode ser obtida extrapolando a curva de durabilidade térmica ( Gráfico de Arrhenius ) para um dado tempo ( IEC 216 especifica 20.000 horas ). 1.6.4 Materiais Isolantes em Sistemas de Isolação A especificação de um produto numa determinada classe térmica não significa e não implica que cada material isolante usado na sua construção tenha a mesma capacidade térmica ( classe térmica ). O limite de temperatura para um sistema de isolação não pode ser diretamente relacionado à capacidade térmica dos materiais individuais utilizados nesse sistema. Em um sistema, a performance térmica de um material pode ser melhorada através de características protetivas de certos materiais usados com esse material. Por exemplo, um material de classe 155 ºC pode ter o seu desempenho melhorado quando o conjunto é impregnado com verniz de classe 180 ºC. 1.6.5 Sistemas de Isolação WEG Para atender as várias exigências do mercado e aplicações específicas, aliadas a um excelente desempenho técnico, nove sistemas de isolação são utilizados nos diversos motores WEG. O fio circular esmaltado é um dos componentes mais importantes do motor, pois é a corrente elétrica circulando por ele que cria o campo magnético necessário para o funcionamento do motor. Durante a fabricação do motor, os fios são submetidos a esforços mecânicos de tração, flexão e abrasão. Em funcionamento, os efeitos térmicos e elétricos agem também sobre o material isolante do fio. Por essa razão, ele deve ter uma boa isolação mecânica, térmica e elétrica. O esmalte utilizado atualmente nos fios garante essas propriedades, sendo a propriedade mecânica assegurada pela camada externa do esmalte que resiste a forças de abrasão durante a inserção do mesmo nas ranhuras do estator. A camada de esmalte interna garante alta rigidez dielétrica e o conjunto, atribui classe 200 ºC ao fio ( UL File E234451 ). Esse fio é utilizado em todos os motores classe B, F e H. Nos motores para extração de fumaça ( Smoke Extraction Motor ) o fio é especial para altíssimas temperaturas. Os filmes e laminados isolantes têm função de isolar térmica e eletricamente partes da bobina do motor. A classe térmica é identificada na placa de identificação. Esses são à base de aramida e poliéster e possuem filmes e laminados são usados nos seguintes pontos: g entre a bobina e a ranhura ( filme de fundo de ranhura ): para isolar o pacote de chapas de aço ( terra ) da bobina de fios esmaltados; g entre as fases: para isolar eletricamente a fase uma da outra; g fechamento da ranhura do estator para isolar eletricamente a bobina localizada na parte superior da ranhura do estator e para atuar mecanicamente de modo a manter os fios dentro da ranhura. Figura 1.12a – Fios e Filmes aplicados no estator Os materiais e sistemas isolantes são classificados conforme a resistência à temperatura por longo período de tempo. As normas citadas a seguir referem-se à classificação de materiais e sistemas isolantes: Tabela 1.4 - Normas de materiais e sistemas isolantes Tabela 1.5 - Classes térmicas Classes de temperatura Temperatura ( ºC ) IEC 60085 UL 1446 90 Y ( 90 ºC ) - 105 A ( 105 ºC ) - 120 E ( 120 ºC ) 120 ( E ) 130 B ( 130 ºC ) 130 ( B ) 155 F ( 155 ºC ) 155 ( F ) 180 H ( 180 ºC ) 180 ( H ) 200 N ( 200 ºC ) 200 ( N ) 220 R ( 220 ºC ) 220 ( R ) 240 - 240 ( S ) acima de 240ºC - Acima de 240 ( C ) 250 250 www.weg.net Especificação do Motor Elétrico 17 Os vernizes e resinas de impregnação têm como principais funções manter unidos entre si todos os fios esmaltados da bobina com todos os componentes do estator e o preenchimento dos espaços vazios dentro da ranhura. A união dos fios impede que os mesmos vibrem e atritem entre si. Esse atrito poderia provocar falhas no esmalte do fio levando-o a um curto circuito. A eliminação dos espaços vazios ajuda na dissipação térmica do calor gerado pelo condutor e, especialmente em aplicações de motores alimentados por inversores de frequência, evita/diminui a formação de descargas parciais ( efeito corona ) no interior do motor. Utiliza-se atualmente dois tipos de vernizes e dois tipos de resinas de impregnação, todos à base de poliéster, para atender às necessidades construtivas e de aplicação dos motores. A resina de silicone é utilizada apenas para motores especiais projetados para altíssimas temperaturas. Os vernizes e resinas melhoram as características térmica e elétrica dos materiais impregnados podendo-se atribuir uma classe térmica maior aos materiais impregnados, quando comparados a esses mesmos materiais sem impregnação. Os vernizes são aplicados pelo processo de imersão e posterior cura em estufa. Já as resinas ( isentas de solventes ) são aplicadas pelo processo de Fluxo Contínuo. Figura 1.12.b – Impregnação por Imersão Os cabos de ligação são construídos com materiais isolantes elastoméricos e de mesma classe térmica do motor. Esses materiais têm única e exclusivamente a função de isolar eletricamente o condutor do meio externo. Eles tem alta resistência elétrica aliada à adequada flexibilidade para permitir o fácil manuseio durante o processo de fabricação, instalação e manutenção do motor. Para certas aplicações como bombas submersas, ocabo também deve ser quimicamente resistente ao óleo da bomba. Os tubos flexíveis têm a função de cobrir e isolar eletricamente as soldas das conexões entre os fios da bobina e o cabo de ligação e também entre fios. Eles são flexíveis para permitir que se moldem aos pontos de solda e à amarração da cabeça da bobina. Utilizam-se três tipos de tubos: g Tubo de poliéster termoencolhível - Classe 130 ºC g Tubo com trama de poliéster recoberto com resina acrílica - Classe 155 ºC g Tubo com trama de fibra de vidro recoberto com borracha de silicone - Classe 180 ºC Figura 1.12.c – Fluxo contínuo de resina www.weg.net Especificação do Motor Elétrico20 3.3 Tolerância de Variação de Tensão e Frequência Conforme as normas ABNT NBR 17094 ( 2008 ) e IEC 60034-1, para os motores de indução, as combinações das variações de tensão e de frequência são classificadas como Zona A ou Zona B ( figura 3.4 ). Figura 3.4 - Limites das variações de tensão e de frequência em funcionamento Figura 3.5 - Circuito de comando - partida direta Um motor deve ser capaz de desempenhar sua função principal continuamente na Zona A, mas pode não atender completamente às suas características de desempenho à tensão e frequência nominais ( ver ponto de características nominais na figura 3.4 ), apresentando alguns desvios. As elevações de temperatura podem ser superiores àquelas à tensão e frequência nominais. Um motor deve ser capaz de desempenhar sua função principal na Zona B, mas pode apresentar desvios superiores àqueles da Zona A no que se refere às características de desempenho à tensão e frequência nominais. As elevações de temperatura podem ser superiores às verificadas com tensão e frequência nominais e muito provavelmente superiores àquelas da Zona A. O funcionamento prolongado na periferia da Zona B não é recomendado. 3.4 Limitação da Corrente de Partida em Motores Trifásicos A partida de um motor trifásico de gaiola, deverá ser direta, por meio de contatores. Deve-se ter em conta que para um determinado motor, as curvas de conjugado e corrente são fixas, independente da carga, para uma tensão constante. No caso em que a corrente de partida do motor é elevada podem ocorrer as seguintes consequências prejudiciais: a) Elevada queda de tensão no sistema de alimentação da rede. Em função disto, provoca a interferência em equipamentos instalados no sistema; b) O sistema de proteção ( cabos, contatores ) deverá ser superdimensionado, ocasionando um custo elevado; c) A imposição das concessionárias de energia elétrica que limitam a queda de tensão da rede. Caso a partida direta não seja possível, devido aos problemas citados acima, pode-se usar sistema de partida indireta para reduzir a corrente de partida: g chave estrela-triângulo g chave compensadora g chave série-paralelo g partida eletrônica ( Soft-Starter ) 3.4.1 Partida Direta Fonte: ABNT NBR 17094 ( 2008 ) www.weg.net Especificação do Motor Elétrico 21 Figura 3.6 - Circuito de força - partida direta Figura 3.7 - Circuito de comando - partida com chave estrela- triângulo F1, F2, F3 - Fusíveis de força F21, F22, F23 - Fusíveis de comando T1 - Transformador de comando K1 - Contatores FT1 - Relé de sobrecarga SH1 - Botão de comando KT1 - Relé de tempo M1 - Motor Acessórios opcionais - Relé falta de fase - Relé mínima e máxima tensão - Amperímetro - Voltímetro - Ohmimetro 3.4.2 Partida com Chave Estrela-Triângulo ( Y - Δ ) Figura 3.8 - Circuito de força - partida com chave estrela-triângulo Observação: deve - se utilizar a conexão "A" ( proteção por 3 fusíveis ) para potências até 75 cv ( 220 V ), 125 cv ( 380 V ) e 175 cv ( 440 V ). Acima dessas potências deve ser utilizada a conexão "B" ( proteção por 6 fusíveis ), onde o conjunto de fusíveis F1, F2, F3 é igual ao conjunto F4, F5, F6. F1, F2, F3 - Fusíveis de força ( F1, F2, F3 e F4, F5, F6 ) - Fusíveis de força F21, F22, F23 - Fusíveis de comando T1 - Transformador de comando K1, K2, K3 - Contatores FT1 - Relé de sobrecarga SH1 - Botão de comando KT1 - Relé de tempo M1 - Motor Acessórios opcionais - Relé falta de fase - Relé mínima e máxima tensão - Amperímetro - Voltímetro - Ohmimetro É fundamental para a partida que o motor tenha a possibilidade de ligação em dupla tensão, ou seja, em 220/380 V, em 380/660 V ou 440/760 V. Os motores deverão ter no mínimo seis bornes de ligação. A partida estrela-triângulo poderá ser usada quando a curva de conjugado do motor é suficientemente elevada para poder garantir a aceleração da máquina com a corrente reduzida. Na ligação estrela, a corrente fica reduzida para 25% a 33% da corrente de partida na ligação triângulo. Diagrama Elétrico }Circuito decomando FT1 95 96 98 SH1 21 22 13 SH1 14 KT1 KT1 K3 K1 K2 SH1 X1 X2 A1 A2 A1 A2 A1 A2 A1 A2 18 K2K2 K3 K3 K1K1 KT1 26 25 K2 13 1428 21 22 15 16 21 22 31 32 13 14 13 14 43 44 } } } L3L2L1N(PE) F1 F1 K1 FT1 1 2 2 2 2 2 2 A B 1 1 1 1 2 4 6 3 5 K2 K3 H1 H2 X2 X1 T1 21 F21 1 1 2 2 4 4 6 6 3 3 5 5 1 2 4 6 Circuito de comando 3 5 1 2 4 6 3 5 1 1 F2 F2 F3 F3 F1 2 2 2 2 1 1 1 1 F2 F3 F23 21 F22 M 3~ www.weg.net Especificação do Motor Elétrico22 Figura 3.9 - Corrente e conjugado para partida estrela-triângulo de um motor de gaiola acionando uma carga com conjugado resistente Cr. IΔ - corrente em triângulo I y - corrente em estrela Cy - conjugado em estrela CΔ - conjugado em triângulo Cr - conjugado resistente Na figura 3.11 temos o motor com as mesmas características, porém, o conjugado resistente Cr é bem menor. Na ligação Y, o motor acelera a carga até 95% da rotação nominal. Quando a chave é ligada em Δ, a Figura 3.10 Na figura 3.11 temos um alto conjugado resistente Cr. Se a partida for em estrela, o motor acelera a carga aproximadamente até 85% da rotação nominal. Neste ponto, a chave deverá ser ligada em triângulo. Neste caso, a corrente, que era aproximadamente a nominal, ou seja, 100%, salta repentinamente para 320%, o que não é nenhuma vantagem, uma vez que na partida era de somente 190%. O conjugado resistente da carga não poderá ultrapassar o conjugado de partida do motor ( figura 3.9 ), nem a corrente no instante da mudança para triângulo poderá ser de valor inaceitável. Existem casos onde este sistema de partida não pode ser usado, conforme demonstra a figura 3.10. 6 4 5 2 1 3 2 1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100% rpm I/In C/Cn I/∆ C∆ Iy Cy Cr Figura 3.11 IΔ - corrente em triângulo Iy - corrente em estrela CΔ - conjugado em triângulo Cy - conjugado em estrela C/Cn - relação entre o conjugado do motor e o conjugado nominal I/In - relação entre a corrente do motor e a corrente nominal Cr - conjugado resistente Figura 3.12 Esquematicamente, a ligação estrela-triângulo num motor para uma rede de 220 V é feita da maneira indicada na figura 3.12, notando-se que a tensão por fase durante a partida é reduzida para 127 V. corrente, que era de aproximadamente 50%, sobe para 170%, ou seja, praticamente igual a da partida em Y. Neste caso, a ligação estrela-triângulo apresenta vantagem, porque se fosse ligado direto, absorveria da rede 600% da corrente nominal. A chave estrela-triângulo em geral só pode ser empregada em partidas da máquina em vazio, isto é, sem carga. Somente depois de ter atingido pelo menos 90% da rotação nominal, a carga poderá ser aplicada. O instante da comutação de estrela para triângulo deve ser criteriosamente determinado, para que este método de partida possa efetivamente ser vantajoso nos casos em que a partida direta não é possível. No caso de motores tripla tensão nominal ( 220/380/440/760 V ), deve-se optar pela ligação 220/380 V ou 440/( 760 ) V, dependendo da rede de alimentação. www.weg.net Especificação do Motor Elétrico 25 Tensões do motor Tensão de serviço Partida com chave estrela- triângulo Partida com chave compensadora Partida com chave série- paralela Partida com Soft- Starter 220/380 V 220 V 380 V SIM NÃO SIM SIM NÃO NÃO SIM SIM 220/440 V 220 V 440 V NÃO NÃO SIM SIM SIM NÃO SIM SIM 380/660 V 380 V SIM SIM NÃO SIM 220/380/ 440 V 220 V 380 V 440 V SIM NÃO SIM SIM SIM SIM SIM SIM NÃO SIM SIM SIM Tabela 3.1 - Métodos de Partida x Motores 3.4.6 Partida Eletrônica ( Soft-Starter ) O avanço da eletrônica permitiu a criação da chave de partida a estado sólido, a qual consiste de um conjunto de pares de tiristores ( SCR ) ( ou combinações de tiristores/ diodos ), um em cada borne de potência do motor. O ângulo de disparo de cada par de tiristores é controlado eletronicamente para aplicar uma tensão variável aos terminais do motor durante a aceleração. No final do período de partida, ajustável tipicamente entre 2 e 30 segundos, a tensão atinge seu valor pleno após uma aceleração suave ou uma rampa ascendente, ao invés de ser submetido a incrementos ou saltos repentinos. Com isso, consegue-se manter a corrente de partida ( na linha ) próxima da nominal e com suave variação. Além da vantagem do controle da tensão ( corrente ) durante a partida, a chave eletrônica apresenta, também, a vantagem de não possuir partes móveis ou que gerem arco, como nas chaves mecânicas. Este é um dos pontos fortes das chaves eletrônicas, pois sua vida útil torna-se mais longa. Figura 4.1 - Curva conjugado x rotação Co: Conjugado básico - é o conjugado calculado em função da potência e velocidade síncrona. 716 . P ( cv ) 974 . P ( kW ) Co ( Kgfm ) = = ns ( rpm ) ns ( rpm ) 7024 . P ( cv ) 9555 . P ( kW ) Co ( Nm ) = = ns ( rpm ) ns ( rpm ) Cn : Conjugado nominal ou de plena carga - é o conjugado desenvolvido pelo motor à potência nominal, sob tensão e frequência nominais. Cp: Conjugado com rotor bloqueado ou conjugado de partida ou conjugado de arranque - é o conjugado mínimo desenvolvido pelo motor bloqueado, para todas as posições angulares do rotor, sob tensão e frequência nominais. Este conjugado pode ser expresso em Nm ou, mais comumente, em porcentagem do conjugado nominal. Cp ( Nm ) Cp ( % ) = . 100 Cn ( Nm ) Na prática, o conjugado de rotor bloqueado deve ser o mais alto possível, para que o rotor possa vencer a inércia inicial da carga e possa acelerá-la rapidamente, principalmente quando a partida é com tensão reduzida. 4.1.1 Curva Conjugado X Velocidade Definição O motor de indução tem conjugado igual a zero na velocidade síncrona. À medida que a carga aumenta, a rotação do motor vai caindo gradativamente, até um ponto em que o conjugado atinge o valor máximo que o motor é capaz de desenvolver em rotação normal. Se o conjugado da carga aumentar mais, a rotação do motor cai bruscamente, podendo chegar a travar o rotor. 3.5 Sentido de Rotação de Motores de Indução Trifásicos Um motor de indução trifásico trabalha em qualquer sentido dependendo da conexão com a fonte elétrica. Para inverter o sentido de rotação, inverte-se qualquer par de conexões entre motor e fonte elétrica. Os motores WEG possuem ventilador bidirecional, exceto se informada em folha de dados ou placas adicionais o sentido de giro, proporcionando sua operação em qualquer sentido de rotação, sem prejudicar a refrigeração do motor. Motores sem ventilador, mas ventilados pela própria carga ( ventilador como carga ), devem atender a ventilação necessária ao motor, independente do sentido de rotação. Em caso de dúvidas, consulte a WEG. 4. Características de Aceleração 4.1 Conjugados Representando num gráfico a variação do conjugado com a velocidade para um motor normal, vamos obter uma curva com aspecto representado na figura 4.1. Na figura 4.1 destacamos e definimos alguns pontos importantes. Os valores dos conjugados relativos a estes pontos são especificados pelas normas ABNT NBR 17094 e IEC 60034-1, conforme apresentados a seguir: www.weg.net Especificação do Motor Elétrico26 Cmin: Conjugado mínimo - é o menor conjugado desenvolvido pelo motor ao acelerar desde a velocidade zero até a velocidade correspondente ao conjugado máximo. Na prática, este valor não deve ser muito baixo, isto é, a curva não deve apresentar uma depressão acentuada na aceleração, para que a partida não seja muito demorada, sobreaquecendo o motor, especialmente nos casos de alta inércia ou partida com tensão reduzida. Cmáx: Conjugado máximo - é o maior conjugado desenvolvido pelo motor, sob tensão e frequência nominal, sem queda brusca de velocidade. Na prática, o conjugado máximo deve ser o mais alto possível, por duas razões principais: 1) O motor deve ser capaz de vencer, sem grandes dificuldades, eventuais picos de carga como pode acontecer em certas aplicações, como em britadores, calandras, misturadores e outras. 2) O motor não deve arriar, isto é, perder bruscamente a velocidade, quando ocorrem quedas de tensão, momentaneamente, excessivas. 4.1.2 Categorias - Valores Mínimos Normalizados de Conjugado Conforme as suas características de conjugado em relação à velocidade e corrente de partida, os motores de indução trifásicos com rotor de gaiola são classificados em categorias, cada uma adequada a um tipo de carga. Estas categorias são definidas em norma ( ABNT NBR 17094 e IEC 60034-1 ), e são as seguintes: Categoria N Conjugado de partida normal, corrente de partida normal; baixo escorregamento. Constituem a maioria dos motores encontrados no mercado e prestam-se ao acionamento de cargas normais, como bombas, máquinas operatrizes, ventiladores. Categoria H Conjugado de partida alto, corrente de partida normal; baixo escorregamento. Usados para cargas que exigem maior conjugado na partida, como peneiras, transportadores carregadores, cargas de alta inércia, britadores, etc. Categoria D Conjugado de partida alto, corrente de partida normal; alto escorregamento (+ de 5%). Usados em prensas excêntricas e máquinas semelhantes, onde a carga apresenta picos periódicos. Usados também em elevadores e cargas que necessitam de conjugados de partida muito altos e corrente de partida limitada. As curvas conjugado X velocidade das diferentes categorias podem ser vistas na figura 4.2. Figura 4.2 - Curvas Conjugado X Velocidade, das diferentes categorias Categoria NY Esta categoria inclui os motores semelhantes aos de categoria N, porém, previstos para partida estrela-triângulo. Para estes motores na ligação estrela, os valores mínimos do conjugado com rotor bloqueado e do conjugado mínimo de partida são iguais a 25% dos valores indicados para os motores categoria N. Categoria HY Esta categoria inclui os motores semelhantes aos de categoria H, porém, previstos para partida estrela-triângulo. Para estes motores na ligação estrela, os valores mínimos do conjugado com rotor bloqueado e do conjugado mínimo de partida são iguais a 25% dos valores indicados para os motores de categoria H. Os valores mínimos de conjugado exigidos para motores das categorias N e H, especificados nas normas ABNT NBR 17094 e IEC 60034-1, são mostrados nas tabelas 4.1 e 4.2. Para motores da categoria D, de IV, VI e VIII polos e potência nominal igual ou inferior a 150 cv, tem-se, segundo ABNT NBR 17094 e IEC 60034-1, que: a razão do conjugado com rotor bloqueado ( Cp ) para conjugado nominal ( Cn ) não deve ser inferior a 2,75. A norma não especifica os valores de Cmín e Cmáx. A NBR 17094 não especifica os valores mínimos de conjugados exigidos para motores II polos, categorias H e D. www.weg.net Especificação do Motor Elétrico 27 Tabela 4.1 - Motores Trifásicos - Conjugado com rotor bloqueado ( Cp ), conjugado mínimo de partida ( Cmín ) e máximo ( Cmáx ), para motores de categoria N, relativos ao conjugado nominal ( Cn ). Tabela 4.2 - Motores Trifásicos - Conjugado com rotor bloqueado ( Cp ), conjugado mínimo de partida ( Cmín ) e máximo ( Cmáx ), para motores de categoria H, re- lativos ao conjugado nominal ( Cn ). Notas: a) os valores de Cp /Cn são iguais a 1, 5 vezes os valores correspondentes da categoria N, não sendo porém, inferiores a 2,0; b) os valores de Cmín /Cn são iguais a 1,5 vezes os valores correspondentes da categoria N, não sendo porém, inferiores a 1,4; c) os valores de Cmáx /Cn são iguais aos valores correspondentes da categoria N, não sendo porém, inferiores a 1,9 ou ao valor correspondente de Cmín / Cn. Número de polos 4 6 8 Faixa de potências nominais Cp /Cn C mín C máx Cp /Cn C mín C máx Cp /Cn C mín C máx kW cv pu > 0,4 < 0,63 > 0,54 < 0,63 3,0 2,1 2,1 2,55 1,8 1,9 2,25 1,65 1,9 > 0,63 < 1,0 > 0,86 < 1,4 2,85 1,95 2,0 2,55 1,8 1,9 2,25 1,65 1,9 > 1,0 < 1,6 > 1,4 < 2,2 2,85 1,95 2,0 2,4 1,65 1,9 2,1 1,5 1,9 > 1,6 < 2,5 > 2,2 < 3,4 2,7 1,8 2,0 2,4 1,65 1,9 2,1 1,5 1,9 > 2,5 < 4,0 > 3,4 < 5,4 2,55 1,8 2,0 2,25 1,65 1,9 2,0 1,5 1,9 > 4,0 < 6,3 > 5,4 < 8,6 2,4 1,65 2,0 2,25 1,65 1,9 2,0 1,5 1,9 > 6,3 < 10 > 8,6 < 14 2,4 1,65 2,0 2,25 1,65 1,9 2,0 1,5 1,9 > 10 < 16 > 14 < 22 2,25 1,65 2,0 2,1 1,5 1,9 2,0 1,4 1,9 > 16 < 25 > 22 < 34 2,1 1,5 1,9 2,1 1,5 1,9 2,0 1,4 1,9 > 25 < 40 > 34 < 54 2,0 1,5 1,9 2,0 1,5 1,9 2,0 1,4 1,9 > 40 < 63 > 54 < 86 2,0 1,4 1,9 2,0 1,4 1,9 2,0 1,4 1,9 > 63 < 100 >86 < 140 2,0 1,4 1,9 2,0 1,4 1,9 2,0 1,4 1,9 > 100 < 160 > 140 < 220 2,0 1,4 1,9 2,0 1,4 1,9 2,0 1,4 1,9 Número de polos 2 4 6 8 Faixa de potências nominais Cp /Cn Cmín /C n Cmáx /Cn Cp /Cn Cmín/Cn Cmáx /Cn Cp /Cn Cmín /Cn Cmáx /Cn Cp /Cn Cmín /Cn Cmáx /Cn kW cv pu > 0,36 < 0,63 > 0,5 < 0,86 1,9 1,3 2,0 2,0 1,4 2,0 1,7 1,2 1,7 1,5 1,1 1,6 > 0,63 < 1,0 > 0,86 < 1,4 1,8 1,2 2,0 1,9 1,3 2,0 1,7 1,2 1,8 1,5 1,1 1,7 > 1,0 < 1,6 > 1,4 < 2,2 1,8 1,2 2,0 1,9 1,3 2,0 1,6 1,1 1,9 1,4 1,0 1,8 > 1,6 < 2,5 > 2,2 < 3,4 1,7 1,1 2,0 1,8 1,2 2,0 1,6 1,1 1,9 1,4 1,0 1,8 > 2,5 < 4,0 > 3,4 < 5,4 1,6 1,1 2,0 1,7 1,2 2,0 1,5 1,1 1,9 1,3 1,0 1,8 > 4,0 < 6,3 > 5,4 < 8,6 1,5 1,0 2,0 1,6 1,1 2,0 1,5 1,1 1,9 1,3 1,0 1,8 > 6,3 < 10 > 8,6 < 14 1,5 1,0 2,0 1,6 1,1 2,0 1,5 1,1 1,8 1,3 1,0 1,7 > 10 < 16 > 14 < 22 1,4 1,0 2,0 1,5 1,1 2,0 1,4 1,0 1,8 1,2 0,9 1,7 > 16 < 25 > 22 < 34 1,3 0,9 1,9 1,4 1,0 1,9 1,4 1,0 1,8 1,2 0,9 1,7 > 25 < 40 > 34 < 54 1,2 0,9 1,9 1,3 1,0 1,9 1,3 1,0 1,8 1,2 0,9 1,7 > 40 < 63 > 54 < 86 1,1 0,8 1,8 1,2 0,9 1,8 1,2 0,9 1,7 1,1 0,8 1,7 > 63 < 100 >86 < 136 1,0 0,7 1,8 1,1 0,8 1,8 1,1 0,8 1,7 1,0 0,7 1,6 > 100 < 160 > 136 < 217 0,9 0,7 1,7 1,0 0,8 1,7 1,0 0,8 1,7 0,9 0,7 1,6 > 160 < 250 > 217 < 340 0,8 0,6 1,7 0,9 0,7 1,7 0,9 0,7 1,6 0,9 0,7 1,6 > 250 < 400 > 340 < 543 0,75 0,6 1,6 0,75 0,6 1,6 0,75 0,6 1,6 0,75 0,6 1,6 > 400 < 630 > 543 < 856 0,65 0,5 1,6 0,65 0,5 1,6 0,65 0,5 1,6 0,65 0,5 1,6 www.weg.net Especificação do Motor Elétrico30 3 Ip . U kVA/cv = P ( cv ) . 1000 3 Ip . U kVA/kW = P ( kW ) . 1000 sendo: Ip - Corrente de rotor bloqueado, ou corrente de partida U - Tensão nominal ( V ) P - Potência nominal ( cv ou kW ) √ √ Faixa de potências Sp / Pn kW cv kVA/kW kVA/cv > 0,37 < 6,3 > 0,5 < 8,6 13 9,6 > 6,3 < 25 > 8,6 < 34 12 8,8 > 25 < 63 > 34 < 86 11 8,1 > 63 < 630 > 86 < 856 10 7,4 Tabela 4.4 - Valores máximos de potência aparente com rotor bloqueado ( Sp / Pn ), expressos pela razão para a potência de saída nominal ( Pn ) 5. Regulagem da Velocidade de Motores Assíncronos de Indução A relação entre velocidade, frequência, número de polos e escorregamento é expressa por 2 n = . f . 60 . ( 1 - s ) ( 2p ) onde: n = rpm f = frequência ( Hz ) 2p = número de polos s = escorregamento Analisando a fórmula, podemos ver que para regular a velocidade de um motor assíncrono, podemos atuar nos seguintes parâmetros: a) 2p = número de polos b) s = escorregamento c) f = frequência da tensão ( Hz ) 5.1 Variação do Número de Polos Existem três modos de variar o número de polos de um motor assíncrono, são eles: g enrolamentos separados no estator; g um enrolamento com comutação de polos; g combinação dos dois anteriores. Em todos esses casos, a regulagem de velocidade será discreta, sem perdas, porém, a carcaça será maior do que a de um motor de velocidade única. Figura 5.1 - Resumo das ligações Dahlander g Conjugado constante O conjugado nas duas rotações é constante e a relação de potência é da ordem de 0,63:1. Neste caso o motor tem uma ligação de Δ/YY. Exemplo: Motor 0,63/1 cv - IV/II polos - Δ/YY. Este caso se presta as aplicações cuja curva de torque da carga permanece constante com a rotação. g Potência constante Neste caso, a relação de conjugado é 1:2 e a potência permanece constante. O motor possui uma ligação YY/Δ Exemplo: 10/10 cv - IV/II polos - YY/Δ. Potência aparente com rotor bloqueado kVA/cv = Potência nominal Nota: para obter a relação Ip / In , deve-se multiplicar o valor de kVA/kW pelo produto do rendimento e fator de potência a plena carga. Ip = Corrente com rotor bloqueado; In = Corrente nominal 5.1.1 Motores de Duas Velocidades com Enrolamentos Independentes Esta versão apresenta a vantagem de se combinar enrolamentos com qualquer número de polos, porém, limitada pelo dimensionamento eletromagnético do núcleo ( estator/rotor ) e carcaça, geralmente, bem maior que o motor de velocidade única. 5.1.2 Dahlander Motores de duas velocidades com enrolamento por comutação de polos é o sistema mais comum, também denominado “Dahlander”. Esta ligação implica numa relação de polos de 1:2 com consequente relação de rotação de 2:1. Podem ser ligadas da seguinte forma ( figura 5.1 ): www.weg.net Especificação do Motor Elétrico 31 ' Figura 5.2 - Curva de conjugado com variação da resistência rotórica 5.2.2 Variação da Tensão do Estator É um sistema pouco utilizado, uma vez que também gera perdas rotóricas e a faixa de variação de velocidade é pequena. 5.3 Inversores de Frequência Maiores informações sobre o uso de inversores de frequência para controle de velocidade, ver capítulo “Aplicação de motores de indução alimentados por inversores de frequência”. 6. Motofreio Trifásico O motofreio consiste de um motor de indução acoplado a um freio monodisco, formando uma unidade integral compacta e robusta. O motor de indução é totalmente fechado com ventilação externa, com as mesmas características de robustez e desempenho da linha de motores. O freio é construído com poucas partes móveis, que assegura longa duração com o mínimo de manutenção. A dupla face das pastilhas forma uma grande superfície de atrito, que proporciona pequena pressão sobre as mesmas, baixo aquecimento e mínimo desgaste. Além disso, o freio é resfriado pela própria ventilação do motor. A bobina de acionamento do eletroímã, protegida com resina epóxi, funciona continuamente com tensões de 10% acima ou abaixo da nominal. A bobina de acionamento do eletroímã é alimentada por corrente contínua, fornecida por uma ponte retificadora composta de diodos de silício e varistores, que suprimem picos indesejáveis de tensão e permitem um rápido desligamento da corrente. A alimentação em corrente contínua proporciona maior rapidez e uniformidade de operação do freio. O motofreio é geralmente aplicado em: g Máquinas-ferramenta g Teares g Máquinas de embalagem g Transportadores g Máquinas de lavar e engarrafar g Máquinas de bobinar g Dobradeiras g Guindastes g Pontes-rolante g Elevadores g Ajustes de rolos de laminadores g Máquinas gráficas Enfim, em equipamentos onde são exigidos paradas rápidas por questões de segurança, posicionamento e redução de tempo de operação. g Conjugado variável Neste caso, a relação de potência será de aproximadamente 1:4. É muito aplicado às cargas como bombas, ventiladores. Sua ligação é Y/YY. Exemplo: 1/4 cv - IV/II polos - Y/YY. 5.1.3 Motores com Mais de Duas Velocidades É possível combinar um enrolamento Dahlander com um enrolamento simples ou mais. Entretanto, não é comum, e somente utilizado em aplicações especiais. 5.2 Variação do Escorregamento Neste caso, a velocidade do campo girante é mantida constante, e a velocidade do rotor é alterada de acordo com as condições exigidas pela carga, que podem ser: a) variação da resistência rotórica b) variação da tensão do estator c) variação de ambas, simultaneamente. Estas variações são conseguidas através do aumento das perdas rotóricas, o que limita a utilização desse sistema. 5.2.1 Variação da Resistência Rotórica Utilizado em motores de anéis. Baseia-se na seguinte equação: pj2 3 . R2 . I 2 2 s = = ωo . T ωo . T onde: pj2 = Perdas rotóricas ( W ) ωo = Rotação síncrona em rd/s T = Torque ou conjugado do rotor R2 = Resistência rotórica ( Ohms ) I2 = Corrente rotóricas ( A ) s = Escorregamento A inserção de uma resistência externa no rotor faz com que o motor aumente o escorregamento ( s ), provocando a variação de velocidade. Na figura a seguir, vemos o efeito do aumento do R2. www.weg.net Especificação do Motor Elétrico32 6.1 Funcionamento do Freio Quando o motor é desligado da rede, o controle também interrompe a corrente da bobina e o eletroímã para de atuar. As molas de pressão empurram a armadura na direção da tampa traseira do motor. As pastilhas, que estão alojadas no disco de frenagem, são comprimidas entre as duas superfícies de atrito, a armadura e a tampa, freando o motor até que ele pare. Quando o motor é ligado na rede, a bobina é alimentada e a armadura é atraída contra a carcaça do eletroímã, vencendo a resistência das molas. As pastilhas ao ficarem livres deslocam-se axialmente em seus alojamentos ficando afastadas das superfícies de atrito. Assim, termina a ação de frenagem, deixando o motor partir livremente. Opcionalmente pode ser fornecido disco de frenagem de lonas. 6.2 Esquemas de Ligação O motofreio WEG admite três sistemas de ligações, proporcionando frenagem lentas, médias e rápidas. a) Frenagem lenta A alimentação da ponte retificadora da bobina do freio é feita diretamente dos terminais do motor, sem interrupção, conforme figura a seguir: D - Ponte Retificadora L - Bobina do eletroímã K - Contator Figura 6.1 - Esquema de ligação para frenagem lenta b) Frenagem média Neste caso, intercala-se um contato para interrupção da corrente de alimentação da ponte retificadora no circuito de CA. É essencial que este seja um contato auxiliar NA do próprio contator ou chave magnética do motor, para garantir que se ligue ou desligue o freio simultaneamente com o motor. D - Ponte Retificadora L - Bobina do eletroímã K - Contator S1- Contato auxiliar NA Figura 6.2 - Esquema de ligação para frenagem média c) Frenagem rápida Intercala-se o contato para interrupção diretamente num dos fios de alimentação da bobina, no circuito CC. É necessário que este seja um contato auxiliar NA do próprio contator ou chave magnética do motor. D - Ponte retificadora L - Bobina do eletroímã K - Contator S1 - Contato auxiliar NA Figura 6.3 - Esquema de ligação para frenagem rápida www.weg.net Especificação do Motor Elétrico 35 Figura 7.2 BC - Queda de temperatura por transmissão através do material das chapas do núcleo. C - Queda no contato entre o núcleo e a carcaça. A condução de calor será tanto melhor quanto mais perfeito for o contato entre as partes, dependendo do bom alinhamento das chapas, e precisão da usinagem da carcaça. Superfícies irregulares deixam espaços vazios entre elas, resultando mau contato e, portanto, má condução do calor. CD - Queda de temperatura por transmissão através da espessura da carcaça. Graças a um projeto moderno, uso de materiais avançados, processos de fabricação aprimorados, sob um permanente Controle de Qualidade, os motores WEG apresentam uma excelente transferência de calor do interior para a superfície, eliminando “pontos quentes” no enrolamento. Temperatura externa do motor Segue abaixo os locais onde recomendamos verificar a temperatura externa de um motor elétrico, utilizando um medidor de temperatura calibrado. conforme a figura abaixo: Importante! Medir também a temperatura ambiente ( máx. a 1 m de distância do motor ) Tampa dianteira, junto ao rolamento. Centro da carcaça 7.1.2 Vida Útil do Motor Conforme comentado no item “materiais e sistemas de isolação”, a sua vida útil depende quase exclusivamente da vida útil do sistema de isolamento dos enrolamentos. Este é afetado por muitos fatores, como umidade, vibrações, ambientes corrosivos e outros. Dentre todos os fatores, o mais importante é, sem dúvida a temperatura de trabalho dos materiais isolantes empregados. Um aumento de 8 a 10 graus acima do limite da classe térmica na temperatura do sistema de isolamento, pode reduzir a vida útil do enrolamento pela metade. Quando falamos em diminuição da vida útil do motor, não nos referimos às temperaturas elevadas, quando o isolante se queima e o enrolamento é destruído de repente. A vida útil do sistema de isolamento ( em termos de temperatura de trabalho, bem abaixo daquela em que o material se queima ), refere-se ao envelhecimento gradual do isolante, que vai se tornando ressecado, perdendo o poder isolante, até que não suporte mais a tensão aplicada e produza o curto-circuito. A experiência mostra que a capacidade de isolamento dos materiais tem uma duração praticamente ilimitada, se a sua temperatura for mantida abaixo de um certo limite. Acima deste valor, a vida útil dos materiais isolantes vai se tornando cada vez mais curta, à medida que a temperatura de trabalho é mais alta. Este limite de temperatura é muito mais baixo que a temperatura de “queima” do isolante e depende do tipo de material empregado. Esta limitação de temperatura se refere ao ponto mais quente da isolação e não necessariamente ao enrolamento todo. Evidentemente, basta um “ponto fraco” no interior da bobina para que o enrolamento fique inutilizado. Recomendamos utilizar sensores de temperatura como proteção adicional ao motor elétrico. Estes poderão garantir uma maior vida ao motor e confiabilidade ao processo. A especificação de alarme e/ou desligamento deve ser realizada de acordo com a classe térmica do motor. Em caso de dúvidas, consulte a WEG. 7.1.3 Classes de Isolamento Definição das classes Como foi visto anteriormente, o limite de temperatura depende do tipo de material empregado. Para fins de normalização, os materiais isolantes e os sistemas de isolamento ( cada um formado pela combinação de vários materiais ) são agrupados em CLASSES DE ISOLAMENTO, cada qual definida pelo respectivo limite de temperatura, ou seja, pela maior temperatura que o material ou o sistema de isolamento pode suportar continuamente sem que seja afetada sua vida útil. As classes de isolamento utilizadas em máquinas elétricas e os respectivos limites de temperatura conforme ABNT NBR 17094 e IEC 60034-1, são as seguintes: Classe A ( 105 ºC ) Classe E ( 120 ºC ) Classe B ( 130 ºC ) Classe F ( 155 ºC ) Classe H ( 180 ºC ) 7.1.4 Medida de Elevação de Temperatura do Enrolamento É muito difícil medir a temperatura do enrolamento com termômetros ou termopares, pois a temperatura varia de um ponto a outro e nunca se sabe se o ponto da medição está próximo do ponto mais quente. O método mais confiável de se medir a temperatura de um enrolamento é através da variação de sua resistência ôhmica com a temperatura. A elevação da temperatura pelo método da resistência, é calculada por meio da seguinte fórmula, para condutores de cobre: R2 - R1 Δt = t2 - ta = ( 235 + t1 ) + t1 - ta R1 onde: Δt = é a elevação de temperatura; t1 = a temperatura do enrolamento antes do ensaio, praticamente igual a do meio refrigerante, medida por termômetro; t2 = a temperatura dos enrolamentos no fim do ensaio; ta = a temperatura do meio refrigerante no fim do ensaio; R1 = Resistência do enrolamento antes do ensaio; R2 = Resistência do enrolamento no fim do ensaio. www.weg.net Especificação do Motor Elétrico36 Fator de Serviço do Motor ( FS ) Ajuste da Corrente do relé 1,0 até 1,15 In.FS ≥ 1,15 ( In. FS ) - 5% Classe de isolamento A E B F H Temperatura ambiente oC 40 40 40 40 40 Δt = elevação de temperatura ( método da resistência ) oC 60 75 80 105 125 Diferença entre o ponto mais quente e a temperatura média oC 5 5 10 10 15 Total: temperatura do ponto mais quente oC 105 120 130 155 180 Tabela 7.1 - Composição da temperatura em função da classe de isolamento Entidades classificadoras para uso naval Máxima temperatura ambiente (°C) Máxima sobreelevação de temperatura permitida por classe de isolamento, Δt em oC ( método de variação de resistência ) A E B F Germanischer Lloyd 45 55 70 75 96 American Bureau of Shipping 50 55 65 75 95 Bureau Véritas 50 50 65 70 90 Norske Véritas 45 50 65 70 90 Lloyds Register of Shipping 45 50 65 70 90 RINa 45 50 70 75 — Para motores de construção naval, deverão ser obedecidos todos os detalhes particulares de cada entidade classificadora, conforme tabela 7.2. 7.2 Proteção Térmica de Motores Elétricos Os motores utilizados em regime contínuo devem ser protegidos contra sobrecargas por um dispositivo integrante do motor, ou um dispositivo de proteção independente, geralmente com relé térmico com corrente nominal ou de ajuste, igual ou inferior ao valor obtido multiplicando-se a corrente nominal de alimentação ( In ) pelo fator de serviço ( FS ), conforme a tabela: Tabela 7.2 - Correção das temperaturas para rotores navais Tabela 7.3 - Corrente de alimentação x Fator de serviço 7.1.5 Aplicação a Motores Elétricos A temperatura do ponto mais quente do enrolamento deve ser mantida abaixo do limite da classe. A temperatura total vale a soma da temperatura ambiente com a elevação de temperatura Δt mais a diferença que existe entre a temperatura média do enrolamento e a do ponto mais quente. As normas de motores fixam a máxima elevação de temperatura Δt, de modo que a temperatura do ponto mais quente fica limitada, baseada nas seguintes considerações: a) A temperatura ambiente é, no máximo 40 oC, por norma, e acima disso as condições de trabalho são consideradas especiais. b) A diferença entre a temperatura média e a do ponto mais quente não varia muito de motor para motor e seu valor estabelecido em norma, baseado na prática é 5 oC, para as classes A e E, 10 oC para as classes B e F e 15 °C para a classe H. As normas de motores, portanto, estabelecem um máximo para a temperatura ambiente e especificam uma elevação de temperatura máxima para cada classe de isolamento. Deste modo, fica indiretamente limitada a temperatura do ponto mais quente do motor. Os valores numéricos e a composição da temperatura admissível do ponto mais quente, são indicados na tabela 7.1. Figura 7.3 - Visualização do aspecto interno e externo dos termorresistores Para o Pt-100, a temperatura pode ser obtida com a fórmula a seguir, ou através de tabelas fornecidas pelos fabricantes. r - 100 t ºC = 0,385 r - resistência medida em Ohms 7.2.2 Termistores ( PTC e NTC ) Os termistores são dispositivos feitos de materiais semicondutores, cuja resistência varia acentuadamente com a temperatura. PTC - coeficiente de temperatura positivo NTC - coeficiente de temperatura negativo A proteção térmica é efetuada por meio de termoresistências ( resistência calibrada ), termistores, termostatos ou protetores térmicos. Os tipos de sensores a serem utilizados são determinados em função da classe de temperatura do isolamento empregado, de cada tipo de máquina e da exigência do cliente. 7.2.1 Termorresistores ( Pt-100 ) São sensores de temperatura com princípio de funcionamento baseado na propriedade que alguns materiais que variam a resistência elétrica com a variação da temperatura ( geralmente platina, níquel ou cobre ). Possuem resistência calibrada que varia linearmente com a temperatura, possibilitando um acompanhamento contínuo do processo de aquecimento do motor pelo display do controlador, com alto grau de precisão e sensibilidade de resposta. Um mesmo sensor pode servir para alarme ( operação acima da temperatura normal de trabalho ) e desligamento ( geralmente ajustada para a máxima temperatura da classe de isolamento ). As resistências dos cabos, dos contatos, etc., podem interferir na medição assim, existem diferentes tipos de configurações que podem ser realizadas buscando minimizar esses efeitos. g A configuração de dois fios normalmente é satisfatória em locais onde o comprimento do cabo do sensor ao instrumento não ultrapassa 3,0 m para bitola 20 AWG. g Na configuração de três fios ( mais utilizada pela indústria ) haverá uma compensação da resistência elétrica pelo terceiro fio. g Na configuração de quatro fios ( montagem mais precisa ), existem duas ligações para cada terminal do bulbo ( dois cabos para tensão e dois para corrente ), obtendo-se um balanceamento total de resistências ( é utilizada nos casos onde grande precisão é necessária ). Desvantagem Os elementos sensores e os circuitos de controle possuem um alto custo. www.weg.net Especificação do Motor Elétrico 37 Figura 7.4 - Visualização do aspecto externo dos termistores Segue abaixo a tabela dos principais PTC utilizados nos motores elétricos. Esta tabela relaciona as cores dos cabos do sensor PTC com sua temperatura de atuação. Cores dos cabos Temperatura C 110 120 140 160 180 A WEG possui o relê eletrônico RPW que tem a função específica de adquirir o sinal do PTC e atuar seu relé de saída. Para maiores informações consulte a WEG. Figura 7.5 - Visualização do aspecto interno e externo do termostato Os termostatos também são utilizados em aplicações especiais de motores monofásicos. Nestas aplicações, o termostato pode ser ligado em série com a alimentação do motor, desde que a corrente do motor não ultrapasse a máxima corrente admissível do termostato. Caso isto ocorra, o termostato deve ser ligado em série com a bobina do contator. Os termostatos são instalados nas cabeças de bobinas de fases diferentes. Observação: a WEG recomenda utilizar sensores de temperatura na proteção do enrolamento e rolamentos, com o intuito de aumentar a vida útil e confiabilidade do motor elétrico. 7.2.3 Protetores Térmicos Bimetálicos - Termostatos São sensores térmicos do tipo bimetálico com contatos de prata normalmente fechados, que se abrem abrem ao atingir determinada elevação de temperatura. Quando a temperatura de atuação do bimetálico baixar, este volta a sua forma, original instantaneamente, permitindo o fechamento dos contatos novamente. Os termostatos podem ser destinados para sistemas de alarme, desligamento ou ambos ( alarme e Figura 7.6 - Instalação do protetor térmico bimetálico Tabela 7.4 - Cores dos cabos O termistor “PTC” apresenta aumento da resistência com o aumento da temperatura e alguns são caracterizados por esta subida ser abrupta, o que os torna úteis em dispositivos de proteção de sobreaquecimento. O termistor “NTC” apresenta redução da resistência com o aumento da temperatura, normalmente não sendo utilizados em motores elétricos. A brusca variação na resistência interrompe a corrente no PTC, acionando um relé de saída, o qual desliga o circuito principal. Os termistores podem ser usados para alarme e desligamento. Nesse caso, são necessários dois termistores, conectados em série, por fase. Os termistores possuem tamanho reduzido, não sofrem desgastes mecânicos e têm uma resposta mais rápida em relação aos outros detectores, embora não permitam um acompanhamento contínuo do processo de aquecimento do motor. Os termistores com seus respectivos circuitos eletrônicos de controle oferecem proteção completa contra sobreaquecimento produzido por falta de fase, sobrecarga, sub ou sobretensões e operações frequentes de reversão ou liga-desliga. Possuem baixo custo, quando comparado ao do tipo Pt-100, porém, necessitam de relé para comando da atuação do alarme ou operação. desligamento ) de motores elétricos trifásicos. Em motores, os termostatos são instalados nas cabeças de bobinas de fases diferentes e ligados em série com a bobina do contator onde, dependendo do grau de segurança e da especificação do cliente, podem ser utilizados três termostatos ( um por fase ) ou seis termostatos ( grupos de dois por fase ). Para operar em alarme e desligamento ( dois termostatos por fase ), os termostatos de alarme devem ser apropriados para atuação na elevação de temperatura prevista do motor, enquanto que os termostatos de desligamento deverão atuar na temperatura máxima do material isolante. www.weg.net Especificação do Motor Elétrico40 tD + tN Fator de duração do ciclo = . 100% tD + tN + tR Figura 7.12 e) Regime intermitente periódico com frenagem elétrica ( S5 ) Sequência de ciclos de regime idênticos, cada qual consistindo de um período de partida, um período de funcionamento a carga constante, um período de frenagem elétrica e um período desenergizado e em repouso, sendo tais períodos muito curtos para que se atinja o equilíbrio térmico ( figura 7.13 ). tD + tN + tF Fator de duração do ciclo = . 100% tD + tN + tF + tR Figura 7.10 c) Regime intermitente periódico ( S3 ) Sequência de ciclos idênticos, cada qual incluindo um período de funcionamento com carga constante e um período desenergizado e em repouso. Neste regime o ciclo é tal que a corrente de partida não afeta de modo significativo a elevação de temperatura ( figura 7.11 ) tN Fator de duração do ciclo = . 100% tN + tR d) Regime intermitente periódico com partidas ( S4 ) Sequência de ciclos de regime idênticos, cada qual consistindo de um período de partida, um período de funcionamento a carga constante e um período de repouso, sendo tais períodos muito curtos, para que se atinja o equilíbrio térmico ( figura 7.12 ). Figura 7.11 tN = funcionamento em carga constante θmáx = temperatura máxima atingida durante o ciclo tN = funcionamento em carga constante tR = repouso θmax = temperatura máxima atingida durante o ciclo tD = partida tN = funcionamento em carga constante tR = repouso θmáx = temperatura máxima atingida durante o ciclo Figura 7.13 tD = partida tN = funcionamento em carga constante tF = frenagem elétrica tR = repouso θmáx = temperatura máxima atingida durante o ciclo www.weg.net Especificação do Motor Elétrico 41 Figura 7.15 Figura 7.14 f) Regime de funcionamento contínuo periódico com carga intermitente ( S6 ) Sequência de ciclos de regime idênticos, cada qual consistindo de um período de funcionamento a carga constante e de um período de funcionamento em vazio, não existindo período de repouso ( figura 7.14 ) tN Fator de duração do ciclo = . 100% tN + tV g) Regime de funcionamento contínuo periódico com frenagem elétrica ( S7 ) Sequência de ciclos de regimes idênticos, cada qual consistindo de um período de partida, de um período de funcionamento a carga constante e um período de frenagem elétrica, não existindo o período de repouso ( figura 7.15 ). Fator de duração do ciclo = 1 h) Regime de funcionamento contínuo com mudança periódica na relação carga/velocidade de rotação ( S8 ) Sequência de ciclos de regimes idênticos, cada ciclo consistindo de um período de partida e um período de funcionamento a carga constante, correspondendo a uma determinada velocidade de rotação, seguidos de um ou mais períodos de funcionamento a outras cargas constantes, correspondentes a diferentes velocidades de rotação. Não existe período de repouso ( figura 7.16 ). Fator de duração de ciclo: tD + tN1 . 100% tD + tN1 + tF1 + tN2 + tF2 + tN3 tF1 + tN2 . 100% tD + tN1 + tF1 + tN2 + tF2 + tN3 tF2 + tN3 . 100% tD + tN1 + tF1 + tN2 + tF2 + tN3 g Para N1 = g Para N2 = g Para N3 = Figura 7.16 i) Regime com variações não periódicas de carga e de velocidade ( S9 ) Regime no qual geralmente a carga e a velocidade variam não periodicamente, dentro da faixa de funcionamento admissível, incluindo frequentemente sobrecargas aplicadas que podem ser muito superiores à carga de referência ( figura 7.17 ). tN = funcionamento em carga constante tV = funcionamento em vazio θ máx = temperatura máxima atingida durante o ciclo tD = partida tN = funcionamento em carga constante tF = frenagem elétrica θmáx = temperatura máxima atingida durante o ciclo tF1 - tF2 = frenagem elétrica tD = partida tN1 - tN2 - tN3 = funcionamento em carga constante θmáx = temperatura máxima atingida durante o ciclo www.weg.net Especificação do Motor Elétrico42 Figura 7.18a Figura 7.18b Figura 7.17 j) Regime com cargas constantes distintas ( S10 ) Regime consistindo em um número específico de valores distintos de cargas ( ou cargas equivalentes ) e, se aplicável, velocidade, sendo cada combinação carga/ velocidade mantida por um tempo suficiente para permitir que a máquina alcance o equilíbrio térmico. A carga mínima durante um ciclo de regime pode ter o valor zero ( funcionamento em vazio ou repouzo desenergizado ). Figuras 7.18a, b e c. Figura 7.18c Nota: nos regimes S3 e S8, o período é geralmente curto demais para que seja atingido o equilíbrio térmico, de modo que o motor vai se aquecendo e resfriando parcialmente a cada ciclo. Depois de um grande número de ciclos o motor atinge uma faixa de elevação de temperatura e equilíbrio. k) Regimes especiais Onde a carga pode variar durante os períodos de funcionamento, existe reversão ou frenagem por contra- corrente, etc., a escolha do motor adequado, deve ser feita mediante consulta à fábrica e depende de uma descrição completa do ciclo: g Potência necessária para acionar a carga. Se a carga varia ciclicamente, deve-se fornecer um gráfico de carga x tempo, como exemplificado na figura 7.15. g Conjugado resistente da carga. g Momento de inércia total ( GD2 ou J ) da máquina acionada, referida à sua rotação nominal. g Número de partidas, reversões, frenagens por contra- corrente, etc. g Duração dos períodos em carga e em repouso ou vazio. 7.3.2 Designação do Regime Tipo O regime tipo é designado pelo símbolo descrito no item 7.3. No caso de regime contínuo, este pode ser indicado, em alternativa, pela palavra “contínuo”. Exemplos das designações dos regimes: 1) S2 60 segundos A designação dos regimes S2 a S8 é seguida das seguintes indicações: a) S2, do tempo de funcionamento em carga constante; b) S3 a S6, do fator de duração do ciclo; c) S8, de cada uma das velocidades nominais que constituem o ciclo, seguida da respectiva potência nominal e do seu respectivo tempo de duração. No caso dos regimes S4, S5, S7 e S8, outras indicações a serem acrescidas à designação, deverão ser estipuladas mediante acordo entre fabricante e comprador. Nota: Como exemplo das indicações a serem acrescidas, mediante o referido acordo às designações de regimes tipo diferentes do contínuo, citam-se as seguintes, aplicáveis segundo o regime tipo considerado: a) Número de partidas por hora; b) Número de frenagens por hora; c) Tipo de frenagens; d) Constante de energia cinética ( H ), na velocidade nominal, do motor e da carga, esta última podendo ser substituída pelo fator de inércia ( FI ). www.weg.net Especificação do Motor Elétrico 45 8.4 Atmosfera Ambiente 8.4.1 Ambientes Agressivos Ambientes agressivos, tais como estaleiros, instalações portuárias, indústria de pescados e múltiplas aplicações navais, indústrias química e petroquímica, exigem que os equipamentos que neles trabalham, sejam perfeitamente adequados para suportar tais circunstâncias com elevada confiabilidade, sem apresentar problemas de qualquer espécie. Para aplicação de motores nestes ambientes agressivos, a WEG possui uma linha específica para cada tipo de motores, projetados para atender os requisitos especiais e padronizados para as condições mais severas que possam ser encontradas. Tais motores podem possuir as seguintes características especiais: g enrolamento duplamente impregnado g pintura anti-corrosiva alquídica ( interna e externa ) g elementos de montagem zincados g vedação específica para a aplicação entre eixo e tampa ( pode ser Retentor, W3Seal, etc. ) g Proteção adicional entre as juntas de passagem. Para ambientes com temperaturas entre -16 ºC e 40 ºC e com umidade relativa ≤95%, recomenda-se utilizar pintura interna anticorrosiva. Para ambientes entre 40 ºC e 65 ºC também se recomenda utilizar pintura interna anticorrosiva, no entanto, deve ser aplicado um valor de derating para 40 ºC. Nota: com umidades superiores a 95% recomenda-se a pintura anti corrosiva juntamente com a resistência de aquecimento. No caso de motores navais, as características de funcionamento específicas são determinadas pelo tipo de carga acionada a bordo. Todos os motores porém, apresentam as seguintes características especiais: g elevação de temperatura reduzida para funcionamento em ambientes até 50 ºC g capacidade de suportar, sem problemas, sobrecargas ocasionais de curta duração de até 60% acima do conjugado nominal, conforme normas das Sociedades Classificadoras. No que diz respeito ao controle rígido para assegurar a confiabilidade em serviço, os motores navais WEG se enquadram nas exigências de construção, inspeção e ensaios estabelecidos nas normas das Sociedades Classificadoras, entre as quais: g AMERICAN BUREAU OF SHIPPING g BUREAU VERITAS g CHINA CERTIFICATION SOCIETY g DET NORSKE VERITAS g GERMANISCHER LLOYD g LLOYD’S REGISTER OS SHIPPING g RINA S.p.A. 8.4.2 Ambientes Contendo Poeiras ou Fibras Para analisar se os motores podem ou não trabalhar nestes ambientes, devem ser informados tamanho e quantidade aproximada das fibras contidas no ambiente. Esses dados são fatores importantes, pois, uma grande quantidade de poeira depositada sobre as aletas do motor pode funcionar como um isolante térmico, e fibras de maior tamanho podem provocar, no decorrer do tempo, a obstrução da ventilação prejudicando o sistema de refrigeração. Quando o conteúdo de fibras for elevado, devem ser empregados filtros de ar ou efetuar limpeza nos motores. Evitar que a ventilação do motor seja prejudicada Nestes casos, existem duas soluções: 1) Utilizar motores sem ventilação; 2) Para motores com ventilação por dutos, calcula-se o volume de ar deslocado pelo ventilador do motor, determinando a circulação de ar necessária para perfeita refrigeração do motor. 8.4.3 Ambientes Explosivos Os motores a prova de explosão, não acendíveis, de segurança aumentada, e à prova de poeria, destinam-se a trabalhar em ambientes classificados como explosivos por conterem gases, vapores, poeiras ou fibras inflamáveis ou explosivas. O capítulo 9 ( atmosferas explosivas ) trata especificamente o assunto. 8.5 Grau de Proteção Os invólucros dos equipamentos elétricos, conforme as características do local em que serão instalados e de sua acessibilidade, devem oferecer um determinado grau de proteção. Assim, por exemplo, um equipamento a ser instalado num local sujeito a jatos d’água, deve possuir um invólucro capaz de suportar tais jatos, sob determinados valores de pressão e ângulo de incidência, sem que haja penetração de água. 8.5.1 Código de Identificação A noma ABNT NBR-IEC 60034-5 define os graus de proteção dos equipamentos elétricos por meio das letras características IP, seguidas por dois algarismos. 1º algarismo Algarismo Indicação 0 Maquina não protegida 1 Máquina protegida contra objetos sólidos maiores que 50 mm 2 Máquina protegida contra objetos sólidos maiores que 12 mm 3 Máquina protegida contra objetos sólidos maiores que 2,5 mm 4 Máquina protegida contra objetos sólidos maiores que 1 mm 5 Máquina protegida contra poeira 6 Máquina totalmente protegida contra poeira Tabela 8.2 - 1º ALGARISMO: Indica o grau de proteção contra penetração de corpos sólidos estranhos e contato acidental 2º algarismo Algarismo Indicação 0 Máquina não protegida 1 Máquina protegida contra gotejamento vertical 2 Máquina protegida contra gotejamento de água, com inclinação de até 15º 3 Máquina protegida contra aspersão de água 4 Máquina protegida contra projeções de água 5 Máquina protegida contra jatos de água 6 Máquina protegida contra jatos potentes 7 Máquina protegida contra os efeitos da imersão temporária 8 Máquina protegida contra os efeitos da imersão contínua Tabela 8.3 - 2º ALGARISMO: Indica o grau de proteção contra penetração de água no interior do motor www.weg.net Especificação do Motor Elétrico46 As combinações entre os dois algarismos, isto é, entre os dois critérios de proteção, estão resumidos na tabela 8.4. Note que, de acordo com a norma, a qualificação do motor em cada grau, no que se refere a cada um dos algarismos, é bem definida através de ensaios padronizados e não sujeita a interpretações, como acontecia anteriormente. Motor Grau de proteção 1º algarismo 2º algarismo Proteção contra contato Proteção contra corpos estranhos Proteção contra água Motores abertos IP00 não tem não tem não tem IP02 não tem não tem pingos de água até uma inclinação de 15º com a vertical IP11 toque acidental com a mão corpos estranhos sólidos de dimensões acima de 50 mm pingos de água na vertical IP12 toque acidental com a mão corpos estranhos sólidos de dimensões acima de 50 mm pingos de água até uma inclinação de 15º com a vertical IP13 toque acidental com a mão corpos estranhos sólidos de dimensões acima de 50 mm água de chuva até uma inclinação de 60º com a vertical IP21 toque com os dedos corpos estranhos sólidos de dimensões acima de 12 mm pingos de água na vertical IP22 toque com os dedos corpos estranhos sólidos de dimensões acima de 12 mm pingos de água até uma inclinação de 15º com a vertical IP23 toque com os dedos corpos estranhos sólidos de dimensões acima de 12 mm água de chuva até uma inclinação de 60º com a vertical Motores fechados IP44 toque com ferramentas corpos estranhos sólidos de dimensões acima de 1 mm respingos de todas as direções IP54 proteção completa contra toques proteção contra acúmulo de poeiras nocivas respingos de todas as direções IP55 proteção completa contra toques proteção contra acúmulo de poeiras nocivas jatos de água em todas as direções Tabela 8.4 - Graus de proteção 8.5.2 Tipos Usuais de Graus de Proteção Embora alguns algarismos indicativos de grau de proteção possam ser combinados de muitas maneiras, somente alguns tipos de proteção são empregados nos casos normais. São eles: IP21, IP22, IP23, IP44 e IP55. Os três primeiros são motores abertos e os dois últimos são motores fechados. Para aplicações especiais mais rigorosas, são comuns também os graus de proteção IP55W ( proteção contra intempéries ), IP56 ( proteção contra “água de vagalhões” ), IP65 ( totalmente protegido contra poeiras ) e IP66 ( totalmente protegido contra poeiras e água de vargalhões ). Vedação dos mancais Para carcaças 225S/M a 355A/B está disponível como item de série o sistema de vedação WSeal® , composto por um anel V'Ring com duplo lábio e calota metálica montados sobre este anel. Entre os demais sistemas de vedação disponíveis para a linha W22, está o revolucionário W3 Seal®, composto por três selos: V'Ring, O'Ring e Labirinto. Sistema desenvolvido pela WEG, contra acúmulo de impurezas sólidas e líquidas presentes no ambiente, que garante aos motores o grau de proteção IP66. Outros graus de proteção para motores são raramente fabricados, mesmo porque, qualquer grau de proteção atende plenamente aos requisitos dos inferiores ( algarismos menores ). Assim, por exemplo, um motor IP55 substitui com vantagens os motores IP12, IP22 ou IP23, apresentando maior segurança contra exposição acidental à poeiras e água. Isto permite padronização da produção em um único tipo que atenda a todos os casos, com vantagem adicional para o comprador nos casos de ambientes menos exigentes. 8.5.3 Motores a Prova de Intempéries Conforme a norma ABNT NBR-IEC 60034-5, o motor será a prova de intempéries quando de consequência de seu projeto ( discussão técnica entre cliente e WEG ), as proteções definidas proporcionem um correto funcionamento da máquina, em condição de exposição à água ( chuva ), ventos ( poeiras ) e neve. A WEG utiliza a letra W junto à indicação do grau de proteção do motor para indicar que o motor tem um plano de pintura especial ( à prova de intempéres ). Os planos de pintura poderão variar de acordo com a agressividade do ambiente, o qual deverá ser informado pelo cliente durante especificação/solicitação do produto. Ambientes agressivos exigem que os equipamentos que neles trabalham sejam perfeitamente adequados para suportar tais circunstâncias com elevada confiabilidade, sem apresentar problemas de qualquer espécie. A WEG produz variada gama de motores elétricos com características técnicas especiais, apropriadas à utilização em estaleiros, instalações portuárias, indústria do pescado e múltiplas aplicações navais, além das indústrias químicas e petroquímicas e outros ambientes de condições agressivas. Sendo assim adequados aos mais severos regimes de trabalho. 8.6 Resistência de Aquecimento As resistências de aquecimento são instaladas quando um motor elétrico é instalado em ambientes muito úmidos, ( umidade > 95% ) e/ou com possibilidade de ficar desligados por longos períodos ( acima de 24 h ), impedindo o acúmulo de água no interior do motor pela condensação do ar úmido. As resistências de aquecimento, aquecem o interior do motor alguns graus acima do ambiente ( 5 a 10 °C ), quando o motor está desligado. A tensão de alimentação das resistências de aquecimento, deverá ser especificada pelo cliente, sendo disponíveis em 110 V, 220 V e 440 V. Dependendo da carcaça, serão empregados os resistores de aquecimento, conforme tabela 8.5. www.weg.net Especificação do Motor Elétrico 47 Carcaça Quantidade Potência ( W ) 63 a 80 1 7,5 90 a 100 1 11 112 2 11 132 a 160 2 15 180 a 200 2 19 225 a 250 2 28 280 a 315 2 70 355 a 315B 2 87 Tabela 8.5 - Resistência de aquecimento ATENÇÃO: As resistências de aquecimento só deverão ser energizadas com o motor desligado, caso contrário o motor poderá sofrer um sobreaquecimento, resultando em potenciais danos. Nos casos de manutenção no motor, o mesmo deverá ser completamente desenergizado, incluindo as resistências de aquecimento. Tabela 8.6 - Níveis máximos de potência e pressão sonora para motores trifásicos ( IC411,IC511,IC611 ), a vazio, em dB ( A ), 60 Hz. Nota 1: motores IC01,IC11,IC21 podem ter níveis de potência sonora maiores: 2 e 4 polos +7dB ( A ), - 6 e 8 polos +4dB ( A ) Nota 2: os níveis de pressão e potência sonora para motores 2 e 4 polos com carcaça 355 são para ventiladores unidirecionais. Os demais são para ventilado- res bi-direcionais. Nota 3: valores para motores 50 Hz devem ser decrescidos : 2 polos -5dB ( A ) ; 4, 6 e 8 polos -3dB ( A ) Tabela 8.7 - Incremento máximo estimado para pressão e potência sonora, em dB ( A ) Nota 1: esta tabela fornece o incremento máximo esperado para condição em carga nominal. Nota 2: os valores são válidos para 50 Hz e 60 Hz. 8.7 Limites de Ruídos Os motores WEG atendem as normas NEMA, IEC e NBR que especificam os limites máximos de nível de potência sonora, em decibéis. Os valores da tabela 8.6, estão conforme IEC 60034-9. Carcaça 2 polos 4 polos 6 polos 8 polos Potência Pressão Potência Pressão Potência Pressão Potência Pressão 90 83 71 69 57 66 54 66 54 100 87 75 73 61 67 55 67 55 112 88 76 75 63 73 61 73 61 132 90 78 78 66 76 64 74 62 160 92 79 80 67 76 63 75 62 180 93 80 83 70 80 67 79 66 200 95 82 86 73 83 70 82 69 225 97 84 87 74 83 70 82 69 250 97 83 88 74 85 71 83 69 280 99 85 91 77 88 74 85 71 315 103 88 97 82 92 77 91 76 355 105 90 98 83 97 82 95 80 Carcaça 2 polos 4 polos 6 polos 8 polos 90 a 160 2 5 7 8 180 a 200 2 4 6 7 225 a 280 2 3 6 7 315 2 3 5 6 355 2 2 4 5 Na tabela 8.7 estão citados os incrementos a serem considerados nos valores de pressão e potência sonora, em dB ( A ), para motores operando em carga. www.weg.net Especificação do Motor Elétrico50 9.4 Classes de Temperatura A temperatura máxima na superfície interna e/ou externa do equipamento elétrico deve ser sempre menor que a temperatura de ignição do gás ou vapor. Os gases podem ser classificados para as classes de temperatura de acordo com sua temperatura de ignição, onde a máxima temperatura de superfície da respectiva classe, deve ser menor que a temperatura dos gases correspondentes. Tabela 9.6 - Classes de temperatura IEC NEC Temperatura de ignição dos gases e/ou vapores Classes de temperatura Temperatura máxima de superfície Classes de temperatura Temperatura máxima de superfície T1 450 T1 450 > 450 T2 300 T2 300 > 300 T2A 280 > 280 T2B 260 > 260 T2C 230 > 230 T2D 215 > 215 T3 200 T3 200 > 200 T3A 180 > 180 T3B 165 > 165 T3C 160 > 160 T4 135 T4 135 > 135 T4A 120 > 120 T5 100 T5 100 > 100 T6 85 T6 85 > 85 9.5 Equipamentos para Áreas de Risco Os quadros abaixo mostram a seleção dos equipamentos para as áreas classificadas de acordo com a norma ABNT NBR IEC 60079-14: Tabela 9.7 - Tipos de proteção para atmosferas explosivas com gases inflamáveis. De acordo com a norma NEC, a relação dos equipamentos está mostrada no quadro abaixo: DIVISÃO 1 Equipamentos com tipo de proteção: g à prova de explosão Ex"d" g presurização Ex"p" g imersão em óleo Ex"o" g segurança intrínseca Ex"i" DIVISÃO 2 g qualquer equipamento certificado para divisão 1 g equipamentos incapazes de gerar faíscas ou superfícies quentes em invólucros de uso geral Tabela 9.8 9.6 Equipamentos de Segurança Aumentada É o equipamento elétrico que, sob condições de operação não produz arcos, faíscas ou aquecimento suficiente para causar ignição da atmosfera explosiva para o qual foi projetado. Tempo tE - tempo necessário para que um enrolamento de corrente alternada, quando percorrido pela sua corrente de partida, atinja a sua temperatura limite, partindo da temperatura atingida em regime nominal, considerando a temperatura ambiente ao seu máximo. Abaixo, mostramos os gráficos que ilustram como devemos proceder a correta determinação do tempo “tE” ( figuras 9.1 e 9.2 ). P Figura 9.1 - Diagrama esquemático explicando o método de determição do tempo “tE” Figura 9.2 - Valor mínimo do tempo “tE” em função da relação da corrente de partida IP / IN A - temperatura ambiente máxima B - temperatura em serviço nominal C - temperatura limite 1 - elevação da temperatura em serviço 2 - elevação da temperatura com rotor bloqueadoABNT NBR IEC 60079-14 Zona Proteção possível Zona 0 Ex "iA" Ex "mA" Equipamentos especialmente aprovados para Zona 0 Zona 1 Equipamentos certificados para Zona 0 Ex "d" Ex "de" Ex "e" Ex "px", Ex "py" Ex "iB" Ex "q" Ex "o" Ex "mB" Zona 2 Equipamentos certificados para Zona 0 e Zona 1 Ex "pZ" Ex "iC" Ex "n" Ex "mC" www.weg.net Especificação do Motor Elétrico 51 10. Características Construtivas 10.1 Dimensões As dimensões dos motores elétricos WEG são padronizadas de acordo com a ABNT NBR-15623 a qual acompanha a International Electrotechnical Commission - IEC-60072. Nestas normas a dimensão básica para a padronização das dimensões de montagem de máquinas elétricas girantes é a altura do plano da base ao centro da ponta do eixo, denominado pela letra H ( Ver figura 10.1 abaixo ). A cada altura da ponta de eixo H é associada uma dimensão C, distância do centro do furo dos pés do lado da ponta do eixo ao plano do encosto da ponta de eixo. A cada dimensão H, contudo, podem ser associadas várias dimensões B ( distância entre centros dos furos dos pés ), de forma que é possível ter-se motores mais “longos” ou mais “curtos”. A 9.7 Equipamentos à Prova de Explosão É um tipo de proteção em que as partes que podem inflamar uma atmosfera explosiva, são confinadas em invólucros que podem suportar a pressão durante uma explosão interna de uma mistura explosiva e que previne a transmissão da explosão para uma atmosfera explosiva. Figura 9.3 - Princípio da proteção O motor elétrico de indução ( de qualquer proteção ), não é estanque, ou seja, troca ar com o meio externo. Quando em funcionamento, o motor se aquece e o ar em seu interior fica com uma pressão maior que a externa ( o ar é expelido ); quando é desligada a alimentação, o motor se resfria e a pressão interna diminui, permitindo a entrada de ar ( que neste caso está contaminado ). A proteção não permitirá que uma eventual explosão interna se propague ao ambiente externo. Para a segurança do sistema, a WEG controla os valores dos insterstícios ( tolerâncias entre encaixes ) e as condições de acabamento das juntas, pois são responsáveis pelo volume de gases trocados entre o interior e exterior do motor. Figura 10.1 dimensão A, distância entre centros dos furos dos pés, no sentido frontal, é única para valores de H até 315 mm, mas pode assumir múltiplos valores a partir da carcaça H igual a 355 mm. Para os clientes que exigem carcaças padronizadas pela norma NEMA, a tabela 10.1 faz a comparação entre as dimensões H - A - B - C - K - D - E da norma da ABNT/IEC e D, 2E, 2F, BA, H, U, N-W da norma NEMA. ABNT / IEC NEMA H D A 2E B 2F C BA K H ∅ D ∅ U E N-W 63 63 100 80 40 7 11j6 23 71 72 112 90 45 7 14j6 30 80 80 125 100 50 10 19j6 40 90 S 143 T 90 88,9 140 139,7 100 101,6 56 57,15 10 8,7 24j6 22,2 50 57,15 90 L 145 T 90 88,9 140 139,7 125 127 56 57,15 10 8,7 24j6 22,2 50 57,15 100L 100 160 140 63 12 28j6 60 112 S 182 T 112 114,3 190 190,5 140 139,7 70 70 12 10,3 28j6 28,6 60 69,9 112 M 184 T 112 114,3 190 190,5 140 139,7 70 70 12 10,3 28j6 28,6 60 69,9 132 S 213 T 132 133,4 216 216 140 139,7 89 89 12 10,3 38k6 34,9 80 85,7 132 M 215 T 132 133,4 216 216 178 177,8 89 89 12 10,3 38k6 34,9 80 85,7 160 M 254 T 160 158,8 254 254 210 209,6 108 108 15 13,5 42k6 41,3 110 101,6 160 L 256 T 160 158,8 254 254 254 254 108 108 15 13,5 42k6 41,3 110 101,6 180 M 284 T 180 180 279 279,4 241 241,3 121 121 15 13,5 48k6 47,6 110 117,5 180 L 286 T 180 177,8 279 279,4 279 279,4 121 121 15 13,5 48k6 47,6 110 117,5 200 M 324 T 200 203,2 318 317,5 267 266,7 133 133 19 16,7 55m6 54 110 133,4 200 L 326 T 200 203,2 318 317,5 305 304,8 133 133 19 16,7 55m6 54 110 133,4 225 S 364 T 225 228,6 356 355,6 286 285,8 149 149 19 19,0 60m6 60,3 140 149,2 250 S 404 T 250 254 406 406,4 311 311,2 168 168 24 20,6 65m6 73 140 184,2 250 M 405 T 250 254 406 406,4 349 349,2 168 168 24 20,6 65m6 73 140 184,2 280 S 444 T 280 279,4 457 457,2 368 368,4 190 190 24 20,6 65m6 73 140 184,2 280 M 445 T 280 279,4 457 457,2 419 419,1 190 190 24 20,6 75m6 85,7 140 215,9 315 S 504 Z 315 317,5 508 508 406 406,4 216 215,9 28 31,8 80m6 92,1 170 269,9 315 M 505 Z 315 317,5 508 508 457 457,2 216 215,9 28 31,8 80m6 92,1 170 269,9 355 M 355 610 560 254 28 100m6 210 586 368,3 584,2 558,8 254 30 98,4 295,3 355 L 355 610 630 254 28 100m6 210 355 L 355 610 630 254 28 100m6 210 587 368,3 584,2 635 254 30 98,4 295,3 Tabela 10.1 - Comparação de dimensões ABNT/IEC e NEMA www.weg.net Especificação do Motor Elétrico52 Figura Símbolo para Fixação ou montagem Designação WEG DIN 42950 IEC 60034 Parte 7 Carcaça Código I Código II B3D B3 IM B3 IM 1001 com pés montada sobre subestrutura ( * ) B3E B5D B5 IM B5 IM 3001 sem pés fixada pelo flange “FF” B5E B35D B3/B5 IM B35 IM 2001 com pés montada sobre subestrutura pelos pés, com fi- xação suplementar pelo flange “FF” B35E B14D B14 IM B14 IM 3601 sem pés fixada pelo flange “C” B14E B34D B3/B14 IM B34 IM 2101 com pés montado sobre subestrutura pelos pés, com fixação suplementar pelo flange “C” B34E B6D B6 IM B6 IM 1051 com pés montado em parede, pés à esquerda olhando-se do lado do acionamento B6E 10.2 Formas Construtivas Normalizadas Entende-se por forma construtiva, como sendo o arranjo das partes construtivas das máquinas com relação à sua fixação, à disposição de seus mancais e à ponta de eixo, que são padronizadas pela NBR-5031, IEC 60034-7, DIN-42955 e NEMA MG 1-4.03. A NBR 5432 e a IEC 60072 determinam que a caixa de ligação de um motor deve ficar situada de modo que a sua linha de centro se encontre num setor compreendido entre o topo do motor e 10 graus abaixo da linha de centro horizontal deste, do lado direito, quando o motor for visto do lado do acionamento. As tabelas a seguir indicam as diversas formas normalizadas. Tabela 10.2a - Formas construtivas normalizadas ( montagem horizontal ) ( * ) Subestrutura: bases, placa de base, fundações, trilhos, pedestais, etc. www.weg.net Especificação do Motor Elétrico 55 10.4 Pintura O plano de pintura abaixo, apresenta as soluções que são adotadas para cada aplicação. Plano Uso recomendado 201 A Para ambiente normal, levemente severo abrigado ou desabrigado, para uso industrial, com baixa umidade relativa, variações normais de temperatura e presença de SO2. Nota: não recomendado para exposição direta a vapores ácidos, álcalis e solventes. 202 E Para ambiente industrial severo em locais abrigados podendo conter presença de SO2, vapores e contaminantes sólidos e alta umidade. Indicado para aplicação em indústrias de papel e celulose, mineração e química. *Não recomendado para aplicação em superfície de alumínio. 202 P Para ambiente industrial severo em locais abrigados ou desabrigados podendo conter presença de SO2, vapores e contaminantes sólidos e alta umidade. Recomendação de uso específico: Indicado para aplicação em motores food processing –USA. *Não recomendado para aplicação em superfície de alumínio. 203 A Para ambiente normal, levemente severo abrigado ou desabrigado, para uso industrial, com baixa umidade relativa, variações normais de temperatura e presença de SO2. Notas: 1) Não recomendado para exposição direta a vapores ácidos, álcalis e solventes. 2) Não aplicar o plano 203A em motores com carcaça em chapa de aço. 205 E Para ambiente industrial severo em locais abrigados podendo conter presença de SO2, vapores e contaminantes sólidos e alta umidade. Indicado para aplicação em indústrias de papel e celulose, mineração e química. 205 P Para ambiente industrial severo em locais abrigados ou desabrigados podendo conter presença de SO2, vapores e contaminantes sólidos e alta umidade. Recomendação de uso específico: Indicado para aplicação em motores food processing –USA. 207 A Para ambiente normal, levemente severo abrigado ou desabrigado, para uso industrial, com baixa umidade relativa, variações normais de temperatura e presença de SO2. Nota: não recomendado para exposição direta a vapores ácidos, álcalis e solventes. Aplicação: O plano 207A é indicado para os motores de linha normal de fabricação e que necessitem secagem rápida para processo de embalagem. 207 N Para ambiente normal, levemente severo e abrigado, para uso doméstico, com baixa umidade relativa, variações normais de temperatura. Nota: não recomendado para exposição direta a vapores ácidos, álcalis e solventes. Recomendação de uso específico: Para uso em motores com carcaça de chapa de aço, cujo processo de embalagem exige uma pintura de secagem rápida. 211 E Para ambiente industrial severo em locais abrigados podendo conter presença de SO2, vapores e contaminantes sólidos, e alta umidade e respigos de álcalis e solventes. Indicado para motores destinados à Petrobras e seus fornecedores, para uso em refinarias, bem como indústrias petroquímicas que adotam as especificações Petrobras. 211 P Para ambiente industrial severo em locais abrigados ou desabrigado podendo conter presença de SO2, vapores e contaminantes sólidos, e alta umidade e respigos de álcalis e solventes. Indicado para motores destinados à Petrobras e seus fornecedores, para uso em refinarias, bem como indústrias petroquímicas que adotem as especificações Petrobras. 212 E Para ambiente marítimo agressivo ou industrial marítimo, abrigado, podendo conter alta umidade e respingos de álcalis e solventes.Indicado para aplicação em indústrias de papel e celulose, mineração, química e petroquímica. 212 P Para ambiente marítimo agressivo ou industrial marítimo, abrigado ou desabrigado, podendo conter alta umidade. Indicado para aplicação em indústrias de papel e celulose, mineração, química e petroquímica. 213 E Para ambiente marítimo agressivo ou industrial marítimo, abrigado ou desabrigado, podendo conter alta umidade. Indicado para aplicação plataforma de produção e exploração de Petróleo. 214 P Para ambiente industrial severo em locais abrigados ou desabrigados podendo conter presença de SO2, vapores e contaminantes sólidos, e alta umidade e respingos de álcalis e solventes. Tabela 10.4 - Planos de pintura Nota: os planos de pintura WEG atendem às normas Petrobras 10.4.1 Pintura Tropicalizada ou Tropicalização Altos índices de umidade podem levar a um desgaste prematuro do sistema de isolação, que é o principal responsável pela vida útil do motor. Ambientes com até 95% de umidade relativa não requerem proteções adicionais além da resistência de aquecimento para evitar a condensação de água no interior do motor. Entretanto, para ambientes com níveis de umidade superiores a 95% aplica-se nas partes internas do motor uma pintura epóxi conhecida como pintura tropicalizada. 11. Seleção e Aplicação dos Motores Trifásicos Na engenharia de aplicação de motores é comum e, em muitos casos prático, comparar as exigências da carga com as características do motor. Existem muitas aplicações que podem ser corretamente acionadas por mais de um tipo de motor, e a seleção de um determinado tipo, nem sempre exclui o uso de outros tipos. Com o advento do computador, o cálculo pode ser aprimorado, obtendo-se resultados precisos que resultam em máquinas dimensionadas de maneira mais econômica.Os motores de indução WEG, de gaiola ou de anel, de baixa e média tensão, encontram vasto campo de aplicação, notoriamente nos setores de siderúrgica, mineração, papel e celulose, saneamento, químico e petroquímico, cimento entre outros, tornando-se cada vez mais importante a seleção do tipo adequado para cada aplicação. A seleção do tipo adequado de motor, com respeito ao conjugado, fator de potência, rendimento e elevação de temperatura, isolação, tensão e grau de proteção mecânica, somente pode ser feita, após uma análise cuidadosa, considerando parâmetros como: g Custo inicial g Capacidade da rede g Necessidade da correção do fator de potência g Conjugados requeridos g Efeito da inércia da carga g Necessidade ou não de regulação de velocidade g Exposição da máquina em ambientes úmidos, poluídos e/ou agressivos www.weg.net Especificação do Motor Elétrico56 b) Conjugado de aceleração Conjugado necessário para acelerar a carga à velocidade nominal. O conjugado do motor deve ser sempre maior que o conjugado de carga, em todos os pontos entre zero e a rotação nominal. No ponto de interseção das duas curvas, o conjugado de acelereção é nulo, ou seja, é atingido o ponto de equilíbrio a partir do qual a velocidade permanece constante. Este ponto de intersecção entre as duas curvas deve corresponder a velocidade nominal. a) Incorreto b) Correto Onde: Cmáx = conjugado máximo Cp = conjugado de partida Cr = conjugado resistente ns = rotação síncrona n = rotação nominal O conjugado de aceleração assume valores bastante diferentes na fase de partida. O conjugado médio de acelereção ( Ca ) obtém-se a partir da diferença entre o conjugado do motor e o conjugado resistente da carga. c) Conjugado nominal Conjugado nominal necessário para mover a carga em condições de funcionamento à velocidade específica. O conjugado requerido para funcionamento normal de uma máquina pode ser constante ou varia entre amplos limites. Para conjugados variáveis, o conjugado máximo deve ser suficiente para suportar picos momentâneos de carga. As características de funcionamento de uma máquina, quanto ao conjugado, podem dividir-se em três classes: g Conjugado constante Nas máquinas deste tipo, o conjugado permanece constante durante a variação da velocidade e a potência aumenta proporcionalmente com a velocidade. ––––––––––– Conjugado requerido pela máquina - - - - - - - - - Potência requerida pela máquina O motor assíncrono de gaiola é o mais empregado em qualquer aplicação industrial, devido à sua construção robusta e simples, além de ser a solução mais econômica, tanto em termos de motores como de comando e proteção. O meio mais adequado na atualidade para reduzir os gastos de energia é usar motores WEG da linha Premium. Está comprovado, por testes, que estes motores especiais têm até 30% a menos de perdas, o que significa uma real economia. Estes motores são projetados e construídos com a mais alta tecnologia, com o objetivo de reduzir perdas e incrementar o rendimento. Isto proporciona baixo consumo de energia e menor despesa. São os mais adequados nas aplicações com variação de tensão. São testados de acordo com as normas NBR 5383 e IEC 60034-1 e seus valores de rendimento certificados e estampados na placa de identificação do motor. A técnica de ensaio é o método B da IEEE STD 112. Os valores de rendimento são obtidos através do método de separação de perdas de acordo com as normas NBR 5383 e IEC 60034-1 Os motores Premium, são padronizados conforme as normas IEC, mantendo a relação potência/carcaça, sendo portanto, intercambiáveis com todos os motores normalizados existentes no mercado. Na seleção correta dos motores, é importante considerar as características técnicas de aplicação e as características de carga, meio ambiente e alimentação no que se refere a aspectos mecânicos para calcular: a) Conjugado de partida Conjugado requerido para vencer a inércia estática da máquina e produzir movimento. Para que uma carga, partindo da velocidade zero, atinja a sua velocidade nominal, é necessário que o conjugado do motor seja sempre superior ao conjugado da carga. Tipo Motor de induçãode gaiola Motor de indução de anéis Projeto Rotor não enrolamento Rotor enrolamento Corrente de partida Alta Baixa Conjugado de partida Baixo Alto Corrente de partida / corrente nominal Alta Baixa Conjugado máximo > 160% do conjugado nominal > 160% do conjugado nominal Rendimento Alto Alto Equipamento de partida Simples para partida dire- ta Relativamente simples Equipamento de proteção Simples Simples Espaço requerido Pequeno Reostato requer umespaço grande Manutenção Pequena Nos anéis e escovas - frequente Custo Baixo Alto Tabela 11.1 - Comparação entre diferentes tipos de máquinas Figua 11.1 - Seleção de motor considerando o conjugado resistente da carga Figura 11.2 C = Conjugado resistente: constante P = Potência: proporcional à velocidade ( n ) www.weg.net Especificação do Motor Elétrico 57 Figura 11.3 Figura 11.4 Tipos de carga Conjugado requerido Característica da carga Tipo de motor usado Partida Máximo Bombas centrífugas, ventiladores, furadeiras, compressores, retificadoras, trituradores. Entre 1 e 1,5 vezes o conjugado nominal Valores máximos entre 220% e 250% do nominal g Condições de partidas fáceis, tais como: engrenagens intermediárias, baixa inércia ou uso de acoplamentos especiais, simplificam a partida. g Máquinas centrífugas, tais como: bombas onde o conjugado aumenta ao quadrado da velocidade até um máximo, conseguido na velocidade nominal. g Na velocidade nominal pode estar sujeita a pequenas sobrecargas. g Conjugado normal g Corrente de partida normal g Categoria N Bombas alternativas, compressores, carregadores, alimentadores, laminadores de barras. Entre 2 e 3 vezes o conjugado nominal Não maior que 2 vezes o conjugado nominal g Conjugado de partida alto para vencer a elevada inércia, contra pressão, atrito de parada, rigidez nos processos de materiais ou condições mecânicas similares. g Durante a aceleração, o conjugado exigido cai para o valor do conjugado nominal. g É desaconselhável sujeitar o motor à sobrecargas, durante a velocidade nominal. g Conjugado de partida alto g Corrente de partida normal g Categoria N Prensas puncionadoras, guindastes, pontes rolantes, elevadores de talha, tesouras mecânicas, bombas de óleo para poços. 3 vezes o conjugado nominal Requer 2 a 3 vezes o conjugado nominal. São consideradas perdas durante os picos de carga. g Cargas intermitentes, as quais requerem conjugado de partida, alto ou baixo. g Requerem partidas frequentes, paradas e reversões. g Máquinas acionadas, tais como: prensas puncionadoras, que podem usar volantes para suportar os picos de potência. g Pequena regulagem é conveniente para amenizar os picos de potências e reduzir os esforços mecânicos no equipamento acionado. g A alimentação precisa ser protegida dos picos de potências, resultantes das flutuações de carga. g Conjugado de partida alto g Corrente de partida normal g Alto escorregamento g Categoria D Ventiladores, máquinas- ferramentas. Algumas vezes precisa-se somente de parte do conjugado nominal; e outros, muitas vezes o conjugado nominal. 1 ou 2 vezes o conjugado nominal em cada velocidade. g Duas, três ou quatro velocidades fixas são suficientes. g Não é necessário o ajuste de velocidade. g O conjugado de partida pode ser pequeno ( ventiladores ) ou alto ( transportadores ). g As características de funcionamento em várias velocidades, podem variar entre potência constante, conjugado constante ou de conjugado variável. g Máquinas de cortar metal tem potência constante; g Cargas de atrito são típicas de conjugado constante; g Ventiladores são de conjugado variável. g Conjugado normal ou alto ( velocidades múltiplas ) 11.1 Seleção do Tipo de Motor para Diferentes Cargas Tabela 11.2 - Características para diferentes cargas. g Conjugado variável Encontram-se casos de conjugado variável nas bombas e nos ventiladores. C = Conjugado resistente: proporcional à velocidade ( n ) P = Potência: proporcional à velocidade ao quadrado ( n2 ) Figura 11.5 C = Conjugado resistente: proporcional à velocidade ao quadrado ( n2 ) P = Potência: proporcional à velocidade ao cubo ( n3 ) g Potência constante As aplicações de potência constante requerem uma potência igual à nominal para qualquer velocidade. C = Conjugado resistente: inversamente proporcional à velocidade ao quadrado ( n2 ) P = Potência constante www.weg.net Especificação do Motor Elétrico60 Assim, acima da frequência base de operação caracteriza-se a região de enfraquecimento de campo, na qual o fluxo diminui, provocando redução de torque. O torque fornecido pelo motor, portanto, é constante até a frequência base de operação, decrescendo gradativamente nas frequências de operação acima desta. Figura 11.8 fb Tb No entanto, para que o motor possa trabalhar em uma faixa de velocidades, não basta variar a frequência de alimentação. Deve-se variar também a amplitude da tensão de alimentação, de maneira proporcional à variação de frequência. Assim, o fluxo e, por conseguinte, o torque eletromagnético do motor, permanecem constantes, enquanto o escorregamento é mantido. Dessa forma, basicamente a variação da relação V/f é linear até a frequência base ( nominal ) de operação do motor. Acima dessa, a tensão, que é igual à nominal do motor, permanece constante e há apenas a variação da frequência estatórica. Como a potência é o resultado do produto do torque pela rotação, a potência útil do motor cresce linearmente até a frequência base e permanece constante acima desta. Potência Pb Figura 11.9 11.3.3 Características dos Inversores de Frequência A obtenção da tensão e frequência desejadas por meio dos inversores frequência passa basicamente por três estágios: g Ponte de diodos - Retificação ( transformação CA – CC ) da tensão proveniente da rede de alimentação; g Filtro ou Link CC - Alisamento/regulação da tensão retificada com armazenamento de energia por meio de um banco de capacitores; g Transistores IGBT - Inversão ( transformação CC – CA ) da tensão do link CC por meio de técnicas de modulação por largura de pulso ( PWM ). Este tipo de modulação permite a variação da tensão/frequência de saída pela ação de transistores ( chaves eletrônicas ), sem afetar a tensão do link CC. Figura 11.10 11.3.3.1 Modos de Controle Basicamente existem dois tipos de controle dos inversores eletrônicos: o escalar e o vetorial. O controle escalar baseia-se no conceito original do inversor de frequência: impõe no motor uma determinada relação tensão/frequência, visando manter o fluxo magnético do motor aproximadamente constante. Aplicável quando não há necessidade de respostas rápidas a comandos de torque e velocidade, esse modo de controle é particularmente interessante quando há conexão de múltiplos motores a um único inversor. O controle é realizado em malha aberta e a precisão da velocidade é função do escorregamento do motor, o qual varia com a carga. Para melhorar o desempenho do motor nas baixas velocidades, alguns inversores possuem funções especiais como a compensação de escorregamento ( que atenua a variação da velocidade em função da carga ) e o boost de tensão Tensão Vb fb Figura 11.7 Retificador Conversor Indireto de Frequencia Filtro Inversor Entrada Saída Tensão e frequencia variáveis 50 / 60 Hz ( 1 Φ ou 3 Φ) ca cc ca Motor 3Φ Vrede VPWM VDC = 1,35 Vrede ou 1,41 Vrede Imotor ~ fb www.weg.net Especificação do Motor Elétrico 61 Forma de onda típica de tensão na entrada de um inversor PWM de 6 pulsos ( frequência da rede 50 Hz ou 60 Hz ) Forma de onda típica de corrente na entrada de um inversor PWM de 6 pulsos onde: Ah : valores eficazes das componentes harmônicas A1 : valor eficaz da componente fundamental h : ordem da harmônica A norma IEEE Std.512 recomenda valores máximos para as harmônicas de corrente geradas por um equipamento elétrico. A maioria dos fabricantes de inversores atuais toma precauções no projeto dos seus equipamentos para garantirem que os limites de THD estabelecidos por essa norma sejam respeitados. 11.3.4 Influência do Inversor no Desempenho do Motor O motor de indução acionado por inversor PWM está sujeito a harmônicas que podem acarretar aumento de perdas e temperatura, assim como dos níveis de vibração e ruído, em comparação com a condição de alimentação senoidal. A influência do inversor sobre o motor depende de uma série de fatores relacionados com o controle, tais como a frequência de chaveamento, a largura efetiva, e o número de pulsos dentre outros. Forma de onda típica de corrente nos terminais do motor alimentado com tensão PWM Figura 11.11 THD = √ 2A hA 1h=2∑ ∞ ( ( ( aumento da relação V/f para compensar o efeito da queda de tensão na resistência estatórica e manter a capacidade de torque do motor ) em baixas rotações. Esse controle é o mais utilizado devido à sua simplicidade e devido ao fato de que a grande maioria das aplicações não requer alta precisão e/ou rapidez no controle da velocidade. O controle vetorial possibilita atingir um elevado grau de precisão e rapidez no controle do torque e da velocidade do motor. O controle decompõe a corrente do motor em dois vetores: um que produz o fluxo magnetizante e outro que produz torque, regulando separadamente o torque e o fluxo. O controle vetorial pode ser realizado em malha aberta ( “sensorless” ) ou em malha fechada ( com realimentação ). g Com sensor de velocidade – requer a instalação de um sensor de velocidade ( por exemplo, um encoder incremental ) no motor. Esse tipo de controle permite a maior precisão possível no controle da velocidade e do torque, inclusive em rotação zero. g Sensorless – tem a vantagem de ser mais simples do que o controle com sensor, porém, apresenta limitações de torque principalmente em baixíssimas rotações. Em velocidades maiores é praticamente tão bom quanto o controle vetorial com realimentação. 11.3.3.2 Harmônicas O sistema ( motor + inversor ) é visto pela fonte de alimentação como uma carga não linear, cuja corrente possui harmônicas. De forma geral, considera-se que o retificador produz harmônicas características de ordem h = np±1 no lado CA, assim, no caso da ponte retificadora com 6 diodos ( 6 pulsos ), as principais harmônicas geradas são a a 5a e a 7a, cujas amplitudes podem variar de 10% a 40% da fundamental dependendo da impedância de rede. Já para retificadores de 12 pulsos ( 12 diodos ) as harmônicas mais expressivas são a 11ª e a 13ª. As harmônicas superiores geralmente possuem menor amplitude e são mais fáceis de filtrar. A maioria dos inversores de baixa tensão comerciais, entretanto, são de 6 pulsos. O parâmetro que quantifica o distúrbio causado pelas harmônicas na rede de alimentação é o THD ( Distorção Harmônica Total ), o qual é geralmente fornecido pelo fabricante do inversor e definido como: Típica forma de onda de tensão PWM na saída do inversor Figura 11.12 Basicamente, para reduzir as harmônicas geradas por um inversor de frequência PWM, existem as seguintes soluções: instalação de filtros de saída ( reatâncias de carga, filtros dV/dt, filtros senoidais, etc. ), utilização de inversor com maior número de níveis ( topologias mais sofisticadas ), melhoria na qualidade da modulação PWM ( aprimoramento do padrão de pulsos ) e aumento da frequência de chaveamento. Além disso, quando da alimentação do motor por inversor, podem aparecer outros efeitos, que não se devem especificamente às harmônicas, mas que são também relevantes e não devem ser desprezados, tais como o stress do sistema de isolamento e a circulação de corrente pelos mancais. www.weg.net Especificação do Motor Elétrico62 Considerações em relação ao rendimento A falta de uma norma que especifique o procedimento de ensaio para avaliação do rendimento do sistema ( inversor + motor ) permite que o ensaio seja realizado de diferentes maneiras. Portanto, os resultados obtidos não devem influenciar na aceitação ou não do motor, exceto mediante acordo entre fabricante e comprador, conforme colocam as normas internacionais. A experiência mostra, porém, que de maneira geral as seguintes observações são válidas: g O motor de indução, quando alimentado por um inversor de frequência PWM, tem seu rendimento diminuído, em relação a um motor alimentado por tensão puramente senoidal, devido ao aumento nas perdas ocasionado pelas harmônicas. g Em aplicações de motores com inversores deve ser avaliado o rendimento do sistema ( inversor + motor ) e não apenas do motor. g Devem ser consideradas as características do inversor e do motor, tais como: frequência de operação, frequência de chaveamento, condição de carga e potência do motor, taxa de distorção harmônica do sinal fornecido pelo inversor, etc. g Instrumentos especiais, capazes de medir o valor eficaz verdadeiro ( true RMS ) das grandezas elétricas, devem ser utilizados. g O aumento da frequência de chaveamento tende a diminuir o rendimento do inversor e aumentar o rendimento do motor. Influência do inversor na elevação de temperatura do motor O motor de indução pode apresentar uma elevação de temperatura maior, quando alimentado por inversor, do que quando alimentado com tensão senoidal. Essa sobrelevação de temperatura é decorrente do aumento das perdas do motor, em função das componentes harmônicas do sinal PWM, aliada à redução da ventilação quando da operação do motor autoventilado em baixas frequências. Basicamente existem as seguintes soluções para evitar o sobreaquecimento do motor: g Redução do torque nominal ( sobredimensionamento do motor ); g Utilização de sistema de ventilação independente; g Utilização do “fluxo ótimo” ( solução exclusiva WEG ). Critérios de redução de torque ( derating ) Para manter a temperatura dos motores de indução WEG dentro de níveis aceitáveis, quando alimentados por inversor de frequência, devem ser obedecidos os limites de carga apresentados nas figuras 11.13 e 11.14. Nota: motores para áreas classificadas devem ser avaliados caso a caso e a WEG deve ser consultada. A incorporação da solução obtida nos inversores CFW09 e CFW11 permite que haja uma contínua minimização das perdas do motor ao longo de toda a faixa de operação, a qual é realizada automaticamente pelo inversor. Importante! Essa solução não deve ser utilizada com cargas de torque variável ou acima da frequência base e só é possível quando: g O motor da linha Premium ( atende ao nível IE3 ou acima ) g O motor é alimentado por inversor de frequência WEG ( CFW11 ou CFW09 versão 2.40 ou acima ); g É utilizado controle vetorial sensorless. Figura 11.13 - Condição de fluxo constante Os inversores de frequência modernos utilizam transistores de potência ( normalmente IGBTs ), cujos chaveamentos ocorrem em velocidades muito elevadas, em frequências da ordem de kHz. Para atingirem tais chaveamentos, os transistores possuem tempos de início de condução e bloqueio muito rápidos, que resultam em pulsos de tensão com elevado dV/dt ( taxa de variação da tensão no tempo ). Quando esses inversores são utilizados em conjunto com um motor de indução, os pulsos, em combinação com as impedâncias do cabo e do motor, podem gerar nos terminais do motor sobretensões ( overshoots ) repetitivas, que reduzem a vida útil do sistema isolante. Os overshoots afetam especialmente o isolamento entre espiras de enrolamentos randômicos e seu valor é determinado, basicamente, pelos seguintes fatores: tempo de subida ( rise time ) do pulso de tensão, comprimento do cabo, mínimo tempo entre pulsos, frequência de chaveamento e o uso de múltiplos motores. Figura 11.14 - Condição de fluxo ótimo Fluxo ótimo V/f ótimo Fluxo Ótimo A solução fluxo ótimo foi desenvolvida com o objetivo de tornar os motores WEG aptos a operarem em baixas velocidades com torque constante, mantendo sua temperatura dentro dos limites da classe térmica, sem a necessidade de ventilação forçada ou sobredimensionamento da carcaça. O estudo da composição das perdas nos motores elétricos e da sua relação com a frequência, o fluxo, a corrente e a variação de velocidade permitiu a determinação de um valor ótimo de fluxo para cada rotação. 1.7 1.8 1.9 2.0 0.45 0.40 2.1 www.weg.net Especificação do Motor Elétrico 65 14. Anexos Tabela 14.1 -- 14.1 Sistema Internacional de Unidades - SI Grandezas Nomes Unidades Aceleração metro por segundo ao quadrado m/s2 Aceleração angular radiano por segundo ao quadrado rad/s2 Ângulo plano radiano rad Ângulo sólido esferorradiano sr Área metro quadrado m2 Calor específico Joule por quilograma e por Kelvin J/kgK Capacitância Farad F Vazão metro cúbico por segundo m3/s Condutância Siemens S Condutividade térmica Watt por metro e por Kelvin W/mK Condutividade elétrica Siemens por metro S/m Densidade de fluxo de energia Watt por metro quadrado W/m2 Dose absorvida Joule por quilograma J/kg Energia Joule J Entropia Joule por Kelvin J/K Fluxo ( de massa ) quilograma por segundo Kg/s Fluxo magnético Weber Wb Frequência Hertz Hz Força Newton N Gradiente de temperatura Kelvin por metro K/m Impulsão Newton-segundo Ns Indução magnética Tesla T Indutância Henri H Intensidade de campo elétrico Volt por metro V/m Intensidade de campo magnético Ampère por metro A/m Intensidade luminosa candela cd Intensidade de corrente Ampère A Intervalo de frequências oitava Comprimento metro m Massa quilograma Kg Massa específica quilograma por metro cúbico Kg/m3 Momento de força Newton-metro Nm Momento cinético quilograma-metro quadrado-segundo Kgm2/s Momento de inércia quilograma-metro quadrado Kgm2 Potência Watt W Pressão Newton por metro quadrado N/m2 Relutância Ampère por Weber A/Wb Resistência elétrica Ohm Ω Resistividade de massa Ohm-quilograma por metro quadrado Ωkg/m2 Resistividade Ohm-metro Ωm Temperatura termodinâmica Kelvin K Tensão elétrica Volt V Tensão superficial Newton por metro N/m Tempo segundo s Velocidade angular radiano por segundo rad/s Velocidade metro por segundo m/s Viscosidade dinâmica Newton-segundo por metro quadrado Ns/m2 Viscosidade cinemática metro quadrado por segundo m2/s Volume metro cúbico m3 www.weg.net Especificação do Motor Elétrico66 cm2 1,076.10 -3 pé2 cm2 0,1550 pol.2 cm/s 0,036 km/h G Grau Celsius F Grau Celsius ( oC ) + 273,15 K Grau Fahrenheit oC Grau trigonométrico 0,01745 Grau radiano H HP 42,44 BTU/min HP 1,014 cv HP ( caldeira ) 33479 BTU/h HP 10,68 kcal/min HP 76,04 kg.m/s HP 0,7457 kW HP 550 Libra-força.pé/s HP.h 2,684.106 J HP.h 0,7457 kW.h HP.h 1,98.106 Libra-força.pé HP.h 2,737.105 kgm J Jarda3 0,7646 m3 Joule 9,480.10 -4 BTU Joule 0,7376 Libra-força.pé Joule 2,389.10 -4 kcal Joule 22,48 Libra Joule 1 W De multiplicar por para obter K oC oF kcal/h.m2 ( ——— ) 0,671 BTU/h.pé2 ( ——— ) m Pie kg 2,205 Libra kgf/cm2 14,22 Libra-força/pol2 kgf/cm3 3,613.10 -5 Libra/pol3 km 1094 Jarda km 3281 pé km 0,6214 Milha km2 0,3861 Milha2 km2 10.76.10 -6 pé2 km/h 27,78 cm/s km/h 0,6214 Milha/h km/h 0,5396 nó km/h 0,9113 pé/s kgf 9,807 J/m ( N ) kW 56,92 BTU/min kW 1,341 HP kW 14,34 kcal/min kW/h 3413 BTU kW/h 859850 Cal kW/h 1,341 HP.h kW/h 3,6.106 J kW/h 2,655.106 Libra pé kW/h 3,671.105 kgm L Libra-força.pé/s 1,356.10-3 kW Libra-força.pé3 0,01602 g/cm3 Libra-força.pé3 16,02 kg/m3 Libra-força.pol 17,86 kg/m Libra-força.pol2 0,07301 kg/cm2 Libra-força.pé/min 3,24.10-4 kcal/min Libra-força.pé/min 2,260.10-5 kW Libra-força.pé/s 0,07717 BTU/min Libra-força 16 onça Litro 0,2642 galão Litro/min 5,886.10-4 pé3/s Libra-força/pé 3,24.10-4 kcal Libra-força/pé 1,488 kg/m Libra-força/pé 3,766.10-7 kW.h Libra-força/pé 0,1383 kgfm Libra-força/pé2 0,0421 kg/m2 Libra-polegada quadrada 2,93 x 10-4 Quilograma-metro ( sq.in.lb ) quadrado ( kgm2 ) M m 1,094 Jarda m 5,396.10-4 milha marítima m 6,214.10-4 milha terrestre m 39,37 pol. m3 35,31 pé3 m3 61023 pol.3 m 1,667 cm/s m/min 0,03238 nó m/min 0,05408 pés/s m2 10,76 pé2 m2 1550 pol.2 m.kg 7,233 Libra-força.pé m/s 2,237 milha/h m/s 196,8 pé/min Micrômetro 10-6 m Milha/h 26,82 m/min Milha/h 1467 pé/s Milha quadrada 2,590 km2 Milha 0,001 pol. Milímetro 0,03937 pol. 9 ( oC —— ) + 32 5 5 ( F - 32 ) —— 9 14.2 Conversão de Unidades De multiplicar por para obter BTU 3,94.10 -4 HP.h BTU 2.928.10 -4 kW.h BTU/h 107,5 kgm/s BTU/h 0,2931 W ºF ºC BTU/h2. ( —— ) 0,0173 W/cm2. ( —— ) Pie cm ºF ºF BTU/h2. ( —— ) 0,0833 BTU/h.pé2 ( ——) Pé Pie BTU/h.Pé2.ºF 5,68.10 -4 W/cm2.ºC BTU/h.Pé2.ºF 3,94.10 -4 HP/pé2. ºF BTU/min 0,01758 kW BTU/min 17,58 W BTU/s 2,93.10 -4 kW BTU/s 3,93.10 -4 HP BTU/s 3,94.10 -4 cv C Caloria ( grama ) 3,9683.10 -3 BTU Caloria ( grama ) 1,5596.10 -6 HP.h Caloria ( grama ) 1,1630.10 -6 kW.h Caloria ( grama ) 3600/860 Joule ºC ºC Cal/s.cm2 ( —— ) 4,19 W/cm2 ( —— ) cm cm cv 75 kg.m/s cv 735,5 W cm 0,3937 pol. cm3 1,308.10 -6 jarda3 cm3 3,531.10 -6 pé3 cm3 0,06102 pol.3 www.weg.net Especificação do Motor Elétrico 67 14.3 Normas - ABNT e IEC Principais normas para Máquinas Elétricas Girantes ABNT IEC Conteúdo ABNT NBR 5031 IEC 60034-7 Classificação das formas construtivas e montagens ABNT NBR 5110 IEC 60034-6 Classificação dos métodos de resfriamento ABNT NBR 5383-1 IEC 60034-1 Motores de indução trifásicos - Ensaios ABNT NBR 15623-1 IEC 60072-1/2 Dimensões e séries de potências para máquinas elétricas girantes - Padronização - Designação de carcaças entre 56 a 400 e flanges entre e flanges entre 55 a 1 080 ABNT NBR 7034 IEC 60085 Materiais isolantes elétricos - Classificação térmica ABNT NBR IEC 60034-9 IEC 60034-9 Limites de ruído ABNT NBR 17094-1 IEC 60034-1 Motores de indução Parte 1: trifásicos Parte 2: monofásicosABNT NBR 17094-2 ABNT NBR IEC 60079 IEC 60079 Série de normas de segurança para atmosferas explosivas ABNT NBR IEC 60529 IEC 60529 Graus de proteção para invólucros de equipamentos elétricos (código IP) Tabela 14.2 De multiplicar por para obter N Newton 1.105 Dina Nó 1,8532 km/h Nó 1,689 pé/s Newton 0,1019 Quilograma-força ( kgf ) ou quiloponde ( kp ) Newton-metro 0,1019 Quilograma-força ( mkgf ) ou quiloponde-metro ( mkp ) Newton-metro 0,7376 Libra-força pé ( ft. lb ) O Onça 28,349 grama P Pé 0,3048 m Pé/min 0,508 cm/s Pé/min 0,01667 pé/s Pés/s 18,29 m/min Pé/s 0,6818 milha/h Pé/s 0,5921 nó Pé/s 1,097 km/h Pé2 929 cm2 Pé 30,48 cm Pé3 28,32 litro Pé3/Lb 0,06242 m3/kg Pé3/min 472 cm3/s Pol. 25,40 mm Pol.3 0,01639 litro Pol.3 1,639.10 -5 m3 Pol.3 5,787.10 -4 pé3 Q Quilo caloria 3,9685 BTU Quilo caloria 1,560.10 -2 HP.h Quilo caloria 4,186 J Quilo caloria 426,9 kgm Quilo caloria 3,088 Libra-força.pé Quilogrâmetro 9,294.10 -3 BTU Quilogrâmetro 9,804 J Quilogrâmetro 2,342.10 -3 kcal Quilogrâmetro 7,233 libra-força.pé Quilograma-força ( kgf ) 2,205 Libra-força ( lb ) ou quiloponde ( kp ) Quilograma-força metro 7,233 Libra-força-pe ( ft. lb ) ( mkgf ) ou quiloponde metro ( mkp ) Quilowatt ( kW ) 1,358 Cavalo vapor ( cv ) Quilograma-metro 23,73 Libra-pé quadrado quadrado ( kgm2 ) (sq. ft. lb) R Radiano 3438 min. rpm 6,0 grau/s rpm 0,1047 radiano/s Radiano/s 0,1592 rpm W Watt 0,05688 BTU/min Watt 1,341.10 -3 HP Watt 0,01433 kcal/min Watt 44,26 Libra-força.pé/min Watt 0,7378 Libra-força.pé/s www.weg.net
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