O Processo de Aquecimento dos Motores

O Processo de Aquecimento dos Motores

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A potência nominal de um motor elétrico que vem gravada na sua placa de identificação representa a potência mecânica útil disponível no eixo. Porém, este valor está condicionado a pelo menos dois fatores:

a) A temperatura do meio refrigerante não deve ultrapassar 40 º Quase sempre o meio refrigerante é o ar ambiente.

b) A altitude do local onde o motor vai operar deve ser, no máximo, 1000 metros. 1

Estas condições em nada afetam as grandezas eletromagnéticas que produzem o conjugado do motor. Ele é capaz de fornecer a sua potência e conjugado nominais sempre que for ligado a uma rede com a sua tensão e freqüência nominais. Só que, se as duas condições acima não forem atendidas, não será possível ao motor fornecer sua potência nominal pois o calor gerado pelas perdas, tendo dificuldade em ser dissipado para o meio ambiente, elevaria sua temperatura a um valor tal que o seu enrolamento poderia ser destruído ou a sua expectativa de vida útil2 ser significativamente reduzida

A expectativa de vida útil de um motor é a expectativa de vida de seu enrolamento. A vida útil de um motor termina quando ocorre uma falha no seu isolamento, pois o custo do reenrolamento representa cerca de 50% do custo do motor. A deterioração do isolamento das bobinas que constituem o enrolamento depende da temperatura a que ele é submetido durante o tempo de operação e dos efeitos destrutivos de vapores, produtos químicos, umidade, poeira e outros abrasivos em contato com o isolamento. A expectativa de vida de útil de um motor varia amplamente com as condições de serviço esperadas para ele. Pode ser de 500 a 1000 horas para certos equipamentos aeronáuticos e eletrônicos ou de 20 a 30 anos para alguns motores industriais. Em muitos casos se pode estabelecer que a taxa de deterioração do isolamento é uma função exponencial da temperatura e definir a expectativa de vida útil, em anos, através da seguinte expressão:

A e α são fatores determinados experimentalmente para cada classe de isolamento térmico. Por exemplo, para a classe de isolamento A (ver próxima seção), H = 7,15x104 e α = 0,088; t é a temperatura do isolamento, em graus Celsius, e a base dos logaritmos naturais. A partir desta fórmula vemos que um motor da classe A, cuja temperatura limite é 1050 C, se operar à temperatura de 900 C terá uma expectativa de vida útil de cerca de 26 anos. Se, entretanto, sua temperatura de operação fosse 1000 C, a expectativa de vida útil seria reduzida à metade e se chegasse a 1500 C, ela seria de apenas 48 dias.

3.3.1) CLASSES DE ISOLAMENTO TÉRMICO

1 Estas condições são estabelecidas pela Norma Brasileira NBR-7094:1996, editada pela ABNT. 2 Vida útil de um material isolante é o período de tempo que ele dura, após um processo gradual de envelhecimento, caracterizado por uma oxidação lenta e ressecamento que o leva a perder a sua rigidez dielétrica e resistência mecânica.

Ao se fazer a especificação de um motor elétrico de indução para realizar um determinado acionamento, dois pontos fundamentais devem ser observados:

a) O motor deve possuir conjugado suficiente para atender a todas as solicitações de carga normais da máquina acionada, bem como a possíveis sobrecargas momentâneas que possam ocorrer, sem que a sua velocidade seja reduzida a valores que prejudiquem a operação da máquina. b) Sob todas as condições possíveis de funcionamento, a temperatura do enrolamento do estator não deverá exceder a temperatura máxima permitida para a classe de isolamento térmico dos materiais usados como isolantes, em especial o verniz ou resina que envolve os condutores que compõem as bobinas.

A primeira condição é atendida pelo CONJUGADO MÁXIMO DO

MOTOR, isto é, o seu valor deve ser maior do que os possíveis valores que o conjugado resistente da máquina acionada possa alcançar, ocasionados por sobrecargas momentâneas durante a sua operação. O conjugado máximo é sempre tomado em valores percentuais ou em p.u. do conjugado nominal do motor e recebe o nome de FATOR DE

SOBRECARGA MOMENTÂNEA, representado pela letra grega λ:

CCm n

Isto significa dizer que a máquina acionada não poderá exigir do motor, mesmo momentaneamente, um conjugado que seja λ vezes maior do que o conjugado nominal. Se isto viesse a ocorrer, o motor entraria em um processo de desaceleração e pararia.

Em termos práticos, o conjugado resistente não deve ser superior a 80% de λ pois, acima deste valor, já estaria sendo atingida a zona de instabilidade operacional do motor. Esta situação, entretanto, só aconteceria com os motores de categoria N ou, em alguns casos, com os de categoria H, cujas características de conjugado possuem uma região instável entre os valores de escorregamento iguais a sm (escorregamento correspondente ao conjugado máximo) e 1 (escorregamento na partida). Os motores de categoria D e alguns motores de categoria H não possuem região instável nas suas características. Os valores do conjugado são sempre crescentes com o escorregamento de forma a se ter um conjugado de partida maior do que o conjugado máximo. Para os motores de indução de rotor em gaiola, categoria N, λ varia de 2 a 3,5. Para os motores síncronos λ varia de 2 a 2,5. A Norma Brasileira NBR-7094 que fixa os requisitos básicos a serem atendidos pelos motores de indução, estabelece valores mínimos padronizados para λ de acordo com sua categoria, número de polos e potência. A segunda condição será atendida através de uma escolha adequada da

CLASSE DE ISOLAMENTO TÉRMICO do motor. Para fins de normalização, os materiais isolantes e os sistemas de isolamento térmico, cada um deles formado por uma combinação de vários materiais, são agrupados em classes de isolamento térmico, definidas pelo valor máximo de temperatura que os materiais que as compõem podem suportar, continuamente, sem que a sua vida útil seja afetada. A experiência mostra que se a temperatura de operação do motor for mantida abaixo do valor correspondente à sua classe de isolamento térmico, a sua vida útil é praticamente ilimitada. Este valor limite de temperatura se refere a qualquer ponto do enrolamento e não, necessariamente, ao enrolamento todo pois, basta que haja um único ponto no enrolamento cujo isolamento tenha se deteriorado para que ele seja totalmente condenado. A temperatura do enrolamento do motor não é a mesma em todos os seus pontos. As partes conhecidas como “coroas”, localizadas nas laterais do motor, estão a uma temperatura menor do que a dos lados das bobinas que estão alojados nas ranhuras onde o calor é mais intenso. Além disto, a parte superior do enrolamento sempre se aquece mais do que a parte inferior.

A tabela 3.04 mostra as classes de isolamento térmico dos materiais usados na fabricação de máquinas elétricas, conforme definidas na NBR-7094.

TABELA 3.04 CLASSES DE ISOLAMENTO TÉRMICO

CLASSE A 1050 C CLASSE E 1200 C CLASSE B 1300 C CLASSE F 1550 C CLASSE H 1800 C

A coluna da esquerda é a classificação dos materiais isolantes por meio de letras recomendadas pelas Normas Brasileiras. Por extensão, os motores recebem a mesma classificação térmica, isto é, motores classes A, B, F, etc. A coluna da direita representa os valores limites de temperatura que os materiais podem suportar. Os materiais das classes A, B e F são os mais comumente usados na fabricação dos motores elétricos industriais. Os seguintes materiais compõem estas classes:

Classe A: tecidos de algodão, papel, fibras de celusose, seda e similares, todos eles impregnados com verniz.

Classe B: mica, asbesto e fibras de vidro aglomeradas por substâncias orgâni- cas.

Classe F: os mesmos materiais da classe B impregnados com verniz ou outra substância sintética.

A temperatura do enrolamento do motor, durante o seu funcionamento, é resultado da soma de duas parcelas: a primeira, representada pela temperatura ambiente do local em que o motor está instalado; a segunda, pela ELEVAÇÃO DE TEMPERATURA, acima da temperatura ambiente, provocada pelas perdas do motor. Assim, se a temperatura do motor é 1200 C e a temperatura ambiente do local da instalação 300 C, a sua elevação de temperatura terá sido de 900 C. A elevação de temperatura se define, portanto, como a diferença entre a temperatura do motor e a temperatura ambiente. Quando um motor está funcionando e sua temperatura é igual à temperatura limite de sua classe de isolamento dizemos que ele está utilizando toda a sua capacidade térmica. Isto significa dizer que, estando o motor operando em um regime contínuo, e após a sua temperatura ter estabilizado, isto é, o motor atingiu o equilíbrio térmico, a soma da temperatura ambiente e da elevação de temperatura deverá ser igual ao valor limite de sua classe de isolamento. Portanto, para cada classe de isolamento térmico do motor, deverá ser definida uma elevação de temperatura máxima correspondente à sua condição nominal de operação e uma determinada temperatura ambiente que será tomada como referência.

A Norma Brasileira NBR-7094, estabelece como temperatura ambiente de referência o valor de 400 C. Daí se poderia deduzir que as máximas elevações de temperatura correspondentes à condição nominal de operação do motor seriam 900 C para os de classe B, 1150 C para os de classe F, etc. Porém, como a temperatura do enrolamento do estator não é a mesma ao longo de toda a sua extensão, estes valores de elevação de temperatura deverão se referir a um ponto do enrolamento que seja considerado o seu ponto mais quente. A determinação destes valores dependerá do método a ser utilizado para se medir a temperatura do enrolamento, conforme se verá na próxima seção.

3.3.2 - MEDIÇÃO DA TEMPERATURA DO ENROLAMENTO

A NBR-7094 estabelece quatro métodos para a medição da temperatura do enrolamento do motor:

a) Método da variação da resistência (MVR). b) Método dos detectores de temperatura embutidos (DTE). c) Método termométrico. d) Método da superposição.

O MVR consiste em medir a temperatura do enrolamento do motor pela variação da sua resistência ôhmica com a temperatura. É o método mais utilizado para medir a temperatura dos motores elétricos e será descrito abaixo com mais detalhes.

O DTE consiste em medir a temperatura do motor por meio de detectores de temperatura (por exemplo, termômetros de resistência, termopares ou termistores) embutidos em ranhuras do estator. Não se tem acesso direto a estes detectores, após o motor ter sido fabricado, sem que o enrolamento seja destruído. Os terminais dos detectores são levados a uma caixa de terminais do motor e daí para os instrumentos de medida.

No método termométrico a temperatura é determinada por meio de termômetros de bulbo instalados nas partes acessíveis do motor. É um método impreciso pois, em geral, o termômetro é colocado em algum ponto da carcaça do motor que, como sabemos, está a uma temperatura menor do que a do seu ponto mais quente que está localizado no interior das ranhuras. Desta forma, ele pode ser considerado um método mais indicativo do que propriamente um método de medida confiável.

No método da superposição a temperatura do enrolamento é medida superpondo uma corrente contínua de fraca intensidade com a corrente de carga, isto é, o motor não precisa de ser desligado como no MVR.

Conforme dito acima, o MVR é o método mais usado para se medir a temperatura do enrolamento de um motor. Ela pode ser obtida a partir da expressão abaixo, para enrolamentos feitos com condutores de cobre:

R t t2

t2 = temperatura de uma fase do enrolamento ao fim do ensaio, em graus Celsius. t1 = temperatura de uma fase do enrolamento no momento da medição de sua resistência R1, em graus Celsius. Quando se mede t1 antes de o motor entrar em operação, que é o caso mais normal, ela representa também a temperatura do meio ambiente.

R2 = resistência de uma fase do enrolamento ao fim do ensaio, em ohms.

R1 = resistência de uma fase do enrolamento à temperatura t1, em ohms. 235 = aproximação de 234,5 graus Celsius negativos que representa a temperatu- ra do cobre para o qual a sua resistência seria teoricamente nula.

Classe de isolamento térmico

Classe A

Classe E

Classe B

Classe F Classe H

Temperatura de referência 0 C

Elevação de temperatura 0 C

Constante K 0 C

Classe de isolamento 0 C

A temperatura t2 obtida através de [3.30] representa um valor médio da temperatura de uma fase do enrolamento e não a temperatura de um ponto determinado do mesmo, pois R1 e R2 representam valores da resistência de toda a fase do enrolamento que se distribui pelas “coroas” e por várias ranhuras do estator, o que significa dizer que a sua temperatura não é mesma em todos os pontos. A temperatura do ponto mais quente do enrolamento será maior do que t2 e, obviamente, não poderá ultrapassar o valor correspondente à classe de isolamento térmico do motor em qualquer condição de operação. Da mesma forma, a diferença entre t1 e t2, que representa a elevação de temperatura sofrida pelo enrolamento, significará um valor médio da elevação de tempera- tura. Portanto, se o motor trabalha na sua condição nominal, à temperatura de 400 C, sua elevação de temperatura máxima permitida não poderá ser obtida simplesmente pela diferença entre a temperatura da sua classe de isolamento e 400 C, pois isto implicaria em ignorar a existência de temperaturas maiores do que o valor médio obtido por [3.30] nos chamados pontos mais quentes do enrolamento. Levando em consideração este fato, as Normas Brasileiras estabeleceram valores máximos de elevação de temperatura medidos pelo MVR para os motores trabalhando em suas condições nominais, em regime contínuo, de acordo com a sua classe de isolamento térmico. Tais valores estão indicados na tabela 3.05.

Além do valor da elevação de temperatura, a tabela mostra também uma linha (constante K) que representa a diferença entre a temperatura da classe de isola- mento e a temperatura média do enrolamento para as condições nominais de operação. O valor obtido significa dizer que o ponto mais quente do enrolamento está a uma temperatura de K0 C acima da temperatura média obtida pela equação [3.30].

Em resumo, podemos dizer que a temperatura do ponto mais quente do motor, quando ele opera em regime contínuo e após ter atingido o equilíbrio térmico, será obtida conforme a equação abaixo:

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