Arranque motores indução

Arranque motores indução

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Máquinas Eléctricas Motores assíncronos

Motores de indução

Arranque

São motores robustos e baratos (fabricados em massa), embora tendo o inconveniente de não serem reguláveis. Consequentemente, uma vez definido um binário e uma corrente, estes apenas dependem de: · Tensão de alimentação (cte)

• Velocidade em qualquer momento

O motor respeitante à Figura 1.1 é pequeno e arranca em vazio (inércia de carga nula). Devido à baixa inércia, todas as magnitudes variam fortemente durante o arranque, já que o binário electromagnético gerado é função da posição angular entre rotor e estator, em cada momento (para motores de maior potência, arrancando em carga tais variações surgem mais diluídas).

A intensidade de corrente (para uma fase – as restantes sendo iguais), ascende a uma valor elevado

(várias vezes superior à nominal) e oscila à frequência da rede. Além disso, esta corrente tarda a baixar para valores próximos da corrente nominal do motor e a sua magnitude inicial é independente do binário resistente que a carga opõe durante a aceleração.

Também o binário motor adquire, inicialmente, valores não tão altos, sobretudo considerando que é produzido por correntes elevadas. Além disso, nos primeiros instantes do arranque, é um binário oscilante, pelo que, ao motor, “custa-lhe adquirir velocidade”.

Apenas depois de 40% do tempo de arranque, existe uma zona de binário positivo, que é o que realmente acelera o motor. Na fase final do arranque, o binário motor volta a adquirir um carácter oscilante, rapidamente amortecido, que converge para o seu valor final ou nominal (nulo neste caso, dado ser um arranque em vazio).

Consequência lógica do binário motor é a evolução da velocidade. Na primeira fase surgem oscilações relativamente importantes, apenas aumentando significativamente a velocidade, quando o binário motor tem um valor médio positivo. Passada esta fase, a velocidade sofre ainda oscilações, menores e mais amortecidas.

Voltando às elevadas correntes, em causa no arranque, estas são as absorvidas nas bobines do estator. Embora não sendo possível medi-las em motores de gaiola de esquilo, as correntes induzidas nas bobines do rotor são também muito elevadas (equivalência com transformador – relação de transformação). Estas corrente elevadas, quer no rotor quer no estator, conjugadas com arranque de duração prolongada, têm as seguintes consequências:

ý Quedas de tensão nos transformadores/rede de alimentação (inadmissíveis para aparelhos de outros utilizadores, ligados às mesmas fontes) tempo tempo tempo corrente binário velocidade tempo tempo tempo corrente binário

Máquinas Eléctricas Motores assíncronos ý Perdas de Joule elevadas ( RI2 ), tanto no rotor como no estator. Estas potências têm muita dificuldade em dissipar-se durante o arranque – dada a sua curta duração – acumulando-se maioritariamente nas próprias bobines , provocando importantes aumentos de temperatura que podem conduzir a: o Falhas prematuras do motor, por se ter ultrapassado a temperatura relativa à classe de isolamento o Não acontecendo a anterior, haverá lugar a um encurtamento da vida útil do motor

(envelhecimento)

\\Existe a necessidade de limitar o número de arranques.

Grandezas físicas relacionadas com o funcionamento dos motores

Considerando um motor accionando uma carga rigidamente acoplada – figura 1.2 – aplica-se a equação que expressa a 2ª lei de

Newton:

A soma dos binários actuando sobre um volante, é igual à variação da quantidade de movimento angular do mesmo, durante o tempo de aplicação dos binários

T acmotor w× =- arg

T = binário [N.m] J = Inércia das massas do rotor [kg.m2]

A equação pode ser desenvolvida,

dtdJdt

Como na maior parte dos casos de accionamento a inércia é constante1, podemos dizer que , ficando a equação neste caso,

JTT CM w=-

1 Para os casos em que não podemos considerar cargas com inércia constante – robôs, accionadores, centrifugadoras, enroladores de cabos, bobinadoras, etc. – haverá que conhecer a lei temporal que rege a variação de inércia [J = f (t)] e aplicar a lei geral.

J Tmot

Tcarg origem ângulo girado

Figura 1.3 Modelo simplificado

Figura 1.2

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As restantes grandezas são, essencialmente, variáveis, dependendo de:

TM = f (w, e, t). TC = f ’(w, e, t) e = espaço angular percorrido [rad]

Existem, no entanto, bastantes casos particulares, tanto para o binário motor como para o binário resistente, nos quais a dependência é apenas da velocidade,

TM = f (w). TC = f ’(w)2

As equações apresentadas anteriormente, não descrevem completamente o movimento. Necessitamos agora de equações provenientes da cinemática:

dew=e

dt 22dtddt d ew a== em que a = aceleração angular [rad.s-2] que também se podem expressar na sua forma integral:

ò×=dtaw e ò×=dtwe

Na integração destas equações, haverá que considerar os valores iniciais:

a) Movimento uniforme a = 0 w = cte e = e0 + w t b) Movimento uniformemente acelerado a = cte w = w0 + a t e = e0 + w0 t + ½ a t2 w2 = w02 + 2 a e

Geração do binário motor

O binário motor gera-se electromagnéticamente pela interacção do fluxo no entreferro com a corrente rotórica:

2 Existem alguns casos de máquinas accionadas, cujo binário resistente é dado por TC = f ’(w, e), tais como máquinas com êmbolos e pistons (compressores p. ex.), cujo binário é função da posição angular do rotor.

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Pode condensar-se esta equação, dizendo que o binário motor responde a uma expressão do tipo:

Nos casos normalmente encontrados na prática, as componentes que dependem do tempo desvanecem-se poucos períodos após a ligação do motor, podendo eliminar-se a dependência da variável tempo. Algo semelhante acontece com a influência do ângulo de posição (e). Para além disso, o aumento de velocidade está, como se verá à frente, condicionado pela inércia total (J) a acelerar. Referindo-nos à figura 1.1, constatamos que o que importa nos arranques é o valor médio da curva de binário em função do tempo, isto é, o integral desta função. Este integral é positivo e crescente com o tempo e, portanto, o motor arranca apesar das oscilações de velocidade nos primeiros instantes.

Assim, para aplicações normais, o binário motor depende da velocidade angular,

TM = f (w)

Evolução da corrente estatórica e rotórica É sabido que, em regime estaccionário,

I1 + I2 = Im

I1= corrente estatórica

I2 = corrente rotórica Im = corrente de magnetização

A corrente I2 é a que origina o binário, de forma que, para binários nulos esta corrente é nula.

A corrente Im está condicionada pelo estado magnético do motor e depende das seguintes variáveis:

§ Dimensionamento do motor (projecto):

o Superior para motores lentos o Cresce com o entreferro o Cresce com circuitos magnéticos de baixa qualidade

Para um dado motor, alimentado com tensão constante, esta corrente permanece praticamente constante, em regime estacionário, oscilando o seu valor entre 10 a 15 % de IN para motores grandes, rápidos e com bom projecto e entre 50 a 60% de IN para motores pequenos, lentos com fraco projecto.

Para motores parados o escorregamento é s = 1. À medida que o motor acelera, o escorregamento diminui até valores de s = 0,01 a 0,05. Quer isto dizer, que a resistência rotórica aparente (R2/s) varia muito, desde valores baixos (no início do arranque) até valores que podem ser entre 100 a 20 vezes superiores ao valor inicial (motor no ponto de funcionamento nominal). Assim, o ramo rotórico passa de: i. Uma situação de arranque com s = 1 e baixa resistência, que faz com que este ramo seja muito reactivo e absorva correntes elevadas e muito desfasadas da tensão aplicada.

Máquinas Eléctricas Motores assíncronos i. Uma situação de funcionamento normal, com s = 0,01 a 0,05 e alta resistência que faz com que este ramo seja muito resistivo e absorva correntes reduzidas com baixo

Em regime de arranque, com baixo fluxo, a corrente Im é muito reduzida, pelo que a corrente estatórica I1 segue uma evolução muito similar à corrente rotórica

Como se pode constatar do gráfico da figura 1.4, as correntes são muito elevadas na maior parte do tempo, gerando-se, em consequência, perdas de Joule elevadas. Torna-se, desta forma, necessário que o motor arranque rápidamente, para minorar o aquecimento das bobines do motor. No entanto, este comportamento do motor no arranque proporciona, paralelamente, altos valores de binário à custa das altas correntes absorvidas.

Motores

Existem 2 tipos de motores de indução (ou assíncronos):

þ Rotor bobinado

Necessitam de equipamento de arranque ou de controle sobre o circuito rotórico – resistências trifásicas ligadas electricamente ao rotor por meio de escovas e segmentos3.

Quando o motor atinge a velocidade nominal estas resistências são curto circuitadas. Este tipo de motor é mais delicado e mais caro, para a mesma potência/velocidade.

3 Este tipo de motores, por utilizarem escovas e segmentos (faíscamento) impõem precauções adicionais quando utilizados em atmosferas húmidas, poeirentas ou explosivas.

x I N x I N x I N

Figura 1.4

Figura 1.6 - Rotor bobinado segmentos

Máquinas Eléctricas Motores assíncronos þ Rotor em curto circuito (ou “gaiola de esquilo”) Este tipo de motor, quando mal aplicados, dão origem a avarias mais fortes.

Características principais dos motores de indução

I. Potência nominal

[KW] Potência disponível no eixo do motor (potência mecânica), sem que seja ultrapassado o aquecimento especificado para o motor.

I. Tensão de alimentação e frequência

[V] e [Hz] Tensão e frequência de alimentação, para as quais o motor fornece a potência e velocidade nominais. No caso do rotor bobinado, é especificada ainda a tensão rotórica.

I. Velocidade a. de sincronismo velocidade do campo girante

b. nominal velocidade real, ligeiramente inferior à velocidade de sincronismo

IV. Intensidade de corrente estatórica

Corrente absorvida pelas bobines do estator. Pontos de interesse: corrente em vazio (s = 0), corrente nominal e corrente de arranque (s = 1)

V. Binário

Força fornecida pelo motor. Pontos de interesse: binário nominal, binário máximo, binário mínimo e binário de arranque (s = 1)

VI. Factor de potência Relação entre a potência activa e a aparente. O seu melhor valor encontra-se para a potência nominal. Os piores valores (de 0,1 a 0,4) encontram-se para s = 0 e para s = 1.

VII. Rendimento Relação entre a potência mecânica útil (no eixo) e a potência eléctrica absorvida da alimentação. Varia com a carga e alcança o seu valor máximo nas proximidades do ponto nominal

Figura 1.5 - Rotor “gaiola esquilo”

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VIII. Escorregamento Diferença entre a velocidade mecânica e a velocidade de sincronismo (ou do campo girante).

Para haver binário é necessário que o escorregamento seja diferente de zero.

n nns

O escorregamento em motores pequenos (p. ex. 1,1 kW) tem valores importantes, na ordem dos 7 a 8%, ao passo que em motores de elevada potência (p. ex. 800 kW) anda na ordem do 0,3 a 0,5%

A zona de funcionamento estável do motor, é a zona compreendida entre o ponto de binário máximo e o de escorregamento nulo (ponto de velocidade nominal). O ponto de funcionamento

%Tn

% nS 0 arranqu e zona instável binário máximo binário nominal corrente nominal

5 x IN

Figura 1.7

Figura 1.6

Máquinas Eléctricas Motores assíncronos nominal do motor encontra-se na intersecção da curva do binário motor com a curva do binário da carga (binário resistente) que a máquina accionada exige.

v Na velocidade de sincronismo, o binário é nulo v Na zona compreendida entre a velocidade nominal e a velocidade de sincronismo, a curva de binário é linear (recta) e o binário é proporcional ao escorregamento.

v As curvas binário-velocidade são função da resistência rotórica4 o Variando a resistência, não varia o binário máximo, mas apenas a sua posição o O binário máximo dá-se para um escorregamento (smax), para o qual a reactância iguala o valor da resistência total do rotor (R2 + Rexterna) o Para um determinado binário, na zona recta, estável, da curva de binário, o escorregamento é praticamente proporcional à resistência total do rotor. v O binário motor, para todos os escorregamentos, é proporcional ao quadrado da tensão de alimentação {um motor que desenvolve um binário de arranque de 120%, à tensão nominal, quando alimentado a 80% da tensão nominal, terá um binário de arranque de 120% x 0,82 = 76,8 %} v A corrente absorvida, para todos os escorregamentos, é proporcional à tensão de alimentação {se o motor anterior tem uma corrente de arranque de 500% à tensão nominal, quando alimentado a 80% da tensão nominal, absorverá uma corrente de arranque de 500% x 0,8 = 400%}

Motor de rotor bobinado

Já foi indicado que, nos motores, se podem alterar algumas das suas características, por exemplo, alterando a resistência do rotor, alterando, consequentemente, o seu comportamento mecânico (binário / velocidade) e eléctrico (corrente absorvida). No caso dos motores com rotor bobinado e através dos segmentos/escovas há a possibilidade de ligar, em série com as bobines do rotor, resistências externas, desde Rext = 0 (rotor em curto circuito º Rext em curto circuito) até Rext elevadas (arranque – limitação das correntes elevadas). Para cada valor de Rext – ligadas às bobines do rotor – obtêm-se um par de curvas Corrente – Figura 1.8 / Binário – Figura 1.9.

Pode também deduzir-se a equação que dá o valor do binário motor, para cada valor de escorregamento, partindo dos valores de projecto de um motor concreto, alimentado a uma

Tcarga

Tmotor nn1 n2

T travagem T aceleração

Ponto de estabilidade T

Tcarga

Tmotor nn1 n2

T travagem T aceleração

Ponto de estabilidade T

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s s

Em zonas de escorregamento reduzido e inferior a smax pode linearizar-se esta expressão, de acordo com:

s << smax pelo que: s/smax » 0 vindo a expressão:

s s sKTM ×= em que K é uma constante para cada escorregamento máximo. Esta expressão pode ser aproveitada para determinar os reóstatos de arranque.

10,8 0,6 0,4 0,2 0

Rext = 0

Rext = R1 Rext = R2

Rext = R3 Rext = R4

Rext = R5 Rext = R6 x IN

Figura 1.8

10,8 0,6 0,4 0,2 0

x TN

Rext = 0

Rext = R1 Rext = R2 Rext = R3

Rext = R4

Rext = R5 Rext = R6

Figura 1.9

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Motor de gaiola de esquilo

O rotor deste tipo de motores tem as bobinas rotóricas substituídas por barras longitudinais, soldadas dos topos por aneis – curto circuitadas (figura 1.10). Assim, não existe possibilidade de regulação.

As barras, constituintes da gaiola, podem ser de cobre macio, ligas de cobre, alumínio5 ou ligas de alumínio

O rotor deste tipo de motores pode ser constituído por uma ou duas gaiolas. Cada gaiola tem ranhuras onde são encastradas as barras, que se unem nos topos por anéis do mesmo metal. As barras não estão isoladas, relativamente à ranhura, surgindo, por esta razão, algumas correntes parasitas que originam binários da mesma natureza. É, obviamente, uma forma construtiva extremamente robusta.

No entanto, a sua natureza construtiva mecânica, condiciona as suas características (tornando-as fixas) de binário e corrente, Isto é, não se consegue actuar sobre as características eléctricas do rotor (tal como nos rotores bobinados quando se adicionam resistências). Desta forma, diferentes características de binário e de corrente apenas podem ser obtidas por projecto, tendo dado origem a 4 tipos de gaiolas – A, B, C e D6 – correspondentes a 4 tipos de binários e correntes, tal como pode ser observado na figura 1.1

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