MOTORES DE INDUÇÃO
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Trabalho Prático de Investigação
MOTORES DE INDUÇÃO |
março 2001
Indíce_____________________________________________
1-Introdução
2-Motores
Eléctricos E A Sua Importância
3-Tipos de motores
elétricos
4-Fatores de seleção
5 - Constituição
Do Motor de Indução
6-Funcionamento
De Um Motor Assíncrono
6.1-Explicação
Teórica
6.2-Curvas Características
7- Aplicações
8-Perdas No Motor
9 - Motores de Indução
Monofásicos
9.1 - Motor
de Pólos Sombreados
9.2
- Motor de Fase Dividida (Split.Phase)>
9.3 -
Motor de Condensador de Partida (Capacitor-Start)
9.4 -
Motor De Condensador Permanente (Permanent.Split Capacitor)
9.5
- Motor Com Dois Condensadores (Two.Value Capacitor)
10 - Motores Polifásicos
10.1 - Gaiola de
esquilo
10.2 Motor de
rotor bobinado
11- Operação
e manutenção prática
12-Avarias
mais frequentes no motor assíncrono
Bibliografia
Links Aconselhados
O motor de indução converteu-se no tipo de motor mais usado na industria. Este facto deve-se à maioria dos sistemas actuais de distribuição de energia eléctrica serem de corrente alternada. Comparando com o motor de corrente contínua, o motor de indução tem como vantagem a sua simplicidade, que se traduz em baixo custo e máxima eficácia com manutenção mínima. O rendimento é elevado para média e máxima carga, e pode-se assegurar um bom factor de potência com uma selecção correcta.
2-Motores Eléctricos E A Sua Importância
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O accionamento de máquinas e equipamentos
mecânicos por motores eléctricos é um assunto de extraordinária
importância económica. No campo de accionamentos industriais,
avalia-se que de 70 a 80% da energia eléctrica consumida pelo conjunto
de todas as industrias seja transformada em energia mecânica através
de motores eléctricos.
O nosso estudo torna-se mais relevante, já que a maioria dos motores eléctricos utilizados na industria são de motores de indução gaiola de esquilo. |
Na selecção do motor vários factores vão ser determinantes.
A importância destes factores
dependem da utilização a que o motor vai ser sujeito e das
possibilidades do investidor.
- Tipo de fonte de alimentação
(DC ou AC, monofásico ou polifásico)
- Condições ambientais
(limitações à poluição produzida pelo
motor: principalmente sonora)
- Relação Binário/Velocidade;
consequência directa das características da carga.
- Consumo e Manutenção;
varia com os interesses económicos, perspectiva a curto ou longo
prazo.
- Controlabilidade: Posição,
Binário, Velocidade, Corrente de arranque; depende das exigências
da carga.
Um aspecto importante na selecção do motor é o tipo de carga mecânica a que vai estar sujeito. Assim, convêm referir e caracterizar os diversos tipos, que são apresentados na figura seguinte acompanhada com exemplos ilustrativos.
5 - Constituição Do Motor de Indução
O motor assíncrono é
constituído basicamente pelos seguintes elementos:
- um circuito magnético estático,
constituído por chapas ferromagnéticas empilhadas e isoladas
entre si, ao qual se dá o nome de estator;
- por bobines (n. de grupos, consoante
o motor monofásico ou polifásico) localizadas em cavas abertas
no estator e alimentadas pela rede de corrente alternada;
- por um rotor constituído
por um núcleo ferromagnético, também laminado, sobre
o qual se encontra um enrolamento ou um conjunto de condutores paralelos,
nos quais são induzidas correntes provocadas pela corrente alternada
das bobinas do estator.
O rotor é apoiado num veio, que por sua vez transmite à carga a energia mecânica produzida. O entreferro (distância entre o rotor e o estator) é bastante reduzido, de forma a reduzir a corrente em vazio e portanto as perdas, mas também para aumentar o factor de potência em vazio.
Como exemplo apresentamos a "projecção" dos diversos elementos o motor assíncrono de rotor em gaiola de esquilo.
6-Funcionamento De Um Motor Assíncrono
A
partir do momento que os enrolamentos localizados nas cavas do estator
são sujeitos a uma corrente alternada, gera-se um campo magnético
no estator, consequentemente, no rotor surge uma força electromotriz
induzida devido ao fluxo magnético variável que atravessa
o rotor. A f.e.m. induzida dá origem a uma corrente induzida no
rotor que tende a opor-se à causa que lhe deu origem, criando assim
um movimento giratório no rotor.
Como podemos constatar o princípio
de funcionamento do motor de indução baseia-se em duas leis
do Electromagnetismo, a Lei de Lenz e a Lei de Faraday.
Faraday: "Sempre que através da superfície abraçada por um circuito tiver lugar uma variação de fluxo, gera-se nesse circuito uma força electromotriz induzida. Se o circuito é fechado será percorrido por uma corrente induzida".
Lenz: "O sentido da corrente induzida
é tal que esta pelas suas acções magnéticas
tende sempre a opor-se à causa que lhe deu origem".
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O motor eléctrico transforma a potência eléctrica fornecida em potência mecânica e uma reduzida percentagem em perdas.
T = K . Best . Brot . sen a
T - Binário
K - Constante
Best - Indução
magnética criada pelo estator
Brot - Indução
magnética criada pelo rotor
a - ângulo
entre Best e Brot
A velocidade de um motor de indução
é essencialmente determinada pela frequência da energia fornecida
ao motor e pelo numero de pares de pólos existentes no estator.
No motor assíncrono ou de indução
o campo girante roda a velocidade síncrona, como nos motores síncronos.
A velocidade do campo girante obtêm-se pela seguinte expressão:
Vg - velocidade do campo girante
f - frequência
n - numero de pares de pólos
Uma característica fundamental
dos motores de indução é o escorregamento, daí
tratarem-se de motores assíncronos, o seu valor é dado pela
seguinte expressão:
s - escorregamento
V - velocidade do rotor
A velocidade sofre um ligeiro decréscimo
quando o motor passa de um funcionamento em vazio (sem carga) para um funcionamento
em carga máxima.
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6.2-Curvas Características
São apresentadas as principais
curvas do motor de indução, no intuito de visualizarmos o
comportamento dos vários fenómenos de uma forma geral.
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Na figura seguinte visualiza-se a utilização de motores em casos específicos:
As perdas que ocorrem num motor dividem-se em quatro diferentes tipos:
- As perdas magnéticas ocorrem nas lâminas de ferro do estator e do rotor. Ocorrem devido ao efeito de histerese e às correntes induzidas (neste caso, correntes de Foucault), e variam com a densidade do fluxo e a frequência. Podem ser reduzidas através do aumento da secção do ferro no estator e rotor, através do uso de lâminas delgadas e do melhoramento dos materiais magnéticos.
- As perdas mecânicas são devido à fricção dos procedimentos, ventilação e perdas devido à oposição do ar. Podem ser reduzidas, usando procedimentos com baixa fricção e com o aperfeiçoamento do sistema de ventilação.
- As perdas parasitas (stray losses) ou perdas extraviadas são devidas a fugas do fluxo, distribuição de corrente não uniforme, imperfeições mecânicas nas aberturas para escoamento do ar, e irregularidades na densidade do fluxo do ar ao ser escoado pelas aberturas. Podem ser reduzidas através da optimização do projecto do motor e ainda de uma produção ou fabrico cuidadoso.
Apresentámos seguidamente a distribuição das perdas no motor, as perdas parasitas não são representadas por terem um valor insignificante.
9 - Motores de Indução Monofásicos
Os motores monofásicos são
assim chamados porque os seus enrolamentos de campo são ligados
directamente a uma fonte monofásica .
Os motores de indução
monofásicos são a alternativa natural aos motores de indução
polifásicos, nos locais onde não se dispõe de alimentação
trifásica, como residências, escritórios, oficinas
e em zonas rurais. Apenas se justifica a sua utilização para
baixas potências (1 a 2 KW).
Entre os vários tipos de motores
eléctricos monofásicos, os motores com rotor tipo gaiola
destacam-se pela simplicidade de fabricação e, principalmente,
pela robustez, fiabilidade e manutenção reduzida.
Por terem somente uma fase de alimentação,
não possuem um campo girante como os motores polifásicos,
mas sim um campo magnético pulsante. Isto impede que tenham binário
de arranque, tendo em conta que no rotor se induzem campos magnéticos
alinhados com o campo do estator. Para solucionar o problema de arranque
utilizam-se enrolamentos auxiliares, que são dimensionados e posicionados
de forma a criar uma segunda fase fictícia, permitindo a formação
do campo girante necessário para o arranque.
Tipos de Motores de indução monofásicos:
O motor de pólos sombreados,
também chamado de motor de campo distorcido (ou shaded pole), graças
ao seu processo de arranque, é o mais simples, fiável e económico
dos motores de indução monofásicos.
Construtivamente existem diversos
tipos, sendo que uma das formas mais comuns é a de pólos
salientes. Cada pólo vai ter uma parte (em geral 25% a 35% do mesmo)
é abraçada por uma espira de cobre em curto-circuito.
A
corrente induzida nesta espira faz com que o fluxo que a atravessa sofra
um atraso em relação ao fluxo da parte não abraçada
pela mesma. O resultado disto ‚ semelhante a um campo girante que se move
na direcção da parte não abraçada para a parte
abraçada do pólo, produzindo o binário que fará
o motor partir e atingir a rotação nominal.
O sentido de rotação,
portanto, depende do lado em que se situa a parte abraçada do pólo.
Consequentemente, o motor de campo distorcido apresenta um único
sentido de rotação. Este geralmente pode ser invertido, mudando-se
a posição da ponta de eixo do rotor em relação
ao estator. Existem outros métodos para se obter inversão
de rotação, mas muito mais dispendiosos.
Quanto ao desempenho, os motores de
campo distorcido apresentam baixo binário de arranque (15% a 50%
do nominal), baixo rendimento e baixo factor de potência. Devido
a esse facto, eles são normalmente fabricados para pequenas potências,
que vão de alguns milésimos de cv a 1/4 cv.
Pela sua simplicidade, robustez e
baixo custo, são ideais em aplicações tais como: movimentação
de ar (ventiladores, exaustores, purificadores de ambiente, unidades de
refrigeração, secadores de roupa e de cabelo, pequenas bombas
e compressores, projectores de slides, gira-discos e aplicações
domésticas.
Apesar de sua aparente simplicidade,
o projecto deste tipo de motor é de extrema complexidade, envolvendo
conceitos de duplo campo girante, campos cruzados e complexa teoria electromagnética.
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9.2 - Motor de Fase Dividida (Split.Phase)
Este
motor possui um enrolamento principal e um auxiliar (para o arranque),
ambos defasados de 90 graus. O enrolamento auxiliar cria um deslocamento
de fase que produz o binário necessário para a rotação
inicial e a aceleração. Quando o motor atinge uma rotação
predeterminada, o enrolamento auxiliar‚ é desligado da rede através
de uma chave que normalmente é actuada por uma força centrífuga
(chave ou disjuntor centrífugo) ou em casos específicos,
por relé de corrente, chave manual ou outros dispositivos especiais.
Como o enrolamento auxiliar é dimensionado para actuar apenas no
arranque, se não for desligado logo após o arranque danifica-se.
O ângulo de desfasamento que
se pode obter entre as correntes do enrolamento principal e do enrolamento
auxiliar é pequeno e, por isso, estes motores têm binário
de arranque igual ou pouco superior ao nominal, o que limita a sua aplicação
a potências fraccionárias e a cargas que exigem pouco binário
de arranque, tais como máquinas de escritórios, ventiladores
e exaustores, pequenos polidores, compressores herméticos, bombas
centrífugas, etc.
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9.3 - Motor de Condensador de Partida
(Capacitor-Start)
É um motor semelhante ao de
fase dividida. A principal diferença reside na inclusão de
um condensador electrolítico em série com o enrolamento auxiliar
de arranque. O condensador permite um maior ângulo de desfasamento
entre as correntes dos enrolamentos principal e auxiliar, proporcionando
assim, elevados binários de arranque. Como no motor de fase dividida,
o circuito auxiliar é desligado quando o motor atinge entre 75%
a 80% da velocidade síncrona. Neste intervalo de velocidades, o
enrolamento principal sozinho desenvolve quase o mesmo binário que
os enrolamentos combinados. Para velocidades maiores, entre 80% e 90% da
velocidade síncrona, a curva do binário com os enrolamentos
combinados cruza a curva de binário do enrolamento principal de
maneira que, para velocidades acima deste ponto, o motor desenvolve menor
binário, para qualquer escorregamento, com o circuito auxiliar ligado
do que sem ele.
Devido ao facto de o cruzamento das
curvas não ocorrer sempre no mesmo ponto e, ainda, o disjuntor centrífugo
não abrir sempre exactamente na mesma velocidade, é prática
comum fazer com que a abertura aconteça, na média, um pouco
antes do cruzamento das curvas. Após a abertura do circuito auxiliar
o seu funcionamento é idêntico ao do motor de fase dividida.
Com o seu elevado binário de
arranque (entre 200% e 350% do binário nominal), o motor de condensador
de partida pode ser utilizado numa grande variedade de aplicações
e‚ fabricado para potências que vão de ¼ cv a 15 cv.
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9.4 - Motor De Condensador Permanente
(Permanent.Split Capacitor)
Neste
tipo de motor, o enrolamento auxiliar e o condensador ficam permanentemente
ligados, sendo o condensador do tipo electrostático. O efeito deste
condensador é o de criar condições de fluxo muito
semelhantes às encontradas nos motores polifásicos, aumentando,
com isso, o binário máximo, o rendimento e o factor de potência,
além de reduzir sensivelmente o ruído.
Construtivamente são menores
e isentos de manutenção, pois não utilizam contactos
e partes móveis, como nos motores anteriores. Porém o seu
binário de arranque, é inferior ao do motor de fase dividida
(50% a 100% do conjugado nominal), o que limita sua aplicação
a equipamentos que não requerem elevado binário de arranque,
tais como: máquinas de escritório, ventiladores, exaustores,
sopradores, bombas centrifugas, esmeris, pequenas serras, furadeiras, condicionadores
de ar, pulverizadores, etc. São fabricados normalmente para potências
de 1/50 a 1,5 cv.
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9.5 - Motor Com Dois Condensadores
(Two.Value Capacitor)
É um motor que utiliza as vantagens
dos dois anteriores: arranque como o do motor de condensador de partida
e funcionamento em regime idêntico ao do motor de condensador permanente.
Porém, devido ao seu alto custo, normalmente são fabricados
apenas para potências superiores a 1 cv.
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O motor de indução polifásico
é o tipo mais utilizado, tanto na industria como no ambiente doméstico,
devido à maioria dos sistemas actuais de distribuição
de energia eléctrica serem trifásicos de corrente alternada.
O nosso estudo recaiu essencialmente nos motores de indução
trifásicos, já que na prática constituem o grande
leque dos motores de indução polifásicos e também
porque o numero de fases varia o seu comportamento de uma forma já
relatada, nomeadamente com a variação do numero de pares
de pólos que provoca alterações conhecidas.
A utilização de motores
de indução trifásicos é aconselhável
a partir dos 2 KW , Para potências inferiores justifica-se o monofásico.
O motor de indução trifásico
apresenta vantagens relativamente ao monofásico, nomeadamente um
arranque mais fácil, o ruído é menor e são
mais baratos para potências superiores a 2Kw.
Nos próximos capítulos
vamos apresentar o funcionamento, características, vantagens e aplicações
dos tipos de motores trifásicos.
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Este
é o motor mais utilizado na indústria actualmente. Tem a
vantagem de ser mais económico em relação aos motores
monofásicos tanto na sua construção como na sua utilização.
Além disso, escolhendo o método de arranque ideal, tem um
leque muito maior de aplicações. Por isso, vamos analisar
detalhadamente este motor.
O rotor em gaiola de esquilo é
constituído por um núcleo de chapas ferromagnéticas,
isoladas entre si, sobre o qual são colocadas barras de alumínio
(condutores), dispostos paralelamente entre si e unidas nas suas extremidades
por dois anéis condutores, também em alumínio, que
curto-circuitam os condutores (ver figura).
O estator do motor é também
constituído por um núcleo ferromagnético laminado,
nas cavas do qual são colocados os enrolamentos alimentados pela
rede de corrente alternada trifásica.
A
vantagem deste rotor relativamente ao de rotor bobinado é que resulta
numa construção do induzido mais rápida, mais prático
e mais barato.
Trata-se de um motor robusto, barato,
de rápida produção, não exigindo colector (orgão
sensível e caro) e de rápida ligação à
rede.
De
referir que as barras condutoras da gaiola são colocadas geralmente
com uma certa inclinação, para evitar as trepidações
e ruídos que resultam da acção electromagnética
entre os dentes das cavas do estator e do rotor.
A principal desvantagem refere-se
ao facto de o binário de arranque ser reduzido em relação
à corrente absorvida pelo estator.
Trata-se essencialmente de um motor
de velocidade constante.
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O
motor de rotor bobinado difere do motor de rotor em gaiola de esquilo apenas
quanto ao rotor. O rotor é constituído por um núcleo
ferromagnético laminado sobre o qual são alojadas as espiras
que constituem o enrolamento trifásico, geralmente em estrela. Os
três terminais livres de cada uma das bobinas do enrolamento trifásico
são ligados a três anéis colectores. Estes três
anéis ligam exteriormente a um reóstato de arranque constituído
por três resistências variáveis, ligadas também
em estrela. Deste modo os enrolamentos do rotor também ficam em
circuito fechado.
A função do reóstato
de arranque, ligados aos enrolamentos do rotor, é a de reduzir as
correntes de arranque elevadas, no caso de motores de elevada potência.
À medida que o motor vai ganhando
velocidade, as resistências vão sendo progressivamente retiradas
do circuito até ficarem curto-circuitadas (retiradas), quando o
motor passa a funcionar no seu regime nominal. Desta forma, o motor de
rotor bobinado também funciona com os elementos do rotor em curto-circuito
(tal como o motor de rotor em gaiola de esquilo), quando atinge o seu regime
nominal.
O motor de indução de
rotor bobinado substitui o de rotor em gaiola de esquilo em potências
muito elevadas devido ao abaixamento da corrente de arranque permitida
pela configuração do rotor.
Apesar de ser utilizados em casos
com velocidades constantes de serviço, como referimos no ultimo
parágrafo, aplica-se preferencialmente quando as velocidades de
serviço são variáveis.
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Uma manutenção regular (inspecção, limpeza, lubrificação, afinação) é essencial para manter as performances elevadas das partes mecânicas e para prolongar o tempo de vida da operação.
- Lubrificação
A manutenção frequente é necessária para reduzir ao mínimo a fricção do procedimento. A energia desperdiçada devido aos procedimentos com fricção, aumenta a temperatura de funcionamento do motor, diminui a sua performance e o tempo de vida do lubrificante. O lubrificante a aplicar deve ser o correcto, caso contrário pode provocar perdas por fricção elevadas e um curto período de vida dos procedimentos. Adicionalmente, o excesso de massa lubrificante pode causar a acumulação da mesma e afectar os enrolamentos do motor com resíduos, levando à sua degradação. O uso de lubrificantes sintéticos pode conduzir a uma redução substancial nas perdas por fricção.
- Verificação periódica
A temperatura, juntamente com as condições
eléctricas e mecânicos do motor devem ser verificadas periodicamente.
Já que a eficiência mecânica dos componentes do motor
afectam directamente a eficiência de todo o sistema.
Visualizar o uso e a erosão
dos componentes é extremamente importante, já que a eficiência
pode ser afectada drasticamente.
Uma boa manutenção traduz-se
numa inspecção ao comportamento do motor de seis em seis
meses.
- Limpeza e condições ambientais
Limpar a carcaça do motor com
frequência é necessário em industrias em que o pó
abunda. Este factor é bastante importante porque a temperatura de
funcionamento aumenta com o pó, provocando assim possíveis
danos no motor. O mesmo acontece quando o ambiente no qual o motor opera
não é o melhor.
Um aumento da temperatura conduz a
um aumento de resistividade dos enrolamentos o provoca perdas maiores.
Um aumento de 25 graus na temperatura do motor aumenta as perdas de Joule
em cerca de 10%.
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12-Avarias mais frequentes no motor
assíncrono
| Avaria | Causas prováveis |
| Marcha trepidante | - carcaça
mal fixa
- acoplamento mal equilibrado - condutor de alimentação interrompido - corpo estranho no entreferro |
| O motor não arranca | - interrupção
da alimentação
- as escovas não assentam sobre os anéis - tensão excessivamente baixa - interrupção no arrancador |
| Arranque brusco
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- resistência
demasiado baixa, no arranque (rotor bobinado)
- arrancador parcialmente interrompido ou com contactos queimados - arrancador mal ligado - curto-circuito entre espiras do enrolamento do rotor |
| O motor arranca com dificuldade | - tensão
na rede muito baixa
- queda de tensão excessiva nos condutores de alimentação - carga excessiva - um terminal do motor polifásico está ligado por erro ao neutro |
| O motor produz um zumbido no arranque | - resistências
diferentes no reóstato de arranque
- curto-circuito entre espiras do rotor - interrupção num enrolamento do rotor |
| Aquecimento excessivo do motor, em funcionamento | - carga excessiva
- tensão demasiado elevada (perdas elevadas no ferro) - tensão demasiado baixa (consumo excessivo de corrente) - condutor de fase partido (consumo excessivo de corrente) - interrupção num dos enrolamentos do estator (consumo excessivo de corrente) |
"Selecção e aplicação
de motores eléctricos"
Lobosco e Dias
McGraw-Hill
"Motores eléctricos industriales
y dispositivos de control"
Bartho
Ediciones Urmo
"Polyphase motors"
Enrico Levi
John Wiley & sons