Máquinas e Equipamentos Elétricos e Mecânicos - PDF Free Download
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Iasmin de Lacerda Domingues
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2 Os ícones são elementos gráficos utilizados para ampliar as formas de linguagem e facilitar a organização e a leitura hipertextual. Atenção: indica pontos de maior relevância no texto. Mídias Integradas: sempre que se desejar que os estudantes desenvolvam atividades empregando diferentes mídias: vídeos, filmes, jornais, ambiente AVA e outras. Atividades de aprendizagem: apresenta atividades em diferentes níveis de aprendizagem para que o estudante possa realizá-las e conferir o seu domínio do tema estudado. Saiba mais: oferece novas informações que enriquecem o assunto ou "curiosidades" e notícias recentes relacionadas ao tema estudado. Aula prática: apresenta atividades em diferentes níveis de aprendizagem para que o estudante possa realizá-las e conferir o seu domínio do tema estudado. Palavra do Professor Caro aluno, Máquinas e Equipamentos Elétricos é uma das áreas mais importantes a serem estudadas no Curso Técnico em Eletromecânica. O questionamento comum que surge ao iniciar os estudos é: Qual a importância das Máquinas?. Uma pergunta simples com várias resposta e respostas não tão simples. Existem muitas respostas pra mesma pergunta. O objetivo deste conteúdo é apresentar a teoria de funcionamento, a aplicação e a análise das máquinas elétricas, proporcionando a você informações e subsídios práticos que servirão de suporte para a atuação na área de eletrotécnica, bem como de referência para o seu desenvolvimento profissional futuro. É muito importante o conhecimento na área de máquinas elétricas para a sua atuação como técnico em eletromecânica, pois tais equipamentos estão presentes em praticamente todos os seguimentos de mercado onde você poderá atuar. Saiba que um maior enfoque será dado aos transformadores, geradores e motores, que são as máquinas mais empregadas na indústria; tais máquinas estarão agrupadas por características visando otimizar e facilitar o entendimento. Bom estudo! 2 2
3 Projeto Institucional Disciplina: Máquinas e Equipamentos Elétricos (carga horária: 60h). Ementa: Noções básicas de transformadores monofásicos e trifásicos; introdução aos geradores de corrente alternada; definições e conceitos básicos sobre motor síncrono, motores trifásicos de indução de corrente alternada e motores monofásicos; definições gerais sobre geradores de corrente contínua; definições e conceitos básicos sobre motores de corrente contínua. AULA OBJETIVOS MATERIAIS CARGA HORÁRIA Aula 1 - Transformadores Monofásicos e trifásicos. Compreender os princípios básicos do funcionamento do transformador elétrico e sua aplicação. Conhecer os procedimentos usados no fechamento de transformadores trifásicos e características elementares. Caderno e Referências Bibliográficas 20 horas Aula 2 - Geradores de corrente contínua e motor de corrente contínua. Conhecer e compreender princípios básicos, características elementares, sobre gerador de corrente contínua e motor de corrente contínua. Caderno e Referências Bibliográficas 20 horas Aula 3 - Geradores de corrente alternada. Conhecer e compreender princípios básicos, características elementares, sobre gerador de corrente alternada Caderno e Referências Bibliográficas 20 horas Aula 4 - Motor síncrono e Motores de indução de corrente alternada. Compreender, conhecer o princípio de funcionamento e características elementares dos motores trifásicos de indução de corrente alternada e motor síncrono. Caderno e Referências Bibliográficas 20 horas 3
4 Aula 1 - Transformador Monofásico e Trifásico Objetivos Máquinas e Equipamentos Elétricos Compreender os princípios básicos dos transformadores monofásicos e trifásicos e a importância da sua aplicação. Estudar os conceitos básicos, características elementares e aplicações dos transformadores Introdução Basicamente, um transformador é um equipamento capaz de realizar a alteração no nível de tensão por meio da transferência de fluxo magnético entre dois ou mais enrolamentos acoplados por um núcleo Princípios de Funcionamento Dentre as principais aplicações, pode-se citar a transferência de energia de um circuito elétrico a outro com o ajuste do nível de tensão, o acoplamento entre sistemas elétricos, objetivando o casamento de impedância e isolação e a eliminação de corrente CC entre dois ou mais circuitos. A partir da conexão de uma tensão alternada de entrada no enrolamento primário, o fluxo gerado é conduzido pelo núcleo magnético e é enlaçado pelo enrolamento secundário, induzindo no mesmo uma tensão cuja sua amplitude estará em função do fluxo magnético e do número de espiras do secundário. A amplitude do fluxo produzido pelo primário está em função do número de espiras e da tensão de entrada (amplitude e frequência). A base de funcionamento de um transformador necessita da existência de um fluxo comum, variável no tempo e que seja enlaçado por dois ou mais enrolamentos, conforme você pode observar na figura a seguir: Figura Fluxo Magnético 4 4
5 Determinando a relação adequada entre o número de espiras do primário e do secundário, obtemos a relação entre tensões desejada. Equação 1.1 U1 = tensão aplicada na entrada (primária); N1 = número de espiras do primário; N2 = número de espiras do secundário; U2 = tensão de saída (secundário). A tensão gerada no secundário em decorrência do fluxo magnético variável gerado pelo primário é denominada tensão induzida. Se no primário do transformador for aplicada uma corrente contínua, não será gerada tensão no secundário, pois o fluxo magnético não será variável ao longo do tempo. A relação entre correntes e o número de espiras entre enrolamento primário e enrolamento secundário é dada por: I1 = corrente no primário; I2 = corrente no secundário; N1 = número de espiras do primário; N2 = número de espiras do secundário. Equação 1.2 Percebe-se, a partir das relações apresentadas, que no enrolamento de maior tensão circulará a menor corrente, assim, quanto menor o número de espiras maior será a corrente. Na figura 1.2 uma forma de ligar o transformador. Figura Ligação de um Transformador Circuito Equivalente Embora acoplado pelo núcleo de ferro, uma pequena porção de fluxo disperso ( 1 e 2 ) é gerada nos enrolamentos do transformador. No primário, o fluxo disperso 1 gera uma reatância indutiva X1 e no secundário o fluxo disperso 2 gera uma reatância indutiva X2. 5
6 Os parâmetros apresentados no circuito equivalente determinam o funcionamento correto do transformador. Observe a figura a seguir. Figura Circuito Elétrico Equivalente Parâmetros: Xm = reatância indutiva de magnetização; Rm = resistência de magnetização que retrata as perdas do ferro; R1 = resistência do enrolamento primário; X1 = reatância indutiva do enrolamento primário; R2 = resistência do enrolamento secundário; X2 = reatância indutiva do enrolamento secundário. Os valores das impedâncias refletidas são tais que as potências ativa e reativa são iguais quando sujeitas à corrente, sendo assim, temos as seguintes relações: Equação 1.3 Equação 1.4 Equação 1.5 Na prática você pode utilizar o circuito em que X 2 r são agrupados à R 1 e X 1. O erro que se comete com essa simplificação é aceitável para efeito de análise do transformador. Figura Circuito Elétrico Equivalente Aproximado 6 6
7 Com o conhecimento dos parâmetros do transformador, é possível utilizar os ensaios para a determinação da grandeza dos mesmos Perdas no Transformador Perdas no Cobre As perdas no cobre podem ser divididas em: Perdas na resistência ôhmica dos enrolamentos São decorrentes da passagem de uma corrente I pelo condutor que apresenta uma determinada resistência R, esta perda é representada pela expressão I 2 R ; Perdas parasitas no condutor dos enrolamentos são geradas pelas correntes parasitas induzidas nos condutores do enrolamento, dependem da grandeza da amplitude da corrente e da geometria dos condutores das bobinas Perdas no Ferro (núcleo magnético) As perdas no ferro podem ser divididas em: Perdas por histerese são causadas pelas propriedades dos materiais ferromagnéticos de apresentarem um atraso entre a indução magnética (b) e o campo magnético (h); Perdas por correntes parasitas são geradas pela circulação de correntes parasitas causadas pelo fluxo variável induzido no material ferromagnético. O fluxo magnético variável no tempo responsável pela tensão induzida no secundário produz correntes induzidas no núcleo constituído de material ferromagnético. Essas correntes são indesejadas, pois geram perdas no transformador. Visando reduzir essas perdas, o núcleo magnético é construído de várias chapas finas de material ferromagnético, isoladas eletricamente uma das outras. Assim, a circulação de corrente induzida é reduzida, tendo como consequência a diminuição do aquecimento do equipamento. Figura Núcleo Magnético Ensaios Os principais ensaios a que são submetidos os transformadores, são: Verificação de isolação; Determinação da relação de transformação; Ensaio a vazio; Ensaio de curto-circuito. 7
8 Os instrumentos e equipamentos necessários são: amperímetro, voltímetro, wattímetro, megôhmetro e osciloscópio. Figura Megôhmetro Os megôhmetros mais frequentemente utilizados são para 1.000, e Volts
9 1.6 - Transformador Trifásico O transformador trifásico é utilizado em grande escala nos sistemas de transmissão, distribuição e na indústria em geral. Após a geração de energia os transformadores trifásicos são utilizados para elevar a tensão nos pontos iniciais das linhas de transmissão com a subsequente utilização para a redução das tensões para a distribuição e utilização final da energia elétrica trifásica Aspectos construtivos Podemos definir um transformador trifásico como um grupo com três transformadores monofásicos no qual os três primários e os três secundários estarão operando simultaneamente, observe na figura: Para o transformador apresentado, existem diversas formas de ligação que serão descritas ao longo desta unidade. Para a realização das ligações, estes equipamentos possuem caixas de ligação e placas de bornes. Para a identificação dos terminais do primário será utilizado o número do terminal precedido da letra H e para os terminais do secundário, o número precedido da letra X. Figura Transformador Trifásico Um aspecto muito importante para garantir o correto funcionamento do transformador é uma boa eficiência na dissipação do calor gerado pelo mesmo. Existem várias formas de se dissipar o calor gerado pelo equipamento, geralmente em transformadores com maiores potências. Os enrolamentos estão submersos em óleo isolante que melhoram a condução de calor e em contato com as aletas aumentam a eficiência do sistema de dissipação, em transformadores de menores potências os enrolamentos estão em contato direto com o ar. 9
10 1.8 - Grau de Proteção Figura Transformador Trifásico Conforme as condições e características do local em que será instalado o equipamento elétrico e de sua acessibilidade, deve ser determinado o grau de proteção. Sendo assim, um equipamento que seja instalado em um local aberto onde pode ocorrer o gotejamento de água sob diversos ângulos do equipamento, o mesmo deve possuir um invólucro que garanta o seu funcionamento sem que ocorra a penetração de água. Os graus de proteção para equipamentos elétricos são definidos pela NBR 6146 por meio das letras características IP, seguidas por dois algarismos
11 A associação desses dois algarismos, ou seja, entre os critérios de proteção estão apresentados no quadro a seguir. Quadro 3 - Grau de proteção 1.9 Operação de Transformadores Trifásicos em Paralelo Em sistemas de potência para o fornecimento de energia, a operação paralela de transformadores se faz necessária para a elevação da potência fornecida e para suprir uma eventual pane em um dos transformadores, mesmo à carga reduzida. Dois ou mais transformadores estarão em paralelo quando ligados ao mesmo sistema, tanto no primário quanto no secundário (paralelismo de rede e barramento). Veja que algumas condições são necessárias para a operação em paralelo de transformadores. 1. Igualdade na defasagem angular para que não ocorra curto-circuito decorrente da diferença de potencial gerada entre as mesmas fases de transformadores diferentes; 2. Igualdade na impedância percentual para que não ocorra perda de potência em consequência de um equipamento enxergar o outro como uma carga Determinação da Tensão Nominal Para aplicação industrial poderemos ter até quatro níveis de tensão, da seguinte forma: Para potências maiores do que 3 MVA é indicado baixar a tensão para um nível intermediário (6,9 kv, 4,16 kv ou 2,4 kv), pois o equipamento para a redução de potência de 3 MVA para tensões de uso final possui um custo consideravelmente elevado (deve suportar altas correntes). 11
12 A determinação da tensão do secundário depende de alguns fatores, dentre os principais podemos citar: a. Econômicos a tensão de 380/220 V requer seções menores dos condutores para uma mesma potência; b. Segurança a tensão de 220/127 V é mais segura com relação a contatos acidentais. De uma forma geral, podemos dizer que para instalações nas quais equipamentos como motores, bombas, máquinas de solda e outras máquinas constituem a maioria da carga, deve-se usar 380/220 V, e para instalações de iluminação e força de residências, deve-se adotar 220/127 V. Na NBR 5440 da ABNT encontramos a padronização das tensões primárias e secundárias Polarização do Transformador Polarizar o transformador consiste em distribuir as bobinas de modo que as mesmas tenham a polaridade determinada eliminando o risco de subtração de tensão entre elas. Entre os métodos mais utilizados para a execução da polarização, podem-se citar: polarização CA e polarização por golpe indutivo. O método mais simples é a polarização por golpe indutivo, é aplicado separadamente em cada um dos três enrolamentos do transformador, consiste na aplicação de uma tensão contínua no primário e na observação do galvanômetro no secundário, o mesmo padrão de resposta deve ser dado em todos os enrolamentos do secundário. Para a polarização CA é necessária apenas uma fonte de tensão CA ajustável, esse método consiste em alimentar um dos enrolamentos com baixa tensão e ligar os demais enrolamentos em série até que se tenha a soma das tensões em cada enrolamento. Pela figura apresentada você pode verificar que se as polaridades forem ligadas em série invertidas, a somatória das tensões seria 0 V. Figura 1.9 Polarização do Transformador. Para equilibrar a corrente, o transformador de distribuição tem seu enrolamento primário conectado em triângulo. A seguir você conhecerá as ligações padrões estrela e triângulo. Figura Esquema de Ligação
13 As ligações devem ser realizadas sempre respeitando os padrões normalizados e a numeração nos terminais. Para transformadores com doze terminais temos ainda as seguintes ligações: Figura Ligações ΔΔ e YY: 12 Cabos Placa de Identificação As principais características dos equipamentos elétricos estão contidas na placa de identificação. As informações que deverão constar na placa de identificação são importantes para a correta manutenção, instalação e manobra do equipamento e são normalizadas pela NBR O material da placa poderá ser alumínio ou aço inoxidável. Na figura a seguir encontramos um exemplo de placa de identificação de um transformador trifásico, triângulo-estrela (Dy). 13
14 Figura Placa de Identificação As informações contidas na placa são normalizadas (NBR 5356) e representam um resumo das características do equipamento. Nela encontramos: a. Nome e demais dados do fabricante; b. Número da série de fabricação; c. Mês e ano de fabricação; d. Potência do transformador em KVA; e. Norma utilizada para fabricação; f. Impedância de curto-circuito em percentagem; g. Tipo de óleo isolante; h. Tensões nominais do primário e do secundário; i. Correntes nominais do primário e do secundário; j. Diagrama de ligação dos enrolamentos do primário e do secundário com identificação das derivações; k. Identificação do diagrama fasorial quando se tratar de transformadores trifásicos e polaridade, quando monofásico; l. Volume total do líquido isolante do transformador em litros; m. Massa total de um transformador em Kg; n. Número da placa de identificação; o. Tipo para identificação. Em transformadores maiores que 500 KVA, ou quando o cliente exigir, a placa de identificação deverá conter outros dados como: a. Informações sobre transformadores de corrente, se os tiver;
15 b. Dados de perdas e corrente de excitação; c. Pressão que o tanque suporta; d. Qualquer outra informação que o cliente exigir. Atividade de Aprendizagem 1. Determine o número de espiras do primário de um transformador com 180 espiras no secundário e uma relação de tensão de 120/12 V. 2. Para uma carga de 800 W, determine as correntes nos enrolamentos do transformador citado na questão Calcular as potências fornecidas individualmente pelos transformadores, PN1 = 750 kva, PN2 = 500 kva, PN3 = kva, cujas tensões de curto-circuito são: E1 = 4,7%, E2 = 4,9%, E3 = 5,3% e a potência solicitada pela carga é de kva. 4. Quais são os níveis de tensão para aplicação industrial? Aula Prática 01: Transformador monofásico a 3 fios. Introdução: O transformador é um dispositivo elétrico que tem a função de transferir uma potência elétrica de um circuito a para um circuito b, mantendo-os isolados eletricamente por meio de um acoplamento magnético. Objetivos: Possibilitar ao aluno o manuseio de equipamentos e aparelhos de diversas procedências; Familiarizar o aluno com as grandezas típicas de eletrotécnica, pela constante utilização destas. Material Necessário: Transformador monofásico a 3 fios, cabos para conexão, multímetro. Obs.: Não devem ser feitas ligações com o circuito energizado. 15
16 1- Possuo um transformador que pode ser alimentado com tensão de 220 VAC e 127VAC, como realizar a ligação? Execute a ligação correspondente. 2- Após a montagem correta com a tensão disponível para a ligação do transformador, energize o equipamento. 3- Com o aparelho de medição (multímetro), faça a leitura de tensão na entrada (primário) do transformador e a tensão de saída (secundário) do transformador. 4- Anotando os valores de tensão indicada no aparelho de medição no primário e secundário do transformador, indique qual tipo do transformador (abaixador de tensão ou Aumentador de tensão)? Resumo Nesta aula você aprendeu todas as informações que se referem à utilização do transformador monofásico e trifásico, seus princípios, como, calcular o rendimento, as perdas do transformador, e características elementares
17 Aula 2 - Geradores e motor de corrente contínua Objetivos Compreender os princípios básicos dos geradores de corrente contínua e o motor de corrente contínua e a importância da sua aplicação. Estudar os conceitos básicos, características elementares e aplicações Introdução O gerador CC é uma máquina que realiza a conversão de energia mecânica de rotação em energia elétrica. Existem diversas fontes que podem fornecer a energia mecânica necessária, tais como: vapor, óleo diesel, queda-d água, motor elétrico, entre outras. A aplicação da corrente contínua ocorre em vários setores industriais, tais como: cargas de baterias e acumuladores, eletroímãs de aplicações industriais, tração elétrica e instalações de eletroquímicas Princípios de Funcionamento O gerador CC mais simples é composto por um enrolamento de armadura contendo uma única espira que é interceptada pelo campo magnético gerado. Com o movimento de rotação da espira ocorre a variação do fluxo magnético e em decorrência dessa variação surge uma f.e.m. (Lei da Indução Magnética). Podemos observar na figura a seguir o posicionamento da espira em três momentos diferentes e o gráfico da f.e.m. com seu formato senoidal. Figura Princípio de Funcionamento do Gerador cc Uma forma de retificar o formato senoidal da f.e.m. apresentada é pela utilização de um comutador que é formado por segmentos de cobre. Na figura a seguir podemos observar o comportamento da f.e.m. em função da posição da espira para cinco posições diferentes, formando um ciclo completo de rotação Aspectos construtivos As principais partes que compõem os geradores de corrente contínua são basicamente as mesmas dos motores de corrente contínua. Agora você conhecerá em detalhes cada uma das partes que compõem os geradores de corrente contínua. 17
18 2.3.1 Armadura Para o gerador CC a armadura realiza movimento de rotação em decorrência de uma força mecânica externa e a tensão gerada na mesma é ligada a um circuito externo. Para o motor de corrente contínua a armadura recebe a corrente proveniente de uma fonte elétrica externa que faz com que a armadura gire, em decorrência desse movimento de rotação a armadura também é chamada de rotor Comutador Comutador é o dispositivo responsável pela conversão da corrente alternada que circula pela armadura em corrente contínua. O comutador figura conforme mostrado a seguir, ele é composto de um par de segmentos de cobre para cada enrolamento da armadura, sendo estes isolados entre si e isolados do eixo, uma vez que são fixados no mesmo. No chassi da máquina são montadas duas escovas fixas que possibilitam o contato com segmentos opostos do comutador. Figura As partes Principais de um Motor cc Escovas São conectores de grafita fixos, montados sobre molas que possibilitam o deslizamento sobre o comutador no eixo da armadura, servindo de contato entre os enrolamentos e a carga externa Enrolamento de campo O enrolamento de campo tem um eletroímã responsável pela produção do fluxo interceptado pela armadura. No gerador CC a fonte de corrente de campo pode ser separada ou proveniente da própria máquina, chamada de excitador
19 2.4 - Excitação de Campo O tipo de excitação de campo utilizado define o nome dos geradores CC. Quando a excitação é realizada por uma fonte CC separada, como por exemplo, uma bateria, ele é denominado de gerador de excitação separada. Figura Gerador de Excitação separada Os geradores que possuem sua própria excitação são chamados de geradores autoexcitados. Para as configurações em que o circuito de armadura estiver em paralelo com o campo, ele é chamado de gerador em derivação; quando o campo está em série com a armadura, é chamado de gerador série; se forem usados os dois campos, série e paralelo, é chamado de gerador composto que pode apresentar as configurações derivação curta e derivação longa. Acompanhe na figura a seguir. Figura 2.4 Autoexcitados Circuito Equivalente do Gerador CC As relações entre tensão e corrente num circuito equivalente de um gerador CC são, de acordo com a Lei Ohm, conforme apresentado na figura 2.5 a seguir. 19
20 Figura Circuito Equivalente Perdas e Eficiência de uma Máquina CC Segundo Gussow (1985), as perdas nos geradores e nos motores CC podem ser divididas em: perdas no cobre e perdas mecânicas provenientes da rotação da máquina. Podem ser descritas da forma seguinte. 1. Perdas no cobre a. Perdas I2R na armadura. b. Perdas de campo: I2R do campo em derivação; I2R do campo em série. 2. Perdas mecânicas ou rotacionais a. Perdas no ferro: Perdas por corrente parasita; Perdas por histerese
21 b. Perdas por atrito: Atrito no mancal (rolamento); Atrito nas escovas; Perdas pelo atrito com o ar. As perdas no cobre são consequência da passagem de corrente através de uma resistência do enrolamento. As correntes parasitas são geradas pela f.e.m. induzida no núcleo magnético à medida que armadura realiza o movimento de rotação no campo magnético. As perdas por histerese são geradas quando o núcleo é magnetizado inicialmente em um sentido e num momento posterior no sentido oposto. As demais perdas rotacionais são geradas pelo atrito entre as escovas e o comutador, pelo atrito entre as partes girantes e o ar e o atrito de rolamento no mancal. A eficiência é a razão entre a potência útil na saída e a potência total na entrada. Ou A eficiência também pode ser expressa de forma percentual Motores de Corrente Contínua Em função de seu princípio de funcionamento, os motores CC possibilitam variar a velocidade de zero até a velocidade nominal aliada à possibilidade de se ter um conjugado constante. Essa característica se torna muito importante em aplicações que exigem uma grande variação de rotação com uma ótima regulação e precisão de velocidade Princípio de Funcionamento Basicamente os motores CC possuem os mesmos componentes que os geradores CC. Para estes motores o indutor e o induzido são alimentados por corrente contínua. O campo magnético originado nas bobinas do induzido, pela passagem de corrente elétrica, deforma o fluxo indutor dando lugar a 21
22 forças que obrigam os condutores a se deslocarem no sentido que há menor número linhas de força. Observe a figura a seguir. Figura Linhas de Força Torque O torque (T) gerado por um motor CC é proporcional à intensidade do campo magnético e à corrente de armadura, sendo dado por: Força Contra- Eletromotriz Os condutores do induzido interceptam o fluxo do indutor em decorrência do movimento de rotação. Pelo princípio de Faraday é gerada nos condutores uma f.e.m. induzida com o sentido oposto à tensão aplicada no motor (Lei de Lenz). Por se opor à tensão aplicada ao motor, a tensão induzida nos condutores é chamada de força contra-eletromotriz (f.c.e.m.), que é determinada pela expressão:
23 Circuito Equivalente do Motor CC As relações entre as tensões e a corrente num circuito equivalente de um motor CC são as seguintes: Sendo Vta = tensão no terminal da armadura (V); Vg = força contra-eletromotriz, f.c.e.m. (V); Ia = corrente da armadura (A); Vt = tensão no terminal do motor (V). E o parâmetros ra, rs,, rd, IL, e Id representa as mesmas grandezas definidas no circuito equivalente de um gerador CC. Uma comparação entre o circuito equivalente de um gerador e o circuito equivalente de um motor mostra que a única diferença está no sentido da corrente na linha e na armadura. Figura Circuito Equivalente de um Motor CC Velocidade de um motor A velocidade de um motor é expressa em rotações por minuto (rpm). Uma elevação no fl uxo de campo provoca a diminuição da velocidade do motor, o inverso ocorre com a redução do fl uxo de campo. Essa relação é utilizada para o controle de velocidade através da variação da resistência no circuito de campo e é dada por: Tipos de motores Motor em derivação O motor em derivação conforme figura a seguir (A) é o tipo mais comum de motor CC, seu torque aumenta linearmente com o aumento da corrente de armadura e sua velocidade diminui à medida que a corrente de armadura aumenta acompanhe também na figura a seguir (B). 23
24 A determinação de velocidade é feita inserindo uma resistência de campo utilizando um reostato, e para um determinado valor da resistência de campo a velocidade do motor permanece praticamente constante independente da carga. A velocidade de referência é a velocidade do motor com carga máxima. Os dispositivos utilizados para a partida em motores CC devem limitar a corrente de partida da armadura entre 125 e 200% do valor da corrente de carga máxima. Figura (A) Diagrama Esquemático Motor série Figura (B) Curvas de Velocidade x Carga, Torque x Carga No motor série o campo e a armadura são ligados em série conforme a figura a seguir. Geralmente é utilizado para aplicações que exijam deslocamento de grandes cargas como em guindastes, pois produz um torque elevado com grandes valores de corrente na armadura a uma baixa rotação, observe novamente a figura a seguir. Sem aplicação de carga a velocidade aumenta indeterminadamente até que o motor se danifique, para estes motores o acoplamento com a carga é feito de forma direta, sem utilização de correias e polias. Figura 9.5 (A) Diagrama Esquemáti co, (B) Curvas da Velocidade x Carga, Torque x Carga
25 Figura (A) Diagrama Esquemático, (B) Curvas da Velocidade x Carga, Torque x Carga Motor composto O motor composto associa as características dos motores em derivação com as características dos motores em série. Sua velocidade reduz com o aumento de carga. Possui maior torque se comparado com o motor em derivação e não apresenta problemas no funcionamento sem carga como ocorre com os motores série Requisitos de partida dos motores Há duas exigências durante a partida dos motores. 1. Motor e linha de alimentação devem estar protegidos contra correntes elevadas no período de partida, para tanto, é colocada uma resistência em série com o circuito da armadura. 2. O torque de partida no motor deve ser o maior possível para fazer o motor atingir a sua velocidade máxima no menor tempo possível. O valor da resistência de partida necessária para limitar a corrente de partida da armadura até o valor desejado é: 25
26 Atividade de Aprendizagem 1. Considere um gerador CC de 200 kw e 250 V, com uma corrente na armadura de 600 A, uma resistência na armadura de 0,020 Ω, e uma resistência de campo em série de 0,004 Ω. Determine a tensão gerada na armadura considerando que o gerador opera a rotações por minuto (rpm) impostas por um motor. 2. Um gerador em derivação possui uma resistência de campo de 40 Ω e uma resistência de armadura de 0,4 Ω. Considerando que o gerador entrega para a carga uma corrente de 30 A com uma tensão no terminal de 120 V. Determine: a) A corrente de campo; b) A corrente de armadura; c) As perdas no cobre; d) A eficiência com a carga, considerando que as perdas rotacionais sejam de 300 W. 3. Calcule a f.c.e.m. de um motor quando a tensão no terminal é de 120 V e a corrente na armadura de 25 A. A resistência da armadura é de 0,16 Ω e a corrente de campo pode ser desprezada. Qual é a potência produzida pela armadura do motor? Qual é a potência liberada para o motor em quilowatts? 4. Um motor CC em derivação apresenta uma rotação de rpm sem carga, quando uma carga é imposta ao mesmo, sua velocidade é reduzida para rpm. Determine a regulação de velocidade. Aula Prática 02: Principio do movimento de motor de corrente contínua Introdução: Em máquinas elétricas, maquinas de corrente contínua é uma máquina capaz de converter energia mecânica em energia elétrica (gerador) ou energia elétrica em mecânica (motor). A força é escrita pela lei da força de Lorentz e é perpendicular ao fio e ao campo magnético. Em um motor giratório, há um elemento girando, o rotor ou, uma espira. A espira gira porque os fios e o campo magnético são arranjados de modo que um toque seja desenvolvido sobre a linha central do rotor. Objetivos: Nesse experimento vamos induzir uma corrente contínua através de um condutor imerso entre pólos de um imã, ocasionando um movimento de rotação na espira. Material Necessário: Imã, pilha, cabos para conexão ou fio de cobre esmaltado, e uma bancada com uma base de madeira para fixar os componentes. Obs.: todas as atividades devem ser executadas com a verificação do professor e a correta instalação dos materiais utilizados
27 1 - Possuo o material para montagem dos componentes e inicio do experimento como. Execute a ligação correspondente. 2 Faça círculos com o fio de cobre esmaltado deixando as pontas divergindo uma para cada lado, assim você terá feito a bobina. 3 - Fixe a pilha no suporte para que ela funcione como fonte de energia. Raspe totalmente uma das extremidades da bobina e a outra extremidade raspe parcialmente, de maneira que o fio esmaltado da bobina conduza energia quando em contato com a parte raspada. 4 - Fixe a bobina sobre a parte aérea do suporte e observe se ela irá começar a rodar, caso não inicie sozinho dê um impulso inicial. 5 - Agora que já sabemos ligar e desligar uma lâmpada incandescente, gostaria de poder realizar as ações de ligar e desligar em dois pontos diferentes, por exemplo, no meu quarto, ter 02 interruptores, um próximo a porta e outro próximo a minha cama, para não ter mais de me levantar para apagar a lâmpada antes de ir dormir. Execute a ligação correspondente Resumo Nesta aula você aprendeu sobre o princípio do gerador de corrente contínua e dos motores de corrente contínua, características elementares, e suas principais aplicações. AULA 3 - Geradores de corrente alternada e motor de corrente alternada Objetivos Compreender os princípios básicos dos Geradores de corrente alternada e motores de corrente alternada e a importância da sua aplicação. Estudar os conceitos básicos e características elementares Introdução A característica principal de um gerador elétrico é transformar energia mecânica em elétrica. Uma máquina síncrona é uma máquina CA na qual sua velocidade é proporcional à frequência de sua armadura. O seu rotor em conjunto com o campo magnético criado giram na mesma velocidade ou sincronismo que o campo magnético girante. Os geradores de corrente alternada também são chamados de alternadores e praticamente toda energia elétrica consumida nas residências e indústrias é fornecida pelos alternadores das usinas que produzem energia elétrica. Agora você conhecerá como é o funcionamento de um gerador CA Princípios de funcionamento Visando simplificar a análise do funcionamento de um gerador CA, também chamado de alternador, analisaremos inicialmente o modelo simplificado composto por uma única espira que se encontra imersa em um campo magnético gerado por um imã permanente, conforme apresentado na figura
28 Com o movimento relativo da bobina em relação ao campo magnético é gerado um valor instantâneo da força eletromotriz (f.e.m) induzida no condutor, conectado a dois anéis ligados ao circuito externo por meio de escovas. Figura Esquema de Funcionamento de um Gerador Elementar (Armadura Girante) Considerando que a bobina gire com uma velocidade constante dentro do campo magnético B com velocidade V, o valor da f.e.m. induzida no condutor dado pela Segunda Lei de Indução de Faraday é tida como: Sendo: e = força eletromotriz; B = indução do campo magnético; l = comprimento de cada condutor; v = velocidade linear; θ = ângulo formado entre B e v. Equação 3.1 Para um equipamento composto por N espiras temos: Equação 3.2 Com um formato conveniente da sapata polar, pode-se conseguir uma distribuição senoidal das induções e, dessa forma, a f.e.m. também terá um comportamento senoidal ao longo do tempo. A figura 3.2 apresenta um lado da bobina no campo magnético em doze posições diferentes, variação angular de 30 e na mesma figura ainda podemos analisar o comportamento das induções em relação à posição angular
29 Figura Distribuição da Indução Magnética sob um Polo Na figura 3.3 você tem o esquema de funcionamento de um gerador elementar com armadura fixa, no qual a tensão de armadura é extraída do enrolamento de armadura sem passar pelas escovas. Geralmente para geradores com esta forma construtiva a potência de excitação gira em torno de 5% da potência nominal. Figura Esquema de Funcionamento de um Gerador Elementar (Armadura Fixa) As máquinas podem ser projetadas com um enrolamento composto por um ou mais pares de polos que serão sempre distribuídos alternadamente (um norte e um sul). Considerando uma máquina com um par de polos, a cada giro das espiras temos um ciclo. 29
30 A frequência de uma máquina síncrona em ciclos por segundo (hertz) é dada por: Equação 3.3 Para que se tenha a formação de pares de polos, o número de polos terá de ser sempre par. Na tabela a seguir são apresentadas as velocidades síncronas em função das polaridades e das frequências mais usuais Aspectos construtivos No gerador CA podemos ter uma bobina rotacionada dentro de um campo magnético ou podemos ter o elemento responsável pela excitação (gerador de campo magnético) sendo rotacionado e fazendo com que surja uma tensão induzida na bobina fixa no estator do gerador. Os contatos responsáveis pela conexão entre a parte girante do gerador e a parte fixa são feitos por meio de escovas. O contato entre as escovas e os anéis, que são fixos no eixo, é contínuo e o número de conjuntos anéis/escovas é equivalente ao número de fases geradas. O detalhamento dos anéis você pode observar na figura 3.4. Figura Conjunto de anéis/escovas
31 3.4 - Geração de Corrente Trifásica A associação de três sistemas monofásicos com uma defasagem entre si de 120 compõe um sistema trifásico. Observe a figura 3.5: Figura Sistema Trifásico Para se obter o equilíbrio do sistema, ou seja, VL1 = VL2 = VL3, cada bobina deverá ser composta de número de espiras igual. Existem duas formas usuais de se obter um sistema trifásico composto por três sistemas monofásicos, os esquemas de ligação estrela e ligação triângulo, os quais você estudará em detalhes na sequência Ligações no Sistema Trifásico Ligação Triângulo As tensões e correntes de fase são as tensões e correntes de cada um dos sistemas monofásicos analisados e são representadas por VF e IF. Ligando os sistemas monofásicos conforme a figura a seguir teremos as tensões e correntes entre quaisquer duas fases denominadas de tensões e correntes de fase e são representadas por VL e IL. Figura Ligação triângulo 31
32 O esquema da figura anterior, percebemos que: a. A tensão de linha VL é imposta na carga e a mesma é igual a VF que a tensão do sistema monofásico correspondente, ou seja, VL = VF ; b. A somatória das correntes das duas fases é igual à própria corrente de linha, ou seja, IL = IF1 + IF3. Em decorrência da defasagem das correntes, a soma entre as mesmas deverá ser feita graficamente e chega-se à seguinte expressão: Equação 3.4 Figura 3.7 Resultante da Soma das Correntes Ligação Estrela Conectando-se os três sistemas monofásicos a um ponto comum, os três cabos restantes formam um sistema trifásico em estrela como na próxima figura. Podemos ainda ter um sistema trifásico em estrela a quatro fios, considerando o neutro que é ligado ao ponto comum às três fases. As definições de tensão e corrente de linha são as mesmas já citadas na ligação triângulo. Figura Ligação estrela
33 Analisando o esquema da figura apresentada anteriormente, você perceberá que: a. as correntes de linha IL e as correntes de fase IF em cada cabo conectado são iguais, ou seja, IL = IF; b. a tensão entre dois cabos quaisquer do sistema trifásico é a soma gráfica das tensões das fases nas quais os cabos estão conectados, ou seja: Equação 3.5 Figura Tensão entre dois cabos quaisquer do Sistema Trifásico Tensão Nominal Múltipla Existem ligações que possibilitam o funcionamento do gerador síncrono em mais de uma tensão. É necessário que o equipamento tenha disponível os terminais para a alteração na conexão. Para o funcionamento do equipamento em mais de uma tensão, os seguintes tipos de ligação são utilizados Ligação Série-Paralela Figura Tensão Nominal Múltipla 33
34 É comum em geradores o fornecimento em três tensões 220/380/440 V. Para a obtenção da tensão de 380 V, deve-se ligar o gerador em 440 V e mudar a referência do regulador de tensão, dessa forma podemos obter as três tensões mais utilizadas na ligação Y. Quadro Relação entre Tensões (linha/fase) Correntes (linha/fase) e Potência em um Sistema Trifásico Ligação Estrela-Triângulo A ligação estrela-triângulo exige que a máquina síncrona possua seis terminais acessíveis e possibilita que o equipamento trabalhe com duas tensões nominais como, por exemplo: 220/380 V - 380/660 V - 440/760 V. Ligando-se as três fases em triângulo cada uma das fases estará sob a tensão de linha 220 V. Ligando-se as três fases em estrela o equipamento pode ser ligado a uma linha de 380 V de forma que a tensão nos enrolamentos continue com 220 V. Figura 3.11 Ligação Triângulo Figura Ligação Estrela Comportamento do Gerador em Vazio e sob Carga Em rotação constante (a vazio) a tensão na armadura depende da corrente que circula no enrolamento de campo, para essa condição o estator não é percorrido por corrente, sendo nula a reação da armadura. O comportamento da tensão gerada em relação à corrente de excitação é apresentado na figura a seguir e essa relação é denominada de característica a vazio. Figura Característica a Vazio Quando uma carga é imposta ao gerador, um campo magnético é criado pela corrente que passa nos condutores da armadura fazendo com que a intensidade e a distribuição do campo magnético sejam alteradas e essas alterações variam conforme as características da carga, que a seguir vamos conhecer juntos
35 Carga Puramente Resistiva Na alimentação de uma carga puramente resistiva é criado um campo magnético próprio gerado pela corrente de carga. Para um gerador bipolar, conforme figura a seguir, são gerados dois polos com uma defasagem de 90 em relação aos polos principais, e estes exercem sobre os polos induzidos uma força contrária ao sentido de giro, consumindo uma parte da potência (a potência mecânica) para que o motor permaneça girando. Figura Gerador Bipolar A variação do fluxo principal em vazio em relação ao fluxo de reação da armadura é apresentada no gráfico a seguir. Para que seja mantida a tensão nominal, devido à perda de tensão, faz-se necessária a elevação da corrente de excitação. Sendo: Figura Carga Puramente Resistiva Fluxo principal em vazio Ø0; Fluxo de reação da armadura ØR Carga Puramente Indutiva Na alimentação de uma carga indutiva a corrente de carga está defasada de 90 em atraso com relação à tensão. A direção do campo principal e do campo de reação da armadura será a mesma, no entanto, com polaridade oposta, observe na figura a seguir. Figura Polaridades opostas 35
36 O efeito da carga indutiva é desmagnetizante, conforme observamos na figura a seguir. Em decorrência desse efeito desmagnetizante, é necessário um aumento da corrente de excitação para manter o nível de tensão nominal. Cargas indutivas têm como característica o armazenamento de energia, que é devolvida ao gerador, não exercendo conjugado frenante sobre o induzido Carga Puramente Capacitiva Para a carga puramente capacitiva a corrente de armadura possui uma defasagem de 90 em adiantamento em relação à tensão. A direção do campo principal e a direção do campo da reação da armadura são as mesmas e possuem a mesma polaridade, para este caso, o campo induzido tem um efeito magnetizante. Acompanhe nas figuras a seguir: Figura 3.17 Carga Puramente Indutiva Figura 3.18 Polaridades Alinhadas Nas cargas capacitivas ocorre o acúmulo de energia em seu campo elétrico, que é devolvida ao gerador, não exercendo conjugado frenante sobre o induzido, assim como nas cargas indutivas. Em decorrência do efeito magnetizante, é necessária uma redução da corrente de excitação para manter o nível de tensão nominal, conforme apresentado na figura Figura Carga Puramente Capacitiva Figura Variação da corrente de excitação para manter a tensão de armadura constante
37 Cargas Intermediárias Na prática, o que encontramos são cargas com defasagem intermediária com características resistivas e capacitivas ou com características resistivas e indutivas, o efeito magnetizante ou desmagnetizante deverá ser compensado alterando a corrente de excitação Características dos Rotores de Geradores Os rotores dos geradores síncronos podem ser de polos lisos ou polos salientes. Suas características a seguir. 1. Polos lisos: são rotores nos quais o entreferro é constante ao longo de toda a periferia do núcleo de ferro. 2. Polos salientes: são rotores que apresentam uma descontinuidade no entreferro ao longo da periferia do núcleo de ferro. Nesses casos, existem as chamadas regiões interpolares onde o entreferro é muito grande, tornando a saliência dos polos visível. Figura Rotor de Polos Lisos Reatância Síncrona Após o período de transitório a reatância é dada por: Figura Rotor de Polos Salientes O conhecimento da grandeza da reatância é importante, uma vez que o valor da corrente no estator após a ocorrência de um curto-circuito nos terminais da máquina estará em função do valor da reatância Regulação de tensão Segundo Gussow (1985), a regulação de tensão de um gerador CA representa o aumento percentual na amplitude da tensão no terminal à medida que a carga vai diminuindo da corrente especificada da carga máxima até zero, e é dada por: 37
38 3.11 Perdas e eficiência Máquinas e Equipamentos Elétricos As perdas existentes no gerador são constituídas por: perdas no cobre na excitação de campo, perdas no cobre da armadura e perdas mecânicas. E a eficiência EF é dada pela razão entre a potência útil de saída e a potência total de entrada Potência em Máquinas de Polos Salientes Para Gussow (1985), a potência em máquinas de polos salientes pode ser dada em função do ângulo de carga entre os fasores de tensão de fase UF e a força eletromotriz induzida E0 e é dada por: Um diagrama de tensão para o gerador síncrono de polos salientes é apresentado na figura a seguir, sendo que xd e xq são respectivamente a reatância do eixo direto e em quadratura. Figura Diagrama de Tensão
39 3.13 Sincronização No Brasil grande parte da energia disponível no setor de distribuição é proveniente de várias fontes. Essas fontes devem estar interligadas entre si para garantir que toda a demanda do sistema seja atendida. Para que sejam interconectadas, fontes geradoras diferentes devem estar sob a mesma tensão, frequência e em concordância de fase e quando esse conjunto de fatores é atendido, chama-se de sincronismo. Na figura a seguir você pode observar um exemplo de conexão entre duas fontes geradoras em sistema trifásico. Se as lâmpadas indicadas estiverem apagadas, estarão mostrando que os sistemas possuem mesmo nível de tensão e frequência e estão em fase, se não houver sincronismo entre os geradores, o funcionamento da lâmpada será intermitente. Figura Fontes Geradoras em Sistema Trifásico A execução da sincronização com base na figura 3.24 deve ter o seguinte procedimento: 1. Ajustar o nível de tensão; 2. Corrigir a sequência de fase e eventual defasagem/frequência. Para a realização da correção de fase é necessário que duas fases sejam invertidas. Para a correção da defasagem, deve-se corrigir a velocidade do motor que fornece força motriz. Uma vez em sincronismo com a rede, o gerador fica amarrado eletromagneticamente à mesma e caso ocorra alteração na força motriz, a frequência não será mais afetada, afetando apenas a potência cedida à rede. Atividade de Aprendizagem 1. Um sistema trifásico com tensão nominal de 380 V, com corrente de linha IL medida de 6 A é ligado a uma carga trifásica ligada em triângulo. Considerando o sistema equilibrado e as cargas iguais, determine a tensão e a corrente nas mesmas. 2. Considerando uma carga trifásica composta por três cargas iguais ligadas a uma tensão de 127 V consumindo uma corrente de 8,0 A, determine a tensão nominal e a corrente de linha que alimentam essa carga. 3. Um gerador sem carga opera com uma tensão de 120 V. Quando se impõe uma carga ao mesmo, sua tensão de saída é reduzida para 115 V. Calcule sua regulação de tensão sabendo que sua corrente de campo não é alterada. 4. Um gerador possui uma demanda de carga de 5,5 kw e tem como propulsor um motor de 10 hp. Determine a eficiência do gerador. 39
40 Aula Prática 03: Inversão de rotação de um motor trifásico Introdução: Sistemas elétricos de corrente alternada exigem o conhecimento prático dos tópicos fundamentais, desenvolvendo no profissional habilidades de execução e conferência de serviços realizados. Para desenvolvermos estas habilidades, começaremos exercitando essa prática com o KIT CMD Rack de comandos elétricos. Objetivos: Compreender o acionamento de uma partida direta com reversão sem a passagem obrigatória pelo desliga (S0). Material Necessário: botoeira com contato tipo NF (S0), botoeira com contato tipo NA (S1), botoeira com contato tipo NA (S2), contator 220 VAC (k1), contator 220 VAC (K2), sinaleiro 220 VAC (H1), sinaleiro 220 VAC (H2), relé térmico, disjuntor bipolar, disjuntor motor, motor trifásico, Cabos para a conexão, KIT CMD Rack de Comandos Elétricos, multímetro. Obs.: todas as atividades abaixo devem ser executadas no KIT CMD Rack de comandos elétricos. Não é permitida a energização do rack sem a verificação e autorização do professor. 1 - Possuo uma tensão de 220 VAC e preciso acionar um motor trifásico, como realizar a ligação? Execute a ligação correspondente. 2 - Desenvolver um acionamento que faça a inversão de rotação de um motor trifásico ligado em 220 VAC sem a necessidade de se pressionar a botoeira S0 para parar o sentido atual da rotação
41 Resumo Nesta aula você aprendeu todas as informações que se refere a geradores de corrente alternada, seu princípio de funcionamento, aplicações e características elementares. Aula 4 - Motor Síncrono e Motores Trifásicos de Indução de Corrente Alternada Objetivos Compreender o princípio básico do motor síncrono e o motor de indução CA e a importância da sua aplicação. Estudar os conceitos básicos e características elementares Introdução Um motor síncrono tem como uma de suas aplicações o controle do fator de potência, absorvendo potência reativa da rede, e tem a vantagem de simultaneamente poder acionar uma carga no eixo. Caracteriza-se por ter a mesma velocidade de rotação do campo girante da armadura em regime permanente e por não possuir conjugado de partida. Na prática, é comum realizar a partida de um motor síncrono como se fosse um motor assíncrono e posteriormente excitar o indutor, alimentando o enrolamento de campo com corrente contínua de forma a sincronizá-lo. cronos-artigo-tecnico-portugues-br.pdf 41
42 4.2 - Operação e Funcionamento Esta máquina síncrona possui dois tipos de enrolamento, o enrolamento trifásico no estator e o enrolamento com corrente contínua no rotor. Para o funcionamento como motor temos que aplicar uma tensão trifásica ao estator, responsável pela geração de um campo girante que possui velocidade de acordo com o número de polos do enrolamento e com a frequência de alimentação. No enrolamento do rotor é aplicada uma tensão CC para que seja gerado um campo magnético constante que acompanhará o campo magnético girante, conforme você pode observar na figura a 4.1. Figura Operação e Funcionamento O motor síncrono é incapaz de atingir a velocidade síncrona partindo da inércia, sob carga, sem procedimentos auxiliares para a partida, pois os dois polos formados no rotor não conseguem acompanhar a velocidade do campo magnético girante trifásico no estator. Uma forma de solucionar o problema da limitação do motor síncrono na partida é realizar o acoplamento junto ao motor auxiliar e realizar o desacoplamento a 90% da velocidade do campo girante, pois a partir desse momento o motor síncrono conseguirá buscar a sincronia com o campo magnético no estator. Figura Limitação na Partida O fornecimento de potência reativa capacitiva à rede (capacitor) é realizado elevando a corrente de excitação do rotor de forma que o campo gerado nele seja maior do que o necessário para que o rotor acompanhe o campo girante. Para que seja absorvida a potência reativa indutiva da rede (indutor), o motor síncrono deve ser sub excitado, já que necessitará desse tipo de potência para manter o rotor em sintonia com campo girante
43 Podemos utilizar como exemplo o triângulo das potências, em que potência reativa capacitiva é fornecida por capacitores e a potência reativa indutiva é gerada pelas máquinas indutivas. Confira na figura a seguir. Figura Triângulo das Potências A potência aparente é resultado da soma vetorial da potência ativa com a reativa e pode ser determinada multiplicando a corrente medida com a tensão aplicada. 4.3 Servomotor Um servomotor é uma máquina síncrona com características especiais de torque, velocidade e posicionamento. Apresenta ótimas características de torque e excelente possibilidade de posicionamento, sendo utilizado em aplicações nas quais seja necessário o controle da rotação/posicionamento do eixo. O servomotor possui um enrolamento trifásico no rotor especialmente projetado para conferir características especiais de velocidade, torque e posicionamento, não sendo possível ligar esse enrolamento a uma rede trifásica convencional, apresenta também uma configuração diferente das demais máquinas síncronas. O rotor é composto de diversos imãs permanentes e em uma de suas extremidades é instalado um gerador de sinais que tem o objetivo de fornecer parâmetros para a velocidade e o posicionamento. Para o acionamento do servomotor é necessária a utilização de um servoconversor, painel eletrônico e controle/ajustes de variáveis do servomotor. O circuito elétrico que pode ser utilizado como referência para a instalação de um servomotor é apresentado na figura a seguir: Figura Instalação de um Servomotor 43
44 4.4 - Motores Trifásicos de Indução de Corrente Alternada Máquinas e Equipamentos Elétricos O motor elétrico é uma máquina com a capacidade de converter energia elétrica em energia mecânica, como você pode acompanhar na figura 4.5. Figura Transformação de Energia no Motor A energia mecânica é utilizada no acionamento de diversos tipos de máquinas e equipamentos, principalmente na aplicação industrial, podendo-se citar as seguintes aplicações: manipulação e transporte de cargas, processamento de materiais e transporte de fluidos. Compressores, ventiladores, exaustores e bombas (água e óleo) são exemplos de aplicações para transporte de fluidos. Tornos, fresas, prensas, lixadeiras, extrusoras e injetoras são exemplos de aplicações para processamento de materiais. Elevadores, pontes rolantes, esteiras, guindastes, talhas, trens e carros elétricos são exemplos de aplicações para a manipulação e o transporte de carga O motor elétrico CA é a máquina mais largamente utilizada nos setores da indústria, comércio, meio rural, comercial e residencial. Os motores de indução CA podem ser divididos em síncronos e assíncronos, o motor CA assíncrono é também chamado de motor de indução, pois como os transformadores, seu princípio de funcionamento está estruturado na indução eletromagnética. O nível de tensão de alimentação desses motores geralmente está relacionado com a potência a ser acionada pelo equipamento. Portanto, podem ser fabricados para aplicações que exijam altas potências (milhares de quilowatts) em que suas tensões possam ser superiores a V e podem ser fabricados para aplicações com potências reduzidas (frações de quilowatts) onde, usualmente, utilizam-se baixas tensões, cerca de 440 V. Inicialmente daremos maior ênfase aos motores trifásicos assíncronos que são amplamente utilizados por possuírem diversas vantagens tais como: facilidade de manutenção, grande confiabilidade e atender a maioria dos torques de partidas para as mais diversas aplicações. A utilização em grande escala de motores elétricos se deve também à sua relação com o tipo de energia uti lizada (energia elétrica), considerada uma energia limpa e de baixo custo. Estima-se que cerca de 40% da energia elétrica consumida no país é destinada ao acionamento de motores elétricos em geral, os demais responsáveis pelo consumo de energia são essencialmente processos eletroquímicos, aquecimento e iluminação
45 Na figura 4.6 você conhecerá os diversos tipos (configurações) de motores elétricos. Figura Universo tecnológico em motores elétricos Visão Geral A produção dos motores trifásicos assíncronos é realizada de acordo com normas estabelecidas por algumas instituições em diversos países. A normalização se faz necessárias para que haja uma padronização dos mais diversos fabricantes. Entre as instituições de normalização, pode-se citar: 45
46 A ABNT determina que as seguintes normas devem ser seguidas por parte dos fabricantes de motores: Alguns fabricantes dividem os motores em grupos com características distintas. O primeiro grupo é o dos motores totalmente fechados com ventilação externa, para tanto, é necessário que o mesmo possua carcaça aletada. São fabricados com potências até aproximadamente 600 cv e geralmente são fabricados com 2, 4, 6 e 8 polos com tensão de linha 220 V, 380 V ou 440 V, com 3, 6, 9 ou 12 terminais para uma frequência de 60 Hz (NASCIMENTO JR., 2008). Seus projetos deverão atender as normas NBR 7094, NBR 5432, NBR 5383 e NBR Geralmente, os motores pertencentes a este grupo possuem uma caixa de ligação onde é realizada a conexão dos terminais do motor com a rede e uma caixa de ligação auxiliar onde é realizada a conexão dos acessórios (sensores de temperatura para alarme e desligamento e resistências de aquecimento). Existe ainda o grupo dos motores à prova de explosão, em que sua aplicação é destinada a ambientes de risco com possível presença de gases inflamáveis onde apenas uma faísca pode gerar uma explosão. Seu principal diferencial está na carcaça reforçada e na garantia da vedação entre os componentes (tampas, carcaças, caixas de ligação, anéis, etc.), para tanto, o critério para aceitação destes motores se torna bastante rígido. É importante salientar que eletricamente este motor não possui especialidades em relação aos demais motores. Outro grupo de motores são os motores de alto rendimento, que têm como principal característica a redução de perdas. Essa redução de perdas se deve a um grupo de fatores tais como: sistema de ventilação mais eficiente, materiais magnéticos de melhor qualidade e projetos mais refinados. O mercado vem exigindo cada vez mais equipamentos que apresentem maior eficiência energética e, embora mais caros, os motores de alto rendimento se tornam interessantes economicamente a médio prazo pela redução de seus custos operacionais (menor consumo de energia). Outro pequeno grupo é o dos chamados motores fracionários, que possuem carcaça lisa, ventilação externa, são abertos e apresentam 3 ou 6 terminais Aspectos construtivo Carcaça Estruturalmente as carcaças suportam o conjunto estator-rotor, podem ser abertas ou totalmente fechadas. Se totalmente fechadas, devem possuir aletas para auxiliar na dissipação de calor do motor. Podem ser fabricadas em alumínio, em aço ou em ferro fundido (mais comumente uti lizada por apresentar uma boa relação entre resistência estrutural e custo)
47 As carcaças abertas são geralmente fabricadas em aço e não possuem aletas. São complementadas pelas tampas traseiras e dianteiras que para algumas aplicações são substituídas por flange para a fixação do motor (veja na figura a seguir), nessas tampas estão os assentos dos rolamentos para a sustentação do rotor. Figura Flanges com Furos Rosqueados, Flanges com Furos Passantes Geralmente as caixas de ligação são fixadas na carcaça que podem ser posicionadas lateralmente ou no topo, os cabos do motor passam por um duto de passagem existente na carcaça para que sejam disponibilizados dentro da caixa de ligação para futura conexão com a rede elétrica. A padronização da carcaça é normalizada pela NBR A carcaça também tem a função de invólucro do motor, a necessidade do grau de proteção varia de acordo a aplicação e está relacionada com o ambiente onde o equipamento irá atuar. Por exemplo, um motor atuando em um ambiente aberto deverá apresentar um grau de proteção superior a um motor que atua em um ambiente fechado. Motores de indução normais geralmente são fabricados com os seguintes graus de proteção. IP54 proteção completa contra toque e contra acúmulo de poeiras nocivas (5). Proteção contra respingos de todas as direções (4). Utilizados em ambiente com muita poeira. IP55 proteção completa contra toque e contra acúmulo de poeiras nocivas (5). Proteção contra jatos de água em todas as direções (5). Utilizados em equipamentos que sofrem frequentemente a ação de jatos de água a limpeza. IP(W)55 equivalente ao IP 55, porém protegidos contra chuvas e maresias, utilização em locais abertos. Os motores abertos geralmente são fabricados com grau de proteção IP21, que segundo a NBR 6146 são protegidos contra toque com os dedos e contra corpos estranhos sólidos com dimensão acima de 12 mm (2) e proteção contra respingos na vertical (1) Estator e Rotor Nos motores normais os rotores são do tipo gaiola de esquilos (veja a figura a seguir), os rotores e os estatores constituem o núcleo magnético do motor. Figura Rotores Gaiolas 47
48 Os estatores e os rotores possuem chapas laminadas e alinhadas, formando um pacote de chapas, conforme figura 6.5, que possuem ranhuras internas nas quais é injetado o alumínio (rotores) e é realizada a inserção das bobinas (estatores). Figura Rotores Gaiolas A chapa é composta por um aço com baixo teor de carbono, O rotor do tipo gaiola de esquilos é um conjunto de barras curto-circuitadas nas duas extremidades, ficando muito parecido com uma gaiola, razão pela qual recebeu este nome. Figura Gaiola O eixo do motor atravessa o núcleo magnético e é fixado ao mesmo ficando apoiado aos rolamentos que por sua vez são apoiados nas tampas e fixados por anéis. Um corte esquemático do motor pode ser analisado na figura a seguir. Figura Motor Assíncrono de Rotor Gaiola Existe ainda o chamado rotor bobinado, que possui enrolamentos semelhantes aos do enrolamento do bobinado do estator em substituição às barras, o acesso aos terminais desse enrolamento é feito por meio de um conjunto de anéis/escovas de grafite Princípios de Funcionamento Um campo magnético é criado quando uma bobina é percorrida por uma corrente elétrica e a orientação do mesmo será conforme o eixo da bobina, sua amplitude será proporcional à corrente aplicada. Figura Princípio de Funcionamento
49 Podemos verificar na figura anterior que um enrolamento trifásico é formado por três enrolamentos monofásicos deslocados angularmente entre si em 120. Alimentando o equipamento com um sistema trifásico de correntes I1, I2 e I3, cada uma das correntes criará seu campo magnético H1, H2 e H3, que por sua vez também serão deslocados angularmente entre si em 120. Figura Sistema Trifásico Equilibrado A cada instante a somatória de todos os campos gerados H1, H2 e H3 cria um campo resultante H, apresentado na parte inferior da figura a seguir. Pode-se observar que a amplitude do campo H permanece constante ao longo do tempo e sua direção segue um movimento rotacional. Dessa forma, podemos concluir que para o motor com o enrolamento trifásico o campo magnético H é girante, e esse campo girante induz tensões na barra do rotor que geram corrente e como consequência é gerado um campo no rotor de polaridade oposta à do campo girante Figura Somatória dos Campos 49
50 Em decorrência da atração entre os campos girantes opostos do estator e do rotor, o rotor tende a acompanhar esse campo, gerando um conjugado que faz com que o motor gire, acionando a carga Velocidade Síncrona (ns) A velocidade síncrona de um motor é definida como a velocidade de rotação de um campo girante, e é dependente de dois fatores: frequência da rede (f), dada em hertz e do número de pares de polos (p). Construtivamente os enrolamentos podem possuir um ou mais pares de polos que se encontram sempre alternadamente dispostos no enrolamento. A cada ciclo o campo magnético girante percorre um par de polos, assim, a velocidade do campo é dada pela expressão: Equação 4.1 Para que exista a formação de pares de polos, o número de polos deverá ser sempre par. Para as polaridades e frequências mais usuais, temos as seguintes velocidades síncronas: Escorregamento(s) Quadro Rotações síncronas Considerando que o rotor esteja girando na velocidade constante de n rpm no mesmo sentido que o campo girante do estator, sendo ns rpm a velocidade síncrona do campo de estator, dada pela equação 4.2. A diferença entre a velocidade síncrona e a velocidade do rotor é citada usualmente como escorregamento do rotor. O escorregamento é geralmente definido como uma fração da velocidade síncrona
51 Quando um motor gira com uma velocidade diferente da velocidade do campo girante (velocidade síncrona), circularão correntes induzidas no rotor, quanto maior a carga maior será o conjugado necessário para acioná-la. A obtenção de um maior conjugado pode ser conseguida aumentando a diferença entre as velocidades do rotor e do campo girante no estator para que os campos gerados e as correntes induzidas sejam maiores. Na condição do motor trabalhando a vazio (sem carga), o mesmo apresentará uma rotação muito próxima à rotação síncrona. A frequência da corrente induzida no rotor é dada pelo produto da frequência da corrente no estator pelo escorregamento. Com a aplicação de uma carga ao rotor, ocorre a redução da velocidade com o consequente aumento do escorregamento, da frequência da corrente no rotor e da sua força eletromotriz induzida. Com o aumento da corrente induzida no rotor, tem-se um aumento na corrente primária no estator com melhor fator de potência produzindo maior potência mecânica e exigindo maior potência da rede. A condição de equilíbrio entre o torque gerado pelo motor e o torque resistente da carga ocorre quando o motor está à plena carga. O fator de potência varia de 0,8 em motores de baixas potências, próximas a 1 cv, para cerca de 0,95 para motores de maiores potências, acima de 150 cv. Com cargas acima da plena carga, o fator de potência se aproxima de um máximo e então decresce rapidamente. Os caminhos do conhecimento são muitos, você já trilhou alguns nesta caminhada, agora é hora de estudar os circuitos, acompanhe Circuito Equivalente Para determinar as características de operação do motor de indução trifásico e sua influência na rede elétrica, é necessário representar os parâmetros do motor por meio de circuito elétrico equivalente. Considerando o motor elétrico uma carga equilibrada, o mesmo pode ser representado apenas por uma fase, ficando subentendido que as tensões e as correntes nas demais fases podem ser obtidas por um simples deslocamento adequado da fase, 120 para motores trifásicos. O circuito equivalente nos possibilita analisar as perdas no cobre e no ferro, potência mecânica, conjugado, corrente no estator, assim como demais fatores. O circuito equivalente do motor é muito parecido com o circuito equivalente do transformador, visto anteriormente. Sendo: E 2 = tensão induzida por fase quando o rotor está bloqueado; X 2 = reatância de dispersão por fase ; R 2 = resistência do rotor por fase. 51
52 A corrente do rotor por fase I para qualquer velocidade é dada por: 2 Equação 4.3 Considerando a indutância X1 e a resistência R1 do estator, o efeito transformador do motor e a impedância do rotor, pode-se determinar o circuito equivalente por fase, como podemos observar na figura a seguir. Os parâmetros X1 e R1 são respectivamente a reatância, devido à dispersão do estator, e a resistência do mesmo. Figura Circuito Equivalente por Fase do Motor Para o circuito equivalente com todos os parâmetros no primário, deve ser adicionada uma resistência que represente as perdas no ferro (Rf) e uma indutância de magnetização Xf. Confira a figura a seguir. Figura Circuito Equivalente por Fase Refletido no Estator Uma fração da potência transferida ao rotor R2r/s é dissipada nas barras do rotor por Efeito Joule e a outra parte é dissipada no núcleo magnético pelas perdas no ferro, histerese e correntes parasitas. Existem ainda as perdas mecânicas que se concentram principalmente nas perdas relacionadas ao sistema de ventilação e as perdas nos rolamentos. Utiliza-se a equação abaixo para separar as perdas de natureza elétrica da potência total transferida ao rotor
53 Equação 4.4 Sendo que R2r são todas as perdas de natureza elétrica do rotor e as demais variáveis a potência mecânica total. Subtraindo-se as perdas por ventilação e atrito, obtém-se a potência mecânica útil e assim o circuito equivalente passa a ser conforme apresentado na figura a seguir. Figura Circuito Equivalente (Forma Alternativa) Pode-se verificar que com o rotor bloqueado, ou seja, com s = 1 a resistência variável se torna igual a zero, portanto, um curto. Para o caso em que o rotor esteja na velocidade síncrona, ou seja, com s = 0 a resistência variável seria infinita, fazendo com que o circuito fique aberto. Essas situações não têm sentido prático Obtenção dos Parâmetros do Circuito Equivalente A determinação dos parâmetros do circuito equivalente é realizada por meio do ensaio em vazio e do ensaio com o rotor bloqueado. O ensaio em vazio é realizado sem acoplamento de carga no motor, sendo assim o escorregamento se torna muito próximo de zero (s 0), pois sua velocidade de rotação fica muito próxima da velocidade síncrona. Deve-se considerar que embora sem acoplamento de carga externa, incidirá uma pequena carga mecânica decorrente do sistema de ventilação e dos atritos mecânicos da própria máquina. O ensaio em vazio nos motores equivale ao ensaio em circuito aberto nos transformadores. No ensaio com o rotor bloqueado o escorregamento é igual a 1, e a resistência variável, conforme você acompanhou na figura anterior, equivale a um curto-circuito. O ensaio com rotor bloqueado nos motores equivale ao ensaio de curto-circuito nos transformadores. Visando simplificar a determinação dos parâmetros elétricos, por meio do ensaio em vazio e do ensaio com o rotor bloqueado, pode-se realizar algumas alterações no circuito obtendo o circuito demonstrado na figura a seguir. 53
54 Figura Circuito Equivalente Aproximado As alterações realizadas junção das reatâncias indutivas do rotor e do estator e junção das resistências ôhmicas dos mesmos geram pequenos erros, os quais se tornam aceitáveis para uma avaliação operacional Ensaio em Vazio No ensaio em vazio, é aplicada a tensão nominal do motor e monitoradas as correntes (A) em cada fase com o auxílio do amperímetro, as tensões (V) em cada fase com o auxílio do voltímetro e as potências ativa (kw) e reativa (kvar) com o auxílio do wattímetro. Sendo neste ensaio a rotação do motor muito próxima à rotação síncrona, conforme citado anteriormente, temos o escorregamento muito baixo (s 0). Considerando que toda a corrente flua pelo ramo central, pode-se determinar Rf e Xf pelas equações a seguir: Para essas condições de ensaio podemos considerar que Rf inclui todas as perdas no ferro e perdas mecânicas (atrito e ventilação) e Xf todo efeito de magnetização Ensaio com o Rotor Bloqueado É realizado aplicando-se uma tensão reduzida nos terminais do motor com eixo bloqueado sem que a corrente atinja o seu valor nominal. A resistência variável é anulada, pois para esta situação (S = 1). Nessas condições, em decorrência da baixa tensão, as perdas no ferro e a magnetização são desprezíveis e não existem perdas rotacionais (motor bloqueado. A reatância de dispersão global (X) e a resistência ôhmica global (R) são determinadas por:
55 A medida da tensão (V) por fase é realizada por meio de um voltímetro, a corrente (A) por fase é realizada por meio do amperímetro e as potências ativas (kw) e reativa (kvar) são obtidas por meio de um wattímetro. É realizada a medida da resistência ôhmica por fase da bobina do estator (R1) e R2r é obtido pela relação: 4.12 Métodos de partida Na partida, os motores de indução trifásicos de rotores gaiola podem apresentar correntes até nove vezes sua corrente nominal. Na partida a corrente fica muito elevada, podendo causar danos à rede e interferências em outros equipamentos ligados à mesma. Existem sistemas/dispositivos que têm por objetivo a redução do nível de tensão durante a partida e por consequência a redução do nível de corrente. É importante garantir que com a redução de tensão e consequente redução do conjugado de partida o motor consiga realizar a aceleração da carga, pois caso contrário, teremos a situação de rotor bloqueado, o que pode causar danos ao equipamento. Os sistemas mais comumente utilizados são: Chave estrela-triângulo; Chave série-paralelo; Chave compensadora e partida eletrônica (soft-starter). A seguir você conhecerá em detalhes cada um dos sistemas Partida com chave estrela-triângulo (Y-Δ) Na partida com chave estrela-triângulo é necessário que o motor possibilite a ligação em duas tensões diferentes, ou seja, em 220/380 V, 380/660 V, 440/760 V. Para a realização da ligação estrela-triângulo o motor deve possuir no mínimo seis cabos de ligação e a curva de conjugado do motor deve ser elevada o sufi ciente para a aceleração da máquina, pois com tensão reduzida o conjugado de parti da do motor pode sofrer uma redução de até 33%. O conjugado resistente da carga não deve ser maior do que o conjugado de partida do motor. Figura Corrente e conjugado para partida estrela-triângulo 55