APLICAÇÃO DE MOTORES TRIFÁSICOS EM EQUIPAMENTOS TRACIONÁRIOS MOVIDOS À BATERIA. Resumo - PDF
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Davi Almada Coradelli
1 27 a 29 de Novembro de Joinville SC APLICAÇÃO DE MOTORES TRIFÁSICOS EM EQUIPAMENTOS TRACIONÁRIOS MOVIDOS À BATERIA 1 Autor: Edson Bertholdi - Senai SC, Joinville Norte 1 Resumo Este artigo tem o objetivo de esclarecer e evidenciar as vantagens da aplicação de motores trifásicos de corrente alternada na substituição dos motores de corrente contínua, especialmente aplicados em equipamentos tracionários que utilizam baterias como fonte de energia. Estes equipamentos estão há muitos anos presentes nas indústria e nos últimos anos também estão sendo utilizados nas lojas, supermercados e até em carrinhos de golf, devido á sua eficiência e facilidade de operação. Palavras chave: Motor estator - conversor - tracionário trifásico. Abstract This article aims to clarify and highlight the advantages of the application of three-phase motors AC replacement of DC motors, especially applied in lifting and transport equipment using batteries as a power source. These equipments are present for many years in the industry and in recent years are also being used in stores, supermarkets and even golf carts due to its efficiency and ease of operation. Keywords: Motor - stator - converter - lifting - three phase. 1 Edson Bertholdi - Bacharel em Sistemas de Informação, Técnico em eletrônica e Professor do curso técnico Eletrotécnica e Mecatrônica do Senai
2 Motor elétrico O motor elétrico é uma máquina que objetiva transformar energia elétrica em energia mecânica, sendo o tipo mais comum de motor utilizado por ter as vantagens da utilização da energia elétrica (baixo custo, fácil transporte, limpeza e facilidade de operação), construção simples e por isso barata, grande versatilidade de adaptação às cargas e o melhor rendimento (MOTOR ELÉTRICO, 2009). Também é sem dúvida o tipo de motor mais presente tanto na indústria quando no dia a dia das pessoas. Para atender as diferentes aplicações, o motor elétrico tem evoluído, assim como os acionamentos, em especial conversores e inversores de frequência; contudo podemos dividi-los basicamente em duas categorias: os motores de corrente contínua e os motores de corrente alternada, que tem particularidades que os diferenciam não só quanto ao tipo de construção, mas consequentemente também quanto ao tipo de controle. Segundo Franchi (2008, p.15) o acionamento de máquinas e equipamentos mecânicos por motores elétricos é um assunto de grande importância econômica,... avalia-se que de 70 a 80% da energia consumida pelo conjunto de todas as indústrias seja transformada em energia mecânica por motores elétricos. A partir daí, se faz necessário aplicar e utilizar de forma a otimizar os recursos possibilitados por estes acionamentos. Motor CC O motor de corrente contínua, mais comunmente chamado de motor CC, caracteriza-se por ser acionado eletricamente por uma fonte de corrente contínua, normalmente controlada através de um comutador simples (chave ou rele), ou por um conversor CA/CC. É uma máquina com custo relativamente alto para ser instalado, visto que a tensão fornecida pelas distribuidoras é normalmente na forma alternada (CA), sendo obrigatória a utilização de um conversor. Este tipo de motor tem uma construção substancialmente mais cara que o motor CA, devido ao fato de ser composto por um sistema de bobinas no rotor (parte girante), chamado de armadura ou induzido, que é alimentado através de um conjunto de escovas que deslizam sobre o coletor. Alem disso, ele possui outro sistema chamado de campo, instalado no estator (parte estática), que em motores menores, são basicamente imãs permanentes, e em motores maiores são bobinas que deverão ser alimentadas, a fim de referenciar a armadura. Em compensação o motor CC apresenta relativa facilidade para ser controlado; se observarmos o tipo de sistema eletrônico necessário para
3 controlar sua velocidade, que em geral se faz aumentando ou diminuindo a tensão de alimentação da armadura. Porém uma particularidade sua é que diminuindo a tensão aplicada no campo (nos motores que possuem bobina de campo), sua velocidade aumenta, tendendo inclusive em valores muito baixos a disparar. Figura 1: Motor de corrente contínua: porta escovas à esquerda, armadura e coletor à baixo, estator e campo à direita. A facilidade de controlar a sua velocidade, com circuitos inclusive de baixa complexidade, é que propiciou para este tipo de motor por muito tempo, a exclusividade na indústria, em equipamentos que precisam de um controle preciso de velocidade. Além disso, alguns casos específicos que exigem torque elevado na partida em especial, os motores CC são bem aplicados ainda, já que a maioria dos acionamentos para motores de corrente alternada não propicia um torque elevado em baixíssimas velocidades. Motor CA O motor de corrente alternada também comunmente conhecido como motor CA, pode ser dividido geralmente em duas categorias: - Os monofásicos que são alimentados basicamente por fase e neutro, ou por duas fases (ligados como se estivessem conectados em fase e neutro no caso da sua tensão monofásica da placa ser igual à tensão trifásica da rede). Esse tipo de motor em uma eficiência relativamente menor que os motores trifásicos, além de custarem um pouco mais caro, devido ao fato de possuírem um conjugado responsável pela partida do motor: capacitor, platinado e bobinas auxiliares. - Os trifásicos que são alimentados basicamente por três fases defasadas 120, ligados diretamente na rede trifásica através de acionamentos simples (fusíveis, contatores, chaves de partida, disjuntores entre outros), ou
4 através de inversores de frequência. Existe também outras formas de ligação para esse tipo de motor em rede monofásica com o auxílio de capacitor, mas que devido à grande maioria das indústrias terem sua rede de alimentação trifásica, esse tipo de ligação não costuma ser utilizado. Os motores CA trifásicos com rotor em gaiola de esquilo, (essa especificação se deve ao tipo de construção do rotor), são o tipo de motor mais utilizado na indústria, principalmente por ser o motor com melhor aplicabilidade, também sendo o tipo de motor mais barato. Figura 2: Motor trifásico: à esquerda o estator bobinado e à direita o rotor em gaiola de esquilo. De acordo com Carvalho (2011, p. 187): O motor trifásico com gaiola possui, basicamente, um estator com enrolamento trifásico e um rotor gaiola de esquilo. O enrolamento é responsável pelo campo girante, o rotor gaiola sofre indução do campo e tenta acompanhar [...]. É claro que ele possui outros componentes também: rolamentos, caixa de ligação, parafusos entre outros. CC Vantagens da utilização de motor CA em comparação com o motor Segundo Franchi (2009, p.19), os motores de corente alternada oferecem muitas vantagens em relação aos motores de corrente contínua: - Custo reduzido na aquisição, propiciando uma possibilidade maior de estoques estratégicos para a manutenção; - Oferece maior rendimento proporcionando redução no consumo de energia;
5 - Menor aquecimento do motor, inclusive algumas vezes eliminando a necessidade de sistemas de ventilação forçada; - Redução nos custos de manutenção, pois ele possui menos componentes na sua fabricação, (os motores CC possuem enrolamento de campo e armadura, escovas comutadoras, coletor entre outros) ocasionando um custo maior de manutenção, os motores CA são bem mais simples; - Caso seja necessário rebobinar, os motores CC trazem resultado inferior ao CA, pois o desempenho de um motor rebobinado não corresponde ao original; - O número de empresas capacitadas e habilitadas para trabalhar com motor CA é consideravelmente maior que as que trabalham com motor CC; - Grande disponibilidade de fornecedores de motores CA, em relação aos de motores CC, facilitando sua aquisição e venda; - Os motores CA são menores que os motores CC, se compararmos motores da mesma potência; - Há uma melhor padronização dos motores CA, isso com relação à potência, tamanho, e características técnicas; - Podem ser utilizadas chaves de partida convencionais (direta, estrelatriângulo, entre outras); Figura 3: Comparativo entre um motor CA de 1,5KW e um motor CC de 0,5 KW, ambos com as demais características semelhantes. Atualmente para controle de velocidade, os sistemas CA, (inversor de frequência), são bem mais simples de serem utilizados, e permitem um melhor aproveitamento de energia, tem mais recursos de automação, facilidade de programação e operação, entre outras vantagens:
6 - Possibilidade de integração por redes industriais de comunicação; - É possível trabalhar com uma velocidade acima da nominal do motor, é claro que para cada caso essa sobrevelocidade tem que ser analisada e calculada; - Melhor controle, pois o inversor de frequência vetorial permite estabilidade na operação, mesmo sem a utilização de encoder, (nos motor CC é impossível o controle sem a utilização de taco- gerador ou encoder. Ainda sim, o inversor de frequência em conjunto com o encoder permite precisão no acionamento bem superior ao controle em corrente contínua ; - Utilização de recursos de um inversor de frequência, que não estão disponíveis em conversores CC, como por exemplo proteção contra curtocircuito, falta de fase, fuga ao terra, entre outros. Há muitos anos, os motores CA são aplicados sempre que se precisa de uma velocidade fixa, a um excelente custo benefício e onde está disponível um sistema de alimentação de corrente alternada, claro que onde é utilizado um sistema de alimentação em corrente contínua, por exemplo, nos carros são utilizados motores CC. Contudo, não era possível utilizar os motores de corrente alternada onde havia necessidade de controle de velocidade, isso devido à falta de tecnologia aplicável e eficiente para atender de forma satisfatória em comparação aos acionamentos CC. Mas como a necessidade de acionamentos mais eficazes fez com que a busca por tecnologias de controle e chaveamento providenciasse soluções e ocorresse o aprimoramento dos inversores, atendendo com ganhos expressivos as aplicações onde haviam motores de corrente contínua. Substituição dos motores CC por motores AC em equipamentos movidos à bateria Algumas aplicações para os motores trifásicos ainda estão sendo exploradas e aprimoradas a fim de atender outros mercados não tão expressivos, pelo menos a nível nacional, mas com grande potencial, como por exemplo o dos veículos tracionários (empilhadeiras e rebocadores elétricos), que na grande maioria ainda utiliza motores de corrente contínua. Estes equipamentos estão muito presente dentro das indústrias e comércios, e podem ser divididos em dois grandes grupos: - Máquinas à combustão, movidas por um motor que funciona queimando gás ou combustível, geram resíduos pela queima, produzem sons
7 desagradáveis, e consomem energia (combustível) mesmo estando parados. Em alguns lugares estes motivos vetam sua utilização; - Máquinas à bateria, movidas por um motor elétrico, não geram resíduos, são extremamente silenciosas, quando paradas não consomem energia. Podem trabalhar na maioria dos locais por estes motivos. Figura 4: Equipamento tracionário, comunmente conhecido como rebocador elétrico. A implementação de equipamentos que utilizam motores trifásicos ao invés de motores de corrente contínua, além de muito mais barata, como visto anteriormente, tem benefícios ainda maiores se analisarmos que para uma mesma potência, se baixarmos a tensão, precisamos então de uma corrente proporcionalmente maior, (Lei de Ohm): Ou então: Onde: P = U. I I = P : U P = Potência em Watts; U = Tensão em Volts I = Corrente em Amperes; Através destas fórmulas pode-se compreender que ao utilizar um motor de corrente contínua em equipamentos tracionários, tem-se um desgaste ainda maior do coletor e consequentemente das escovas, serão necessárias mais intervenções para manutenção, principalmente para limpeza destes componentes, e ainda constantes problemas de mau contato ocasionado pela vibração que o equipamento sofre por ação de desconformidades no piso.
8 Devido ao fato da tensão ser baixa, se não houver uma boa área te contato entre a escova e o coletor, o motor pode apresentar oscilações durante o trabalho, ou mesmo parar de funcionar. Nas figuras abaixo, podemos observar os principais problemas encontrados nos motores CC, aplicados em equipamentos tracionários: Figura 5: Sujeira gerada pelo desgastes das escovas, podendo ocasionar curto no coletor. Figura 6: Coletor desgastado pela ação do atrito com a escova e pelo excesso de corrente. Figura 7: Escova gasta pelo atrito com o coletor e pela ação da alta corrente elétrica. Estes problemas simplesmente não ocorrem em motores trifásicos quando empregados em equipamentos tracionários, por que não há existência de coletor e nem de escovas. Outro grande ganho que pode ser observado em especial nestes equipamentos, é a possibilidade de aumentar a velocidade além da nominal do motor. Em sistemas com motores CC, a velocidade máxima costuma ser
9 limitada pela tensão máxima da bateria, (a maioria deles utiliza ligação em série do campo com a armadura). Em sistemas que utilizam inversores e motores CA trifásicos, basta aumentar a frequência máxima de trabalho e é possível aumentar a velocidade do equipamento, é claro que devem ser observadas as características técnicas do motor para não prejudicar sua vida útil. Até o presente momento não há registros oficiais de fabricantes nacionais de motores trifásicos e nem de inversores para trabalharem em tensões baixas como 12, 24 ou 48 volts em corrente contínua, para motores de potência acima de 1 KW. Existem alguns fabricantes de máquinas tracionárias que já empregam essa tecnologia, que pode ser verificada (por exemplo) em rebocadores da Genkinger/Hubtex (marca registrada) da Alemanha. Esta empresa utiliza motores da Metalrota (marca registrada), e inversores de frequência da Zapi (marca registrada), ambas empresas Italianas. Figura 8: Inversor de frequência Zapi (marca registrada). Figura 8: Motor trifásico de baixa tensão Metalrota (marca registrada). Considerações finais Baseados no que observou-se no presente artigo, pode-se afirmar com convicção que são muitas as vantagens de se aplicar motores AC, e o simples
10 fato do custo inicial desse tipo de acionamento ser normalmente menor que a metade do preço de um acionamento CC, com a mesma capacidade, permite aos fabricantes de máquinas propiciar aos seu clientes um equipamento mais eficiente por um custo menor entre outras vantagens. Alguns fabricantes nacionais já estão em fase de testes e prometem em breve motores trifásicos e inversores de baixa tensão, para atenderem a demanda desse mercado. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CARVALHO, GERALDO. Máquinas Elétricas: Teoria e Ensaios. 3. ed. São Paulo: Érica, FRANCHI, Claiton Moro. Inversores de frequência: Teoria e aplicação. 2. ed. São Paulo: Érica, 2009 FRANCHI, Claiton Moro. Acionamentos elétricos. 4. ed. São Paulo, 2008 Motor elétrico: Guia básico. 1. ed. Eletrobrás [et al.]. Brasília: IEL/NC, 2009