MOTORES DE INDUÇÃO
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Trabalho Prático de Investigação MOTORES DE INDUÇÃO |
Junho 1998
Adaptado por Valdir Noll
Indíce_____________________________________________
1-Introdução
2-Motores Eléctricos E A Sua Importância
3-Tipos de motores eléctricos
4-Factores de selecção
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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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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O motor assíncrono tem actualmente uma aplicação muito grande tanto na industria como em utilizações domésticas, dada a sua grande robustez, baixo preço, arranque fácil (pode mesmo ser directo, em motores de baixa potência). Não possui colector (orgão delicado e caro) tratando-se de um gaiola de esquilo; não produz faíscas e tem portanto uma manutenção muito mais reduzida do que qualquer outro motor. É utilizado o motor monofásico para baixas potências (até 1 a 2 Kw) e o polifásico para potências superiores.
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:
9.1 - Motor de Pólos Sombreados
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
|
- 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