MOTORES AC
ELETROMAGNESTISMO
Autores:
Jullia Roza da Silva Gon¸calves
Luiz Fernando Costa Vieira
Maria Caroline Mendes
Orientador: Alexandre Dantas Dias
MONTES CLAROS, 4 DE NOVEMBRO DE 2019
Engenharia El´etrica 1Eletromagnetismo
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Motor de Corrente Alternada, Trabalhos de Máquinas Elétricas
Resumo sobre Motor de Corrente Alternada (CA).
Tipologia: Trabalhos
2020
1 / 18
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MOTORES AC
ELETROMAGNESTISMO
Autores:
Jullia Roza da Silva Gon¸calves
Luiz Fernando Costa Vieira
Maria Caroline Mendes
Orientador: Alexandre Dantas Dias
MONTES CLAROS, 4 DE NOVEMBRO DE 2019
Sum´ario
- 1 Introdu¸c˜ao
- 1.1 Conceitos b´asicos
- 1.2 Constitui¸c˜ao geral dos motores de corrente alternada
- 1.3 Princ´ıpio de Funcionamento Geral
- 2 Motor CA x Motor CC
- 2.1 Motor Monof´asico
- 2.2 Motor Bif´asico
- 3 Tipos de motores CA
- 3.1 Motor de Indu¸c˜ao
- 3.2 Princ´ıpio de funcionamento do motor de indu¸c˜ao trif´asico
- 3.3 Motor S´ıncrono
- 3.4 Princ´ıpio de funcionamento do motor s´ıncrono trif´asico
- 3.5 Tipos de excita¸c˜ao
- 4 Causas para falhas do motor el´etrico
- 5 Conclus˜ao
- 6 Bibliografia
1.1 Conceitos b´asicos
Antes de entender a estrutura e o funcionamento de um motor de cor- rente alternada, ´e preciso revisar alguns conceitos b´asicos para obter-se me- lhor aproveitamento a cerca do assunto abordado.
-Torque[N.m]: Tamb´em chamado de conjugado, nesse contexto o torque ´e a medida do esfor¸co necess´ario para girar um eixo, onde:
C = F.d (1)
F = For¸ca[N], d = distˆancia da aplica¸c˜ao da for¸ca [m].
- Rota¸c˜ao[rpm]: E o numero de giros do eixo do motor por uma uni-´ dade de tempo. A rota¸c˜ao normalmente ´e expressa em rota¸c˜oes por minuto (rpm), nesse contexto ´e chamada de velocidade s´ıncrona do motor, onde:
ns =
120 .f p
ns = velocidade s´ıncrona [rpm]; f = frequˆencia do estator ou da rede; p = n´umero total de polos do motor.
Como o padr˜ao brasileiro de frequˆencia ´e 60Hz, temos:
Tabela 1: Velocidades s´ıncronas para os diferentes n´umeros de polos Fonte: WEG cursos
- Escorregamento: Segundo WEG (2000, p. 23) ”O termo de escorrega- mento ´e usado para descrever a diferen¸ca entre a rota¸c˜ao s´ıncrona e a rota¸c˜ao efetiva na ponta do eixo do motor. Fatores como a carga ou at´e mesmo a varia¸c˜ao da tens˜ao da rede podem influenciar na rota¸c˜ao do motor.”Logo, sua f´ormula ´e reconhecida por:
S% =
ns − n ns
ns = velocidade s´ıncrona [rpm]; S(%) = Escorregamento; n = rota¸c˜ao por minuto nominal.
- Potˆencia: E a for¸^ ´ ca que o motor gera para movimentar a carga em uma determinada velocidade. Esta for¸ca ´e medida em HP (horsepower), cv(cavalo vapor) ou em kW (quilowatt).HP e cv s˜ao unidades diferentes de kW. Bertulucci (2016) tamb´em afirma que o termo cavalos de potˆencia ´e o produto da velocidade do eixo pelo torque, e caracteriza a sa´ıda de trabalho do motor. Para converter os valores das unidades de potˆencia temos a f´ormula abaixo :
Tabela 2: Convers˜ao unidades de potˆencia de polos Fonte: Universidade Est´acio de S´a.
1.2 Constitui¸c˜ao geral dos motores de corrente alter-
nada
Os principais constituintes de um motor de corrente alternada como mos- tra a figura 1 s˜ao:
Figura 1: Pe¸cas do motor Fonte: STRON Motores.
de controle da velocidade. Em motores CC, a velocidade varia com base na tens˜ao aplicada e essa rela¸c˜ao ´e relativamente linear, tornando o controle de velocidade e c´alculos bem mais simples. Assim, em um motor de corrente cont´ınua com alimenta¸c˜ao de 100V girando a 1000 rpm pode ter sua velo- cidade reduzida apenas mudando a tens˜ao de 100V para 50V por exemplo. J´a no motor el´etrico de corrente alternada, a velocidade ´e determinada pela frequˆencia da tens˜ao e corrente e a velocidade pode ser ajustada somente atrav´es de um variador de frequˆencia que ´e capaz de alterar a frequˆencia da potˆencia de entrada fornecida. Em geral, os motores CA s˜ao mais ba- ratos e mais utilizados em aplica¸c˜oes de velocidade fixa, enquanto que os motores de corrente cont´ınua s˜ao frequentemente preferidos pela sua simpli- cidade quando ´e necess´aria uma velocidade vari´avel. No ambiente industrial ´e muito usual aplica¸c˜oes com o motor el´etrico CA juntamente com o inversor de frequˆencia para varia¸c˜ao da velocidade. (BERTULUCCI, 2016).
2.1 Motor Monof´asico
Figura 2: motor de ventilador Fonte: Total Ar.
O motor monof´asico ´e um componente de baixa potˆencia. Por isso, ele ´e recomendado para equipamentos de menor porte, geralmente aqueles que trabalham com movimentos de rota¸c˜ao. Assim, s˜ao mais encontrados em re- sidˆencias, com´ercios e pequenas ind´ustrias. Entre os principais equipamentos que abarcam esse motor, podemos citar:
- ventiladores;
- bombas d’´agua;
- refrigeradores;
- furadeiras el´etricas;
- maquitas;
- impressoras;
- secadores de cabelo. De acordo com Rubens (2002) o motor monof´asico ´e um equipamento de baixa potˆencia. Ele recebe esse nome porque ´e alimentado apenas por uma ´unica fase de corrente alternada e ´e formado apenas por um conjunto de bobinas. Na pr´atica, ele usa a eletricidade de uma rede monof´asica para gerar energia mecˆanica. Seus enrolamentos de campos magn´eticos s˜ao geralmente conec- tados diretamente a uma fonte monof´asica. Assim, eles se distinguem dos motores trif´asicos, que utilizam trˆes bobinas para gerar a for¸ca girat´oria. Como qualquer outro motor, o monof´asico tem rolamento de cobre e um rotor n˜ao energizado, que ´e imantado, ou seja, tem polo negativo e outro positivo.
2.2 Motor Bif´asico
Figura 2: motor bif´asico Fonte: Motor Weg.
3.1 Motor de Indu¸c˜ao
Figura 4: Motor el´etrico de indu¸c˜ao trif´asico Fonte: WEG Cursos
O motor ass´ıncrono ou motor de indu¸c˜ao ´e o motor CA mais usado, por causa de sua simplicidade, constru¸c˜ao robusta, baixo custo de fabrica¸c˜ao e boas caracter´ısticas de funcionamento. Estas caracter´ısticas do motor de indu¸c˜ao resultam do fato de ser o rotor uma unidade autossuficiente que n˜ao necessita de conex˜oes externas. O nome do motor de indu¸c˜ao ´e derivado do fato de serem induzidas correntes alternadas no circuito do rotor, pelo campo magn´etico girante produzido nas bobinas do estator. A constru¸c˜ao do estator do motor de indu¸c˜ao ´e praticamente igual `a do es- tator do motor s´ıncrono, mas os seus rotores s˜ao completamente diferentes. O rotor do motor de indu¸c˜ao ´e um cilindro laminado, com ranhuras na su- perf´ıcie. Os enrolamentos colocados nessas ranhuras podem ser de dois tipos: O tipo rotor de gaiola e rotor bobinado (ou rotor enrolado).
Figura 5:Rotores
Fonte: IFRN
- Rotor de gaiola: Consiste de barras de cobre, de grande se¸c˜ao, unidas em cada extremidade por um anel de cobre ou de bronze. N˜ao h´a necessidade de isolamento entre o n´ucleo do rotor e as barras, porque as tens˜oes induzidas nas barras do rotor s˜ao muito baixas. O entreferro entre o rotor e o estator ´e muito pequeno, para se obter a m´axima intensidade de campo.
- Rotor bobinado: E envolvido por um enrolamento isolado semelhante ao enrolamento do es-^ ´ tator. Os enrolamentos de fase do rotor (trif´asico) s˜ao trazidos para o ex- terior atrav´es de trˆes an´eis coletores montados sobre o eixo do motor. O enrolamento do rotor n˜ao est´a ligado a nenhuma fonte de alimenta¸c˜ao. Os an´eis coletores e as escovas constituem simplesmente uma forma de se li- gar resistˆencias vari´aveis externas, em s´erie, com o circuito do rotor. As resistˆencias vari´aveis (uma para cada anel coletor) proporcionam um meio para aumentar a resistˆencia do rotor durante a partida, a fim de melhorar suas caracter´ısticas de partida. Quando o motor atinge sua velocidade nor- mal, os enrolamentos s˜ao curto-circuitados e o funcionamento passa a ser semelhante ao de um rotor de gaiola. As resistˆencias vari´aveis, tamb´em per- mitem controlar a corrente no rotor e a velocidade do motor.
3.2 Princ´ıpio de funcionamento do motor de indu¸c˜ao
trif´asico
O estator est´a ligado a fonte de alimenta¸c˜ao CA. O rotor n˜ao est´a li- gado eletricamente a nenhuma fonte de alimenta¸c˜ao. SCHUNEMANN (2016) afirma que quando o enrolamento do estator ´e energizado atrav´es de uma alimenta¸c˜ao trif´asica, cria-se um campo magn´etico girante. A medida que o campo varre os condutores do rotor, ´e induzida uma for¸ca eletromotriz nesses condutores ocasionando o aparecimento de uma corrente el´etrica nos condutores. Os condutores do rotor, percorridos por corrente el´etrica, inte- ragem com o campo magn´etico girante do estator para produzir um torque eletromagn´etico que atua sobre os condutores do rotor fazendo-o girar. En- tretanto, como o campo do estator gira continuamente, o rotor n˜ao consegue se alinhar com ele. A velocidade do rotor ´e sempre menor que a velocidade s´ıncrona (velocidade do campo girante). De acordo com a Lei de Lenz, qualquer corrente induzida tende a se opor `as varia¸c˜oes do campo que a produziu. No caso de um motor de indu¸c˜ao, a varia¸c˜ao ´e a rota¸c˜ao do campo do estator, e a for¸ca exercida sobre o rotor
dade de sincronismo, s˜ao designados por motores s´ıncronos, e distinguem-se dos motores ass´ıncronos pelo fato da excita¸c˜ao ser feita atrav´es de uma fonte externa de corrente cont´ınua, necessitando de an´eis e escovas para injetar corrente no rotor. Quando o motor atinge a velocidade de sincronismo, uma corrente alternada ´e aplicada aos terminais dos enrolamentos do estator; o motor de corrente cont´ınua funciona como gerador de corrente cont´ınua, ali- mentando a excita¸c˜ao do motor. Os motores s´ıncronos possuem caracter´ısticas especiais: -Alto rendimento
- Corre¸c˜ao do fator de potˆencia da rede;
- Altos torques;
- Velocidade constante nas varia¸c˜oes de carga;
- Baixo custo de manuten¸c˜ao. O motor s´ıncrono recebeu este nome porque o seu rotor gira com a mesma velocidade do campo magn´etico girante produzido no enrolamento trif´asico do estator (velocidade s´ıncrona).
3.4 Princ´ıpio de funcionamento do motor s´ıncrono trif´asico
O estator ´e energizado com uma tens˜ao CA trif´asica onde se produz um campo magn´etico girante e este atua sobre o rotor. O rotor do motor s´ıncrono ´e energizado com uma tens˜ao CC, se comportando como um ´ım˜a suspenso em um campo magn´etico que se move, procurando se alinhar com o campo magn´etico girante do estator. Quando o campo magn´etico gira, o rotor gira em sincronismo com o campo. Quando o campo magn´etico girante ´e forte, ele exerce uma intensa for¸ca de tor¸c˜ao sobre o rotor (torque ou conjugado), e este, portanto, se torna capaz de acionar uma carga. Se o rotor sair do sincronismo (se desacoplar magneticamente) n˜ao se desenvolve nenhum torque e o motor para. Assim, ou o motor s´ıncrono funciona `a velocidade s´ıncrona ou n˜ao funciona. A velocidade do campo magn´etico girante depende da frequˆencia da rede CA. Como a frequˆencia da rede ´e constante, os motores s´ıncronos s˜ao, na pr´atica, motores de uma ´unica velocidade. Eles s˜ao utilizados em aplica¸c˜oes que requerem velocidade constante desde a condi¸c˜ao em vazio at´e a condi¸c˜ao de plena carga. Observe que em um motor s´ıncrono, operando a velocidade s´ıncrona, n˜ao h´a for¸ca eletromotriz induzida no rotor, pois n˜ao h´a movimento relativo entre o campo girante e o rotor. No motor s´ıncrono n˜ao h´a varia¸c˜ao na quantidade das linhas de fluxo que cortam os condutores do rotor.
3.5 Tipos de excita¸c˜ao
De acordo com WEG (2000, p. 105) Os motores s´ıncronos necessitam de uma fonte de corrente cont´ınua para a limentar o enrolamento de campo (en- rolamento do rotor), atrav´es de an´eis coletores e escovas (excitatriz est´atica) ou atrav´es de uma excitatriz girante sem escovas (brushless). Excitatriz Est´atica (com escovas):
Figura 7: Esquema do sistema de excita¸c˜ao com escovas e an´eis coletores Fonte: WEG cursos
WEG (2000) afirma que os motores s´ıncronos com excitatriz do tipo est´atica s˜ao constitu´ıdos de an´eis coletores e escovas que possibilitam a alimenta¸c˜ao de corrente dos p´olos do rotor atrav´es de contatos deslizantes. Excitariz Est´atica (com escovas) A corrente cont´ınua para alimenta¸c˜ao dos p´olos deve ser proveniente de um conversor e controlador est´atico CA/CC. E bastante´ utilizada em aplica¸c˜oes com varia¸c˜ao de velocidade atrav´es de Inversores de Frequˆencia, ou ainda em m´aquinas onde a potˆencia ´e muito elevada para a utiliza¸c˜ao do sistema brushless. Uma desvantagem ´e o desgaste das escovas devido ao contato permanente com os an´eis coletores do rotor, aumentando a manuten¸c˜ao necess´aria na m´aquina.
Excitariz Brushless (sem escovas):
impacto. Sempre que ocorrer um problema, ele deve ser corrigido imedia- tamente para evitar novas perdas. Estas causas s˜ao brevemente explicadas abaixo:
- Sobrecorrente (Sobrecarga el´etrica): Em condi¸c˜oes operacionais di- ferentes, os dispositivos el´etricos `as vezes come¸cam a se tornar mais atuantes do que a capacidade total. Este evento imprevis´ıvel acontecer´a de forma s´ubita e afetar´a muito o motor. Para evitar uma sobrecorrente, existem alguns dispositivos como o disjuntor que precisam ser instalados e podem impedir que isso aconte¸ca. Esses dispositivos geralmente s˜ao conectados nos circuitos e desligar´a automaticamente quando uma quantidade extra de cor- rente fluir no circuito.
- Baixa resistˆencia: a maioria das falhas do motor ocorre devido `a baixa resistˆencia ao isolamento. Esta quest˜ao ´e considerada a mais dif´ıcil de enfren- tar. Nos est´agios iniciais da instala¸c˜ao do motor, observa-se que a resistˆencia de isolamento ´e de mais de mil megaohms. Ap´os algum tempo, o desempe- nho de isolamento come¸ca a se degradar em um n´ıvel alarmante porque a resistˆencia come¸ca a decair gradualmente. Existem dispositivos autom´aticos que testam a resistˆencia de isolamento de tempos em tempos e salvaguar- dam a instala¸c˜ao de equipamentos rotativos que impedem tais falhas. E´ importante que o desempenho do isolamento seja monitorado em intervalos regulares.
- Aquecimento excessivo: O calor excessivo nos motores pode causar uma s´erie de problemas de desempenho. O superaquecimento faz com que o isolamento do enrolamento do motor se deteriore rapidamente. Por cada aumento de temperatura de dez cent´ıgrados, a vida de isola¸c˜ao ´e cortada pela metade. O aquecimento excessivo ocorre devido a uma s´erie de fatores. Todo motor el´etrico possui uma temperatura de projeto. Se um motor for iniciado com um valor de corrente ruim, ele come¸ca a funcionar em uma condi¸c˜ao muito mais quente do que a temperatura de projeto. E muito importante´ que os motores sejam compat´ıveis com os valores atuais ideais. O superaque- cimento tamb´em ocorre quando um motor el´etrico ´e for¸cado a operar em um ambiente de alta temperatura. Isso faz com que a taxa em que o calor pode ser conduzido para reduzir a uma taxa alarmante. A ´area onde os motores el´etricos est˜ao operando deve ter um sistema de refrigera¸c˜ao apropriado e um sistema de ventila¸c˜ao deve estar l´a no caso de o sistema de resfriamento parar de funcionar.
- Sujidade: A sujeira ´e uma das principais fontes que causam danos aos motores el´etricos. Pode danificar o motor bloqueando a ventoinha de refri- gera¸c˜ao, o que faz com que a temperatura aumente. Tamb´em pode afetar o valor isolante do isolamento do enrolamento se ele se instalar nos enrolamen- tos do motor. Dever˜ao ser tomadas medidas adequadas para evitar que os
motores fiquem sujos. Existem dispositivos de blindagem que s˜ao utilizados para esse fim.
- Umidade: a umidade tamb´em afeta o desempenho de motores el´etricos. Contribui grandemente para a corros˜ao dos eixos do motor, rolamentos e rotores. Isso tamb´em pode levar a uma falha de isolamento. O inv´olucro do motor deve ser mantido seco o tempo todo. 6. Vibra¸c˜ao: existem v´arias causas poss´ıveis de vibra¸c˜ao, como desalinhamento do motor. A corros˜ao das pe¸cas tamb´em pode fazer com que o motor vibre. O alinhamento do motor deve ser verificado para eliminar esse problema.
5 Conclus˜ao
Durante as pesquisas realizadas para o desenvolvimento desse trabalho foi poss´ıvel concluir que motores s´ıncronos apresentam uma velocidade constante independente da carga aplicada diferente do ass´ıncrono que sua velocidade varia quando submetido a mesma situa¸c˜ao. Esses motores apresentam uma mesma constitui¸c˜ao com rotor, estator, rolamentos, mas o que os diferencia ´e que no s´ıncrono ´e um alternador e se aplica CA no estator e CC no rotor e no de indu¸c˜ao (ass´ıncrono) o seu rotor n˜ao esta ligado a qualquer fonte de alimenta¸c˜ao sendo alimentado por indu¸c˜ao magn´etica. Outro ponto de relevˆancia na analise feita foi a principal diferen¸ca entre um motor ca e um de cc que ´e o m´etodo de controle de velocidade. Em motores CC, a velocidade varia com base na tens˜ao aplicada e essa rela¸c˜ao ´e relativamente linear, tornando o controle de velocidade e c´alculos bem mais simples. Assim em um motor de corrente continua com alimenta¸c˜ao de 100V girando a 1000 rpm pode ter sua velocidade reduzida apenas mudando a tens˜ao de 100V para 50v. Enquanto no CA a velocidade ´e determinada pela frequˆencia da tens˜ao e corrente e a velocidade pode ser ajustada somente atrav´es de um variador de frequˆencia que ´e capaz de alternar a frequˆencia da potencia de entrada fornecida. Em geral, os motores CA s˜ao mais baratos em compara¸c˜ao com os de corrente continua e bem mais utilizados no ambiente industrial por principalmente seu inversor de frequˆencia.
6 Bibliografia
Referˆencias BERTULUCCI , Cristiano. Vocˆe sabe quais os tipos de Motor El´etrico CA e como Especificar?: Motor El´etrico CA x CC. In: Vocˆe sabe quais os ti- pos de Motor El´etrico CA e como Especificar?: Motor El´etrico CA x CC.