Motores elétricos - Apostilas - Administração Parte1, Notas de estudo de Administração Empresarial

Baixe Motores elétricos - Apostilas - Administração Parte1 e outras Notas de estudo em PDF para Administração Empresarial, somente na Docsity! 1 MOTORES ELÉTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA D-3 ES PE CI FI CA Çà O 1.1 Motores elétricos Motor elétrico é a máquina destinada a transformar energia elétrica em energia mecânica. O motor de indução é o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da utilização de energia elétrica - baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando - com sua construção simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos. Os tipos mais comuns de motores elétricos são: a) Motores de corrente contínua São motores de custo mais elevado e, além disso, precisam de uma fonte de corrente contínua, ou de um dispositivo que converta a corrente alternada 1. Noções fundamentais comum em contínua. Podem funcionar com velocidade ajustável entre amplos limites e se prestam a controles de grande flexibilidade e precisão. Por isso, seu uso é restrito a casos especiais em que estas exigências compensam o custo muito mais alto da instalação. b) Motores de corrente alternada São os mais utilizados, porque a distribuição de energia elétrica é feita normalmente em corrente alternada. Os principais tipos são: - Motor síncrono: Funciona com velocidade fixa; utilizado somente para grandes potências (devido ao seu alto custo em tamanhos menores) ou quando se necessita de velocidade invariável. - Motor de indução: Funciona normalmente com uma velocidade constante, que varia ligeiramente com a carga mecânica aplicada ao eixo. Devido a sua grande simplicidade, robustez e baixo custo, é o motor mais utilizado de todos, sendo adequado para quase todos os tipos de máquinas acionadas, encontradas na prática. Atualmente é possível controlarmos a velocidade dos motores de indução com o auxílio de inversores de freqüência. O UNIVERSO TECNOLÓGICO DE MOTORES ELÉTRICOS Tabela 1.1 MOTORES ELÉTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA D-6 ES PE CI FI CA Çà O Solução: Utilizando-se da tabela 1.2, na intersecção da linha 0,90 com a coluna de 0,95, obtém-se o valor de 0,155, que multiplicado pela potência do motor em kW, resulta no valor da potência reativa necessária para elevar-se o fator de potência de 0,90 para 0,95. kVAr necessário = 75 x 0,155 = 11,625 kVAr Tabela 1.2 - Correção do fator de potência FATOR DE FATOR DE POTÊNCIA DESEJADO POTÊNCIA ORIGINAL 0,80 0,81 0,82 0,83 0,84 0,85 0,86 0,87 0,88 0,89 0,90 0,91 0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 1,00 0,50 0,982 1,008 1,034 1,060 1,086 1,112 1,139 1,165 1,192 1,220 1,248 1,276 1,306 1,337 1,369 1,403 1,442 1,481 1,529 1,590 1,732 0,51 0,937 0,962 0,989 1,015 1,041 1,067 1,094 1,120 1,147 1,175 1,203 1,231 1,261 1,292 1,324 1,358 1,395 1,436 1,484 1,544 1,687 0,52 0,893 0,919 0,945 0,971 0,997 1,023 1,060 1,076 1,103 1,131 1,159 1,187 1,217 1,248 1,280 1,314 1,351 1,392 1,440 1,500 1,643 0,53 0,850 0,876 0,902 0,928 0,954 0,980 1,007 1,033 1,060 1,088 1,116 1,144 1,174 1,205 1,237 1,271 1,308 1,349 1,397 1,457 1,600 0,54 0,809 0,835 0,861 0,887 0,913 0,939 0,966 0,992 1,019 1,047 1,075 1,103 1,133 1,164 1,196 1,230 1,267 1,308 1,356 1,416 1,359 0,55 0,769 0,795 0,821 0,847 0,873 0,899 0,926 0,952 0,979 1,007 1,035 1,063 1,090 1,124 1,456 1,190 1,228 1,268 1,316 1,377 1,519 0,56 0,730 0,756 0,782 0,808 0,834 0,860 0,887 0,913 0,940 0,968 0,996 1,024 1,051 1,085 1,117 1,151 1,189 1,229 1,277 1,338 1,480 0,57 0,692 0,718 0,744 0,770 0,796 0,882 0,849 0,875 0,902 0,930 0,958 0,986 1,013 1,047 1,079 1,113 1,151 1,191 1,239 1,300 1,442 0,58 0,655 0,681 0,707 0,733 0,759 0,785 0,812 0,838 0,865 0,893 0,921 0,949 0,976 1,010 1,042 1,076 1,114 1,154 1,202 1,263 1,405 0,59 0,618 0,644 0,670 0,696 0,722 0,748 0,775 0,801 0,828 0,856 0,884 0,912 0,943 0,973 1,005 1,039 1,077 1,117 1,165 1,226 1,368 0,60 0,584 0,610 0,636 0,662 0,688 0,714 0,741 0,767 0,794 0,822 0,850 0,878 0,905 0,939 0,971 1,005 1,043 1,083 1,131 1,192 1,334 0,61 0,549 0,575 0,601 0,627 0,653 0,679 0,706 0,732 0,759 0,787 0,815 0,843 0,870 0,904 0,936 0,970 1,008 1,048 1,096 1,157 1,299 0,62 0,515 0,541 0,567 0,593 0,619 0,645 0,672 0,698 0,725 0,753 0,781 0,809 0,836 0,870 0,902 0,936 0,974 1,014 1,062 1,123 1,265 0,63 0,483 0,509 0,535 0,561 0,587 0,613 0,640 0,666 0,693 0,721 0,749 0,777 0,804 0,838 0,870 0,904 0,942 0,982 1,000 1,091 1,233 0,64 0,450 0,476 0,502 0,528 0,554 0,580 0,607 0,633 0,660 0,688 0,716 0,744 0,771 0,805 0,837 0,871 0,909 0,949 0,997 1,066 1,200 0,65 0,419 0,445 0,471 0,497 0,523 0,549 0576 0,602 0,629 0,657 0,685 0,713 0,740 0,774 0,806 0,840 0,878 0,918 0,966 1,027 1,169 0,66 0,388 0,414 0,440 0,466 0,492 0,518 0,545 0,571 0,598 0,26 0,654 0,692 0,709 0,742 0,755 0,809 0,847 0,887 0,935 0,996 1,138 0,67 0,358 0,384 0,410 0,436 0,462 0,488 0,515 0,541 0,568 0,596 0,624 0,652 0,679 0,713 0,745 0,779 0,817 0,857 0,906 0,966 1,108 0,68 0,329 0,355 0,381 0,407 0,433 0,459 0,486 0,512 0,539 0,567 0595 0,623 0,650 0,684 0,716 0,750 0,788 0,828 0,876 0,937 1,079 0,69 0,299 0,325 0,351 0,377 0,403 0,429 0,456 0,482 0,509 0,537 0,565 0,593 0,620 0,654 0,686 0,720 0,758 0,798 0,840 0,907 1,049 0,70 0,270 0,296 0,322 0,348 0,374 0,400 0,427 0,453 0,480 0,508 0,536 0,564 0,591 0,625 0,657 0,691 0,729 0,769 0,811 0,878 1,020 0,71 0,242 0,268 0,294 0,320 0,346 0,372 0,399 0,425 0,452 0,480 0,508 0,536 0,563 0,597 0,629 0,663 0,701 0,741 0,783 0,850 0,992 0,72 0,213 0,239 0,265 0,291 0,317 0,343 0,370 0,396 0,423 0,451 0,479 0,507 0,534 0,568 0,600 0,624 0,672 0,712 0,754 0,821 0,963 0,73 0,186 0,212 0,238 0,264 0,290 0,316 0,343 0,369 0,396 0,424 0,452 0,480 0,507 0,541 0,573 0,607 0,645 0,685 0,727 0,794 0,936 0,74 0,159 0,185 0,211 0,237 0,263 0,289 0,316 0,342 0,369 0,397 0,425 0,453 0,480 0,514 0,546 0,580 0,618 0,658 0,700 0,767 0,909 0,75 0,132 0,158 0,184 0,210 0,236 0,262 0,289 0,315 0,342 0,370 0,398 0,426 0,453 0,487 0,519 0,553 0,591 0,631 0,673 0,740 0,882 0,76 0,106 0,131 0,157 0,183 0,209 0,235 0,262 0,288 0,315 0,343 0,371 0,399 0,426 0,460 0,492 0,526 0,564 0,604 0,652 0,713 0,855 0,77 0,079 0,106 0,131 0,157 0,183 0,209 0,236 0,262 0,289 0,317 0,345 0,373 0,400 0,434 0,466 0,500 0,538 0,578 0,620 0,686 0,829 0,78 0,053 0,079 0,105 0,131 0,157 0,183 0,210 0,236 0,263 0,291 0,319 0,347 0,374 0,408 0,440 0,474 0,512 0,562 0,594 0,661 0,803 0,79 0,026 0,062 0,078 0,104 0,130 0,153 0,183 0,209 0,236 0,264 0,292 0,320 0,347 0,381 0,403 0,447 0,485 0,525 0,567 0,634 0,776 0,80 0,000 0,026 0,062 0,078 0,104 0,130 0,157 0,183 0,210 0,238 0,266 0,264 0,321 0,355 0,387 0,421 0,459 0,499 0,541 0,608 0,750 0,81 0,000 0,026 0,062 0,078 0,104 0,131 0,157 0,184 0,212 0,240 0,268 0,295 0,329 0,361 0,395 0,433 0,473 0,515 0,582 0,724 0,82 0,000 0,026 0,062 0,078 0,105 0,131 0,158 0,186 0,214 0,242 0,269 0,303 0,335 0,369 0,407 0,447 0,496 0,556 0,696 0,83 0,000 0,026 0,062 0,079 0,105 0,132 0,160 0,188 0,216 0,243 0,277 0,309 0,343 0,381 0,421 0,463 0,536 0,672 0,84 0,000 0,026 0,053 0,079 0,106 0,14 0,162 0,190 0,217 0,251 0,283 0,317 0,355 0,395 0,437 0,504 0,645 0,85 0,000 0,027 0,053 0,080 0,108 0,136 0,164 0,191 0,225 0,257 0,191 0,229 0,369 0,417 0,476 0,620 0,86 0,000 0,026 0,053 0,081 0,109 0,137 0,167 0,198 0,230 0,265 0,301 0,343 0,390 0,451 0,593 0,87 0,027 0,055 0,082 0,111 0,141 0,172 0,204 0,238 0,275 0,317 0,364 0,425 0,567 0,88 0,028 0,056 0,084 0,114 0,145 0,177 0,211 0,248 0,290 0,337 0,398 0,540 0,89 0,028 0,056 0,086 0,117 0,149 0,183 0,220 0,262 0,309 0,370 0,512 0,90 0,028 0,058 0,089 0,121 0,155 0,192 0,234 0,281 0,342 0,484 0,91 0,030 0,061 0,093 0,127 0,164 0,206 0,253 0,314 0,456 0,92 0,031 0,063 0,097 0,134 0,176 0,223 0,284 0,426 0,93 0,032 0,068 0,103 0,145 0,192 0,253 0,395 0,94 0,034 0,071 0,113 0,160 0,221 0,363 0,95 0,037 0,079 0,126 0,187 0,328 0,96 0,042 0,089 0,149 0,292 0,97 0,047 0,108 0,251 0,98 0,061 0,203 0,99 0,142 MOTORES ELÉTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA D-7 ES PE CI FI CA Çà O 1.2.6 Rendimento O motor elétrico absorve energia elétrica da linha e a transforma em energia mecânica disponível no eixo. O rendimento define a eficiência com que é feita esta transformação. Chamando “Potência útil” Pu a potência mecânica disponível no eixo e “Potência absorvida” Pa a potência elétrica que o motor retira da rede, o rendimento será a relação entre as duas, ou seja: Pu (W) 736 x P (cv) 1000 x P (kW) η = ——— = ——————— = ——————— Pa (W) √3 . U . I. cos ϕ √3 . U . I . cos ϕ ou 736 x P (cv) η% = ——————— x 100 √3 . U . I cos ϕ 1.2.7 Relação entre conjugado e potência Quando a energia mecânica é aplicada sob a forma de movimento rotativo, a potência desenvolvida depende do conjugado C e da velocidade de rotação n. As relações são: C (kgfm) n (rpm) C (Nm) x n (rpm) P (cv) = ——————— = ——————— 716 7024 C (kgfm) n (rpm) C (Nm) x n (rpm) P (kW) = ——————— = ——————— 974 9555 INVERSAMENTE 716 x P (cv) 974 x P (kW) C (kgfm) = —————— = —————— n (rpm) n (rpm) 7024 x P (cv) 9555 x P (kW) C (Nm) = —————— = —————— n (rpm) n (rpm) 1.3 Sistemas de corrente alternada monofásica 1.3.1 Generalidades A corrente alternada se caracteriza pelo fato de que a tensão, em vez de permanecer fixa, como entre os pólos de uma bateria, varia com o tempo, mudando de sentido alternadamente, donde o seu nome. No sistema monofásico uma tensão alternada U (volt) é gerada e aplicada entre dois fios, aos quais se liga a carga, que absorve uma corrente I (ampére) - ver figura 1.4a. Figura 1.4a Figura 1.4b Se representarmos num gráfico os valores de U e I, a cada instante, vamos obter a figura 1.4b. Na figura 1.4b estão também indicadas algumas grandezas que serão definidas em seguida. Note que as ondas de tensão e de corrente não estão “em fase”, isto é, não passam pelo valor zero ao mesmo tempo, embora tenham a mesma freqüência; isto acontece para muitos tipos de carga, por exemplo, enrolamentos de motores (cargas reativas). Freqüência É o número de vezes por segundo que a tensão muda de sentido e volta à condição inicial. É expressa em “ciclos por segundo” ou “hertz”, simbolizada por Hz. Tensão máxima ( Umáx ) É o valor de “pico” da tensão, ou seja, o maior valor instantâneo atingido pela tensão durante um ciclo (este valor é atingido duas vezes por ciclo, uma vez positivo e uma vez negativo). Corrente máxima ( Imáx ) É o valor “de pico” da corrente. Valor eficaz de tensão e corrente ( U e I ) É o valor da tensão e corrente contínuas que desenvolvem potência correspondente àquela desenvolvida pela corrente alternada. Pode-se demonstrar que o valor eficaz vale: U = Umáx / √ 2 e I = Imáx / √ 2. Por exemplo: Se ligarmos uma “resistência” a um circuito de corrente alternada ( cos ϕ = 1 ) com Umáx = 311 volts e Imáx = 14,14 ampéres, a potência desenvolvida será: 1 P = U.I. cos ϕ = —— Umáx . Imáx . cos ϕ 2 P = 2.200 watts OBS.: Na linguagem normal, quando se fala em tensão e corrente, por exemplo, 220 volts ou 10 ampéres, sem especificar mais nada, estamos nos referindo à valores eficazes da tensão ou da corrente, que são empregados na prática. Defasagem ( ϕ ) É o “atraso” da onda de corrente em relação à onda da tensão (ver figura 1.4b). Em vez de ser medido em tempo (segundos), este atraso é geralmente medido em ângulo (graus) correspondente à fração de um ciclo completo, considerando 1 ciclo = 360o. Mas comumente a defasagem é expressa pelo cosseno do ângulo (ver item “1.2.5 - Fator de potência”). 1.3.2 Ligações em série e paralelo Figura 1.5a Figura 1.5b Se ligarmos duas cargas iguais a um sistema monofásico, esta ligação pode ser feita em dois modos: - ligação em série (figura 1.5a), em que as duas cargas são atravessadas pela corrente total do circuito. Neste caso, a tensão em cada carga será a metade da tensão do circuito para cargas iguais. - ligação em paralelo (figura 1.5b), em que é aplicada às duas cargas a tensão do circuito. Neste caso, a corrente em cada carga será a metade da corrente total do circuito para cargas iguais. 1.4 Sistemas de corrente alternada trifásica O sistema trifásico é formado pela associação de três sistemas monofásicos de tensões U1, U2 e U3 tais que a defasagem entre elas seja de 120 o, ou seja, os “atrasos” de U2 em relação a U1, de U3 em relação a U2 e de U1 em relação a U3 sejam iguais a 120 o (considerando um ciclo completo = MOTORES ELÉTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA D-8 ES PE CI FI CA Çà O 360o). O sistema é equilibrado, isto é, as três tensões têm o mesmo valor eficaz U1 = U2 = U3 conforme figura 1.6. Figura 1.6 Ligando entre si os três sistemas monofásicos e eliminando os fios desnecessários, teremos um sistema trifásico: três tensões U1, U2 e U3 equilibradas, defasadas entre si de 120o e aplicadas entre os três fios do sistema. A ligação pode ser feita de suas maneiras, representadas nos esquemas seguintes. Nestes esquemas, costuma-se representar as tensões com setas inclinadas ou vetores girantes, mantendo entre si o ângulo correspondente à defasagem (120o), conforme figuras 1.7a, b e c, e figuras 1.8a, b e c. 1.4.1 Ligação triângulo Se ligarmos os três sistemas monofásicos entre si, como indicam as figuras 1.7a, b e c, podemos eliminar três fios, deixando apenas um em cada ponto de ligação, e o sistema trifásico ficará reduzido a três fios L1, L2 e L3. Tensão de linha ( U ) É a tensão nominal do sistema trifásico aplicada entre dois quaisquer dos três fios L1, L2 e L3. Figura 1.7a - Ligações Figura 1.7b - Esquema Figura 1.7c - Diagrama Corrente de linha ( I) É a corrente em qualquer um dos três fios L1, L2 e L3. Tensão e corrente de fase ( Uf e If ) É a tensão e corrente de cada um dos três sistemas monofásicos considerados. Examinando o esquema da figura 1.7b, vê-se que: U = U1 I = √3 . If = 1,732 If I = If1 + If3 (figura 1.7c) Exemplo: Temos um sistema equilibrado de tensão nominal 220 volts. A corrente de linha medida é 10 ampéres. Ligando a este sistema uma carga trifásica composta de três cargas iguais ligadas em triângulo, qual a tensão e a corrente em cada uma das cargas? Temos Uf = U1 = 220 volts em cada uma das cargas. Se I = 1,732 . If, temos If = 0,577 . I = 0,577 x 10 = 5,77 ampéres em cada uma das cargas. 1.4.2 Ligação estrela Ligando um dos fios de cada sistema monofásico a um ponto comum aos três, os três fios restantes formam um sistema trifásico em estrela (figura 1.8a). Às vezes, o sistema trifásico em estrela é “a quatro fios” ou “com neutro”. O quarto fio é ligado ao ponto comum às três fases. A tensão de linha ou tensão nominal do sistema trifásico e a corrente de linha, são definidas do mesmo modo que na ligação triângulo. Figura 1.8a - Ligações Figura 1.8b - Esquema Figura 1.8c - Diagrama Examinando o esquema da figura 1.8b, vê-se que: I = If U = √ 3 . Uf = 1,732 Uf U = Uf1 + Uf2 (figura 1.8c) MOTORES ELÉTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA D-11 ES PE CI FI CA Çà O 2.1 O sistema No Brasil, o sistema de alimentação pode ser monofásico ou trifásico. O sistema monofásico é utilizado em serviços domésticos, comerciais e rurais, enquanto o sistema trifásico, em aplicações industriais, ambos em 60Hz. 2.1.1 Trifásico As tensões trifásicas mais usadas nas redes industriais são: l Baixa tensão: 220V, 380V e 440V l Média tensão: 2.300 V, 4.160 V e 6.600 V O sistema trifásico estrela de baixa tensão, consiste de três condutores de fase (L1, L2, L3) e o condutor neutro (N), sendo este, conectado ao ponto estrela do gerador ou secundário dos transformadores (conforme mostra figura 2.1). Figura 2.1 - Sistema trifásico 2.1.2 Monofásico As tensões monofásicas padronizadas no Brasil são as de 115V (conhecida como 110V), 127V e 220V. Os motores monofásicos são ligados à duas fases (tensão de linha UL) ou à uma fase e o neutro (tensão de fase Uf). Assim, a tensão nominal do motor monofásico deverá ser igual à tensão UL ou Uf do sistema. Quando vários motores monofásicos são conectados ao sistema trifásico (formado por três sistemas monofásicos), deve-se tomar o cuidado para distribuí-los de maneira uniforme, evitando-se assim, desequilíbrio entre as fases. Monofásico com retorno por terra - MRT O sistema monofásico com retorno por terra - MRT -, é um sistema elétrico em que a terra funciona como condutor de retorno da corrente de carga. Afigura-se como solução para o emprego no monofásico a partir de alimentadores que não têm o condutor neutro. Dependendo da natureza do sistema elétrico existente e características do solo onde será implantado (geralmente na eletrificação rural), tem-se: a) Sistema monofilar É a versão mais prática e econômica do MRT, porém, sua utilização só é possível onde a saída da subestação de origem é estrela-triângulo. Figura 2.2 - Sistema monofilar b) Sistema monofilar com transformador de isolamento Este sistema possui algumas desvantagens, além do custo do transformador, 2. Características da rede de alimentação como: 1) Limitação da potência do ramal à potência nominal do transformador de isolamento; 2) Necessidade reforçar o aterramento do transformador de isolamento, pois na sua falta, cessa o fornecimento de energia para todo o ramal Figura 2.3 - Sistema monofilar com transformador de isolamento c) Sistema MRT na versão neutro parcial É empregado como solução para a utilização do MRT em regiões de solos de alta resistividade, quando se torna difícil obter valores de resistência de terra dos transformadores dentro dos limites máximos estabelecidos no projeto. Figura 2.4 - Sistema MRT na versão neutro parcial 2.2 Tensão nominal É a tensão para a qual o motor foi projetado. 2.2.1 Tensão nominal múltipla A grande maioria dos motores é fornecida com terminais do enrolamento religáveis, de modo a poderem funcionar em redes de pelo menos duas tensões diferentes. Os principais tipos de religação de terminais de motores para funcionamento em mais de uma tensão são: a) Ligação série-paralela O enrolamento de cada fase é dividido em duas partes (lembrar que o número de pólos é sempre par, de modo que este tipo de ligação é sempre possível). Ligando as duas metades em série, cada metade ficará com a metade da tensão de fase nominal do motor. Ligando as duas metades em paralelo, o motor poderá ser alimentado com uma tensão igual à metade da tensão anterior, sem que se altere a tensão aplicada a cada bobina. Veja os exemplos das figuras 2.5a e b. Figura 2.5a - Ligação série-paralelo Y MOTORES ELÉTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA D-12 ES PE CI FI CA Çà O Figura 2.5b - Ligação série-paralelo ∆ Este tipo de ligação exige nove terminais no motor e a tensão nominal (dupla) mais comum, é 220/440V, ou seja, o motor é religado na ligação paralela quando alimentado com 220V e na ligação série quando alimentado em 440V. A figura 2.1 mostra a numeração normal dos terminais e o esquema de ligação para estes tipos de motores, tanto para motores ligados em estrela como em triângulo. O mesmo esquema serve para outras duas tensões quaisquer, desde que uma seja o dobro da outra, por exemplo, 230/ 460V b) Ligação estrela-triângulo O enrolamento de cada fase tem as duas pontas trazidas para fora do motor. Se ligarmos as três fases em triângulo, cada fase receberá a tensão da linha, por exemplo, 220V (figura 2.6). Se ligarmos as três fases em estrela, o motor pode ser ligado a uma linha de tensão igual a 220 x √3 = 380 volts sem alterar a tensão no enrolamento que continua igual a 220 volts por fase, pois, Uf = U √3 Figura 2.6 - Ligação estrela-triângulo Y - ∆ Este tipo de ligação exige seis terminais no motor e serve para quaisquer tensões nominais duplas, desde que a segunda seja igual à primeira multiplicada por √3. Exemplos: 220/380V - 380/660V - 440/760V Nos exemplos 380/660V e 440/760V, a tensão maior declarada só serve para indicar que o motor pode ser acionado através de uma chave de partida estrela-triângulo. Motores que possuem tensão nominal de operação acima de 660V deverão possuir um sistema de isolação especial, apto a esta condição. c) Tripla tensão nominal Podemos combinar os dois casos anteriores: o enrolamento de cada fase é dividido em duas metades para ligação série-paralelo. Além disso, todos os terminais são acessíveis para podermos ligar as três fases em estrela ou triângulo. Deste modo, temos quatro combinações possíveis de tensão nominal: 1) Ligação triângulo paralelo; 2) Ligação estrela paralela, sendo igual a √3 vezes a primeira; 3) Ligação triângulo série, valendo o dobro da primeira; 4) Ligação estrela série, valendo √3 vezes a terceira. Mas, como esta tensão seria maior que 600V, é indicada apenas como referência de ligação estrela-triângulo. Exemplo: 220/380/440(760) V Este tipo de ligação exige 12 terminais e a figura 2.7 mostra a numeração normal dos terminais e o esquema de ligação para as três tensões nominais. Figura 2.7 2.3 Freqüência nominal (Hz) É a freqüência da rede para a qual o motor foi projetado. 2.3.1 Ligação em freqüências diferentes Motores trifásicos bobinados para 50Hz poderão ser ligados também em rede de 60Hz. a) Ligando o motor de 50Hz, com a mesma tensão, em 60Hz - a potência do motor será a mesma; - a corrente nominal é a mesma; - a corrente de partida diminui em 17%; - o conjugado de partida diminui em 17%; - o conjugado máximo diminui em 17%; - a velocidade nominal aumenta em 20%. Nota: Deverão ser observados os valores de potência requeridas, para motores que acionam equipamentos que possuem conjugados variáveis com a rotação. b) Se alterar a tensão em proporção à freqüência: - aumenta a potência do motor 20%; - a corrente nominal é a mesma; - a corrente de partida será aproximadamente a mesma; - o conjugado de partida será aproximadamente o mesmo; - o conjugado máximo será aproximadamente o mesmo; - a rotação nominal aumenta 20%. Quando o motor for ligado em 60Hz com a bobinagem 50Hz, poderemos aumentar a potência em 15% para II pólos e 20% para IV, VI e VIII pólos. 2.4 Tolerância de variação de tensão e freqüência Conforme norma NBR 7094:1996 (cap. 4 - item 4.3.3). Para os motores de indução, as combinações das variações de tensão e de freqüência são classificadas como Zona A ou Zona B, conforme figura 2.8. MOTORES ELÉTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA D-13 ES PE CI FI CA Çà O Figura 2.8 - Limites das variações de tensão e de freqüência em funcionamento Um motor deve ser capaz de desempenhar sua função principal continuamente na Zona A, mas pode não atender completamente às suas características de desempenho à tensão e freqüência nominais (ver ponto de características nominais na figura 2.8), apresentando alguns desvios. As elevações de temperatura podem ser superiores àquelas à tensão e freqüência nominais. Um motor deve ser capaz de desempenhar sua função principal na Zona B, mas pode apresentar desvios superiores àqueles da Zona A no que se refere às características de desempenho à tensão e freqüência nominais. As elevações de temperatura podem ser superiores às verificadas com tensão e freqüência nominais e muito provavelmente superiores àquelas da Zona A. O funcionamento prolongado na periferia da Zona B não é recomendado. 2.5 Limitação da corrente de partida em motores trifásicos Partida direta A partida de um motor trifásico de gaiola, deverá ser direta, por meio de contatores. Deve-se ter em conta que para um determinado motor, as curvas de conjugado e corrente são fixas, independente da carga, para uma tensão constante. No caso em que a corrente de partida do motor é elevada podem ocorrer as seguintes conseqüências prejudiciais: a) Elevada queda de tensão no sistema de alimentação da rede. Em função disto, provoca a interferência em equipamentos instalados no sistema; b) O sistema de proteção (cabos, contatores) deverá ser superdimensionado, ocasionando um custo elevado; c) A imposição das concessionárias de energia elétrica que limitam a queda de tensão da rede. Caso a partida direta não seja possível, devido aos problemas citados acima, pode-se usar sistema de partida indireta para reduzir a corrente de partida: - chave estrela-triângulo - chave compensadora - chave série-paralelo - partida eletrônica (soft-starter) 2.5.1 Partida com chave estrela-triângulo ( Y - ∆ ) É fundamental para a partida que o motor tenha a possibilidade de ligação em dupla tensão, ou seja, em 220/380V, em 380/660V ou 440/760V. Os motores deverão ter no mínimo seis bornes de ligação. A partida estrela- triângulo poderá ser usada quando a curva de conjugado do motor é suficientemente elevada para poder garantir a aceleração da máquina com a corrente reduzida. Na ligação estrela, a corrente fica reduzida para 25 a 33% da corrente de partida na ligação triângulo. O conjugado resistente da carga não poderá ultrapassar o conjugado de partida do motor (figura 2.9), nem a corrente no instante da mudança para triângulo poderá ser de valor inaceitável. Existem casos onde este sistema de partida não pode ser usado, conforme demonstra a figura 2.10. Figura 2.9 - Corrente e conjugado para partida estrela-triângulo de um motor de gaiola acionando uma carga com conjugado resistente Cr. I ∆ - corrente em triângulo I Y - corrente em estrela CY - conjugado em estrela C ∆ - conjugado em triângulo Cr - conjugado resistente Na figura 2.9 temos um alto conjugado resistente Cr. Se a partida for em estrela, a motor acelera a carga aproximadamente até 85% da rotação nominal. Neste ponto, a chave deverá ser ligada em triângulo. Neste caso, a corrente, que era aproximadamente a nominal, ou seja, 100%, salta repentinamente para 320%, o que não é nenhuma vantagem, uma vez que na partida era de somente 190%. Figura 2.10 MOTORES ELÉTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA D-16 ES PE CI FI CA Çà O 3.1 Conjugados 3.1.1 Curva conjugado X velocidade Definição O motor de indução tem conjugado igual a zero à velocidade síncrona. À medida que a carga vai aumentando, a rotação do motor vai caindo gradativamente, até um ponto em que o conjugado atinge o valor máximo que o motor é capaz de desenvolver em rotação normal. Se o conjugado da carga aumentar mais, a rotação do motor cai bruscamente, podendo chegar a travar o rotor. Representando num gráfico a variação do conjugado com a velocidade para um motor normal, vamos obter uma curva com aspecto representado na figura 3.1. Figura 3.1 - Curva conjugado x rotação Co: Conjugado básico - é o conjugado calculado em função da potência e velocidade síncrona. 716 x P (cv) 974 x P (kW) Co (Kgfm) = —————— = ——————— ns (rpm) ns (rpm) 7024 x P (cv) 9555 x P (kW) Co (Nm) = ——————— = ——————— ns (rpm) ns (rpm) Cn: Conjugado nominal ou de plena carga - é o conjugado desenvolvido pelo motor à potência nominal, sob tensão e frequência nominais. Cp: Conjugado com rotor bloqueado ou conjugado de partida ou, ainda, conjugado de arranque - é o conjugado mínimo desenvolvido pelo motor bloqueado, para todas as posições angulares do rotor, sob tensão e freqüência nominais. Comentários 1) Esta definição leva em conta o fato de que o conjugado com o rotor bloqueado pode variar um pouco conforme a posição em que se trava o motor. 2) Este conjugado pode ser expresso em Nm ou, mais comumente, em porcentagem do conjugado nominal. Cp (Nm) Cp ( % ) = —————— x 100 Cn (Nm) 3) Na prática, o conjugado de rotor bloqueado deve ser o mais alto possível, para que o rotor possa vencer a inércia inicial da carga e possa acelerá- la rapidamente, principalmente quando a partida é com tensão reduzida. Na curva abaixo destacamos e definimos alguns pontos importantes. Os valores dos conjugados relativos a estes pontos são especificados pela norma NBR 7094 da ABNT, e serão apresentados a seguir: Cmin : Conjugado mínimo - é o menor conjugado desenvolvido pelo motor ao acelerar desde a velocidade zero até a velocidade correspondente ao conjugado máximo. Na prática, este valor não deve ser muito baixo, isto é, a curva não deve apresentar uma depressão acentuada na aceleração, para que a partida não seja muito demorada, sobreaquecendo o motor, especialmente nos casos de alta inércia ou partida com tensão reduzida. Cmáx : Conjugado máximo - é o maior conjugado desenvolvido pelo motor, sob tensão e freqüência nominal, sem queda brusca de velocidade. Na prática, o conjugado máximo deve ser o mais alto possível, por duas razões principais: 1) O motor deve ser capaz de vencer, sem grandes dificuldades, eventuais picos de carga como pode acontecer em certas aplicações, como em britadores, calandras, misturadores e outras. 2) O motor não deve arriar, isto é, perder bruscamente a velocidade, quando ocorrem quedas de tensão, momentaneamente, excessivas. 3.1.2 Categorias - valores mínimos normalizados Conforme as suas características de conjugado em relação à velocidade e corrente de partida, os motores de indução trifásicos com rotor de gaiola, são classificados em categorias, cada uma adequada a um tipo de carga. Estas categorias são definidas em norma (NBR 7094), e são as seguintes: Categoria N Conjugado de partida normal, corrente de partida normal; baixo escorregamento. Constituem a maioria dos motores encontrados no mercado e prestam-se ao acionamento de cargas normais, como bombas, máquinas operatrizes, ventiladores. Categoria H Conjugado de partida alto, corrente de partida normal; baixo escorregamento. Usados para cargas que exigem maior conjugado na partida, como peneiras, transportadores carregadores, cargas de alta inércia, britadores, etc. Categoria D Conjugado de partida alta, corrente de partida normal; alto escorregamento (+ de 5%). Usados em prensas excêntricas e máquinas semelhantes, onde a carga apresenta picos periódicos. Usados também em elevadores e cargas que necessitam de conjugados de partida muito altos e corrente de partida limitada. As curvas conjugado X velocidade das diferentes categorias podem ser vistas na figura 3.2. Figura 3.2 - Curvas Conjugado X Velocidade, das diferentes categorias Categoria NY Esta categoria inclui os motores semelhantes aos de categoria N, porém, 3. Características de aceleração MOTORES ELÉTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA D-17 ES PE CI FI CA Çà O previstos para partida estrela-triângulo. Para estes motores na ligação estrela, os valores mínimos do conjugado com rotor bloqueado e do conjugado mínimo de partida são iguais a 25% dos valores indicados para os motores categoria N. Categoria HY Esta categoria inclui os motores semelhantes aos de categoria H, porém. previstos para partida estrela-triângulo. Para estes motores na ligação estrela, os valores mínimos do conjugado com rotor bloqueado e do conjugado mínimo de partida são iguais a 25% dos valores indicados para os motores de categoria H. Os valores mínimos de conjugado exigidos para motores das categorias N e H (4, 6 e 8 pólos), especificados pela norma NBR 7094, são mostrados nas tabelas 3.1 e 3.2. Para motores da categoria D, de 4, 6 e 8 pólos e potência nominal igual ou inferior a 150cv, tem-se, segundo a NBR 7094, que: a razão do conjugado com rotor bloqueado (Cp) para conjugado nominal (Cn) não deve ser inferior a 2,75. A norma não especifica os valores de Cmín e Cmáx. A NBR 7094 não especifica os valores mínimos de conjugados exigidos para motores 2 pólos, categorias H e D. Tabela 3.1 - Conjugado com rotor bloqueado (Cp ), conjugado mínimo de partida (Cmin ) e conjugado máximo (Cmáx ) de motores de categoria N, relativos ao conjugado nominal (Cn ). Número de pólos 2 4 6 8 Faixa de potências nominais C p C mín C máx C p C mín C máx C p C mín C máx C p C mín C máx kW cv pu >0,4 ≤ 0,63 > 0,54 ≤ 0,63 1,9 1,3 2,0 2,0 1,4 2,0 1,7 1,2 1,7 1,5 1,1 1,6 > 0,63 ≤ 1,0 > 0,86 ≤ 1,4 1,8 1,2 2,0 1,9 1,3 2,0 1,7 1,2 1,8 1,5 1,1 1,7 > 1,0 ≤ 1,6 > 1,4 ≤ 2,2 1,8 1,2 2,0 1,9 1,3 2,0 1,6 1,1 1,9 1,4 1,0 1,8 > 1,6 ≤ 2,5 > 2,2 ≤ 3,4 1,7 1,1 2,0 1,8 1,2 2,0 1,6 1,1 1,9 1,4 1,0 1,8 > 2,5 ≤ 4,0 > 3,4 ≤ 5,4 1,6 1,1 2,0 1,7 1,2 2,0 1,5 1,1 1,9 1,3 1,0 1,8 > 4,0 ≤ 6,3 > 5,4 ≤ 8,6 1,5 1,0 2,0 1,6 1,1 2,0 1,5 1,1 1,9 1,3 1,0 1,8 > 6,3 ≤ 10 > 8,6 ≤ 14 1,5 1,0 2,0 1,6 1,1 2,0 1,5 1,1 1,8 1,3 1,0 1,7 > 10 ≤ 16 > 14 ≤ 22 1,4 1,0 2,0 1,5 1,1 2,0 1,4 1,0 1,8 1,2 0,9 1,7 > 16 ≤ 25 > 22 ≤ 34 1,3 0,9 1,9 1,4 1,0 1,9 1,4 1,0 1,8 1,2 0,9 1,7 > 25 ≤ 40 > 34 ≤ 54 1,2 0,9 1,9 1,3 1,0 1,9 1,3 1,0 1,8 1,2 0,9 1,7 > 40 ≤ 63 > 54 ≤ 86 1,1 0,8 1,8 1,2 0,9 1,8 1,2 0,9 1,7 1,1 0,8 1,7 > 63 ≤ 100 >86 ≤ 140 1,0 0,7 1,8 1,1 0,8 1,8 1,1 0,8 1,7 1,0 0,7 1,6 > 100 ≤ 160 > 140 ≤ 220 0,9 0,9 1,7 1,0 0,8 1,7 1,0 0,8 1,7 0,9 0,7 1,6 > 160 ≤ 250 > 220 ≤ 340 0,8 0,6 1,7 0,9 0,7 1,7 0,9 0,7 1,6 0,9 0,7 1,6 > 250 ≤ 400 > 340 ≤ 540 0,75 0,6 1,6 0,75 0,6 1,6 0,75 0,6 1,6 0,75 0,6 1,6 > 400 ≤ 630 > 540 ≤ 860 0,65 0,5 1,6 0,65 0,5 1,6 0,65 0,5 1,6 0,65 0,6 1,6 Tabela 3.2 – Conjugado com rotor bloqueado (Cp ), conjugado mínimo de partida (Cmín ) e máximo ( Cmáx ), para motores de categoria H, relativos ao conjugado nominal (Cn ). Número de pólos 4 6 8 Faixa de potências nominais C p C mín C máx C p C mín C máx C p C mín C máx kW cv pu >0,4 ≤ 0,63 > 0,54 ≤ 0,63 3,0 2,1 2,1 2,55 1,8 1,9 2,25 1,65 1,9 > 0,63 ≤ 1,0 > 0,86 ≤ 1,4 2,85 1,95 2,0 2,55 1,8 1,9 2,25 1,65 1,9 > 1,0 ≤ 1,6 > 1,4 ≤ 2,2 2,85 1,95 2,0 2,4 1,65 1,9 2,1 1,5 1,9 > 1,6 ≤ 2,5 > 2,2 ≤ 3,4 2,7 1,8 2,0 2,4 1,65 1,9 2,1 1,5 1,9 > 2,5 ≤ 4,0 > 3,4 ≤ 5,4 2,55 1,8 2,0 2,25 1,65 1,9 2,0 1,5 1,9 > 4,0 ≤ 6,3 > 5,4 ≤ 8,6 2,4 1,65 2,0 2,25 1,65 1,9 2,0 1,5 1,9 > 6,3 ≤ 10 > 8,6 ≤ 14 2,4 1,65 2,0 2,25 1,65 1,9 2,0 1,5 1,9 > 10 ≤ 16 > 14 ≤ 22 2,25 1,65 2,0 2,1 1,5 1,9 2,0 1,4 1,9 > 16 ≤ 25 > 22 ≤ 34 2,1 1,5 1,9 2,1 1,5 1,9 2,0 1,4 1,9 > 25 ≤ 40 > 34 ≤ 54 2,0 1,5 1,9 2,0 1,5 1,9 2,0 1,4 1,9 > 40 ≤ 63 > 54 ≤ 86 2,0 1,4 1,9 2,0 1,4 1,9 2,0 1,4 1,9 > 63 ≤ 100 >86 ≤ 140 2,0 1,4 1,9 2,0 1,4 1,9 2,0 1,4 1,9 > 100 ≤ 160 > 140 ≤ 220 2,0 1,4 1,9 2,0 1,4 1,9 2,0 1,4 1,9 Notas: a) os valores de Cp /Cn são iguais a 1, 5 vezes os valores correspondentes da categoria N, não sendo porém, inferiores a 2,0; b) os valores de Cmín /Cn são iguais a 1,5 vezes os valores correspondentes da categoria N, não sendo porém, inferiores a 1,4; c) os valores de Cmáx /Cn são iguais aos valores correspondentes da categoria N, não sendo porém, inferiores a 1,9 ou ao valor correspondente de Cmín /Cn. MOTORES ELÉTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA D-18 ES PE CI FI CA Çà O 3.1.3 Características dos motores WEG Embora os motores WEG sejam, na sua maioria, declarados como pertencendo à categoria N, a exemplo da maioria dos motores encontrados no mercado, os valores reais típicos dos conjugados excedem em muito os exigidos em norma. Na maioria dos casos excedem até mesmo, os mínimos exigidos para a categoria H. Isto significa uma curva conjugado x velocidade bastante alta, trazendo as seguintes vantagens: 1) Rápida aceleração em caso de partida pesada, como bombas de pistão, esteiras carregadas, cargas de alta inércia, compressores com válvulas abertas, etc. 2) Atendimentos de casos especiais, como os mencionados acima, com motores padrão de estoque, com vantagens de preço, prazo e entrega. 3) Permitem o uso de sistemas de partida com tensão reduzida, como chaves estrela-triângulo, em casos normais, sem prejuízo da perfeita aceleração da carga. 4) Devido ao elevado valor do conjugado máximo, enfrentam, sem perda brusca de rotação, os picos momentâneos de carga e as quedas de tensão passageiras. Isto é fundamental para o acionamento de máquinas sujeitas a grandes picos de carga, como britadores, calandras, etc. 3.2 Inércia da carga O momento de inércia da carga acionada é uma das características fundamentais para verificar, através do tempo de aceleração, se o motor consegue acionar a carga dentro das condições exigidas pelo ambiente ou pela estabilidade térmica do material isolante. Momento de inércia é uma medida da resistência que um corpo oferece a uma mudança em seu movimento de rotação em torno de um dado eixo. Depende do eixo em torno do qual ele está girando e, também, da forma do corpo e da maneira como sua massa está distribuída. A unidade do momento de inércia é kgm2. O momento de inércia total do sistema é a soma dos momentos de inércia da carga e do motor ( Jt = Jm + Jc ). No caso de uma máquina que tem “rotação diferente do motor” (por exemplo, nos casos de acionamento por polias ou engrenagens), deverá ser referida a rotação nominal do motor conforme abaixo: MOMENTO DE INÉRCIA EM ROTAÇÕES DIFERENTES Figura 3.3 - Momento de inércia em rotações diferentes Nc Jce = Jc ( —— ) 2 ( kgm2 ) Nn Figura 3.4 - Momento de inércia em velocidades diferentes Nc N1 N2 N3 Jce = Jc( —— ) 2+ J1( —— ) 2+ J2 ( —— ) 2 + J3 ( —— ) 2 Nn Nn Nn Nn onde: Jce - Momento de inércia da carga referido ao eixo do motor Jc - Momento de inércia da carga Nc - Rotação da carga Nn - Rotação nominal do motor Jt = Jm + Jce A inércia total de uma carga é um importante fator para a determinação do tempo de aceleração. 3.3 Tempo de aceleração Para verificar se o motor consegue acionar a carga, ou para dimensionar uma instalação, equipamento de partida ou sistema de proteção, é necessário saber o tempo de aceleração (desde o instante em que o equipamento é acionado até ser atingida a rotação nominal). O tempo de aceleração pode ser determinado de maneira aproximada pelo conjugado médio de aceleração. 2 π . rps . Jt 2 π . rps . ( Jm + Jce ) ta = —————— = ————————— Ca ( Cmmed - Crmed ) ta - tempo de aceleração em segundos Jt - momento de inércia total em kgm 2 rps - rotação nominal em rotações por segundo Cmmed - conjugado médio de aceleração do motor em N.m. Crmed - conjugado médio de aceleração de carga referido a eixo em N.m. Jm - momento de inércia do motor Jce - momento de inércia da carga referido ao eixo Ca - conjugado médio de aceleração O conjugado médio de aceleração obtém-se a partir da diferença entre o conjugado do motor e o conjugado da carga. Seu valor deveria ser calculado para cada intervalo de rotação (a somatória dos intervalos forneceria o tempo total de aceleração). Porém, na prática, é suficiente que se calcule graficamente o conjugado médio, isto é, a diferença entre a média do conjugado do motor e a média do conjugado da carga. Essa média pode ser obtida, graficamente, bastando que se observe que a soma das áreas A1 e A2 seja igual a área A3 e que a área B1 seja igual a área B2 (ver figura 3.5). Cn = Conjugado nominal Cm = Conjugado do motor Cr = Conjugado da carga Ca = Conjugado médio de aceleração Nn = Rotação nominal Figura 3.5 - Determinação gráfica do conjugado médio de aceleração MOTORES ELÉTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA D-21 ES PE CI FI CA Çà O Na figura a seguir, vemos o efeito do aumento do R2. Figura 4.2 - Curva de conjugado com variação da resistência rotórica 4.3.2 Variação da tensão do estator É um sistema pouco utilizado, uma vez que também gera perdas rotóricas e a faixa de variação de velocidade é pequena. 4.4 Inversores de freqüência Maiores informações sobre o uso de inversores de freqüência para controle de velocidade, ver capítulo 9.3. MOTORES ELÉTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA D-22 ES PE CI FI CA Çà O 5.1 Elevação de temperatura, classe de isola- mento 5.1.1 Aquecimento do enrolamento Perdas A potência útil fornecida pelo motor na ponta do eixo é menor que a potência que o motor absorve da linha de alimentação, isto é, o rendimento do motor é sempre inferior a 100%. A diferença entre as duas potências representa as perdas, que são transformadas em calor, o qual aquece o enrolamento e deve ser dissipado para fora do motor, para evitar que a elevação de temperatura seja excessiva. O mesmo acontece em todos os tipos de motores. No motor de automóvel, por exemplo, o calor gerado pelas perdas internas tem que ser retirado do bloco pelo sistema de circulação de água com radiador ou pela ventoinha, em motores resfriados a ar. Dissipação do calor O calor gerado pelas perdas no interior do motor é dissipado para o ar ambiente através da superfície externa da carcaça. Em motores fechados essa dissipação é normalmente auxiliada pelo ventilador montado no próprio eixo do motor. Uma boa dissipação depende: m da eficiência do sistema de ventilação; m da área total de dissipação da carcaça; m da diferença de temperatura entre a superfície externa da carcaça e do ar ambiente (text - ta). a) O sistema de ventilação bem projetado, além de ter um ventilador eficiente, capaz de movimentar grande volume de ar, deve dirigir esse ar de modo a “varrer” toda a superfície da carcaça, onde se dá a troca de calor. De nada adianta um grande volume de ar se ele se espalha sem retirar o calor do motor. b) A área total de dissipação deve ser a maior possível. Entretanto, um motor com uma carcaça muito grande, para obter maior área, seria muito caro e pesado, além de ocupar muito espaço. Por isso, a área de dissipação disponível é limitada pela necessidade de fabricar motores pequenos e leves. Isso é compensado em parte, aumentando-se a área disponível por meio de aletas de resfriamento, fundidas com a carcaça. c) Um sistema de resfriamento eficiente é aquele que consegue dissipar a maior quantidade de calor disponível, através da menor área de dissipação. Para isso, é necessário que a queda interna de temperatura, mostrada na figura 5.1, seja minimizada. Isto quer dizer que deve haver uma boa transferência de calor do interior do motor até a superfície externa. O que realmente queremos limitar é a elevação da temperatura no enrolamento sobre a temperatura do ar ambiente. Esta diferença total ( ∆ t) é comumente chamada “elevação de temperatura” do motor e, como é indicado na figura 5.1, vale a soma da queda interna com a queda externa. Figura 5.1 Como vimos, interessa reduzir a queda interna (melhorar a transferência de calor) para poder ter uma queda externa maior possível, pois esta é que realmente ajuda a dissipar o calor. A queda interna de temperatura depende de diversos fatores como indica a figura 5.1, onde as temperaturas de certos pontos importantes do motor estão representadas e explicadas a seguir: A - Ponto mais quente do enrolamento, no interior da ranhura, onde é gerado o calor proveniente das perdas nos condutores. AB - Queda de temperatura na transferência de calor do ponto mais quente até os fios externos. Como o ar é um péssimo condutor de calor, é importante que não haja “vazios” no interior da ranhura, isto é, as bobinas devem ser compactas e a impregnação com verniz deve ser perfeita. B - Queda através do isolamento da ranhura e no contato deste com os condutores de um lado, e com as chapas do núcleo, do outro. O emprego de materiais modernos melhora a transmissão de calor através do isolante; a impregnação perfeita, melhora o contato do lado interno, eliminando espaços vazios; o bom alinhamento das chapas estampadas, melhora o contato do lado externo, eliminando camadas de ar que prejudicam a transferência de calor. BC - Queda de temperatura por transmissão através do material das chapas do núcleo. C - Queda no contato entre o núcleo e a carcaça. A condução de calor será tanto melhor quanto mais perfeito for o contato entre as partes, dependendo do bom alinhamento das chapas, e precisão da usinagem da carcaça. Superfícies irregulares deixam espaços vazios entre elas, resultando mau contato e, portanto, má condução do calor e elevada queda de temperatura neste ponto. CD - Queda de temperatura por transmissão através da espessura da carcaça. Graças a um projeto moderno, uso de materiais avançados, processos de fabricação aprimorados, sob um permanente Controle de Qualidade, os motores WEG apresentam uma excelente transferência de calor do interior para a superfície, eliminando “pontos quentes” no enrolamento. Temperatura externa do motor Era comum, antigamente, verificar o aquecimento do motor, medindo, com a mão, a temperatura externa da carcaça. Em motores modernos, este método primitivo é completamente errado. Como vimos anteriormente, os critérios modernos de projeto, procuram aprimorar a transmissão de calor internamente, de modo que a temperatura do enrolamento fique pouco acima da temperatura externa da carcaça, onde ela realmente contribui para dissipar as perdas. Em resumo, a temperatura da carcaça não dá indicação do aquecimento interno do motor, nem de sua qualidade. Um motor frio por fora pode ter perdas maiores e temperatura mais alta no enrolamento do que um motor exteriormente quente. 5.1.2 Vida útil do motor Sendo o motor de indução, uma máquina robusta e de construção simples, a sua vida útil depende quase exclusivamente da vida útil da isolação dos enrolamentos. Esta é afetada por muitos fatores, como umidade, vibrações, ambientes corrosivos e outros. Dentre todos os fatores, o mais importante é, sem dúvida a temperatura de trabalho dos materiais isolantes empregados. Um aumento de 8 a 10 graus na temperatura da isolação reduz sua vida útil pela metade. Quando falamos em diminuição da vida útil do motor, não nos referimos às temperaturas elevadas, quando o isolante se queima e o enrolamento é destruído de repente. Vida útil da isolação (em termos de temperatura de trabalho, bem abaixo daquela em que o material se queima), refere-se ao envelhecimento gradual do isolante, que vai se tornando ressecado, perdendo o poder isolante, até que não suporte mais a tensão aplicada e produza o curto-circuito. A experiência mostra que a isolação tem uma duração praticamente ilimitada, se a sua temperatura for mantida abaixo de um certo limite. Acima deste valor, a vida útil da isolação vai se tornando cada vez mais curta, à medida que a temperatura de trabalho é mais alta. Este limite de temperatura é muito mais baixo que a temperatura de “queima” do isolante e depende do tipo de material empregado. Esta limitação de temperatura se refere ao ponto mais quente da isolação e não necessariamente ao enrolamento todo. Evidentemente, basta um “ponto fraco” no interior da bobina para que o enrolamento fique inutilizado. 5. Características em regime MOTORES ELÉTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA D-23 ES PE CI FI CA Çà O 5.1.3 Classes de isolamento Definição das classes Como foi visto anteriormente, o limite de temperatura depende do tipo de material empregado. Para fins de normalização, os materiais isolantes e os sistemas de isolamento (cada um formado pela combinação de vários materiais) são agrupados em CLASSES DE ISOLAMENTO, cada qual definida pelo respectivo limite de temperatura, ou seja, pela maior temperatura que o material pode suportar continuamente sem que seja afetada sua vida útil. As classes de isolamento utilizadas em máquinas elétricas e os respectivos limites de temperatura conforme NBR-7094, são as seguintes: Classe A (105 ºC) Classe E (120 ºC) Classe B (130 ºC) Classe F (155 ºC) Classe H (180 ºC) As classes B e F são as comumente utilizadas em motores normais. 5.1.4 Medida de elevação de temperatura do enrolamento É muito difícil medir a temperatura do enrolamento com termômetros ou termopares, pois a temperatura varia de um ponto a outro e nunca se sabe se o ponto da medição está próximo do ponto mais quente. O método mais preciso e mais confiável de se medir a temperatura de um enrolamento é através da variação de sua resistência ôhmica com a temperatura, que aproveita a propriedade dos condutores de variar sua resistência, segundo uma lei conhecida. A elevação da temperatura pelo método da resistência, é calculada por meio da seguinte fórmula, para condutores de cobre: R2 - R1 ∆ t = t2 - ta = ———— ( 235 + t1 ) + t1 - ta R1 onde: ∆ t = é a elevação de temperatura; t1 = a temperatura do enrolamento antes do ensaio, praticamente igual a do meio refrigerante, medida por termômetro; t2 = a temperatura dos enrolamentos no fim do ensaio; ta = a temperatura do meio refrigerante no fim do ensaio; R1 = Resistência do enrolamento antes do ensaio; R2 = Resistência do enrolamento no fim do ensaio. 5.1.5 Aplicação a motores elétricos A temperatura do ponto mais quente do enrolamento deve ser mantida abaixo do limite da classe. A temperatura total vale a soma da temperatura ambiente com a elevação de temperatura ∆ t mais a diferença que existe entre a temperatura média do enrolamento e a do ponto mais quente. As normas de motores fixam a máxima elevação de temperatura ∆ t, de modo que a temperatura do ponto mais quente fica limitada, baseada nas seguintes considerações: a) A temperatura ambiente é, no máximo 40 oC, por norma, e acima disso as condições de trabalho são consideradas especiais. b) A diferença entre a temperatura média e a do ponto mais quente não varia muito de motor para motor e seu valor estabelecido em norma, baseado na prática é 5 oC, para as classes A e E, 10 oC para as classes B, F e H. As normas de motores, portanto, estabelecem um máximo para a temperatura ambiente e especificam uma elevação de temperatura máxima para cada classe de isolamento. Deste modo, fica indiretamente limitada a temperatura do ponto mais quente do motor. Os valores numéricos e a composição da temperatura admissível do ponto mais quente, são indicados na tabela 5.1 abaixo: Tabela 5.1 - Composição da temperatura em função da classe de isolamento Classe de isolamento A E B F H Temperatura ambiente oC 40 40 40 40 40 ∆ t = elevação de temperatura (método da resistência) oC 60 75 80 105 125 Diferença entre o ponto mais quente e a temperatura média oC 5 5 10 10 15 Total: temperatura do ponto mais quente oC 105 120 130 155 180 Para motores de construção naval, deverão ser obedecidos todos os detalhes particulares de cada entidade classificadora, conforme tabela 5.2. Tabela 5.2 - Correção das temperaturas para rotores navais Máxima sobreelevação de Entidades Máxima temperatura permitida por classe classificadoras temperatura de isolamento, para uso naval ambiente ∆t en oC oC ta (método de variação de resistência) A E B F Germanischer Lloyd 45 55 70 75 96 American Bureau of Shipping 50 55 65 75 95 Bureau Véritas 50 50 65 70 90 Norske Véritas 45 50 65 70 90 Lloyds Register of Shipping 45 50 65 70 90 RINa 45 50 70 75 — 5.2 Proteção térmica de motores elétricos Os motores utilizados em regime contínuo devem ser protegidos contra sobrecargas por um dispositivo integrante do motor, ou um dispositivo de proteção independente, geralmente com relé térmico com corrente nominal ou de ajuste, igual ou inferior ao valor obtido multiplicando-se a corrente nominal de alimentação a plena carga por: - 1.25: para motores com fator de serviço igual ou superior a 1.15; - 1.15: para motores com fator de serviço igual a 1.0 (NBR 5410) A proteção térmica é efetuada por meio de termoresistências (resistência calibrada), termistores, termostatos ou protetores térmicos. Os tipos de detetores a serem utilizados são determinados em função da classe de temperatura do isolamento empregado, de cada tipo de máquina e da exigência do cliente. TIPO DE PROTETORES UTILIZADOS PELA WEG: 5.2.1 Termorresistores (PT-100) São elementos onde sua operação é baseada na característica de variação da resistência com a temperatura, intrínseca a alguns materiais (geralmente platina, níquel ou cobre). Possuem resistência calibrada, que varia linearmente com a temperatura, possibilitando um acompanhamento contínuo do processo de aquecimento do motor pelo display do controlador, com alto grau de precisão e sensibilidade de resposta. Sua aplicação é ampla nos diversos setores de técnicas de medição e automatização de temperatura nas indústrias em geral. Geralmente, aplica-se em instalações de grande responsabilidade como, por exemplo, em regime intermitente muito irregular. Um mesmo detector pode servir para alarme e para desligamento. São obrigatórios em motores de segurança aumentada. Desvantagem Os elementos sensores e os circuitos de controle, possuem um alto custo. Figura 5.2 - Visualização do aspecto interno e externo dos termoresistores A variação da temperatura poderá ser obtida com a fórmula 100 - r t ºC = –––––––– 0,385