INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIA ENGENHARIA INDUSTRIAL MECÂNICA ELETROTÉCNICA – PROF. ALDO BORGES ALUNOS: AMANDA CABRAL S. DE SOUZA ANDERSON HENRY PIMENTEL JOSÉ RENATO FRÓES FONSECA SERGIO SILVA PESSOA FILHO
MOTORES ELÉTRICOS
SALVADOR-BA Nov/2009
AMANDA CABRAL S. DE SOUZA ANDERSON HENRY PIMENTEL JOSÉ RENATO FRÓES FONSECA SERGIO SILVA PESSOA FILHO
MOTORES ELÉTRICOS
Trabalho submetido à avaliação como requisito parcial para obtenção de aprovação na disciplina Eletrotécnica Geral, ministrada no Curso de Engenharia Mecânica do IFBA.
Orientação: Prof. Aldo Borges
Salvador 2009
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AMANDA CABRAL S. DE SOUZA ANDERSON HENRY PIMENTEL JOSÉ RENATO FRÓES FONSECA SERGIO SILVA PESSOA FILHO
MOTORES ELÉTRICOS
Trabalho submetido à avaliação como requisito parcial para obtenção de aprovação na disciplina Eletrotécnica Geral, ministrada no Curso de Engenharia Mecânica do IFBA.
Orientação: Prof. Aldo Borges
Salvador 2009
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ÍNDICE
Introdução ........................................................................................................ 04 História ............................................................................................................. 05 Tipos de motores ............................................................................................. 07 Como funcionam os motores elétricos elétricos ............................................................. .............................. ............................... 27 Normas ABNT .................................................................................................. 33 Manutenção ..................................................................................................... 35 Vantagens do motores CA em relação relação aos motores CC ................................. ................................ . 47 Conclusão ........................................................................................................ 49 Bibliografia ....................................................................................................... 51
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INTRODUÇÃO Existem muitos tipos de motores elétricos, projetados de acordo com a aplicação que se tem em vista. Os motores dos relógios elétricos devem trabalhar com velocidade constante. Os motores de arranque dos automóveis precisam desenvolver um torque substancial mesmo quando o eixo está imóvel. Os motores dos secadores de cabelo tem que ser leves e capazes de funcionar em várias velocidades. Por isso, os motores elétricos são de suma importância no cotidiano de nossas vidas, envolvendo desde trabalhos domésticos, como um liquidificador, até motores de grandes indústrias.
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HISTÓRIA Tudo começa com o grego Tales de Mileto que, em 41 a.C. ao esfregar um pedaço de resina fóssil em um pano, a resina parecia atrair pequenos corpos, como fios de cabelo. Depois de muito tempo, cerca de quinze séculos, Mileto foi completado pelo físico e inglês da corte, William Gilbert, em 1600, descobriu que além da resina experimentada por Tales, muitos outros materiais poderiam atrair se fossem friccionados. f riccionados. A partir desse marco muitos inventos surgiram. Foi em 1663, o alemão Otto Von Guericke construiu a primeira máquina eletrostática, que transformava energia mecânica em energia elétrica. No final do século XVIII, foi verificado também que, por meio do princípio eletrostático, poderia ser possível também gerar energia mecânica. Antes dessa comprovação, o americano Benjamin Franklin, em 1752, com o experimento da pipa percebeu que a eletricidade podia ser captada e conduzida por fios. Somente após o final do século XVIII, com o dinamarquês Hans Christian Oersted e o francês André Marie Ampère que foi dado realmente o primeiro e grande passo ao surgimento do motor elétrico. Oersted observou a agulha magnética de uma bússola desviar da posição original perto de um condutor de energia elétrica e voltar à posição inicial ao ser afastado dele, assim foi provado a influencia da eletricidade no magnetismo. Ampère, em 1821, um ano depois da conclusão de Oersted, complementou o experimento, criando a “lei da mão direita” que tomou como base a orientação de uma agulha imantada no sentido da corrente. Os cientistas ingleses William Sturgeon e Michael Faraday, inspirados pelas descobertas de Oersted e Ampère foram os responsáveis pelos últimos passos rumo à construção do motor elétrico onde Sturgeon inventou, em 1825, o eletroímã, fundamental na construção de máquinas elétricas gigantes e Faraday descobriu enfim a indução eletromagnética, provando que Tales de Mileto há quase dois mil anos atrás estava certo. Entre 1831 quando Faraday comprovou o eletromagnetismo e 1886 quando o cientista alemão Werner Von criou o primeiro motor elétrico, esse intervalo de 35 anos para que o primeiro motor elétrico da história surgisse não
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atrapalhou que durante esse período, outras máquinas com o mesmo princípio fossem inventadas, pra começar Faraday criou um gerador, o inglês W. Ritchie inventou o comutador, peça que seria importante na composição do motor elétrico e o mecânico francês H. Pixii colocou o invento em prática. Pixii construiu um gerador composto de um imã em ferradura que girava na frente de duas bobinas presas com um núcleo de ferro, no final dessa mesma década, o alemão, Moritz Hermann Von Jacobi, instalou um motor movido a pilhas galvânicas dentro de uma lancha e transportou 14 pessoas durante algumas horas foi ai que se mostrou, pela primeira vez, que a energia elétrica podia ser utilizada a favor do trabalho mecânico, porem o custo fez com que o invento se tornasse um item de luxo. Werner Von Siemens, em 1866, já tenha criado um gerador de tensão elétrico baseado no princípio de indução eletromagnética, construiu um dínamo, ou seja, uma máquina eletrodinâmica que converte força mecânica em corrente elétrica e provou que a tensão necessária para o magnetismo podia ser extraída do próprio enrolamento do rotor, assim, a máquina podia gerar sua própria energia e não ficar dependente dos imãs então a invenção barateou o gerador, que também funcionava como motor quando alimentado por energia elétrica. Com preço menor, estavam criadas as condições para uma maior propagação do invento. Novas evoluções foram surgindo, em 1879, Siemens em conjunto com Johann George Halske, apresentou uma nova invenção: uma locomotiva movida por um motor elétrico de dois quilowatts. O motor, apesar de mais barato que no início, continuava com o custo muito elevado para ser produzido em escala industrial, além de apresentar problemas técnicos. O italiano Galileu Ferraris, o iugoslavo Nicolau Tesla e alemão Friedrich Haselwander passar a estudar a maquina e tentar tornar mais viável, então suas descobertas pareciam solucionar os problemas em um primeiro momento, mas logo se mostram inútil. Em 1890, o cientista russo enraizado na Alemanha, Michael Von, que antes, desenvolveu um motor trifásico de corrente alternada com potência contínua de 80 watts e rendimento de aproximadamente 80%. O equipamento mostrou-se ideal para os planos da indústria, por apresentar alto rendimento, ótima partida, relativo silêncio durante o funcionamento e baixa complexidade o que facilitava a manutenção, tornando-o mais seguro para a operação. 6
Em 1891, o construtor russo já tinha conseguido produzir o novo equipamento em série. Simultaneamente, começaram a aparecer as primeiras indústrias de motores que logo se tornaram muitas. Os equipamentos se padronizaram e aos poucos diminuíram de tamanho e peso os motores de hoje, cujo peso representa somente 8% das máquinas com a mesma potência fabricadas no início do século XIX. Para que desenvolvimentos e inovações ocorressem, foram necessários diversos motivos. O primeiro deles pode ser creditado na conta dos estudiosos da área, que ao analisar mais detalhadamente os aspectos técnicos do motor elétrico, consolidaram a teoria necessária para que construtores pudessem a partir delas realizar melhorias. O segundo fator deve-se à competição. Em busca de maiores fatias do mercado, indústrias de motores buscavam destaque, lançando equipamentos diferentes da concorrência, assim eram colocados à disposição dos consumidores motores com potência igual,mas cada vez menor. A terceira razão foi o uso de matérias-primas mais nobres e apropriadas na estrutura dos motores. A quarta talvez mais importante foi o uso em grande escala dos motores pela população mundial que impulsionou os fabricantes a desenvolverem mais e melhores produtos.
TIPOS DE MOTORES De acordo com o tipo de fonte de alimentação os motores podem ser divididos em: • Motores de Corrente Alternada (AC): são os mais utilizados, porque a distribuição de energia elétrica é feita normalmente em corrente alternada. Estima-se que 90% dos motores fabricados são motores de indução de gaiola. • Motores de Corrente Contínua (DC): conhecidos por seu controle preciso de velocidade. 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 comum em contínua.
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• Motores universais: esse motor pode funcionar tanto com alimentação DC como AC. Um verdadeiro motor elétrico DC não aceita alimentação AC (essa inverte o sentido da corrente a cada meio ciclo e isso apenas causaria trepidações); do mesmo modo, um verdadeiro motor AC (como veremos) não aceita alimentação DC (essa não oferecerá as convenientes alterações do sentido da corrente para o correto funcionamento do motor). Detalhamento dos tipos de motores de corrente alternada: Motor CA Monofásico Assíncrono Gaiola de Es uilo Split-Phase Ca acitor de Partida Capacitor permanete Pólos Sombreados Ca acitor Dois Valores Rotor Bobinado Re ulsão Rotor Maci o Histerese Síncrono Relutância Imãs Permanente Linear Indu ão Imãs Permentes Trifásico Assíncono Gaiola Rotor Bobinado Síncrono Imãs Permanente Relutância Pólos Lisos Pólos Salientes
Alguns motores apresentados acima: MOTORES DE INDUÇÃO MONOFÁSICOS São assim chamados porque os enrolamentos são ligados diretamente a uma fonte monofásica. • Por isto possuem um campo magnético pulsante. • Devido ao baixo torque de partida, além do enrolamento principal utiliza-se um enrolamento auxiliar (que defasa a corrente em 90º).
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• Não é recomendada a utilização de motores maiores que 3cv (provoca desbalanceamento da rede). DESVANTAGENS: • Custo mais elevado que um trifásico de mesma potência. • Tem maior desgaste mecânico do platinado. • Rendimento e fator de potência menor. • Não é possível inverter diretamente o sentido de rotação 1.1 - Motor monofásico com DOIS terminais (L1 e N): • É utilizado apenas a um valor de tensão. • Não é possível a inversão do sentido de giro. 1.2 - Motor monofásico com QUATRO terminais: • O enrolamento é dividido em duas partes iguais, logo pode-se utilizar dois valores de tensão. Em série tem-se 220V, em paralelo 110V. • Não é possível a inversão do sentido de giro. 1.3 - Motor monofásico com SEIS terminais: • As ligações são semelhantes ao de quatro terminais. • É possível a inversão do sentido de giro (basta inverter a ligação dos terminais 5 e 6.
- Motor de indução síncrono: funciona com velocidade estável; utiliza-se de um induzido que possui um campo constante pré-definido e, com isso, aumenta a resposta ao processo de arraste criado pelo campo girante. É geralmente utilizado quando se necessita de velocidades estáveis sob a ação de cargas
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variáveis. Também pode ser utilizado quando se requer grande potência, com torque constante. - Motor de indução assíncrono: funciona normalmente com 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 conversores de freqüência. - Motor com rotor gaiola de esquilo: por ser robusto evita muitos problemas relacionados a desgaste e manutenção.
- Motor com rotor bobinado: é composto por 3 bobinas em estrela. Em relação ao anterior, permite o controle de velocidade.
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- Motor Dahlander: possui seis bobinas e duas velocidades distintas na relação1:2. Rendimento e a potência é melhor em ALTA velocidade. Ex: 4/2 pólos (1800/3600rpm) e 8/4 pólos(900/1800rpm).
- Motor com dois enrolamentos independentes e separados: cada enrolamento possui números diferentes de pólos. Quando um enrolamento está ligado o outro tem que estar desligado. Ex: 6/4 pólos (1200/1800rpm); 12/4 pólos (600/1800rpm).
MOTORES TRIFÁSICOS Os motores elétricos trifásicos para a maioria das aplicações no meio rural e nas agroindústrias são os motores de indução. Esses motores são fabricados para operarem com tensão de 220 volts em cada bobina. Desta forma, dependendo da tensão oferecida pela concessionária de energia elétrica, o fechamento dos terminais do motor será diferente. Por exemplo, se a tensão no secundário do transformador for de 220 Volts (tensão de linha), o motor deverá ser conectado em triângulo, como representado na figura 3.
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Todavia, se a tensão no secundário do transformador for de 380 Volts, o motor deverá funcionar na conexão estrela, como representado na figura 4. 1
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Conexão triângulo para motores trifásicos
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Conexão estrela para motores trifásicos Observe que na conexão estrela, a corrente de linha é a mesma corrente que atravessa as bobinas, enquanto que a tensão de linha vale raiz de três vezes a tensão de cada bobina. Para conexão triângulo, a tensão de linha é a própria tensão da bobina, mas a corrente de linha é a componente vetorial da corrente de uma bobina menos a corrente da outra bobina, resultando em um valor raiz de três vezes o valor da corrente da bobina. Isso se deve ao fato de existir o defasamento angular de 120 graus entre as tensões de linha do sistema trifásico. A potência aparente de uma carga trifásica vale 3 vezes o produto da tensão versus corrente de cada fase, ou seja, o motor trifásico é equivalente a três motores monofásico, em termos de potência. A potência de um motor trifásico de 10 CV, ligado em triângulo (220 Volts) será a mesma se o motor for ligado em estrela (380 Volts). Para demonstrar essa igualdade, analise as duas
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conexões, considerando Vb e Ib como as tensões e as correntes em cada bobina. Conexão triângulo
Conexão estrela
S = 3 Vb . Ib
S = 3 Vb . Ib
Ib = IL/1,7321 e Vb = VL
Vb = VL/1,7321 e Ib = IL
S = 3 . VL x IL/1,7321
S = 3 . IL x VL/1,7321
S = 1,7321 . VL.IL
S = 1,7321 . VL.IL
1,7321 = raiz de 3 Sendo assim, conclui-se que a equação da potência independe do tipo de conexão do motor, pois as grandezas são referidas às tensões e correntes de linha e não de fase. A ligação de motores Partindo do princípio do fechamento das bobinas do motor para o correspondente nível de tensão, deve-se proceder ao acionamento. O acionamento define o estado operacional e as condições de operação do motor. Uma rede destinada à alimentação de motores deve conter um dispositivo para proteção contra curto-circuito (fusível ou disjuntor), um dispositivo de seccionamento para manutenção (seccionador ou chave faca ou disjuntor), um dispositivo para definir o estado operacional do motor (disjuntor ou chave magnética) e um dispositivo de proteção contra sobrecarga (relé térmico). O relé térmico funciona somente se o dispositivo para ligação e desligamento do motor for uma chave magnética. As chaves magnéticas permitem um comando manual local, ou manual a distância e ainda o comando automático de motores. Normalmente se utilizam botoeiras (chaves com mola) para energizar e desenergizar a bobina da chave magnética. Quando se utilizam botoeiras para o acionamento de chaves magnéticas (contactores), o operador não se expõe a riscos de choques elétricos, pois a botoeira fica no circuito de comando, onde a tensão é mais baixa depois do transformador de comando.
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- Motores Trifásicos Assíncronos Motores trifásicos são motores próprios para serem ligados aos sistemas elétricos de três fases e são os motores de emprego mais amplo na indústria. Oferecem melhores condições de operação do que os motores monofásicos porque não necessitam de auxílio na partida, dão rendimento mais elevado e são encontrados em potências maiores. No estator do motor assíncrono de CA estão alojados três enrolamentos referentes ás três fases. Esses três enrolamentos estão montados com uma defasagem de 120º. Do enrolamento do estator saem os fios para ligação do motor á rede elétrica que podem ser em número de 3, 6, 9 ou 12 pontas. Os motores trifásicos podem ter 2 tipos de rotores: - Rotor tipo gaiola de esquilo ou em curto-circuito, do mesmo tipo usado em motores monofásicos. - Rotor bobinado, não é fechado em curto internamente e tem suas bobinas ligadas ao coletor no qual é possível ligar um reostato, o que permite e regulagem da corrente que circula no rotor. Isso proporciona uma partida suave e diminui o pico de corrente comum nas partidas dos motores. Padronização da Tensão dos Motores Trifásicos Assíncronos Os motores trifásicos são fabricados com diferentes potências e velocidades para as tensões padronizadas da rede, ou seja, 220 V, 380 V, 440 V e 760 V, na frequência de 50 e 60 Hz. Ligação dos motores trifásicos O motor trifásico tem as bobinas distribuídas no estator e ligadas de modo a formar três circuitos simétricos distintos, chamados de fase de enrolamento. Essas fases são interligadas, formando ligações em estrela[
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380 V] ou em triângulo [ = 220 V] para o acoplamento á uma rede trifásica. Para isso, deve-se levar em conta a tensão na qual irá operar. Na ligação em estrela (380 V) os terminais 4, 5 e 6 são interligados e os terminais 1, 2 e 3 são ligados á rede.
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Na ligação em triângulo (220V), o início de uma fase é fechado com o final da outra e essa junção é ligada á rede.
Os motores trifásicos de uma só velocidade podem dispor de 3, 6, 9 ou 12 terminais para a ligação á rede elétrica. A ligação de motores trifásicos com três terminais á rede é feita conectando-se os teminais 1, 2, e 3 aos terminais de rede RST em qualquer ordem.
OBS: Para inverter o sentido de rotação do motor trifásico, basta inverter duas fases R com S, por exemplo: Os motores trifásicos com seis terminais só tem condição de ligação em 2 tensões: 220/380V, ou 440/760V. Esses motores são ligados em triângulo
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na menor tensão e em estrela, na maior tensão. A figura a seguir mostra uma placa de ligação desse tipo de motor.
OBS: Nos motores de seis terminais, é comum encontrarmos as marcações U, V W, X, Y, e Z, ao invés de 1, 2, 3, 4, 5, e 6, respectivamente.
Os motores com nove terminais tem possibilidade deligação em três tensões: 220/380/440V. Os motores com doze terminais tem possibilidade de ligação em quatro tensões: 220/380/440/760V. Placa de Ligação
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Indentificação de Motores Trifásicos (placa do motor) Os motores elétricos possuem uma placa identificadora, colocada pelo fabricante. Para se instalar adequadamente o motor é imprescindível que o eletricista saiba interpretar os dados da placa.
A figura nos dá o exemplo de uma placa de um motor trifásico. Os dados mais importantes são: - a potência do motor, dada em HP ou CV (1 HP = 746 W, 1 CV = 735 W), para saber, se esse motor é capaz de executar o trabalho desejado (no caso do exemplo da figura acima), a potência do motor é de 3 CV. - a tensão alimentadora que o motor exige (220 ou 380 V). - a frequência exigida da tensão alimentadora (60 Hz). - a corrente nominal que o motor consumirá (9 ou 5,2 A, dependendo da tensão alimentadora), para dimensionar os condutores de alimentaçao e os dispositivos de proteção. - as rotações que o motor fará por minuto (3510 RPM). - a letra-código para dimensionar os fusíveis (no exemplo H). - o esquema de ligação que mosta como os terminais devem ser ligados entre si e com a rede de alimentação. 17
MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA (CC) Motor CC Excitação Série Excitação Independente Excitação Compound Imãs Permanentes Excitação Paralela
Máquina de corrente contínua é uma máquina capaz de converter energia mecânica em energia elétrica (gerador) ou energia elétrica em mecânica (motor). A energia elétrica utilizada hoje em dia na distribuição e transporte da mesma é a corrente alternada, porém os motores de corrente contínua têm tradicionalmente grandes aplicações nas indústrias sendo que, são eles que permitem variação de velocidade como de uma esteira ou de um comboio por exemplo. Atualmente componentes eletrônicos de tensão alternada já são capazes de controlar a velocidade do motor assíncrono facilmente e pelo seu menor custo e recursos de aplicação estão substituindo os motores de corrente contínua na maior parte das aplicações. Partes constituintes da máquina de corrente contínua Rotor (armadura) Parte girante, montada sobre o eixo da máquina, construído de um material ferromagnético envolto em um enrolamento chamado de enrolamento de armadura e o anel comutador. Este enrolamento suporta uma alta corrente em comparação ao enrolamento de campo e é o circuito responsável por transportar a energia proveniente da fonte de energia. Anel Comutador
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Responsável por realizar a inversão adequada do sentido das correntes que circulam no enrolamento de armadura, constituído de um anel de material condutor, segmentado por um material isolante de forma a fechar o circuito entre cada uma das bobinas do enrolamento de armadura e as escovas no momento adequado. O anel é montado junto ao eixo da máquina e gira junto com a mesma. O movimento de rotação do eixo produz a comutação entre os circuitos dos enrolamentos. Estator (Campo ou excitação) Parte estática da máquina, montada em volta do rotor, de forma que o mesmo possa girar internamente. Também é constituído de material ferromagnético, envolto em um enrolamento de baixa potência chamado de enrolamento de campo que tem a função apenas de produzir um campo magnético fixo para interagir com o campo da armadura. Em algumas máquinas comercializadas no mercado é possível encontrar enrolamentos de compensação que tem como função compensar o efeito desmagnetizante da reação de armadura e enrolamentos de comutação que tem como função diminuir o faíscamento no anel comutador. Escovas Peças de carvão responsáveis por conduzir a energia para o circuito do rotor.
Princípio de Funcionamento A energia elétrica é fornecida aos condutores do enrolamento da armadura pela aplicação de uma tensão elétrica em seus terminais pelo anel comutador (coletor), fazendo com que se circule uma corrente elétrica nesse enrolamento que produz um campo magnético no enrolamento da armadura. Como o corpo do estator é constituído de materiais ferromagnéticos, ao aplicarmos tensão nos terminais do enrolamento de campo da máquina temos uma intensificação do campos magnéticos no mesmo e, portanto, a produção de pólos magnéticos (Norte e Sul) espalhados por toda a extensão do estator. 19
Pela atuação do anel comutador que tem como função alternar o sentido de circulação da corrente no enrolamento da armadura, quando aplicamos uma tensão no comutador, com a máquina parada, a tensão é transferida ao enrolamento da armadura fazendo com que se circule uma corrente pelo mesmo o que produz um campo magnético e outros pares de pólos no enrolamento da armadura. A orientação desse campo, ou seja, a posição do pólo norte e sul permanece fixa, simultaneamente temos uma tensão elétrica aplicada no enrolamento de campo no estator, assim, ao termos a interação entre os campos magnéticos da armadura no rotor e do campo no estator, os mesmos tentarão se alinhar, ou seja, o pólo norte de um dos campos tentará se aproximar do pólo sul do outro. Como o eixo da máquina pode girar, caso os campos da armadura e do estator não estejam alinhados, surgirá um binário de forças que produzirá um torque no eixo, fazendo o mesmo girar. Ao girar, o eixo gira o anel comutador que é montado sobre o eixo, e ao girar o anel comutador muda o sentido de aplicação da tensão, o que faz com que a corrente circule no sentido contrário, mudando o sentido do campo magnético produzido. Assim, ao girar o anel comutador muda a posição dos pólos magnéticos norte e sul do campo da armadura e como o campo produzido pelo enrolamento de campo no estator fica fixo, temos novamente a produção do binário de forças que mantém a mudança dos pólos e conseqüentemente o movimento do eixo da máquina. Classificação das máquinas de corrente contínua segundo a maneira como se alimenta a máquina Excitação independente ou separada Nesta configuração o circuito de excitação da máquina é alimentada por uma fonte adicional independente ou separada da fonte de corrente contínua que alimenta a armadura. Em geral o enrolamento de campo que produz a excitação é constituído de condutores que não suportam
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grandes correntes, pois a excitação em geral utiliza correntes baixas para produzir o campo magnético em comparação com as correntes que circulam no enrolamento de armadura. Excitação série O circuito do enrolamento de campo que produz a excitação está em série com o circuito de armadura, sendo assim necessário apenas uma fonte para alimentar o circuito de campo e da armadura. Como neste caso a corrente que circula no enrolamento de campo que produz a excitação é a mesma corrente que circula no enrolamento da armadura, é necessário um enrolamento próprio para o circuito de excitação, capaz de suportar correntes relativamente altas da armadura. Excitação shunt ou em derivação O circuito do enrolamento de campo que produz a excitação está em paralelo ou em derivação com o circuito de armadura. Nesta configuração, é necessário apenas uma fonte de corrente contínua para alimentar o circuito de armadura e de campo, pois ambos os circuito estão em paralelo. Como o enrolamento de campo está em paralelo ou em derivação com o circuito de armadura, é possível utilizar o mesmo tipo de condutor do caso de excitação independente. Excitação Composta Com dois enrolamentos de excitação, um em série e outro em derivação, podendo existir o esquema de ligação longo ou curto e composto aditivo ou subtrativo. Neste esquema de ligação utiliza-se uma combinação da excitação série e shunt , de forma a aproveitar os benefícios de ambas as ligações. Em muitas aplicações o enrolamento série é utilizado para compensar o efeito desmagnetizante da reação de armadura.
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Vantagens dos Motores CC - Operação em 4 quadrantes com custos relativamente mais baixos - Ciclo contínuo mesmo em baixas rotações - Alto torque na partida e em baixas rotações - Ampla variação de velocidade - Facilidade de controlar a velocidade - Os conversores CA/CC requerem menos espaço - Confiabilidade - Flexibilidade (vários tipos de excitação) - Relativa simplicidade dos modernos conversores CA/CC Desvantagens - Os motores CC são maiores e mais caros que os motores de indução para uma mesma potência - Maior necessidade de manutenção (devido aos comutadores) - Arcos e faíscas devido a comutação de corrente por elemento mecânico (não pode se aplicado em ambientes perigosos) - Tensão entre lâminas não pode exceder 20V (motores CA podem ser alimentados com milhares de volts) - Necessidade de medidas especiais de partida, mesmo em máquinas pequenas. Aplicações Motores CC estão sendo substituídos por motores CA acionados por inversores de freqüência. Porém em alguns setores sua utilização ainda é vantajosa: - Máquinas de Papel - Bobinadoras e desbobinadoras - Laminadores - Máquinas de Impressão - Extrusoras - Prensas - Elevadores - Movimentação e elevação de cargas 22
- Moinhos de rolos - Indústria de borracha - Mesa de testes de motores - Movimentação dos HDs, CDs e DVDs. - Veículos Elétricos
MOTOR UNIVERSAL O motor universal pode funcionar tanto com alimentação DC como AC. Um verdadeiro motor elétrico DC não aceita alimentação AC (essa inverte o sentido da corrente a cada meio ciclo e isso apenas causaria trepidações); do mesmo modo, um verdadeiro motor AC (como veremos) não aceita alimentação DC (essa não oferecerá as convenientes alterações do sentido da corrente para o correto funcionamento do motor). Porém, se substituirmos os ímãs permanentes dos estatores dos motores DC por eletroímãs e ligarmos (em série) esses eletroímãs no mesmo circuito do rotor e comutador, teremos um motor universal. Eis a ilustração dessa 'engenhoca':
Nos motores universais, tanto estator como rotor são eletroímãs com bobinas em série e concordância.
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Este motor “girará” corretamente quer seja alimentado por corrente contínua ou corrente alternada. A diferença notável entre motor universal e motor DC é que se você alimentar o motor universal com fonte DC, ele não inverterá o sentido de rotação se você inverter a polaridade da fonte (como acontece com o motor DC), continuará a girar sempre no mesmo sentido. Se você quiser realmente inverter o sentido de rotação de um motor universal deverá inverter as ligações nos eletroímãs dos estatores para inverter seus pólos.
Motores universais são usados, por exemplo, em batedeiras elétricas, aspiradores de pó etc. Em tais motores, com o tempo de uso, haverá desgastes nas escovas de carvão e deverão ser substituídas.
MOTORES DE PASSO Muitos dispositivos computadorizados (drives, CDRom etc.) usam motores especiais que controlam os ângulos de giro de seus rotores. Em vez de girar continuamente, estes rotores giram em etapas discretas; os motores que fazem isso são denominados 'motores de passo'. O rotor de um motor de passo é simplesmente um ímã permanente que é atraído, seqüencialmente, pelos pólos de diversos eletroímãs estacionários, como se ilustra:
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Num motor de passo, o rotor é atraído por um par de pólos do estator e a seguir, por outro. O rotor movimenta-se por etapas discretas, pausando em cada orientação, até que novo comando do computador ative um jogo diferente de eletroímãs.
Estes eletroímãs são ligados/ desligados seguindo impulsos cuidadosamente controlados de modo que os pólos magnéticos do rotor se movam de um eletroímã para outro devidamente habilitado. Aplicações - Mesas XY - Periféricos de computadores - Célula de manufatura integrada - Sistemas robóticos Vantagens - Tamanho e custos reduzidos - Total adaptação à lógica digital (controle preciso da velocidade, direção e distância) - Características de bloqueio - Pouco desgaste - Dispensa realimentação Desvantagem - Má relação potência-volume Motor
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Lista com motores elétricos diversos:
Mega Torque
Motores elétricos de velocidade variável
Micro Moto-redutores
Motores elétricos especiais
Moto Acionadores
Motores elétricos lineares
Moto Freios
Motores elétricos monofásicos
Motores à prova de poeira
Motores elétricos operados à bateria
Motores Coreless
Motores elétricos reversíveis
Motores de Corrente Contínua
Motores elétricos síncronos
Motores de Passo
Motores elétricos síncronos de relutância
Motores de pólo graduado
Motores elétricos submersíveis
Motores Elétricos
Motores elétricos tipo comutador
Motores elétricos à prova de explosão
Motores elétricos trifásicos
Motores elétricos assíncronos
Motores elétricos universais
Motores elétricos com capacitor em série
Motores elétricos ventilados
Motores elétricos de alta freqüência
Motores Enrolados em Shunt
Motores Elétricos de Alta Velocidade
Motores Flangeados
Motores elétricos de baixa inércia
Motores HP fracionário
Motores elétricos de baixa tensão
Motores para Aparelhos Domésticos
Motores elétricos de fase bipartida
Motores para elevadores
Motores elétricos de Gaiola
Motores para ventilador de forno
Motores Elétricos de HP Fracionário
Motores polifásicos
Motores Elétricos de HP inteiro
Motores sem escova
Motores Elétricos de Ímã Permanente
Motores tipo Gaiola
Motores elétricos de múltiplas velocidades
Motores ventilados à hélice
Motores elétricos de precisão
Motovibradores
Motores elétricos de torque
Peças para Motores Marítimos Elétricos
Motores elétricos de tração
Reforma de motores elétricos
Motores elétricos de velocidade constante
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COMO FUNCIONAM OS MOTORES ELÉTRICOS Os motores elétricos usam as forças de atração e repulsão que ocorrem entre dois campos magnéticos para fazer girar um eixo, ou seja, transformam energia eletromagnética, em energia mecânica. Este é o princípio básico de qualquer motor elétrico, seja de qual tipo for. Para entender melhor o funcionamento de um motor movido a energia eletromagnética, é importante estar familiarizado com alguns conceitos de eletromagnetismo, além de saber como eles se relacionam. - CONCEITOS PRELIMINARES MAGNETISMO E PÓLOS MAGNÉTICOS O termo magnetismo se refere à atração e repulsão que existe entre dois pedaços de material ferromagnético, um dos quais está magnetizado. Dentre os principais materiais ferromagnéticos temos o ferro, o aço, o cobalto e o níquel. A força gerada destes processos de atração e repulsão é regida pela lei de força de Lorentz (a lei basicamente nos diz que esta força de Lorentz gerada é a soma da força elétrica com a força magnética), com direção perpendicular ao campo magnético. As extremidades (ou pólos) de uma unidade magnética são denominados pólos magnéticos, sendo estes divididos em pólo sul e pólo norte. As reações de atração e repulsão se devem justamente ao fato de coincidirem ou não duas extremidades equivalentes (norte com norte, sul com sul) entre dois ferromagnéticos. ÍMÃS Uma unidade magnética por si só, não tem tanta relevância em termos quantitativos de atração e repulsão. Porém, se associados numa grande cadeia podem gerar forças consideravelmente maiores. Esta associação de inúmeras unidades magnéticas se comporta como uma grande unidade e é chamada de ímã. Os princípios de pólos servem tanto pra unidade magnética como para o ímã.
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CAMPO MAGNÉTICO As reações entre ferromagnéticos praticamente sempre se dão sem contato físico. A explicação para este fenômeno é a de que existe um campo magnético atuando ao redor dos ímãs. Assim, pode-se dizer que campo magnético é a região ao redor do objeto de estudo, onde atua uma força magnética. ELETROMAGNETISMO E CAMPOS ELETROMAGNÉTICOS O eletromagnetismo é a criação de um campo magnético por uma corrente elétrica passando através de um condutor elétrico. Os campos magnéticos como os que ocorrem naturalmente nos metais ferrosos também podem ser produzidos usando a eletricidade. Os campos magnéticos produzidos por uma corrente elétrica que passa através de um condutor elétrico são denominados campos eletromagnéticos. Os motores elétricos usam eletroímãs ao invés dos ímãs naturais porque: •
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Os eletroímãs podem produzir forças de atração e repulsão milhares de vezes mais fortes do que aquelas produzidas pelos ímãs naturais e os eletroímãs podem ser ligados e desligados, enquanto os ímãs naturais possuem um campo magnético permanente.
Um campo eletromagnético se comporta como um campo magnético que ocorre naturalmente. Ambos os tipos de campo possuem pólos norte e sul. Os pólos opostos os campos magnéticos se atraem e os pólos iguais dos campos eletromagnéticos se repelem, da mesma forma que no exemplo da barra magnética. CORRENTE ALTERNADA MONOFÁSICA E TRIFÁSICA A corrente alternada é uma corrente elétrica que inverte a sua polaridade regularmente através de um condutor. Em uma corrente alternada monofásica, a corrente se desloca em um sentido, pára e depois se desloca no sentido oposto. É daí que surge o caráter periódico e senoidal do gráfico I x t (intensidade de corrente versus tempo).
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A corrente alternada trifásica é composta de três valores alternados igualmente espaçados por 10 graus elétricos. Sua representação gráfica é análoga à monofásica, porém com 3 fases simultâneas. INDUÇÃO O termo indução se refere à produção de uma corrente elétrica em um fio condutor que é deslocado través de um campo magnético. Quando um fio condutor – um fio de cobre, por exemplo – é deslocado no campo magnético, este mesmo campo exerce uma força eletromotriz (FEM) sobre os elétrons do fio. COMPONENTES DE UM MOTOR ELÉTRICO PADRÃO
ESTATOR Um estator é um grupo de enrolamentos cilíndricos que produz um campo eletromagnético. O estator é formado por uma carcaça, um núcleo, enrolamentos e camisa dos mancais. A carcaça do estator é a maior fonte de potência mecânica de todo o motor. Ela suporta o núcleo do estator, oferecendo apoio para o rotor e o eixo, e é o ponto de união normal entre o motor e sua base. O núcleo do estator é formado de um grande quantidade de finas laminações de aço silício nas quais os enrolamentos do estator estão enrolados. Uma laminação é uma fina chapa de aço. O núcleo do estator reforça o campo magnético produzido pelos enrolamentos do estator. 29
Os enrolamentos do estator são bobinas de fio isolado através dos quais a corrente pode passar. Os enrolamentos do estator criam os campos eletromagnéticos giratórios aos quais o rotor responde. As bobinas estão ligadas e formadas de modo a atender às dimensões específicas do estator e aos respectivos pólos do estator. A camisa dos mancais são placas metálicas que ficam em cada extremidade do motor. A camisa dos mancais abriga os mancais do eixo e mantém o rotor na posição correta dentro do estator.
ROTOR Um rotor é um conjunto de enrolamentos que giram dentro do estator. Um rotor consiste de um núcleo, os enrolamentos do rotor, anéis de fechamento ,o eixo e um ventilador para refrigeração. Nos motores elétricos de indução, que são os mais utilizados, os rotores possuem enrolamentos constituídos de barras de cobre ou alumínio dispostas circularmente e fechadas por anéis do mesmo metal. O núcleo do rotor reforça o campo eletromagnético gerado pelos enrolamentos do rotor. O núcleo do rotor consiste em camadas (laminações) de chapas de aço justadas ao eixo do rotor. As laminações possuem fendas de forma a permitir que os enrolamentos do rotor se encaixem com segurança em volta do núcleo. Os enrolamentos do rotor são barras sólidas, geralmente de cobre ou alumínio, sendo curtocircuitadas pelos anéis de fechamento do rotor. Estas barras são fundidas nas fendas dentro do núcleo do rotor formando assim uma 30
gaiola. Quando a corrente flui através dos enrolamentos do rotor, é gerado um campo eletromagnético. O campo eletromagnético interage com o campo eletromagnético gerado pelos enrolamentos do estator para produzir energia mecânica. Os anéis de fechamento são anéis lisos que atuam como terminais elétricos. Estes estão localizados em cada extremidade dos condutores do rotor e são feitos do mesmo material dos condutores do rotor aos quais estão conectados. As barras do rotor estão ligadas aos anéis coletores para formar um circuito elétrico fechado. A corrente elétrica que passa pelo circuito fechado gera o campo eletromagnético do rotor. O eixo do rotor está localizado no centro do rotor e se estende além do núcleo do rotor para fora da carcaça do estator, onde fica apoiado por mancais nas camisas dos mancais. Um ventilador fica acoplado a uma extremidade do rotor. À medida que o rotor gira, o ventilador faz o ar circular pelo rotor e pelos enrolamentos do estator para mantê-los frios.
MANCAIS Um mancal é um dispositivo que fica em uma base de montagem fixa que sustenta o eixo e permite que ele gire. Os mancais evitam que o eixo do motor faça movimentos axiais (movimentos ao longo do eixo) ou radiais (movimentos laterais ao eixo). O eixo gira sobre uma posição fixa. CARCAÇAS A carcaça é o envoltório que envolve o motor. A carcaça evita a ação do tempo e a penetração de objetos estranhos, assegurando que nada vai atingir e danificar as peças girantes do motor. A carcaça também abriga o sistema de 31
ventilação que resfria o motor durante o funcionamento. Existem três tipos principais de carcaças: protegido contra o tempo segundo Norma NEMA II, ventilação forçada a partir da base e ventilação forçada a partir da parte superior. FUNCIONAMENTO DO MOTOR ELÉTRICO DE C.A. POR INDUÇÃO Quando uma corrente elétrica passa por um fio no estator, ela produz um campo eletromagnético. Da mesma forma há uma corrente elétrica passando pelo rotor produzindo um campo eletromagnético. Os campos eletromagnéticos produzidos pelo estator e pelo rotor possuem um pólo norte e um pólo sul cada um. Os pólos norte de cada campo se repelem, da mesma forma que os pólos sul de cada campo. Assim, o pólo norte do estator é atraído pelo pólo sul do rotor e o pólo sul do estator é atraído pelo pólo norte do rotor. A combinação dessas forças de atração e repulsão faz com que o rotor gire, de forma que o pólo norte do campo magnético do rotor fique mais perto do pólo sul do campo magnético do estator, e o pólo sul do campo magnético do rotor se aproxime do pólo norte do campo magnético do estator. Este movimento giratório é denominado primeira metade do ciclo da revolução de um motor elétrico. Quando o sentido da corrente elétrica que passa pelo estator é invertido, o campo eletromagnético do estator é invertido, e os pólos norte e sul do campo trocam de lugar. Assim que isso acontece, a força de atração entre o pólo norte do rotor e o pólo sul do estator se transforma em uma força de repulsão, porque o pólo sul do estator se transformou em pólo norte. O rotor gira novamente, de modo que os pólos norte e sul do rotor e do estator se aproximem do seus opostos. O rotor então, concluiu uma revolução. A polaridade é invertida novamente no motor e o rotor dá uma meia volta outra vez. Este processo de revolução do rotor é a energia mecânica produzida pelo motor. O eixo fica preso a um dispositivo, como uma bomba por exemplo, que usa a energia do rotor para girar o rotor da bomba. Como a fonte de CA faz com eu os pólos do estator se alternem entre as polaridades N e S, o rotor, uma vez acionado, continuará a girar a uma velocidade próxima à velocidade síncrona (3600 rpm a 60Hz). Um enrolamento 32
de partida é sempre acrescentado aos motores monofásicos para assegurar a rotação de partida correta. Sem o enrolamento extra, o rotor poderia permanecer estacionário e rapidamente se superaquecer.
NORMAS TÉCNICAS APLICADAS A MOTORES ELÉTRICOS Principais normas técnicas brasileiras aplicadas a motores: Código : ABNT NBR 10840:1989 Título Primário : Máquinas elétricas girantes turbomáquinas síncronas. Título Sec. : Rotating electrical machines - Turbine - Type synchronous machines Specification Comitê Técnico : ABNT/CB-03 Eletricidade Páginas : 22 Data de Publ. : 11/30/1989 Objetivo : Esta Norma fixa os requisitos específicos para turbomáquinas trifásicas de potência nominal igual ou superior a 1 MVA, utilizadas como geradores e, no que se aplicar, às utilizadas como motores síncronos. Código : ABNT NBR 11723:1979 Título Primário : Máquinas elétricas girantes - Motores assíncronos trifásicos de anéis para regime intermitente. Título Sec. : Comitê Técnico : ABNT/CB-03 Eletricidade Páginas : 12 Data de Publ. : 1/1/1979 Objetivo : Esta Norma abrange motores assíncronos, trifásicos, de anéis para regime intermitente, totalmente fechados, de tensão nominal inferior ou igual a 600 V, freqüência nominal de 60 Hz e nas carcaças 132 a 400. Código : ABNT NBR 15367:2006 Título Primário : Máquinas elétricas girantes - Motores de indução - Marcação de cabos terminais e sentido de rotação Título Sec. : Rotating electrical machines - Induction motors - Terminal markings and direction of rotation Comitê Técnico : ABNT/CB-03 Eletricidade Páginas : 45 Data de Publ. : 7/17/2006 Objetivo : Esta Norma especifica: a) os critérios a serem usados para determinar a estabilidade do equipamento de carregamento e de serviço da aeronave, incluindo cargas de vento; b) a classificação dos sistemas recomendados para alcançar a estabilidade; c) a fórmula a ser usada para cálculo da estabilidade do vento constante; d) os métodos de ensaio recomendados, aplicáveis ao equipamento. Código : ABNT NBR 15623-3:2008 Título Primário : Máquina elétrica girante - Dimensões e séries de potências para máquinas elétricas girantes - Padronização Parte 3: Motores pequenos e flanges BF10 a BF50 Título Sec. : Rotating electrical machines - Dimensions and output series for rotating electrical machines - Standardization Part 3: Small motors and flange BF10 to BF50 Comitê Técnico : ABNT/CB-03 Eletricidade Páginas : 7 33
Data de Publ. : 9/15/2008 Objetivo : Esta parte da ABNT NBR 15623 estabelece dimensões de fixação e de ponta de eixo para máquinas elétricas girantes de eixo horizontal, para motores pequenos com flanges entre BF10 e BF50, que usualmente são utilizados em disponitivos de controle. Código : ABNT NBR 15626-1:2008 Título Primário : Máquinas elétricas girantes - Motores de indução Parte 1: Trifásicos Título Sec. : Rotating electrical machines - Induction motors Part 1: Polyphase Comitê Técnico : ABNT/CB-03 Eletricidade Páginas : 79 Data de Publ. : 9/15/2008 Objetivo : Esta parte da ABNT NBR 15626 estabelece os requisitos mínimos para motores de indução trifásicos, com exceção daqueles motores mencionados em 1.2. Código : ABNT NBR 15626-2:2008 Título Primário : Máquinas elétricas girantes - Motores de indução Parte 2: Monofásicos Título Sec. : Rotating electrical machines - Induction motors Part 2: Single phase Comitê Técnico : ABNT/CB-03 Eletricidade Páginas : 63 Data de Publ. : 9/15/2008 Objetivo : Esta parte da ABNTNBR 15626 estabelece os requisitos mínimos para motores de indução assíncronos de rotor de gaiola. Código : ABNT NBR 17094-1:2008 Versão Corrigida:2008 Título Primário : Máquinas elétricas girantes - Motores de indução Parte 1: Trifásicos Título Sec. : Rotating eelectrical machines - Induction motors Part 1: Polyphase Comitê Técnico : ABNT/CB-03 Eletricidade Páginas : 79 Data de Publ. : 9/15/2008 Objetivo : Esta parte da ABNT NBR 17094 estabelece os requisitos mínimos para motores de indução trfásicos. Código : ABNT NBR 17094-2:2008 Versão Corrigida:2008 Título Primário : Máquinas Elétricas girantes - Motores de indução Parte 2: Monofásicos Título Sec. : Rotating electrical machines - Induction motors Part 2: Single phase Comitê Técnico : ABNT/CB-03 Eletricidade Páginas : 63 Data de Publ. : 9/15/2008 Objetivo : Esta parte da ABNT NBR 17094 estabelece os requsitos mínimos para motores de indução assíncronos de rotor de gaiola. Código : ABNT NBR 5383-1:2002 Título Primário : Máquinas elétricas girantes Parte 1: Motores de indução trifásicos - Ensaios Título Sec. : rotating electrical machines Part 1: Polyphase induction motors - Tests Comitê Técnico : ABNT/CB-03 Eletricidade Páginas : 62 Data de Publ. : 2/28/2002 Objetivo : Esta Norma prescreve os ensaios aplicáveis para a determinação das características de desempenho de motores de indução trifásico e verificação de sua conformidade com a ABNT NBR 7094. Código : ABNT NBR 5383-2:2007 Título Primário : Máquinas elétricas girantes Parte 2: Motores de indução monofásicos Ensaios Título Sec. : Rotating electrical machines Part 2: Single-phase induction motors - Tests Comitê Técnico : ABNT/CB-03 Eletricidade Páginas : 66 Data de Publ. : 3/12/2007
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Objetivo : Esta parte da ABNT NBR 5383 especifica os ensaios mais comumente aplicáveis para determinação das características de desempenho de motores de indução monofásicos e para verificação de sua conformidade de acordo com a ABNT NBR 7094. Código : ABNT NBR 7094:2003 Título Primário : Máquinas elétricas girantes - Motores de indução - Especificação Título Sec. : Rotating electrical machines - Induction motors - Specification Comitê Técnico : ABNT/CB-03 Eletricidade Páginas : 49 Data de Publ. : 2/28/2003 Objetivo : Esta Norma fixa os requisitos básicos a serem atendidos pelos motores de indução, com exceção daqueles motores mencionados em 1.3. Código : ABNT NBR 8441:1984 Título Primário : Máquina elétrica girantes - Motores de indução de gaiola, Trifásicos, fechados - Correspondência entre potência nominal e dimensões Título Sec. : Comitê Técnico : ABNT/CB-03 Eletricidade Páginas : 3 Data de Publ. : 4/30/1984 Objetivo : Esta Norma padroniza a correspondência entre a potência nominal em regime contínuo, a velocidade síncrona e as dimensões de fixação e de ponta e de eixo e a designação dos flanges.
MANUTENÇÃO DE MOTORES ELÉTRICOS Os motores elétricos são responsáveis por grande parte da energia consumida nos segmentos onde seu uso é mais efetivo, como nas indústrias, onde representam em média mais de 50% do consumo de eletricidade dessas instalações. São, portanto, equipamentos sobre os quais é preciso buscar, prioritariamente, a economia de energia. Nos motores elétricos as operações de controle de materiais e equipamentos têm na sua maioria um efeito direto sobre o estudo mecânico e elétrico destes equipamentos, agindo direta ou indiretamente sobre seus rendimentos. Apresentaremos agora ações que, se adotadas pelos técnicos de manutenção, resultarão na melhoria do rendimento dos motores existentes em suas instalações, bem como numa maior vida útil dos componentes do mesmo. Cabe ainda observar que 90% dos motores elétricos instalados são assíncronos com rotor em curto-circuito, sendo, portanto este tipo de equipamento objeto da análise a seguir apresentada. A figura abaixo mostra as principais perdas que ocorrem nos motores elétricos:
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Analisando a foto, vemos que as perdas são: perdas por ventilação; perdas térmicas (estator mais rotor; perdas nos mancais). Vejamos pois como proceder para diminuí-las.
CARREGAMENTO CONVENIENTE DOS MOTORES Um motor elétrico é dimensionado para fornecer um conjugado nominal Cn, a uma velocidade nominal Nn. Isto é, para uma potência nominal Pn, temos: Pn = Cn x Nn As perdas elétricas (ou perdas térmicas) variam com o quadrado do conjugado resistente (carga). Num motor bem dimensionado, o conjugado resistente deve ser menor que o conjugado nominal. Se for igual ou ligeiramente superior, o aquecimento resultante será considerável. Por outro lado, um motor "subcarregado" apresente uma sensível redução no rendimento. O carregamento ideal deveria corresponder à carga do trabalho a ser efetuado, o que nem sempre é fácil de determinar. Se o trabalho exigido da máquina acionada apresente sobrecargas temporárias, a potência do motor deve ser ligeiramente superior à potência necessária. É importante limitar o crescimento das perdas, realizando adequada manutenção das máquinas e componentes mecânicos de acionamento, como por exemplo: regulagem das folgas, lubrificação adequada, 36
verificação dos alinhamentos, etc. Finalmente, devemos lembrar que motores individuais são geralmente mais econômicos em energia do que as transmissões múltiplas. VENTILAÇÃO ADEQUADA: Nos motores auto-ventilados, o ar de resfriamento é fornecido por um ventilador interno ou externo acionado pelo eixo do motor. O fluxo de ar arrasta consigo poeira e materiais leves que obstruem aos poucos as aberturas ou canais e impedem a passagem do ar e a dispersão normal de calor, o que aumenta fortemente o aquecimento do motor. Por outro lado, é comum encontrar nas indústrias motores instalados em espaços exíguos que limitam a circulação do ar, provocando aquecimentos excessivos. Nos motores que utilizam ventilação forçada externa, a parada do grupo moto-ventilador pode causar os mesmos problemas. Portanto, para assegurar o bom funcionamento das instalações, devem ser tomadas as seguintes precauções: - Limpar cuidadosamente os orifícios de ventilação; Limpar as aletas retirando a poeira e materiais fibrosos; Cuidar para que o local de instalação do motor permita livre circulação de ar; Verificar o funcionamento do sistema de ventilação auxiliar e a livre circulação do ar nos dutos de ventilação. CONTROLE DA TEMPERATURA AMBIENTE De forma geral, a temperatura limite suportada pelos isolantes do motor é calculada para o funcionamento num ambiente com temperatura de 40ºC, variando pouco de um motor para outro. Portanto, é importante verificar e controlar a temperatura ambiente para não ultrapassar os valores para os quais o motor foi projetado. CUIDADO COM AS VARIAÇÕES DE TENSÃO O equilíbrio térmico de um motor é modificado quando a tensão de alimentação varia. Uma queda de tensão limita o fluxo do circuito magnético, reduzindo as perdas no ferro e a corrente em vazio. Porém, o conjugado motor deve superar o conjugado resistente, para impedir o aumento excessivo do escorregamento. Como o conjugado motor é função do produto entre o fluxo e 37
a intensidade da corrente absorvida, se o fluxo diminui a intensidade da corrente aumenta. Com a corrente em carga aumentada pela queda de tensão, o motor se aquecerá, aumentando as perdas. Um aumento de tensão de alimentação terá efeitos mais limitados, uma vez que a corrente em vazio aumenta enquanto a corrente em carga diminui. OPERAÇÃO COM PARTIDAS E PARADAS BEM EQUILIBRADAS Devem ser evitadas as partidas muito demoradas que ocorrem quando o conjugado motor é apenas ligeiramente superior ao conjugado resistente: a sobreintensidade de corrente absorvida, enquanto a velocidade nominal não é atingida, aquece perigosamente o motor. Da mesma forma, uma frenagem por contra-corrente, ou seja, através de inversão do motor, representa, a grosso modo, o custo equivalente a três partidas. Em todos os casos, é fundamental assegurar-se que o conjugado de partida seja suficiente: Através da escolha de um motor adequado; Verificando se a linha de alimentação possui características necessárias para limitar a queda da tensão na partida; Mantendo a carga acoplado ao motor em condições adequadas de operação, de forma a não apresentar um conjugado resistente anormal. PARTIDAS MUITO FREQÜENTES Quando o processo industrial exige partidas freqüentes, essa característica deve ser prevista no projeto do equipamento e o motor deve estar adaptado para trabalhar desta forma. Porém, em conseqüência de reguladores de algumas máquinas, pode ser necessário proceder a várias partidas num tempo relativamente curto, não permitindo que o motor esfrie adequadamente.A figura abaixo mostra que entre cada partida a curva de aquecimento tem sua origem e pico mais elevados e pode ultrapassar rapidamente o limite crítico de temperatura.
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Aconselha-se, durante essas regulagens, observar a temperatura do motor, proporcionando tempos de parada suficientes para que a temperatura volte a um valor conveniente. DEGRADAÇÃO DOS ISOLANTES TÉRMICOS A vida útil de um isolante pode ser drasticamente reduzida se houver um sobreaquecimento representativo do motor. As principais causas da degradação dos isolantes são: sobretensão de linha, sobreintensidade de corrente nas partidas, depósito de poeira formando pontes condutoras, ataque por vapores ácidos ou gases arrastados pela ventilação.Para prevenir a degradação desses isolantes, recomendamos abaixo algumas medidas a serem tomadas: PROCEDIMENTOS PARA MANUTENÇÃO DOS ISOLANTES ELÉTRICOS: - Equipar os quadros de alimentação com aparelhos de proteção e comandos apropriados e verificar periodicamente o seu funcionamento. - Aproveitar os períodos de parada dos motores para limpar as bobinas dos enrolamentos. - Caso necessário, instalar filtros nos sistemas de ventilação dos motores, proporcionando-lhes manutenção adequada. - Colocar os motores em lugares salubres. 39
- Verificar qualquer desprendimento de fumaça. - Verificar periodicamente as condições de isolamento. - Equipar os motores com dispositivos de alarme e proteção contra curtoscircuitos. - Observar ruídos e vibrações intempestivas. - Observar sinais de superaquecimento e anotar periodicamente as temperaturas durante a operação. - Observar o equilíbrio das correntes nas três fases. - Verificar se a freqüência prevista para o motor é realmente igual à freqüência da rede de alimentação. FIXAÇÃO CORRETA DOS MOTORES E ELIMINAÇÃO DE VIBRAÇÕES O motor standard é construído para funcionar com eixo numa determinada posição: horizontal ou vertical. Em poucas palavras, um motor nunca deve ser fixado numa inclinação qualquer de seu eixo sem que se tenha certeza de suas características próprias. Vibrações anormais causam uma redução no rendimento do motor: elas podem ser conseqüência de uma falha no alinhamento, de uma fixação insuficiente ou defeituosa do motor em sua base, de folgas excessivas dos mancais, ou ainda de um balanceamento inadequado nas partes giratórias. Para controlar este problema, podemos tomar algumas medidas preventivas, que são: - Observar o estado dos mancais. - Observar a vida útil média dos mancais (informação fornecida pelos fabricantes). - Controlar e analisar as vibrações de forma muito simples: basta colocar uma ferramenta sobre o mancal, aproximando o ouvido e detectando as falhas pelos ruídos produzidos. - Tomar cuidado ao substituir um rolamento por outro. - Nas paradas de longa duração, trocar periodicamente a posição de repouso dos rotores dos motores elétricos, assim como das partes móveis das máquinas. LUBRIFICAÇÃO CORRETA DOS MANCAIS
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É importante saber que a uma temperatura de 40ºC, a vida útil de um rolamento de esferas em funcionamento contínuo pode ser de 3 a 4 anos ou mais. No entanto, para cada 10ºC de elevação da temperatura de trabalho a vida útil diminui, em média, 50%. A correta lubrificação dos rolamentos, além de permitir um melhoria de rendimento, evita a elevação da temperatura que prejudica a vida útil desses equipamentos. A lubrificação dos rolamentos é feita geralmente com graxa mineral. Quando as temperaturas de operação forem elevadas (de 120ºC a 150ºC) ou as velocidades de rotação forem acima de 1.500 rpm, usa-se óleo mineral para a lubrificação. Esses óleos devem ter características lubrificantes adequadas às condições de trabalho. Nos motores de pequena potência, a lubrificação inicial na montagem é prevista de modo a assegurar um número elevado de horas de funcionamento. Às vezes, a reserva de graxa é suficiente para toda a vida útil do equipamento. Nos motores maiores há necessidade de lubrificação externa. A freqüência de lubrificação depende do projeto dos mancais e das características dos lubrificantes utilizados. Algumas recomendações que podem garantir maior vida útil para os rolamentos e um menor consumo de energia são:. - Respeitar os intervalos de lubrificação. - Não engraxar excessivamente os rolamentos e limpá-los com gasolina antes de colar a graxa nova (salvo se houver evacuador automático de graxa). - Utilizar as graxas recomendadas pelo fabricante em função do serviço e da temperatura. - Para os mancais lubrificados a óleo, verificar os anéis de retenção e utilizar o óleo recomendado. - Observar a temperatura dos mancais em operação. - Cuidar para que a temperatura ambiente permaneça dentro dos limites normais. - Se o motor precisa funcionar num ambiente anormal, assinalar este fato ao fabricante no momento do pedido. - Durante a limpeza, evitar os depósitos de poeira nas caixas de rolamentos.
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Tabela I. Defeitos mais freqüentes em motores elétricos Nº
Defeito
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Estator queimado -Temperatura alta da por sobrecarga carcaça; -Cheiro de queimado; -Atuação das proteções; -Baixa Resistência de Isolamento nas 3 fases. Fase queimada - Costuma acontecer em motores delta; - Baixa resistência de isolamento à massa de 1 fase; - Baixa resistência ôhmica da fase. Duas Fases - Costuma acontecer queimadas em motores Y; - Duas fases com baixa resistência de isolamento à massa; - Resistência ôhmica alterada em uma ou nas duas fases queimadas. Curto entre duas - As três fases com fases resistência de isolamento boa para a massa; - Resistência de isolamento nula entre 2 fases. Curto entre fase e - 2 fases com boa massa resistência de isolamento entre si; - 1 fase "furada" para a massa; - Resistência ôhmicas certas em duas fases; - Resistência boa ou nula na fase "furada". Fase Interrompida - Nos motores Y: interrupção ôhmica entre um borne e os outros dois; - Nos motores estrela: Nas 3 medições ôhmicas, uma é dupla das outras duas.
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03
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Sistemas Externos
Sintomas Internos
Causas
- Cabeças das bobinas uniformemente carbonizadas nas 3 fases.
Sobrecarga baixa durante um tempo longo ou sobrecarga forte por tempo curto.
- Bobinas de fase carbonizada; - As duas outras fases intactas; - Sinais de curto na fase.
Falta de uma fase da alimentação. O motor ficou rodando como monofásico (com toda a carga).
Razões mais freqüentes
Cuidados Futuros
Ver TAB II
- Fusível queimado numa fase; - Condutor de fase com interrupção.
- Verificar cabos e painéis; - Verificar o nível de rorina das proteções.
- Duas fases - Falta de uma Fasecarbonizadas; motor rodando em - Uma fase intacta; monofásico. - Às vezes, sinais de descarga entre espiras nas fases queimadas.
- Cabo de fase interrompido; - Fusível queimado; - Falha no disjuntor IDEM térmico. ITEM II
- Sinal de descarga - Colapso do isolante; entre duas fases, - Sobretensão quase sempre na momentânea (manobra) cabeça das bobinas.
- Umidade excessiva; - Baixa resistência IDEM de isolamento entre ITEM II fases; - Motor parado muito tempo.
- Muitas vezes não são visíveis; NOTA: Algumas proteções não atuam com o defeito se não houver interrupções por arco.
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Tabela II: Razões de sobrecarga mais freqüentes RAZÕES 01 Motores acoplados a ventiladores e a telas transportadoras com alto tempo de partida. 02 Roçamento do motor no estator devido a falha do rolamento. 03 Sobrecarga (pequena) deliberada - regulagem alterada da proteção térmica. 04 Tensão excessivamente pequena - sobreitnensidade resultante e má regulagem do relé (ou térmico) de sobreintensidade.
FAZER DETERMINAR Análise da partida de Curva de aceleração motores a partir da curva de Tempo de partida. binário motor e binário resistente.
COMPARAR Rotor bobinado versus dupla gaiola.
SOLUÇÕES FUTURAS - Gaiola dupla alta resistência; - Acoplador hidráulico; - Resistência Rotórica. Verificar as causas de falha do rolamento. - Proibir sobrecarga; - Colocar motor de maior potência; Ver causa da queda de tensão.
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Nas figuras abaixo temos as ilustrações dos principais defeitos listados acima.
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VANTAGENS DO USO DE MOTOR CA EM COMPARAÇÃO COM MOTOR CC E SISTEMAS DE VARIAÇÃO DE VELOCIDADE. 1 O motor CA é mais barato do que motor CC, reduzindo custo de compra e/ou valor financeiro do estoque. 2 O acionamento CA é mais barato do que o acionamento CC,reduzindo custo de compra e/ou valor financeiro do estoque. 3 A eficiência do motor CA é melhor do que a do motor CC, garantindo uma redução no consumo de energia e menor aquecimento do motor 4 Redução em até 200% no custo de manutenção, pois o motor CA tem menos peças na sua fabricação (o motor CC tem CAMPO e ARMADURA, escovas comutadoras, etc, que devem ser reparadas em caso de falha. 5 . A construção do motor CA é mais simples). O rebobinamento de um motor CC traz resultado inferior ao do motor CA, a performance após um rebobinamento não é a mesma . Mais oficinas estão habilitadas a rebobinarem motores CA, o que permitem uma oferta de serviços com custo reduzido, devido a competitividade comercial. 6 Disponibilidade comercial maior do motor CA do que motor CC – compra mais fácil e rápida. 7 Disponibilidade comercial maior do acionamento do motor CA do que motor CC – compra mais fácil e rápida. 8 O motor CA normalmente tem tamanho menor do que o motor CC. 9 Padronização de tamanhos, potências e características técnicas facilitam escolha do motor mais adequado para a aplicação, substituição de um motor danificado por outro em caso de falha, intercambiabilidade de peças entre motores, rebobinamento, uso de chaves de partidas convencionais (direta, estrela – triangulo, compensadora, soft-start, inversor de freqüência). Enquanto o motor CC só pode ser acionado por equipamento especializado. 10 Para variação de velocidade, o sistema CA (inversor de freqüência) permite economizar energia, produz menos harmônicos (quando vem
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com filtro embutido), tem mais recursos de automação permitindo operar a máquina de diversas maneiras. 11 O inversor de freqüência é mais facilmente programado, permitindo maior rapidez na colocação em funcionamento. A programação de um inversor pode ser copiada para outro inversor. 12 Maior disponibilidade de redes de comunicação, até via Internet. 13 O conjunto motor CA e inversor permite uma sobrevelocidade de até 20 % com manutenção do torque necessário para acionar a máquina, através de uma correta programação do inversor. Devido a problemas de faíscas de comutação nas escovas o motor CC não pode ter este limite superado. 14 O inversor de freqüência com controle vetorial permite estabilidade de operação do motor CA, sem a necessidade de taco-gerador digital (encoder), ao passo que o motor CC é obrigatório o uso de taco gerador para promover o controle. 15 Recursos de um inversor de freqüência para motores CA que não estão disponíveis em conversores CC: suporta maiores quedas de tensão da rede , por um tempo maior, mantendo a máquina funcionando, retomada de velocidade mais suave, diversas proteções elétricas (sobrecarga, curto-circuito, fuga à terra, falta de fase, etc) que podem nem estar presentes no conversor CC, acionamento em velocidade préselecionadas impedindo operação inadequada por falha humana, sistema PID para controle de variável de um processo ou máquina (pressão, vazão, temperatura, velocidade, posicionamento, nível, peso , tensão de um fio). 16 O inversor de freqüência, em conjunto com um encoder, permite um precisão no acionamento superior ao de um motor CC no atual estágio da tecnologia, portanto qualquer máquina pode ser acionada por um inversor de freqüência e um motor CA .
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CONCLUSÃO A concorrência entre fabricantes provocou o rápido aperfeiçoamento do motor elétrico, pois o sucesso dependia da capacidade de colocar no mercado um produto de melhor qualidade, menor custo e menor relação peso/potência. Quando começou a fabricação em série, a diminuição de peso e tamanho trouxe um aspecto negativo: as dimensões variavam de um fabricante para outro, dificultando a intercambialidade. Assim, começou-se a buscar uma padronização das características mais importantes do motor. Em 1923 foi publicada, na Alemanha, a norma DINVDE2650, que fixava valores para rendimento, fator de potência, conjugado de partida e corrente de partida para motores abertos trifásicos com rotor em curto-circuito de 0,12 a 100 kW. Após a Segunda Guerra, iniciou-se a padronização dimensional. Em 1948, uma norma estabelecia dez dimensões de carcaças, mas levava em conta apenas motores de quatro pólos. Dois anos depois foi criado um subcomitê da International Electrotechnical Commission IEC -, visando a padronização das máquinas elétricas girantes. Mas ainda havia o problema da utilização de dois sistemas de medida diferentes (métrico e em polegadas). Optou-se então por estabelecer séries independentes de potências e dimensões, e a relação entre elas ficaria a cargo das associações normativas de cada país. Em 1956 foi publicada a primeira edição da norma IEC-72, que até hoje serve de diretriz para os países membros. A norma brasileira NBR 5432/1983 segue as recomendações da IEC-72, porém propõe que, para motores de potência nominal igual ou inferior a 150kW ou 200 cv, as potências deverão ser expressas preferencialmente em cv(cavalo-vapor). Para potências superiores são admitidas duas séries, uma em kW e outra em cv, que não são equivalentes entre si, porém são baseadas na série R 40. O que se deduz é que uma padronização sensata deve oferecer a possibilidade de aperfeiçoamento e de desenvolvimento tecnológico. Por outro lado, é necessário que as normas tenham um maior período de validade, para se evitar desperdício com investimentos em ferramental, material e mão-deobra. Se analisarmos o desenvolvimento das máquinas elétricas através da história e avaliarmos o seu atual estágio tecnológico, temos a sensação de que
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não há mais muita coisa a fazer. Mas também sabemos que o desenvolvimento, uma vez desencadeado, não pára. O que, hoje, faz parte da ficção científica, amanhã poderá ser realidade.
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