Transcript
Processo de montagem de um motor
trifásico de indução
Luiz Antônio Corrêa Júnior
Marcus Vinicius de Paula
Romeu Yukio Takeda
Thiago Lobo Diana
João Monlevade
05/09/2013
SUMÁRIO
1. Introdução 3
2. Objetivos 3
3. Materiais utilizados e orçamento 3
4. Montagem do estator 4
5. Enrolamento das bobinas de campo 5
6. Montagem da base do motor 6
7. Montagem do rotor 6
8. Conclusões e ensaios realizados no protótipo 7
9. Referências 10
1. Introdução
Neste trabalho de montagem de um motor, optou-se por confeccionar uma
máquina trifásica de indução, de dois pólos, com rotor tipo gaiola. Segundo
[2], esta configuração de motor é uma das mais simples existentes, pois
não necessita de comutador, nem de anéis coletores nem quaisquer contatos
móveis entre rotor e estator. Os "enrolamentos" do rotor tipo gaiola são na
realidade barras sólidas de alumínio que são fundidas nas ranhuras do rotor
e colocadas em curto-ciruito por anéis de alumínio fundido localizados em
cada extremidade do rotor [1]. A figura 1 mostra o aspecto físico de um
rotor gaiola de esquilo. Este tipo de construção da máquina leva a algumas
vantagens, como o baixo custo e a aplicação quase isenta de manutenção. Por
esta razão, é correntemente o motor polifásico CA mais largamente
utilizado.
Nas máquinas de indução, as bobinas do estator são excitadas com
correntes alternadas trifásicas, ao passo que o rotor recebe a corrente por
indução a partir do estator. Deste modo, a máquina de indução pode ser
vista como um transformador generalizado, em que potência elétrica é
transformada entre o rotor e o estator juntamente com uma mudança de
freqüência e um fluxo de potência mecânica. Diferentemente de uma máquina
síncrona, o rotor de uma máquina de indução não gira em sincronismo com o
campo do estator. Há um "escorregamento" do rotor em relação ao fluxo
síncrono da armadura, dando origem às corrente induzidas no rotor e
conseqüentemente ao conjugado. Portanto, os motores de indução operam em
velocidades inferiores à velocidade mecânica síncrona [1].
Figura1: Rotor tipo gaiola de esquilo.
2. Objetivos
Este trabalho tem como objetivo apresentar os passos de montagem de um
motor trifásico de indução, como rotor tipo gaiola. Optou-se por esta
configuração de motor devido à sua simplicidade estrutural. Nesta máquina,
não há necessidade de componentes que façam a ligação mecânica entre o
rotor e o estator. Além disto, o motor trifásico de indução, em contraste
com o motor monofásico, não necessita de dispositivos auxiliares de
partida, o que facilita o trabalho de montagem e fazem desta classe motores
de partida própria (que têm torque de partida).
3. Materiais utilizados e orçamento
A seguir, serão listados os materiais que foram utilizados na montagem
do motor, bem como a procedência de todos eles.
"Material "Procedência "Custo (R$) "
"Carcaça do motor "Confeccionado em uma empresa"70,00 "
"trifásico - sapatas "de usinagem mecânica " "
"polares e estrutura de " " "
"sustentação do rotor " " "
"Fio esmaltado AWG 23 "Adquirido em loja "18,00 "
" "especializada " "
"Fita isolante "Adquirido em loja "1,50 "
" "especializada " "
"Base de madeira para o "Cortesia de uma madeireira "0,00 "
"motor " " "
"Bornes de conexão dos "Adquiridos em loja "6,00 "
"fios "especializada " "
"Lata de refrigerante "Adquirida em uma lanchonete "1,00 "
"Preço total do projeto " "
" "R$ 96,50 "
4. Montagem do estator
A carcaça do motor foi confeccionada em uma empresa especializada em
usinagem mecânica. Trata-se de um tubo circular metálico recortado, onde
foram conectadas seis sapatas polares no estator (figura 2).
As sapatas polares são cilindros de ferro maciço, com um disco (também
de ferro) acoplado na parte superior da estrutura. Este disco, de diâmetro
maior que o do cilindro, serve como uma "tampa", evitando que as espiras do
enrolamento se desprendam da estrutura (figura 3). Como forma de garantir
uma melhor flexibilidade, as sapatas polares podem ser removidas para o
enrolamento das bobinas de campo. Após a bobinagem, estas são novamente
afixadas na estrutura através de parafusos.
Duas hastes verticais também compõem parte da estrutura usinada. Suas
funções são sustentar o eixo onde será posicionado o rotor da máquina
(figura 4).
5. Enrolamento das bobinas de campo
O próximo passo, após a montagem do estator, foi a confecção das
bobinas de campo. Utilizou-se nos enrolamentos, fio de cobre esmaltado
AWG23 adquirido em uma loja especializada, conforme mostra a figura 5. Dada
a configuração do estator, foram confeccionadas seis bobinas de campo. As
bobinas foram enroladas diretamente nas sapatas, com o auxílio de uma
furadeira manual de velocidade controlada conectada ao eixo presente na
carcaça do motor. A figura 6 mostra a confecção parcial de uma das bobinas.
Cada bobina tem um total de 10 camadas e aproximadamente 1000 espiras,
consumindo cerca de 60m de fio. A cada camada enrolada, fixavam-se os
condutores com fita isolante, como forma de prender as espiras.
Após a confecção, as bobinas foram conectadas aos pares e em série,
com espaçamento de 180 graus mecânicos entre cada uma delas. A conexão em
série foi priorizada devido à baixa resistência de cada uma das bobinas
(cerca de 3,5 Ω). Um aumento na resistência total dos enrolamentos permite
que o motor possa operar com módulos maiores de tensão. Ao conectar as duas
bobinas em série, teve-se o cuidado de observar o sentido de enrolamento
das mesmas. Os sentidos devem ser coincidentes, gerando fluxos magnéticos
com o mesmo sentido.
Após a conexão dos pares de bobinas, o estator terá um total de três
bobinas de campo e seis terminais. Estes terminais ficarão disponíveis ao
usuário, possibilitando um fechamento do estator em triangulo (figura 9) ou
em estrela (figura 10).
6. Montagem da base do motor
A base do motor foi confeccionada em uma prancha de madeira, onde se
conectaram seis pinos elétricos fêmea (tipo banana). Para afixar os pinos,
a parte dianteira da prancha de madeira foi desbastada com uma serra
elétrica (como mostra a figura 11). Também foram feitos seis furos com uma
furadeira de mão para o encaixe dos pinos. A carcaça metálica foi
posicionada e afixada na base de madeira com auxílio de parafusos (como
pode ser visto na figura 15).
7. Montagem do rotor
Como citado anteriormente, o rotor deste motor será do tipo gaiola.
Baseados num projeto visto na internet, optou-se por utilizar como rotor
uma lata de alumínio de refrigerantes. A lata de alumínio funciona
exatamente como uma gaiola de esquilo, com exceção da inexistência das
barras paralelas separadas. Para aumentar o peso e conseqüentemente o
momento de inércia do rotor, a lata foi completamente preenchida com palha
de aço.
A utilização deste rotor trará duas vantagens evidentes:
-Haverá uma maior facilidade de arranque da máquina, tendo em vista que o
torque de partida será baixo devido à leveza da lata.
- Os valores de velocidade mecânica do eixo serão maiores, também devido à
leveza da lata.
No entanto, uma desvantagem evidente será o baixo torque mecânico
proporcionado pela máquina, devido também ao baixo peso do rotor.
8. Conclusões e ensaios realizados no protótipo
Terminado o processo de montagem da máquina de indução, a última etapa
consistiu na realização de testes do protótipo.
Levando em consideração os valores da resistência elétrica das bobinas
de campo (aproximadamente 7,0 Ω para cada conjunto de duas bobinas) e a
capacidade máxima de corrente suportada pelo condutor AWG23 (cerca de
1,3A), foi necessário reduzir o módulo da tensão trifásica fornecida pela
rede (220V de linha). Para tanto, foi utilizado um banco de resistores
trifásicos de potência (figura 14)
A tensão de saída do banco foi reduzida para dois níveis distintos.
Estes valores foram aplicados na máquina para os dois possíveis modos de
fechamento do estator (triangulo ou estrela) conforme mostram as tabelas 3
e 4, respectivamente. A seguir, tem-se três tabelas onde são apresentadas
as características nominais da máquina de indução trifásica.
"Número de fases "3 "
"Número de pólos "2 "
"Freqüência nominal (Hz) "60 "
"Velocidade síncrona para "3600 "
"a freqüência nominal " "
"(rpm) " "
Primeiramente, fechou-se o estator do motor em triangulo. Os valores
pré-determinados e medidos durante este teste estão exibidos na tabela 3.
"Fechamento do estator "Triangulo (delta) "
"Tensão nominal de linha "48 "
"aplicada ao estator (V) " "
"Corrente nominal de linha"1,0 "
"no estator (A) " "
"Velocidade de rotação "1380 "
"nominal (rpm) " "
"Escorregamento em "61 "
"condições nominais (%) " "
Posteriormente, fechou-se o estator do motor em estrela. Os valores
pré-determinados e medidos durante este teste estão exibidos na tabela 4.
"Fechamento do estator "Estrela "
"Tensão nominal de linha "140 "
"aplicada ao estator (V) " "
"Corrente nominal de linha"1,2 "
"no estator (A) " "
"Velocidade de rotação "1625 "
"nominal (rpm) " "
"Escorregamento em "55 "
"condições nominais (%) " "
O alto escorregamento nominal da máquina aponta uma grande diferença
entre a velocidade síncrona de campo e a velocidade mecânica do motor. Isto
pode ser explicado pelo fato da carcaça confeccionada para a máquina não
apresentar as características otimizadas de um motor comercial. Um exemplo
disto são as peças maciças da estrutura que não reduzem as perdas por
correntes parasitas e os contatos metal-metal do eixo do rotor com a
carcaça da máquina.
No decorrer dos testes foi avaliada a temperatura dos enrolamentos de
campo. Devido ao razoável aquecimento observado, recomenda-se que a
máquina, em condições nominais de operação, seja desligada a cada 15
minutos.
Uma característica importante do funcionamento de qualquer motor é a
determinação do sentido de rotação do eixo. Este teste foi realizado no
protótipo invertendo, com o sistema desligado, duas das três fases de
alimentação do estator. O motor, que antes da inversão das fases girava no
sentido horário, passou a girar no sentido anti-horário após o acionamento,
obedecendo desta forma a uma das maneiras de inverter o sentido de rotação
do motor trifásico.
O torque desenvolvido pela máquina foi verificado de forma qualitativa
tentando frear o seu eixo com as mãos. Como previsto anteriormente,
percebeu-se que sua velocidade diminuía após a aplicação de uma força
pequena sobre o eixo, o que nos leva a concluir que o torque desenvolvido
pelo motor não é significativo.
A figura 15 mostra a versão final do projeto do motor trifásico.
9. Referências
[1] FITZGERALD, A. E.; UMANS, S. D.; KINGSLEY JR., C. "Máquinas Elétricas".
Editora Bookman Companhia, 6ª edição, 2006.
[2] KOSOV, I. L. "Máquinas Elétricas e Transformadores. Volume 1", Editora
Globo, 4 edição, 1982.
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Universidade Federal de Ouro Preto
Instituto de Ciências Exatas e Aplicadas
Curso de Engenharia Elétrica - Campus João Monlevade
Trabalho apresentado ao Prof. Dr. Juan Carlos Galvis Manso, na
disciplina de Máquinas Elétricas II, do curso de Engenharia Elétrica da
UFOP, como requisito para conclusão da referida disciplina.
Figura 2: Carcaça usinada do
motor.
Figura 3: Sapara polar
removível com bobina
já enrolada. Destaque para
o disco superior.
Figura 5: Cobre esmaltado para enrolamentos.
Figura 8: Configuração final do estator.
Figura 6: Processo de enrolamento das bobinas.
Figura 14: Banco de resistores de potencia.
.
.
Figura 13: Estrutura do rotor.
.
.
Tabela 4: Valores nominais de placa para o motor
com fechamento do estator em estrela.
.
Figura 7: Bobina enrolada e conectada ao estator.
Figura 15: Projeto final do motor de indução trifásico.
Tabela 2: Valores nominais do motor de indução.
Tabela 1: Orçamento dos materiais e serviços prestados para a montagem do
projeto.
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OJ[?]QJ[?]^J[?]aJ h!S×CJ OJ[?]QJ[?]^J[?]aJ h!S×mHnHtHu-
jh!S×UmHnHtHu-jh+QÂUmHnHtHuTabela 3: Valores nominais
de placa para o motor
com fechamento do estator em triangulo (delta).
.
Figura 4: Hastes de sustentação do eixo, no detalhe.
.
Figura 9: Fechamento do estator em triangulo (ou delta).
Figura 10: Fechamento do estator em estrela.
Figura 11: Detalhe da conexão dos pinos.
Figura 12: Base do motor concluída.
