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ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ENERGIA E AUTOMAÇÃO ELÉTRICAS
ESCOLA POLITÉCNICA DA USP
PEA - LABORATÓRIO DE INSTALAÇÕES ELÉTRICAS
MOTORES – LIGAÇÕES / PARTIDAS E OPERAÇÕES Código: MOT 1 e 2
ÍNDICE 1. Apresentação .................................................................................................................. 03 2. Tipos de Motores............................................................................................................. 04 3. Motores Trifásicos de Indução ........................................................................................ 07 3.1 Considerações Gerais................................................................................................ 07 3.2 Princípio de Funcionamento....................................................................................... 07 3.2.1 Campo Girante .................................................................................................. 07 3.2.2 Velocidade de Sincronismo............................................................................... 12 3.2.3 Princípio de Funcionamento.............................................................................. 14 3.2.4 Escorregamento ................................................................................................ 15 3.3 Detalhes Construtivos ................................................................................................ 17 3.3.1 Introdução.......................................................................................................... 17 3.3.2 Estator ............................................................................................................... 17 3.3.3 Rotor .................................................................................................................. 19 3.4 Tipos de Ligação ........................................................................................................ 22 3.4.1 Considerações Gerais....................................................................................... 23 3.4.2 Identificação dos Terminais dos Motores.......................................................... 23 3.4.3 Ligação de Motores com 12 Terminais Externos.............................................. 25 3.4.4 Motores com 9 Terminais Externos................................................................... 27 3.4.5 Motor com 6 Terminais Externos ...................................................................... 28 3.5 Conjugado em Função de Rotação............................................................................ 29 3.5.1 Considerações Gerais....................................................................................... 29 3.5.2 Conjugado x Rotação ........................................................................................ 29 3.5.3 Análise de Curva de Conjugado........................................................................ 33 3.5.4 Corrente Absorvida da Rede de Alimentação................................................... 39 3.6 Métodos de Partida .................................................................................................... 44 3.6.1 Considerações Gerais....................................................................................... 44 3.6.2 Chave Estrela-Triângulo.................................................................................... 44 3.6.3 Resistores de Partida em Motores com Rotor Bobinado.................................. 47 3.6.4 Redução de Tensão Através de Compensadores ............................................ 49 3.7 Dados de Placa - Valores Nominais e Rendimento ................................................... 50 4. Motores Monofásicos de Corrente Alternada.................................................................. 51 4.1 Considerações Gerais............................................................................................... 51 4.2 Motores Monofásicos “Shaded-Pole ......................................................................... 51 4.3 Motores Universais.................................................................................................... 55 4.3.1 Considerações Gerais...................................................................................... 55 4.3.2 Aspectos Construtivos...................................................................................... 56 4.3.3 Princípio de Funcionamento............................................................................. 57 4.4 Motores Monofásicos com Dois Enrolamentos......................................................... 60 4.4.1 Considerações Gerais...................................................................................... 60 4.4.2 Motor “Split-Phase”........................................................................................... 61 4.4.3 Motor Monofásico com Capacitor de Partida ................................................... 62 4.4.4 Motor Monofásico com Capacitor Permanente................................................ 65 4.4.5 Aplicações ........................................................................................................ 66
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1. APRESENTAÇÃO
O setor industrial é responsável por cerca de 40% a 50% de toda a energia elétrica consumida no país. Dentro deste setor o consumo de motores elétricos é estimado em cerca de 70% a 80%, o que evidência a grande importância do conhecimento, por parte dos engenheiros, deste tipo de equipamento. Nesta apostila é dada maior ênfase aos motores trifásicos de indução, pois representam cerca de 90% da potência de motores fabricados. Para esse tipo de motor este texto apresenta o princípio de funcionamento, as principais características técnicas e algumas informações sobre sua aplicação. São abordados, ainda, outros tipos de motores, porém com menor profundidade. Incluem-se motores síncronos, de corrente contínua e monofásicos de indução. A finalidade básica dos motores é o acionamento de máquinas e equipamentos mecânicos. Cabe ao usuário a correta seleção do motor adequado a cada processo industrial. Existe uma gama variada de motores, que operam em corrente alternada (monofásico ou trifásico) ou contínua, porém para cada aplicação existe um motor com característica mecânica e elétrica que atende o processo da melhor maneira. O processo de seleção dos motores deve satisfazer basicamente três requisitos: a) Fonte de alimentação: tipo, tensão, frequência, etc,; b) Condições ambientais: temperatura, etc,;
agressividade,
periculosidade,
altitude,
c) Exigências da carga e condições de serviço: potência solicitada, rotação, conjugados, esforços mecânicos, ciclo de operação, confiabilidade exigida pelo processo industrial, etc.
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2. TIPOS DE MOTORES
A classificação clássica dos motores consiste agrupá-los da seguintes forma: a) Motores de Corrente Contínua Este tipo de motores opera alimentado por fonte de energia em corrente contínua. Este fato impõe uma grande limitação no campo de aplicação desse tipo de motores, pois, como sabemos, a rede elétrica pública que atende nossas casas, as industrias e o comércio opera em corrente alternada. Porém as características técnicas de um motor deste tipo, como por exemplo a relativa facilidade com que se consegue controlar a sua velocidade e os altos níveis de torque a baixas rotações, lhe garante aplicações específicas como tração elétrica (trens, troleibus, bondes) e usos em processos industriais que requerem essas propriedades como laminadores e acionamentos para posicionamentos de cargas mecânicas (sistemas automatizados e robôs). Uma aplicação bastante comum desse tipo de motor é em motor de partida de veículos movidos a motores de combustão, onde se dispõe de uma fonte de corrente contínua (bateria) e se requer altos torques a baixa rotação. Como será abordado em capítulos posteriores, basicamente o princípio de funcionamento dos motores elétricos resulta do surgimento de forças de origem eletromagnéticas, produzidas pela interação dos campos magnéticos produzidos por dois tipos de enrolamentos (bobinas): um que permanece fixo, estático (no estator do motor) e outro que gira solidário ao eixo do motor, que por sua vez, é a sua parte móvel (rotor). Posto isto, há outras subclassificações que identificam os motores de corrente contínua, associados a forma com que esses enrolamentos (o fixo e o móvel) estão interligados. Por exemplo, se os ligarmos em série, a mesma corrente percorre a ambos, o que confere uma característica diferente se alimentarmos cada um desses enrolamentos de forma independente. Então, esta sub classificação agrupa os motores de corrente contínua em 4 (quatro) grupos:
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- motores de C.C. com excitação independente; - motores de C.C. com enrolamento em série; - motores de C.C. com enrolamento em paralelo e - motores de C.C. com enrolamento compostos. Há uma vasta literatura sobre esse assunto, que poderá ser consultada pelo leitor que desejar se aperfeiçoar no tema.
b) Motores de Corrente Alternada Esta modalidade de motores é a mais comum, podendo-se estimar que mais de 95% da potência instalada em motores elétricos operam em corrente alternada. Isto se dá pela disponibilidade desse tipo de fonte de alimentação e pela própria simplicidade de operação e construção de certos tipos de motores de corrente alternada, que lhe conferem grande campo de aplicação, e confiabilidade a baixo custo. Como sabemos, as redes públicas disponibilizam energia elétrica sob duas modalidades básicas: - fontes de tensão monofásica; - fontes de tensão trifásica. Assim, os motores de corrente alternada são classificadas em 2 (dois) grupos, conforme opere sob alimentação monofásica ou trifásica. Os motores monofásicos são utilizados para aplicação onde, em primeiro lugar, só se dispõe de fonte monofásica, como por exemplo, na grande maioria das instalações residenciais e pequenos comércios e indústrias e, cujas necessidades de potência sejam relativamente pequenas (usualmente até cerca de 5 HP). Assim, bombas d’água, eletrodomésticos de maior porte (os de menor utilizam um outro tipo de motor que veremos a seguir), aparelhos de ar condicionado, acionamentos industriais de pequeno porte são aplicações típicas de motores monofásicos. Os motores trifásicos são do ponto de vista da engenharia, que apresentam maior importância, por ser aqueles mais frequentes em aplicações de potência. Estes tipo de motores são agrupados em: - motores síncronos, que apresentam rotação rigorosamente constante e, 5
- motores assíncronos, que cuja rotação é função da carga mecânica (conjugado resistente) a que é submetido. Os motores síncronos, pela sua própria característica, requerem cuidados especiais na operação (em potências mais elevadas, devem partir sem carga mecânica), apresentam construção mais elaborada e tem campo de aplicação restrito. A propósito, conceitualmente motores e geradores diferem principalmente, pela natureza da fonte primária de energia: no motor se injeta energia elétrica e o equipamento disponibiliza energia mecânica e, no gerador ocorre o contrário, injeta-se energia mecânica e o equipamento disponibiliza energia elétrica. Assim, todos os geradores de sistemas trifásicos (inclusive os de usinas hidroelétricas) são máquinas síncronas, semelhantes a motores síncronos trifásicos), daí sua grande importância. Por outro lado, os motores assíncronos, também chamados de “motores de indução”, são os realmente mais difundidos e utilizados nas aplicações de engenharia, por sua simplicidade de utilização, versatilidade e custo. A característica básica desse tipo de motores é que apresentam a velocidade variável, em função do valor carga mecânica que os solicita. Os motores assíncronos monofásicos são, usualmente, utilizados quando se requer um potência de até cerca de 5HP, sendo que, para potências maiores são utilizados motores trifásicos, embora também haja motores trifásicos desse último tipo, com potências menores do que 5HP. Por esta razão, o foco central desta apostila são os motores trifásicos de indução, cujo princípio de funcionamento, características técnicas e de aplicação serão abordados com maior detalhe nos capítulos seguintes.
c) Motores Universais
Este tipo de motor pode ser alimentado em corrente alternada ou em corrente contínua, porém, é economicamente viável para pequenas potências (pequenas frações de HP) sendo utilizados em principalmente, em eletrodomésticos de pequeno porte tais como liqüidificadores, enceradeiras, etc.
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3. MOTORES TRIFÁSICOS DE INDUÇÃO 3.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS Neste capítulo, são apresentados os principais elementos referentes a motores de indução trifásicos, quais sejam: a) princípio de funcionamento; b) detalhes construtivos; c) tipos de ligação; d) conjugado e; e) métodos de partida. 3.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 3.2.1 CAMPO GIRANTE
Consideramos uma superfície cilíndrica, sobre a qual dispomos de 3 espiras (constituídas por condutores de mesma impedância), cujos eixos de simetria normais à superfície cilíndrica formam ângulos de 120o entre si como mostra a figura 3.1.
Figura 3.1 - 3 espiras dispostas sobre uma superfície cilíndrica
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Como sabemos, quando uma corrente i(t) percorre uma dessas espiras, estabelece-se um campo de indução B, cuja direção e sentido (dados pela “regra da mão direita”) pode ser representado pelos vetores B1, B2 e B3 cuja intensidade é proporcional a i(t) ou seja B = K i(t). Note que a figura determina uma convenção de sinais para a corrente e campo B ou seja, quando a corrente i1 “entra” na espira 1, pelo ramo esquerdo da bobina, o campo de indução criado B1 “entra” no cilindro, sendo que esses sentidos são convencionados como positivos. De modo análogo ocorre com as espiras 2 e 3. O campo B reinante no interior do cilindro é a composição vetorial de B1, B2 e B3. Assim por exemplo se i1 = i2 = i3, B seria nulo. Consideremos agora, que se injete, respectivamente nas 3 espiras, 3 correntes senoidais, defasadas de 120o no tempo, ou seja, alimenta-se as 3 espiras com um sistema trifásico simétrico. Nessas condições teremos: ii(t) = Imax sen wt i2(t) = Imax sen (wt - 120o) i3(t) = Imax sen (wt + 120o)
b1(t) = K Imax wt
= Bmax wt
b2(t) = K Imax (wt - 120) = Bmax (wb - 120) b3(t) = K Imax (wt + 120) = Bmax (wt + 120)
É possível calcularmos o campo B resultante no interior do cilindro a cada instante. Assim no instante t = to = 0, teremos: i1 (to) = 0
b1 (to) = 0
i2 (to) = - √3/2 Imax
b2 (to) = - √3/2 K Imax
i3 (to) = + √3/2 Imax
b3 (to) = √3/2 K Imax
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O campo resultante será a soma vetorial dos campos e terá módulo: 3/2 K Imax e direção normal ao eixo da bobina 1. (Fig. 3.2)
Figura 3.2 - Campos de Indução produzidos pelas bobinas
Com procedimento análogo, determinamos os valores da tabela 3.1, na qual a direção da resultante é indicada pelo ângulo que forma com a direção r, tomado como positivo no sentido anti-horário (fig. 3.2). Verificamos que o campo resultante tem módulo constante e sua direção desloca-se com velocidade angular ω, isto é, descreve f ciclos por segundo, pois ω = 2 π f.
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b3
b3
b2
b1
b2 b
b
30o
b2
b1
60o
b
to
t1
t2
t3
t4
t5
b
b
b2
b2
b1 b2
b
b3
t6
b3
t7
b1 240 o
t8
Figura 3.3 Campo Girante
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Observamos ainda que o campo produzido pelas bobinas pode ser assimilado ao existente no entreferro de um imã permanente que gira com velocidade angular ω (fig. 3.4); podendo se imaginar a existência de um polo norte e um polo sul localizados sobre a superfície cilíndrica substituindo as espiras, que se deslocam com velocidade angular ω; daí advindo a expressão de campo girante com um par de pólos.
Figura 3.4 - Campo Girante produzido por um par de polos Note que se trocássemos a alimentação de 2 bobinas, isto é, alimentássemos a bobina 2 com a corrente que injetamos na bobina 3, e a bobina 3 alimentássemos com a corrente que injetamos na bobina 2, teríamos como resultado a mudança no sentido de rotação do campo girante.
3.2.2 VELOCIDADE DE SINCRONISMO
A velocidade de rotação do campo girante é chamada de velocidade de sincronismo ou síncrona. O valor desta velocidade depende da maneira como estão distribuídas e ligadas as bobinas no estator do motor, bem como da freqüência da corrente que circula pelo enrolamento estatórico. Prova-se que esta velocidade vale: Ns =
60 f P
onde,
Ns = velocidade do campo girante em rpm. f = freqüência da tensão de alimentação (Hz) P = número de pares de pólos Observa-se que: 12
a) um “par de pólos” é obtido pela montagem de 3 bobinas no estator, dispostas a 120o no espaço e, alimentados por um sistema trifásico, como exposto anteriormente; b) para se obter 2 “pares de pólos” deve-se montar sobre o estator dois conjuntos de 3 bobinas defasados de 60o no espaço e, alimentar cada conjunto constituído de bobinas alternadas, pelo sistema trifásico; c) considerando que a frequência de rede no Brasil é 60 Hz, a velocidade síncrona de um motor com 1 par de pólos é 3600 rpm, com 2 pares 1800 rpm e assim sucessivamente. A figura 3.5 ilustra os enrolamento de um motor de 1 par de polos e outro de 2 pares de polos, onde se observa que no motor de 4 polos, há 3 pares de duas bobinas em serie, portanto alimentadas pela mesma fase.
Motor de 2 Polos
a
N S
c
b
Motor de 4 Polos c2 Ia a1
N1
b2
S2
S1 Ia
b1
a2
N2
c1
Figura 3.5 - Motores de 2 e de 4 polos 3.2.3 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 13
Suponhamos colocar no interior do estator uma bobina, constituída por uma única espira fechada, livre de girar em torno de um eixo que coincide com o eixo de simetria do estator. Excitando-se o estator com uma corrente senoidal trifásica, criar-se-á um campo girante de induções. Para efeito de análise substituiremos o campo girante do enrolamento trifásico do estator por um par de pólos (Norte e Sul), girando com uma velocidade angular ωs (fig. 3.6). Inicialmente a espira parada “vê” o campo com velocidade ωs, portanto, por efeito da variação de fluxo, produzida pelo campo girante que se desloca em volta da espira, gera-se nesta última uma força eletromotriz induzida, e como ela está em curto circuito, uma corrente induzida circulará por ela. Esta corrente, pela Lei de Lenz, tenta anular a causa que a produziu, isto é, o sentido da corrente que circula na espira é tal que o campo magnético que ela cria, opõe-se à variação de fluxo. A figura 3.6 ilustra esse fato. Estamos agora, face ao caso de um condutor percorrido por corrente imerso num campo magnético, logo surgirá sobre o condutor uma força F, dada por: →
→
→
F = i ΛB
isto é, tem direção normal ao plano formado por i e B, e módulo dado por i x B. A força F, poderá ser decomposta segundo as direções: normal e longitudinal da espira (fig. 3.7). Fn
N
F
I
F
ws
B ws
F
I
F
d S
Figura 3.6 - Campo produzido por um par de polos girante
Fn
Figura 3.7 - Força na espira
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A força longitudinal não nos interessa do ponto de vista do funcionamento do motor, de vez que somente dará esforço de deformação da espira. A primeira, será responsável pelo conjugado motor (FN x d). Sob a ação deste conjugado, a espira começa girar no mesmo sentido de rotação do campo girante. À medida que a velocidade de rotação da espira aumenta, a velocidade da espira em relação ao campo girante diminui, diminuindo desta maneira, a variação do fluxo através da espira e consequentemente diminuindo a força eletromotriz induzida, a corrente induzida e o conjugado motor criado por esta última. O conjugado motor será reduzido até atingirmos a condição de regime na qual se verifica a igualdade: Cmotor = Cresistente É claro que a velocidade da espira, nunca poderá atingir a velocidade síncrona, de vez que isso ocorrendo, a posição relativa da espira e do campo girante permanece inalterada, não havendo variação de fluxo e consequentemente não havendo geração de correntes induzidas (Cmotor = 0). De quanto exposto, resulta a denominação desta máquina, “motor assíncrono”, que prende-se ao fato desse tipo de máquina nunca atingir a velocidade de sincronismo.
3.2.4 ESCORREGAMENTO Define-se escorregamento como sendo a diferença entre a velocidade síncrona e a parte móvel do motor, denominada rotor, expressa em porcentagem daquela, isto é: s=
ωS − ω N −N 100 = S 100 ωS NS
onde ωs e Ns são respectivamente a velocidade angular do campo girante e a rotação do campo girante e; ω e N a velocidade angular e a rotação do rotor. Salientamos que a plena carga, usualmente o escorregamento de um motor quando opera em regime permanente está compreendido entre 3 e 6%; assim, sua velocidade apresenta apenas pequenas variações. 15
EXEMPLO - Um motor trifásico de indução de 4 pólos é alimentado com tensão de 220 V, 60 Hz e gira a 1720 r.p.m. Qual é seu escorregamento? 1. Determinação da velocidade síncrona Ns =
60 f 60 x 60 = = 1. 800 rpm 2 P
2. Determinação de s s=
Ns − N 1800 − 1720 100 = x100 = 4 , 45% Ns 1800
EXEMPLO - Um motor de indução trifásico é alimentado com tensão de 220 V - 50 Hz gira em vazio a 995 r.p.m. Pede-se: a) o número de pólos do motor. b) o escorregamento em vazio a) Determinação do número de pólos A determinação do número de pólos é feita por tentativas. Sabemos que em vazio, o motor gira com velocidade muito próxima à de sincronismo, portanto, calcula-se a velocidade síncrona para os vários valores do número de pólos e aquela que mais se aproximar da de vazio nos dá o número de pólos. Assim, para f = 50 Hz temos: Número de pares de pólos 01 02 03 04 05 Ns (r.p.m.) 3000 1500 1000 750 600
portanto, trata-se de motor com 3 pares de pólos.
b) Determinação do escorregamento s=
Ns − N 1000 − 995 100 = 100 = 0, 5% Ns 1000
3.3 DETALHES CONSTRUTIVOS 16
3.3.1 INTRODUÇÃO Os motores de indução são constituídos dois grupos de enrolamentos montados sob núcleos de materiais ferromagnéticos (bobinas): um imóvel, constituído pelas bobinas que (embora fixas) criam o campo girante, denominado “estator” e, outro grupo móvel (girante), constituído pelas bobinas que sob a ação do campo girante, giram no interior do estator, este é chamado de rotor. O estator também é chamado de “indutor”e o rotor de “induzido”. A necessidade de ambos serem constituídos por núcleos ferromagnéticos se prende ao fato de assim, ser possível obter fluxo de indução a partir de correntes relativamente pequenas. Se o núcleo fosse de ar, seria necessário uma corrente muitas vezes maior para se obter o mesmo fluxo (“Desde que não saturado, a relutância do ferro é muito menor que a do ar”).
3.3.2 ESTATOR a) Núcleo de Ferro O núcleo de material ferromagnético do estator é constituído por um conjunto de lâminas de ferro com o formato de uma coroa circular, justapostas. No diâmetro interno são executados entalhes (fig. 3.8), eqüidistantes, que no conjunto, irão constituir os “canais” onde se alojarão os condutores.
Figura 3.8 - Detalhes Construtivos do Núcleo de Ferro 17
Para a construção do núcleo, emprega-se chapa de aço de 0,5 mm de espessura, com baixo teor de silício (cifra de perda 2,5 a 3,0 Watt/kg). Não se empregam aços com alto teor de silício, (como por exemplo nos transformadores) devido à sua alta dureza e fragilidade. As lâminas são isoladas entre si por meio de verniz ou de folhas de papel de pequena espessura, tal como nos transformadores. Nas máquinas de maior potência, as lâminas não são agrupadas num conjunto único, mas, são feitos blocos parciais de 5 a 10 cm de espessura e montados com separadores, de perfil adequado, de modo a se formarem entre os blocos canais de ventilação, com largura da ordem de 10 mm. O conjunto das lâminas após cuidadosa compressão, é fixado à carcaça que tem a finalidade puramente mecânica de suporte.
b) Enrolamento O material empregado para a execução do enrolamento com maior freqüência é o cobre, e mais raramente, o alumínio. Escapa ao caráter elementar deste curso, o estudo dos tipos de enrolamentos, sendo que, nos limitaremos a dar noções sucintas de sua execução. As bobinas são enroladas e posteriormente colocadas nos canais. Após a colocação de todas as bobinas, são feitas as ligações internas entre elas (ligações: série, paralelo, série-paralelo) e ligados os fios que constituirão os terminais externos. Nas bobinas devemos destacar a parte ativa - aquela que está no interior do núcleo de ferro - e a “cabeça”, parte externa ao núcleo, que perfaz a interligação entre os dois lados ativos (fig. 3.9).
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bobina
cabeça lado ativo
dente
cabeça
canal coroa
Figura 3.9 - Detalhes Construtivos de Enrolamento
3.3.3 ROTOR Caso se construísse o rotor, imerso no ar, como foi esquematizado na figura 3.2, a relutância (ℜ) do circuito magnético seria muito elevada, como conseqüência, a corrente necessária para criar um campo girante de intensidade razoável, seria exageradamente grande, pois, a força magneto motriz (ℑ) que produz o fluxo (φ) em um circuito magnético de relutância (ℜ) é proporcional à corrente que cria o campo magnético: ℑ=ℜ.φ ℑ = NI = ℜ φ Então, se alojarmos a bobina do rotor em um núcleo de ferro cilíndrico, deixando entre o rotor e o estator apenas o espaço suficiente para a rotação daquele (dentro das tolerâncias mecânicas de construção), o valor de ℜ terá sido reduzido significativamente, em relação ao caso da espira 19
do rotor ser imersa em ar; conseqüêntemente o valor da corrente também será reduzido. Ao espaço existente entre o rotor e o estator dá-se o nome de “entreferro”. O rotor, tal como o estator, é constituído por um conjunto de lâminas de ferro com baixo teor de silício. As lâminas são coroas circulares com uma série de canais eqüidistantes situados na circunferência externa (figura3.10). O conjunto de lâminas é mantido comprimido por meio de anéis e é fixado ao eixo por meio de uma chaveta. Existem dois tipos principais de enrolamentos de rotor: “rotor em gaiola” e “rotor bobinado”. No rotor em gaiola, alojam-se nos canais, barras de cobre ou alumínio que são postas em curto circuito nas duas extremidades (fig. 3.11) através de aneis que lhes são solidários.
Figura 3.10 - Coroas circulares que constituem o núcleo do rotor
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Figura 3.11 - Rotor em Gaiola No bobinado empregam-se bobinas usualmente elaboradas por fios de cobre e ligados em estrela, de tal modo que os 3 terminais da ligação sejam conectados a aneis condutores, isolados entre si, montados concentricamente no eixo do rotor. Através de escovas fixas de grafite, que deslizam sobre a superfície dos aneis, é possível se ter acesso ao circuito do rotor. A fig. 3.12 ilustra esse tipo de rotor.
Figura 3.12 - Rotor Bobinado
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3.4 TIPOS DE LIGAÇÃO
3.4.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS Consideremos um motor de indução trifásico de 1 par de pólos, portanto constituído, como vimos, por 3 bobinas, cada uma alimentada por uma fase do sistema trifásico. Como sabemos, uma bobina é um bipólo elétrico (portanto com 2 terminais) constituída, por várias espiras. O dimensionamento do isolamento e da capacidade de corrente que as bobinas podem suportar, determinam a tensão adequada de operação e a potência elétrica do motor, que por sua vez, determinam a potência mecânica que podem fornecer. Assim sendo, se por exemplo tivermos uma bobina dimensionada para operar sob tensão de 220 V e. dispormos de uma fonte trifásica com tensão de linha de 220 V; então deveremos ligar as bobinas do motor em delta, para que se possa operar o motor conforme foi dimensionado e assim obtermos a potência especificada. Porém, se dispusermos de uma fonte trifásica de 380 V, relativamente frequente em instalações industriais, a ligação das bobinas deverá ser a ligação estrela, pois assim cada uma delas ficará submetida à tensão de 380/√3, ou seja 220V, operando portanto conforme dimensionada. Note que a potência elétrica ( P=√3VIcos FI) que o motor absorve da rede no caso de ser alimentado por 220V e ligação delta é a mesma que absorve quando alimentado por 380V e ligação estrela. Considerando agora que se possa subdividir cada bobina de cada fase em 2 conjuntos obtem-se, ao invés de 1 bobina/fase, 2 bobinas/fase e, consequentemente 4 terminais por fase, ao invés de 2 terminais/fase. Nesse caso, teremos maior possibilidade de utilizarmos o motor, adequadamente, alimentado por uma maior variedade de tensões. Assim, por exemplo se dispusermos de um motor com bobinas isoladas para tensão de 220 V e dispusermos de uma fonte de 440 V, poderemos operalo, adequadamente, se associarmos as bobinas de cada fase em serie e, posteriormente executarmos a ligação delta. Assim, cada bobina ficará submetida a tensão de 220 V. Agora, se dispusermos de uma fonte de 760 V, devemos associar as bobinas em serie e utilizar a ligação estrela (verifique!).
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Em resumo, as bobinas dos motores são dimensionadas para operarem sob tensões especificadas e conforme seja a tensão da fonte disponível, devemos proceder as convenientes ligações para que as bobinas fiquem submetidas a tensão adequada e o motor forneça a potencia especificada.
3.4.2 IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS DOS MOTORES
O estator dos motores de indução trifásicos é constituído por três grupos de bobinas, um para cada fase. O fabricante pode interligar todos os terminais das bobinas de uma fase, resultando, no conjunto 2 x 3 = 6 terminais que são levados ao exterior da carcaça, resultando um motor de “6 terminais externos” e que torna possível a ligação do motor em triângulo ou em estrela. Alternativamente, o fabricante pode agrupar, internamente, as bobinas de cada fase de modo a se dispor, externamente dos terminais de duas bobinas de cada fase (totalizando 2 x 2 x 3 = 12 terminais). Deste modo o estator poderá ser ligado de quatro modos diferentes, isto é: a) ligando-se as bobinas de cada fase em série e o conjunto em triângulo ou em estrela (ligação ∆ ou λ). b) ligando-se as bobinas de cada fase em paralelo e o conjunto em triângulo ou estrela (ligação duplo-triângulo ∆∆ ou ligação duplaestrela λλ). Finalmente o fabricante poderá interligar somente um terminal de cada fase resultando acessíveis externamente nove terminais. Note que o número de terminais acessíveis das bobinas não tem relação alguma com o número de pares de polos tratados em uma seção anterior neste texto, ou seja podem existir motores com 2 ou 4 polos com 6, 9 ou 12 terminais acessíveis. A figura a seguir ilustra esse fato.
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6 terminais 4 polos
6 terminais 2 polos
c2
a1
a
b2
c
b1
a2 c1
b
12 terminais 4 polos
12 terminais 2 polos
c2
a1
b2
b
a
a’
c2 a1’
b’
b2’
b1
c’
a2’ c1
b1
c a - a’ b - b’ c - c’
! Esm série ou em paralelo
a2
c1 a1 - a2 a1’ - a2’ … c1’ - c2’
Em série (ligações internas não acessíveis)
Figura 3.13 - Motores com 2 e 4 polos, com 6 ou 12 terminais
A identificação dos terminais de cada bobina torna-se possível numerando-se ou assinalando-os com letras bem determinadas. A numeração dos terminais é padronizada e é executada como segue: a) Dispõem-se as bobinas de cada fase segundo os lados de um triângulo, de modo que, percorrendo-se o triângulo, no sentido anti-horário, a partir de um dos seus vértices, encontram-se, ordenadamente, início e fim de cada bobina. b) Sempre percorrendo o triângulo no sentido anti-horário, numeram-se os inícios das bobinas de cada uma das fases, com os números 1,2 e 3 (com as letras: U, V e W). 24
A seguir numeram-se os terminais de saída desses mesmas bobinas com os números 4, 5 e 6 (com as letras: X, Y e Z). c) Repete-se o procedimento até a numeração de todos os terminais.
Figura 3.14 - Esquema para a numeração dos terminais das bobinas.
3.4.3 LIGAÇÃO DE EXTERNOS
MOTORES
COM
12
TERMINAIS
Os tipos de ligação de um motor com 12 terminais externos estão esquematizados na figura 3.15. Admitimos que cada bobina é dimensionada para trabalhar com tensão V e freqüência f, resultando para as tensões de linha os valores apresentados.
a) Ligação ∆ Tensão de linha 2V(440V)
b) Ligação ∆∆ Tensão de linha V(220V)
25
c) Ligação λ Tensão de linha 2√3 V(760V)
d) Ligação λλ Tensão de linha √3 V(380V)
Figura 3.15 - Motor com 12 terminais.
3.4.4 MOTORES COM 9 TERMINAIS EXTERNOS 26
a) Ligação triângulo/duplo-triângulo (∆/∆∆) Nos motores de 9 terminais externos com ligação triângulo/duplotriângulo, o fabricante interliga internamente os terminais 1 com 12, 2 com 10 e 3 com 11, que recebem os números 1, 2, 3, respectivamente (fig. 3.16 (a) e (b)).
b) Ligação ∆∆ (Vlinha=220V) a) Ligação ∆ (Vlinha=2 V=440V) Figura 3.16 - Motor com 9 terminais (∆/∆∆) b) Ligação estrela/dupla-estrela (λ/λλ) Este tipo de ligação é obtido interligando-se internamente os terminais 10-11 e 12 (fig. 3.15 (c) e (d)). Evidentemente a ligação dupla-estrela é obtida ligando-se as bobinas de cada fase em paralelo, porém, como o centro estrela constituído pelos terminais 10, 11 e 12 não é acessível, resultarão dois centros de estrelas (10-11-12 e 4-5-6), fato este que em nada afetará o funcionamento do motor, pois, os dois centros de estrela estão ao mesmo potencial, uma vez que as impedâncias das seis bobinas são iguais.
27
a) Ligação λ (Vlinha=2 V=440V)
b) Ligação λλ (Vlinha=220V)
Figura 3.17 - Motor com 9 terminais (λ/λλ)
3.4.5 MOTOR COM 6 TERMINAIS EXTERNOS
Neste caso o fabricante liga internamente as bobinas de uma fase em série ou em paralelo, tendo-se, externamente dois terminais por fase, o que possibilita a ligação em triângulo ou em estrela (fig. 3.18).
6
1
1
6
3 4 5
4 5
2 3
a) ligação em delta
2
b) ligação em estrela
Figura 3.18 - Motores com 6 terminais
28
3.5 CONJUGADO EM FUNÇÃO DE ROTAÇÃO
3.5.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS Os motores de indução trifásicos são assíncronos, isto é, podem operar em uma faixa de rotação cujo limite superior é a velocidade síncrona (por exemplo: 3600 rpm, para máquinas com um par de pólos). A cada rotação está associado um valor de conjugado (torque, por exemplo em kgf x m). Neste item vamos deduzir e analisar a curva de conjugado em função de rotação.
3.5.2 CONJUGADO X ROTAÇÃO Consideremos o espaço cilíndrico interno de um estator, sujeito a um campo girante, conforme descrito anteriormente. O efeito do estator, alimentado por um sistema trifásico, nesse espaço → cilíndrico, pode ser substituído pelo vetor campo girante B , cujo módulo é BMAX, que gira com velocidade angular ωs. Colocando-se nesse espaço uma espira em curto circuito que pode girar livremente, em torno de seu eixo longitudinal, coincidente com o eixo de revolução do cilindro, o campo girante produzirá um fluxo concatenado com a bobina, constituída por N espiras. Se a bobina girar com velocidade angular ωr, a figura 3.19 apresenta a situação relativa do campo girante e da bobina, em nos instantes t = 0 e t = t, sendo que: a) o fluxo concatenado entre o campo B e a bobina será dado pela expressão (I); (I) φ(t) = NS BMAX cos [(ωs - ωr) t + θ] φ(t) = φMAX cos[(ωs - ωr) t + θ] onde: N é o número de espiras da bobina S é a área associada à bobinam por onde o fluxo de B se concatena BMAX é o valor máximo do campo de indução φMAX é NS BMAX, ou seja,o valor máximo de fluxo que pode ser concatenado 29
b) Se ωs ≠ ωr, φ é variável no tempo havendo portanto uma f.e.m. induzida na espira dada pela Lei de Lenz, expressa por (II); (II)
e(t) = - dφ(t)/dt = φMAX (ωs- ωr) sen [(ωs-ωr)t + θ]
Wst+θ
θ
S
w rt
F
Fl S B
n
Fl
Fn N N
Fn
F
90°[(ws-wr)t +θ t =0 t=t Figura 3.19 - Posição relativa do campo girante e bobina
c) Como a bobina está em curto circuito esta f.e.m. provocará a circulação de uma corrente i(t) na bobina, expressa por (II), onde Z é a impedância da espira e ϕ é a defasagem entre tensão e corrente na bobina (num circuito indutivo a corrente está atrasada em relação à tensão, ver Nota (1)). (III)
i(t) =
e( t ) ( ωs − ωr ) φmax = sen [(ωs - ωr) t + θ’] Z Z
onde: θ’ = θ - ϕ ϕ é a defasagem entre tensão e corrente da bobina ou a “fase da impedância Z”. →
d) Ora, uma corrente i(t) imersa em um campo de indução B está sujeita a uma força, cuja direção e sentido são dados pela “regra da mão esquerda”) e, expressa por (IV). 30
(IV)
F = B i(t) l, onde l é o comprimento da bobina ( ωs − ωr ) φmax sen [(ωs - ωr) t + θ’] Z
F = B. l
__________________________________________________________ NOTA (1): Num circuito de corrente alternada as correntes e tensões são expressas por funções senoidais do tipo v(t) = VMAX (sen wt + α) i(t) = IMAX (sen wt + α - ϕ)
onde a velocidade angular ω é propocional a freqüência (ω = 2πf) da rede, sendo no caso brasileiro igual a 377 rd/s (ou seja, 2 x 3,1416 x 60 Hz) e, α é a fase inicial da tensão e ϕ é a defasagem entre tensão e corrente. A figura abaixo ilustra a tensão e a corrente de um circuito indutivo, onde a corrente esta atrasada em relação a tensão, ou seja, primeiro ocorre o máximo de tensão e depois de ϕ/ω segundos ocorre o máximo de corrente. Diz-se nessas condições que a corrente está atrasada de um ângulo de ϕ radianos em relação à tensão.
e e i
i ϕ
t
ϕ
t
No caso que estamos analisando, a fase da tensão induzida na bobina é: (ωs - ωr)t + θ, pois a freqüência de tensão induzida é a diferença entre freqüência síncrona (do estator) e a freqüência (rotação) do rotor. (Para visualizar este fato, basta considerar o caso onde a espira está parada em relação ao estator (a freqüência seria ωs ou está a girando com rotação igual ao do campo girante que é a freqüência síncrona (a freqüência séria 0). Considerando que o circuito é indutivo e a defasagem seja ϕ; a fase de corrente será: [(ωs - ωr) t + θ - ϕ] ou [(ωs -ωr) + θ’] Lembramos que a impedância Z de um circuito de uma bobina real (ou seja, que alem da indutância também encerra a resistência do condutor que a constitui) é dada por Z = R + j ω L, cujo módulo é •
Z = R 2 + ( ωL ) 2 e a defasagem ϕ entre a tensão e a corrente nesse bipolo é a fase do vetor Z , ou seja, tg ϕ = ωL / R. No caso da nossa bobina em que a freqüência é (ωs - ωr, fica: Z =
R 2 + ( ωs − ωL ) 2 onde R é a
resistência do condutor que constitue o rotor e L é a indutância do rotor e, tg ϕ = (ωs - ωr)L / R.
e) Evidentemente a componente dessa força que nos interessa (que realiza trabalho) é a projeção normal ao plano da bobina, FN, pois aquela 31
pertencente a esse plano, só tende deformar a espira. O módulo de FN é expresso por (V) e o conjugado dela resultante por (VI). (V) FN = F sen [(ωs - ωr) t + θ] C = 2R . FN, onde R é a metade da largura da espira C = 2R B.l. (ωs-ωr) φMAX/Z {sen [(ωs-ωr) t + θ’] . sen [(ωs-ωr) t + θ]} como: sen α sen β = ½ [cos (α - β) - cos (α + β)] e, 2R B l = φMAX (VI) C = [φ2MAX/Z] (ωs-ωr) [cos (θ - θ’ - cos [2(ωs-ωr) t + θ + θ’] f) Note que há 2 parcelas que constituem a expressão do conjugado, sendo que uma é pulsante, portanto com valor médio nulo, não contribuindo para o valor do conjugado médio que realiza trabalho, portanto a expressão do conjugado fica: C = φ2max/Z (ωs - ωr) cos (θ - θ’) como: ϕ = θ - θ’ : defasagem entre tensão e corrente do rotor ωr = s ωs : onde s é o escorregamento do rotor em relação ao campo girante 2 Z = R + s. ω . L : onde Z, R e L são respectivamente a impedância, a resistência e a indutância do rotor, vem que: onde X = ωs L s
cos ϕ = então: C = ωs φ2max
R R 2 + s2 X 2 sR R + s2 X 2 2
e ainda como φmax, que é o fluxo máximo criado pelo estator, é proporcional ao quadrado da tensão de alimentação V2 (ver NOTA (2)) C = K V2
sR R + s2 X 2 2
___________________________________________________ NOTA (2): Considere uma bobina com N espiras, sujeita a um fluxo concatenado φ, que varia com o tempo. A tensão induzida será: V = N (dφ/dt) ou φ = 1/N ∫vdt = 1/N∫ VMAX cos ωt dt φ = 1/ωN ∫ VMAX cos ωt d (ωt) φ = -1/ωN VMAX sen ωt = φMAX sen ωt onde φMAX = 1/ωN VMAX ou φMAX = K VMAX
32
3.5.3 ANÁLISE DE CURVA DE CONJUGADO a) Conjugado x Rotação Passemos a observar todo o mecanismo de funcionamento da máquina; para tanto, iniciemos por admitir ωR = 0, espira parada. Nesta condição, existe agindo sobre a espira, um conjugado motor e uma força tangencial; caso o conjugado motor seja menor que o resistente a bobina permanece parada, isto é, o motor não parte. Admitamos conjugado motor seja maior que o resistente. A bobina começará a girar com movimento acelerado e sua velocidade angular vai aumentar. Com o aumento de ωR teremos a redução de C até atingirmos a velocidade angular de regime, na qual se verifica a igualdade: Cmotor = Cresistente É claro que a velocidade do rotor (bobina), nunca poderá atingir a síncrona, pois se isto acontecesse o conjugado motor se anularia e o conjugado resistente, que no mínimo será dado pelo atrito dos mancais e a perda na ventilação forçaria uma “frenagem” no rotor, o que o levaria a uma nova rotação de equilíbrio diferente da velocidade síncrona. Note que nessa hipótese, a posição relativa da bobina e do campo girante permaneceria inalterada; logo não circulará corrente pela espira (dφ / dt = 0). Vamos analisar a expressão do conjugado, para poder identificar o comportamento do motor em várias situações de operação. Uma forma de “traçar” a curva de uma função é estabelecer alguns parâmetros indicativos de seu comportamento, tais como domínio das variáveis, máximos e mínimos, assíntotas etc. Consideremos a Curva Característica do conjugado de um Motor de Indução, em função do escorregamento s. Nessa curva temos: a) s poderá assumir valores limites do intervalo aberto à direita de 1 a 0, conforme o rotor esteja em repouso (s = 1) ou “quase” na velocidade síncrona; b) se s = 1, estaremos na condição de partida do motor, e o conjugado será: 33
C = kV 2
R R + X2 2
c) se s → 0, estaremos em rotação muito próxima da síncrona e, o conjugado seria praticamente nulo, C → 0;
d) o conjugado máximo se obtém fazendo ou seja:
dC =0 ds
dc R 2 RS 2 X 2 = kV 2 2 2 2 − 2 ds R +s X ( R + S 2 X 2 )2
como kV2 ≠ 0 então para
dC = 0 , necessariamente: ds
R 2 Rs 2 X 2 − = 0 ou R 2 s2 X 2 ( R 2 + S 2 X 2 ) 2
sc =
R X
e
Cmax =
kV 2 2X
note que sc é denominado escorregamento crítico.
e) nas vizinhanças de s = 1 (partida) a freqüência da indução resultante do fluxo concatenado do campo girante no rotor é muito alta (próxima de ωs), pois o rotor está parado ou quase e, o campo girante gira com velocidade síncrona. Nessas condições a reatância (ωL) do motor é grande, de tal forma que o termo R2 da expressão do conjugado pode ser desprezado diante de s2X2. Assim sendo, a assintota à curva do conjugado nesse ponto, será: C = kV 2
sR kV 2 R 1 . = s2 X 2 X s
que é uma hipérbole em s, conforme mostra a figura 3.20. Note que para s = sc, C = kV2/X, que é o dobro do valor do conjugado máximo.
34
KV 2 R x 2s
KV 2 .s R
0 N(rpm) Ns
s 0
Figura 3.20 - Assíntotas da Curva Conjugado x Rotação
f) nas vizinhanças de s = 0 (velocidade síncrona), a freqüência da indução resultante do fluxo concatenado do campo girante é praticamente zero, pois o rotor gira à mesma rotação que o campo girante. Nessas condições, a indutância é praticamente nula, havendo portanto a situação dual do item anterior, ou seja, é possível desprezar o termo s2X2, da expressão do conjugado, face ao termo R2. Assim sendo, a assíntota à curva do conjugado nesse ponto, será: C = kV 2
sR kV 2 = s R2 R
que é uma reta em s, conforme mostra a figura 3.20. Note que para s = sc, C = kV2/X, portanto o mesmo valor da assíntota do item anterior. A figura 3.20 apresenta a forma da curva do conjugado, uma vez que as condições de contorno calculadas devem ser respeitadas: - domínio da variável independente s: 0 a 1 - valores do conjugado para s = 0 e s = 1 - valor do conjugado máximo - assíntotas no ponto s = 0 e no ponto s = 1 Note que, usualmente a curva é apresentada com a rotação N crescendo da esquerda para a direita e, o escorregamento s decrescendo, como na figura 3.21. 35
b) Regime de Operação Estável e Instável A rotação crítica Nc, que corresponde ao escorregamento crítico sc, determina duas regiões de operação, conforme ilustrado na figura 3.21: - a região que o motor opera com rotação entre a velocidade crítica e a velocidade síncrona: Suponhamos que o motor esteja operando com NE rotações e conjugado CE, no ponto E, havendo equilíbrio entre o conjugado resistente CR e o conjugado motor CE. Qualquer pequeno aumento (ou diminuição) do conjugado resistente, resultará no primeiro momento, em uma frenagem (ou aceleração) do motor, fato que corresponderá a um aumento (ou diminuição) do conjugado motor CE, que por sua vez, provocará uma aceleração (ou frenagem) que se contraporá à frenagem (ou aceleração) que houve, restabelecendo novamente o equilíbrio. Há portanto um regime estável de operação. - a região que o motor opera entre o repouso e a velocidade crítica: Suponhamos que o motor esteja operando com Ni rotações e conjugado Ci no ponto I, havendo equilíbrio entre o conjugado resistente CR e o conjugado motor Ci. Qualquer pequeno aumento (ou diminuição) do conjugado resistente, resultará no primeiro momento, em correspondente frenagem (ou aceleração), fato que corresponderá a uma diminuição (ou aumento) do conjugado motor Ci, que por sua vez provocará uma nova frenagem (ou aceleração) e assim sucessivamente, levando a rotação a zero (ou ao valor correspondente ao conjugado resistente, porém na região estável). Portanto qualquer perturbação no regime de operação desloca o ponto de trabalho, para a completa parada do motor ou para outro ponto de trabalho completamente diferente. Fica assim caracterizada a operação em um regime instável.
36
região estável
região instável
N (rpm) Nc
Figura 3.21 - Regiões de Operação c) Influência de Resistência do Rotor Consideremos a rotação crítica, onde o conjugado é máximo e o escorregamento é dado por ser sc = R/X, conforme visto anteriormente, sendo R e X a resistência e a reatância do rotor. Quando o R aumenta, o valor de sc, também aumenta proporcionalmente, deslocando a ocorrência do conjugado máximo para rotações menores (lembre que, quando s aumenta N diminue). Note o valor do conjugado máximo não é função da resistência do rotor, portanto permanecendo constante quando se altera o valor de R. A figura 3.22 ilustra esse fenômeno. R=3r
R=r
Nc1
AUMENTO DE R
Nc2
Ns
Figura 3.22 - Influência da Resistência do Rotor
37
Note que em motores com rotor do tipo “gaiola”, não é possível alterar a resistência do rotor (a menos, evidentemente quando está sendo projetado e construído). Porém, os motores do tipo “rotor bobinado” oferecem acesso aos enrolamentos do rotor, através de anéis que giram solidários ao eixo, acoplados a escovas fixas na carcaça. Nestes motores é possível inserir resistores no circuito do rotor, permitindo deslocamentos da rotação onde o conjugado máximo ocorre.
d) Influência de Tensão O conjugado varia com o quadrado de tensão de alimentação do estator, como se pode observar na sua própria expressão. Assim, é possível aumentar ou diminuir o conjugado de um motor, em particular o conjugado máximo, variando-se a tensão de suprimento, conforme mostra a figura 3.23. INFLUÊNCIA DA TENSÃO
KV 2 X
V
V 3
K[
V 2 ] KV 2 3 = X 3X
Figura 3.23 - Influência da Tensão de Alimentação (no estator) Note que, quando se utiliza ligação delta ao invés de estrela, a tensão a qual os enrolamentos do estator ficam submetidos é √3 vezes a tensão, quando se utiliza a ligação estrela. Portanto, a utilização da ligação delta resulta em conjugado 3 vezes maior do que a da estrela. e) Curvas de Conjugado Motor x Resistente Conforme seja a natureza de carga mecânica, haverá uma curva de conjugado resistente associada. 38
Em cargas de ventilação, o conjugado resistente é proporcional ao quadrado da velocidade enquanto que em guindastes, talhas e pontes rolantes, o conjugado resistente é praticamente constante, havendo apenas um pequeno sobretorque na região próxima do repouso. A figura 3.24 ilustra esse fato.
Conjugado acelerante
Pto de operação
N(rpm)
Figura 3.24 - Conjugado Acelerante
3.5.4 CORRENTE ABSORVIDA DA REDE DE ALIMENTAÇÃO A dedução da expressão da corrente absorvida por um motor será realizada calculando-se inicialmente a corrente no rotor para posteriormente, lançando-se mão de analogia, com os transformadores, calcular a corrente no estator: a) Corrente no rotor A corrente que circula no rotor é uma corrente senoidal, com freqüência igual a diferença entre a velocidade síncrona (ωs) e a rotação do rotor (ωr). A intensidade dessa corrente, considerando uma espira no rotor, é dada pela relação entre a tensão induzida no rotor, pelo estator, {e = - dφ/dt = φMAX (ωs - ωr) sen [(ωs - ωr) t + 0} e a impedância do rotor, (com resistência R e indutância X ; ver NOTA (3)), e terá módulo igual a: Z = R 2 + s2 X 2 , portanto: (I)
irotor(t) =
emax.sen[ s. ωs. t + θ] R 2 + s2 X 2
39
onde: emax = φmax (ωs-ωr) = φmax . s ωs s ωs = ωs - ωr e Note que (I) expressa o valor da corrente do rotor,em função do tempo, mas como se trata de uma grandeza senoidal podemos exprimi-la através de seu valor eficaz (lembre que Veficaz = Vpico/√2). Assim: (II)
irotor(eficaz) =
1 φmaxs. ω . 2 2 R + s2 X 2 s
Como o fluxo concatenado entre o estator e o rotor é o mesmo, vale dizer que: (ver NOTA (4)) (III)
φmax = onde:
2 V estator ( eficaz) N estator
ω
s
- N é o número de espiras do estator e, - V é a tensão que alimenta o estator.
Substituindo (III) em (II) é possível relacionar a tensão do estator, com a corrente do rotor. irotor(eficaz) =
2 V eficaz s. ωs N estator ωs 2
R 2 + s2 X 2
V estator ( eficaz) N estator
R + s2 X 2
irotor(eficaz) =
1
ou
s 2
Como estamos considerando que o estator tem N espiras e o rotor 1 espira e, o fluxo concatenado é o mesmo, vale dizer que: (Note que estamos utilizando o princípio de funcionamento dos transformadores, onde a relação entre as tensões do primário e secundário é diretamente proporcional a relação entre o número de espiras do primário e do secundário e, a relação entre as correntes é inversamente proporcional a relação do número de espiras). irotor(eficaz) = E2
s R 2 + s2 X 2
onde E2 é a tensão eficaz induzida no rotor, o que sugere o seguinte circuito equivalente: ___________________________________________________________ NOTA (3): como X = s ωs L, quando a freqüência é (ωs - ωr) ou seja s ωs, a indutância deve ser X’= s ωsL ou X’= sX.
40
irotor
E2
R/s
Figura 3.25 - Circuito Equivalente do Rotor Considerando que a relação entre a corrente absorvida da rede pelo estator (Iabs) e, a corrente do rotor é inversamente proporcional à relação de espiras, vem: Iabs =
irotor E 2s s. E 2 / N = = 2 2 2 N N R +s X N R 2 + s2 X 2
ou
Iabs = K
sV R + s2 X 2 2
Note que a expressão da corrente absorvida sugere o seguinte circuito equivalente do motor: ___________________________________________________________ NOTA (4): Consideremos que N espiras do estator criam um fluxo concatenado com 1 espira do rotor com freqüência ω. Conforme a Lei de Lenz, a tensão v(t) do estator será: v(t) = N
φ(t) =
dφ( t ) 1 então φ ( t ) = V max cos ωtd ( ωt ) dt ωN
1 Vmax sen ωt ωsN
φ(t) = φmax sen ωt
com φmax =
ou
V max ωN φmax =
2V eficaz ωN
____________________________________________________
41
Iabsorvida
I rotor X
V
E2
R/s
Figura 3.26 - Circuito Equivalente do Motor
b) Corrente de Partida e de Regime
A análise de expressão da corrente absorvida indica que no instante de partida (s = 1) a corrente é bastante elevada, valendo: I= K
V R2 + X 2
À medida que o motor vai acelerando, o escorregamento s vai assumindo valores decrescentes, tendendo a zero e, a corrente absorvida também vai decrescendo, tendendo a zero (figura 3.27). Verifica-se na prática, que o valor da corrente de partida é de 6 a 12 vezes o valor de corrente de carga nominal, que por sua vez, corresponde a um escorregamento de cerca de 4% a 6% (s = 0,04 a s = 0,06). Aliás, este problema do elevado valor das correntes de partida é tratado em item posterior, neste mesmo texto, em que são estudados métodos de partida de motores. I partida
Figura 3.27 - Correntes de Partida c) Influência da resistência do Rotor e da Tensão 42
A corrente absorvida da rede é proporcional à tensão de alimentação, o que significa que a corrente absorvida por um motor com ligação em estrela é cerca de 60% de corrente absorvida pelo mesmo motor com ligação em delta. Por outro lado, observa-se que o aumento da resistência do rotor diminue a corrente de partida, portanto, quando se introduz um resistor em um motor de rotor bobinado para deslocar a rotação onde ocorre o conjugado máximo conforme descrito anteriormente, se está também diminuindo a corrente de partida. A figura 3.28 ilustra as curvas da corrente em função do escorregamento s, explicitando a influência de tensão e de resistência do estator.
I (x Inom)
I (x Inom)
V1=V
R1= r
V2=0.6V R2 > r
Figura 3.28 - Influência da Tensão e da Resistência do Rotor na Corrente de Partida
43
3.6 MÉTODOS DE PARTIDA 3.6.1 Considerações Gerais
Como foi visto em item anterior, a corrente absorvida da rede pelo motor de indução trifásico durante a partida é bastante elevada, podendo atingir mais de 10 vezes a corrente de funcionamento em regime permanente de operação. Isto constitui um fato indesejável, uma vez que a corrente absorvida pelo motor percorre toda a rede de alimentação que deverá ser dimensionada para suportá-la, resultando em necessidade de condutores com maior diametro, que serão plenamente requisitados apenas durante o pequeno intervalo de tempo em que o motor está partindo (alguns segundos), onerando o custo da instalação. Essas elevadas correntes de partida também provocam problemas no ajuste da proteção, pois o sistema de proteção deverá , de algum modo, “reconhecer” que a corrente de partida não é uma sobrecarga que deve provocar o desligamento do motor. Surge então a questão: “como diminuir o nível da corrente de partida ?” Analisando-se o circuito equivalente do motor apresentado anteriormente, na figura 3.26, observa-se que, para diminuir a corrente absorvida da rede, é necessário aumentar a impedância equivalente ou diminuir a tensão de alimentação. Métodos que resultam nesses efeitos são praticados para atenuar a intensidade da corrente, durante o processo de partida dos motores. A seguir vamos analisar alguns dos mais usuais desses métodos: a) utilização de chave estrela-triângulo; b) inserção de resistores de partida em motores com rotor bobinado; c) redução de tensão através de compensadores.
3.6.2 Chave Estrela-Triângulo Este é um dos métodos de partida de motores mais utilizados pela sua praticidade, custo e eficiência.
44
A tensão aplicada no motor durante a partida tem o valor reduzido em relação a tensão de operação em regimen permanente. O valor da tensão durante a partida é igual a tensão de fase do sistema trifásico de alimentação e, depois de transcorrido o periodo de partida é aplicada a tensão plena, que é a tensão de linha do sistema trifásico de alimentação. Isto é facilmente obtido através da utilização de uma chave trifásica que comuta os dois tipos de alimentação, conforme mostra a figura 3.29.
Figura 3.29 - Ligação da Chave Estrela-Triângulo Note que a tensão aplicada no estator do motor durante a partida, quando a chave está na posição I, é igual a V/√3, passando a ser V, quando o motor já superou a fase de partida e a posição da chave passa a ser II. A figura 3.30 apresenta o funcionamento da operação do motor utilizando-se uma chave estrela-triangulo, considerando-se uma carga que apresenta a curva de conjugado resistente CR. Nessa figura, observa-se que: - A curva de conjugado do motor, durante o periodo de partida é 3 vezes menor que aquela que o motor apresenta durante a operação em regime permenente, pois durante a partida a tensão aplicada é √3 menor e, como o conjugado é proporcional ao quadrado da 45
tensão, o conjugado motor será reduzido a um terço do valor durante esse período. A corrente absorvida da rede de alimentação, durante a partida, também é um terço da corrente em regime permanente. Isto porque a corrente absorvida da rede é igual a corrente que percorre o estator (pois a ligação durante a partida é estrela), que por sua vez é proporcional a tensão que é aplicada ao estator, que é √3 vezes menor do que a tensão plena. Note que em regime permanente, além da tensão aplicada no estator ser a tensão plena (portanto √3 maior do que aquela aplicada durante a partida), resultando portanto em corrente no estator √3 vezes maior, a ligação em triângulo que permanece na operação de regime, determina que a corrente absorvida da rede seja √3 vezes maior do que aquela que percorre a fase (o estator). Vale dizer então, que a corrente absorvida da rede durante a partida é: I abs(partida) = Iestator(em estrela) = (V /√3) / Z , onde Z é a impedância do motor e, a corrente absorvida da rede em regime permanente é: I abs(regime) = √3 Iestator(em triângulo) = √3 (V/ Z); portanto: I abs(regime) / I abs(partida) = (√3 (V/ Z)) / ((V /√3) / Z) = 3 - Considerando que a chave é comutada da posição correspondente a ligação estrela para a ligação triângulo, no ponto P’, quando o motor já atingiu velocidade de cerca de 60% da velocidade síncrona, a corrente na rede de alimentação será determinada pela curva de corrente reduzida até esse ponto, passando, a partir daí para a outra curva de corrente superior, mas que já apresenta valores bem menores do que aqueles correspondentes a escorregamentos maiores (partida); Este método de partida pode ser aplicado a qualquer tipo de motor de indução trifásico, quer seja de rotor em gaiola ou bobinado. Usualmente se utiliza contatores para a comutação das ligações estrela triângulo. 46
Figura 3.30 - Curva de Conjugado e Corrente Absorvida da Rede Utilizando-se Chave Estrela-Triângulo
3.6.3 Resistores de Partida em Motores com Rotor Bobinado Os motores com rotor bobinado permitem que se tenha acesso aos enrolamentos do rotor através de escovas fixas que deslizam sobre anéis solidários ao eixo, conectados eletricamente aos enrolamentos. Quando os terminais externos dessas escovas estão em curto circuito, a impedância dos enrolamentos do rotor é determinada pela resistência e pela indutância do rotor, porém ao abrimos o circuito desses terminais, podemos introduzir uma impedância no rotor, conforme mostra a figura 3.31. 47
Figura 3.31 - Introdução de Resistência no Rotor de um Motor de Rotor Bobinado
Conforme se pode verificar pela expressão da corrente absorvida pelo motor, o aumento da resistência do rotor contribui para a diminuição da corrente absorvida da rede, na medida que a impedância equivalente do motor vista pela rede aumenta. Assim sendo, a inserção de resistências no rotor diminue a corrente de partida. A forma de aplicar esse método de partida é conectar uma caixa de resistências variáveis, ligadas em estrela, nos 3 terminais acessíveis do rotor, de modo que, inicialmente se introduz um resistência com alto valor e, à medida que o motor vai acelerando diminui-se o valor da resistência, por exemplo à metade e posteriormente, quando o escorregamento alcançar um valor suficientemente baixo, leva-se o valor da resistência a zero, praticando-se assim o curto circuito dos terminais acessíveis do rotor, permanecendo nessa posição durante a operação em regime permanente. A figura 3.31 ilustra a aplicação desse método, onde se observa o máximo da curva de conjugado se deslocando à medida que se introduz menos resistência no circuito do rotor.
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Figura 3.32 - Curva de Conjugado com Resistências no Rotor
3.6.4 Redução de Tensão Através de Compensadores Este método de partida de motores consiste na utilização de autotransformadores que permitem abaixar a tensão de alimentação a por exemplo 80% ou 50% da tensão nominal. A figura 3.33 ilustra esse método de partida. Note que esse método de partida pode ser aplicado a qualquer tipo de motor, uma vez que atua externamente na tensão de alimentação.
Figura 3.33 - Compensador de Partida 3.7 DADOS DE PLACA - VALORES NOMINAIS E RENDIMENTO 49
Os motores de indução trifásicos são dimensionados para operarem segundo determinadas condições de alimentação e aplicação. As condições de alimentação dizem respeito a tensão e frequencia do sistema trifásico que cede energia elétrica para o funcionamento e as condições de aplicação se referem à carga mecânica que o motor suporta. A especificação dos parametros que caracterizam a alimentação e a aplicação são apresentados nos “Dados de Placa”, que se apresentam impressos em uma placa solidária ao corpo do motor. Os dados de placa são valores nominais, isto é, valores para os quais o motor foi dimensionado para operar, sem que haja prejuizo de sua vida útil. Isto não significa que o motor não opere fora dos valores nominais, porém quando isto acontece, ou estaremos forçando o motor funcionar em uma situação de sobrecarga ou não estaremos utilizando toda a potencialidade do motor, em outras palavras: estaremos sobre utilizando ou sub utilizando o motor. No que se refere à alimentação, os dados de placa trazem: - tensão nominal da fonte trifásica (por ex.: 220 V); - frequencia da fonte de alimentação (por ex.: 60 Hz); - tipo de ligação que deve ser utilizada (por ex.: delta/delta). Em geral nos dados de placa há a indicação da tensão de alimentação que deve ser utilizada para cada tipo de ligação, então por exemplo, se a ligação duplo delta deve ser utilizada com tensão de 220 V, a ligação dupla estrela deve ser utilizada com tensão de 380 V; No que se refere à aplicação, os dados de placa trazem: - potência nominal do motor (por ex.: 3 HP) que exprime a potência mecânica que o motor pode ceder sem que haja prejuizo em sua vida útil, desde esteja sendo alimentado conforme os parametros nominais; - rotação nominal do motor (por ex.: 1720 rpm) que é a rotação que o motor apresenta quando operando em condição nominal; - fator de potência nominal (por ex.: 0,85) que é o fator de potência que o motor apresenta, diante da rede de alimentação, quando operando em condição nominal; - corrente nominal do motor (por ex.: 3 A) que é a corrente que o motor apresenta quando operando em condição nominal; 50
- rendimento nominal (por ex.: 92%) que é a relação entre a potência mecânica que o motor cede à carga e, a potência elétrica que absorve da rede absorve da rede, quando operando em condição nominal;
4. MOTORES MONOFÁSICOS DE CORRENTE ALTERNADA
4.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS Os motores trifásicos de indução, apesar de serem eficientes para aplicações industriais, não apresentam utilidade nas aplicações residenciais visto que as residências não são alimentadas por um sistema trifásico de tensões, como discutido em capítulos anteriores. No entanto, uma vasta gama de eletrodomésticos utilizam-se de motores para os seus acionamentos, de modo que os motores de corrente alternada monofásicos apresentam uma utilidade muito grande na vida moderna. São vários os tipos de motores monofásicos, e suas aplicações dependem basicamente do tipo de eletrodoméstico que o utiliza. Para os eletrodomésticos mais potentes, tais como: geladeiras, freezers, máquinas de lavar roupa, etc., o motor monofásico mais utilizado é o motor monofásico com capacitor, ao passo que nos liquidificadores, ventiladores, etc., que são equipamentos mais leves, os motores mais utilizados são do tipo “shaded-pole”ou universal. Neste capítulo, discutiremos os princípios de funcionamento destes tipos de motores, que apesar de possuirem um desempenho “pobre”, sob o ponto de vista de rendimento, são os motores mais fabricados atualmente, com uma produção diária que atinge valores elevadíssimos.
4.2 MOTORES MONOFÁSICOS “SHADED-POLE” Os motores monofásicos “shaded-pole”, também conhecidos por motores de polos sombreados, utlizam-se do fenômeno da indução eletromagnética para seu funcionamento.
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Para introduzir os aspectos importantes deste fenômeno, vamos de início analisar o circuito magnético simples mostrado na Figura 4.1, que é muito utilizado na confecção dos eletroimãs de corrente alternada.
i1(t ) = I 1 cos wt i 2(t ) = I 2 cos( wt − α ) i 2(t ) = corrente induzida Figura 4.1 - Princípio dos polos sombreados Este circuito magnético é constituido de 2 bobinas assim construídas: a bobina 1 é feita de fios de cobre esmaltados, contendo um número elevado de espiras a qual é alimentada por uma fonte de corrente alternada que injeta nesta bobina uma corrente elétrica variável senoidalmente no tempo; a bobina 2 é constituída por uma única espira de cobre, alojada em ranhuras e com suas extremidades curto-circuitadas. A circulação de corrente senoidal na bobina 1, produz no núcleo ferromagnético um fluxo magnético variável também senoidalmente no tempo, seja φ1 este fluxo. Este fluxo φ1 se divide em φ2 e φ3, sendo que φ2 é a parcela do fluxo que se concatena com a bobina 2 e φ3 é a outra parcela.
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Sendo φ2 um fluxo variável senoidalmente no tempo, teremos como resultado a indução de uma corrente alternada na bobina 2, cujo sentido é obtido pela lei de Lenz. Pelo fato das bobinas 1 e 2 não serem idênticas, as correntes que nelas circulam estão defasadas no tempo. A defasagem no tempo entre estas correntes, produz também uma defasagem no tempo entre os fluxos φ2 (que se concatena com a bobina 2) e o fluxo φ 3, que é parte do fluxo φ1. Esta defasagem entre φ2 e φ3, que são fluxos variáveis senoidalmente no tempo, produz um campo magnético de translação no entreferro, que é caracterizado pela constante troca de polos Norte e Sul nas duas partes da face polar, Figura 4.2.
Figura 4.2 - Translação do campo magnético A Figura 4.3 mostra a seção transversal de um motor “shaded-pole”, onde podemos identificar suas divesas partes.
Figura 4.3 - Motor “Shaded-Pole” 53
A parte fixa, denominada estator, é constituida de chapas de aço magnético empilhadas as quais alojam duas bobinas em cada polo (no caso 4 polos): a bobina 1, com um número elevado de espiras, alimentada pela fonte de tensão alternada monofásica e a bobina 2 que é um anel de cobre em curto-circuito, também denominado de bobina de sombra. Da mesma forma que o dispositivo discutido anteriormente, parte do fluxo magnético produzido pela bobina 1, se concatena com o anel de curto-circuito induzindo uma corrente neste anel que será responsável pela defasagem entre as duas parcelas do fluxo do polo, uma delas que passa no interior do anel e outra que passa na parte restante. Esta defasagem, que no dispositivo anteriormente descrito gera um campo de translação, neste motor gera um campo magnético rotativo, semelhante ao que ocorre no motor de indução trifásico. A parte móvel, denominada rotor, é também constituida de chapas de aço magnético empilhadas, com ranhuras uniformemente espaçadas, nas quais são alojadas barras de material condutor, normalmente alumínio fundido, curto-circuitadas nas extremidades, a qual é denominada gaiola de esquilo. Este tipo de rotor é comumente encontrado nos motores de indução trifásico tradicional. De forma semelhante ao que ocorre no motor trifásico, o campo rotativo produzido pelas bobinas do estator induz correntes nos condutores da gaiola de esquilo, que interagindo com aquele campo magnético produz o torque responsável pela rotação do motor. A Figura 4.4 mostra as linhas de campo magnético no interior do motor “shaded pole” quando em funcionamento, evidenciando-se os efeitos da bobina de sombra
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Figura 4.4 - Distribuição de campo magnético - Motor “ShadedPole” Para o entender o funcionamento deste dispositivo, o leitor poderá determinar o sentido do torque analisando o formato das linhas de campo magnético, para tal, basta supor que as linhas de campo são “elásticos” estendidos que tendem à posição de repouso.
4.3 MOTORES UNIVERSAIS 4.3.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS Da mesma forma que o motor “shaded pole”, o motor universal possui também uma vasta aplicação em acionamentos de pequenos eletrodomésticos. A escolha entre um tipo ou outro depende do controle de velocidade exigido. Como exemplo, os ventiladores giram a rotação constante, neste caso o “shaded pole” é adequado, pois é um motor de rotação (praticamente) constante como todos os motores de indução; ao passo que em um liquidificador, em que se exige um controle da velocidade, o motor universal é mais adequado, pois sua rotação pode ser controlada. 55
4.3.2 ASPECTOS CONSTRUTIVOS A seção transversal de um motor universal está mostrada na Figura 4.5 que se segue,
Figura 4.5 - Motor Universal
Nesta figura podemos identificar: Estator: Parte fixa do motor, constituída de chapas de aço magnético e com peças polares (2 polos no exemplo) nas quais estão presentes as bobinas de campo. Rotor: Parte móvel do motor, também denominada de armadura, que é constituída de chapas de aço magnético, com ranhuras uniformemente espaçadas nas quais são alojados os condutores de um enrolamento idêntico ao enrolamento da máquina de corrente contínua. No eixo deste rotor é colocado um dispositivo, denominado coletor, que consiste de 56
lâminas de cobre em formato cilíndrico, sobre as quais é colocada escovas de grafite para contato elétrico.
4.3.3 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO O enrolamento da armadura, cujas extremidades são as escovas de grafite assentadas no coletor, é associado em série com o enrolamento do estator. Esta associação série dos enrolamentos é alimentada pela fonte de corrente alternada, que no caso das residências é de 110V ou 220V, de modo que a mesma corrente circula por ambos enrolamentos. Aplicando-se a regra da mão direita, a circulação de corrente nos enrolamentos do estator produz um campo magnético pulsante alinhado com o eixo do enrolamento, linha A indicada na Figura 4.6.
Figura 4.6 - Campo Magnético produzido pelo estator
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Devido as características do enrolamento da armadura, quando a corrente, que entra por uma escova e sai pela outra, se distribui nas ranhuras de modo que na metade superior o sentido das correntes em todas as ranhuras é concordante e na metade inferior também, porém em sentido oposto as correntes da metade superior. Estas correntes, se atuassem isoladamente no motor, produziriam uma distribuição de campo magnético, como mostrada na Figura 4.7 que se segue.
Figura 4.7 - Campo magnético produzido pela armadura Verifica-se portanto, que os campos magnéticos produzidos pelas correntes do estator e pelas correntes da armadura, quando atuando isoladamentes, são perpendiculares (ou em quadratura). Demonstra-se, do eletromagnetismo, que esta é a melhor condição para a produção de torque eletromagnético. A interação entre essas correntes da armadura com o campo magnético (F=Bil) produzido pelo enrolamento de campo produz o torque responsável pela rotação da armadura.
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A Figura 4.8 mostra a distribuição de campo magnético, quando as duas correntes circulam simultaneamente nos enrolamentos do estator e da armadura.
Figura 4.8 - Campo magnético total devido a ação simultânea das correntes do estator e do rotor A carga aplicada ao eixo, associada a intensidade da corrente nos enrolamentos define a rotação desta máquina e não a frequência da rede como nos motores trifásicos. Uma vantagem deste tipo de motor é o elevado torque que ele possui na partida. Este fato muitas vezes é o fator determinante para a escolha desta máquina para determinados acionamentos.
Um grande inconveniente dos motores universais, principalmente na sua utilização residencial, é a interferência eletromagnética que ele produz em outros aparelhos quando em funcionamento, principalmente em televisores e equipamentos de som. Isto é devido à presença do coletor, o qual gera ruídos de frequência elevada. As exigências atuais de qualidade 59
de energia, poderão, no futuro, condenar este motor nos acionamentos de eletrodomésticos. Para o entender o funcionamento deste dispositivo, o leitor poderá determinar o sentido do torque analisando o formato das linhas de campo magnético como foi discutido no caso dos motores “shaded pole”.
4.4 MOTORES MONOFÁSICOS COM DOIS ENROLAMENTOS 4.4.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS Os motores monofásicos possuem também uma vasta aplicação industrial, sobretudo no acionamento de pequenas ferramentas. Compressores, esmeril, furadeiras, etc., são alguns exemplos nos quais os motores monofásicos são muito utilizados na industria. Sua construção é muito semelhante a do motor trifásico. O estator, construído com chapas de aço magnético, possui ranhuras nas quais são alojados dois enrolamentos (no caso do motor trifásico são três), separados de 90 graus um do outro (120 graus para o motor trifásico), Figura 4.9.
Figura 4.9 - Estator do motor monofásico com 2 enrolamentos a 90 graus 60
O rotor, por outro lado, é um rotor a gaiola de esquilo, idêntico portanto ao do motor trifásico a gaiola.
4.4.2 MOTOR “SPLIT-PHASE” No motor “Split-Phase”, estes dois enrolamentos são diferentes, isto é, possuem número de espiras e espessura do fio diferentes. Um dos enrolamentos, denominado de enrolamento principal, possui fio mais grosso e é o responsável pelo desenvolvimento da maior parte da potência do motor; o outro enrolamento, confeccionado de fio mais fino e com maior número de espiras, é denominado enrolamento auxiliar.
Figura 4.10 - Motor “Split-Phase”
Estes dois enrolamentos são associados em paralelo, Figura 4.10, e como possuem impedâncias diferentes, os mesmos são percorridos por correntes diferentes em módulo e fase. Esta defasagem entre as correntes dos enrolamentos produz um campo magnético rotativo, não tão eficiente como nos motores trifásicos, mas o suficiente para a produção de um torque responsável por sua rotação. Esta deficiência do campo rotativo, resulta em um baixo rendimento desta máquina. Como principais aplicações do “split-phase” destacam-se: ventiladores de teto, esmeril e pequenas lixadeiras.
4.4.3 MOTOR MONOFÁSICO COM CAPACITOR DE PARTIDA 61
O motor monofásico com capacitor de partida diferencia-se do “splitphase” através da utilização de um capacitor que é colocado em série com o enrolamento auxiliar, como mostra a Figura 4.11. A função deste capacitor consiste, através de uma combinação entre a sua impedância e a impedância do enrolamento auxiliar, de defasar em (aproximadamente) 90 graus a corrente do enrolamento principal da corrente do enrolamento auxiliar na partida, produzindo um campo girante (praticamente) ideal para produção de torque elevado.
Figura 4.11- Motor monofásico com capacitor de partida
Este capacitor é desconectado através de um contato elétrico acionado por um dispositivo centrífugo presente no eixo do motor, isto é, o contato é aberto quando o motor adquire uma determinada velocidade, normalmente próxima a rotação nominal do motor. Desconectando-se este capacitor, o enrolamento auxiliar fica inativo e apenas o enrolamento principal permanece energizado. Como um único enrolamento não produz um campo girante, a questão que se apresenta é: como o motor monofásico funciona após a retirada do capacitor?
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Um enrolamento alimentado por corrente alternada senoidal, produz um campo magnético pulsante e não rotativo, portanto a princípio não haveria razões para o seu funcionamento. No entanto, um campo magnético pulsante pode ser decomposto em dois campos magnéticos rotativos, com metade da sua amplitude, e com sentido de rotação opostos, como mostra a Figura 4.12.
Figura 4.12 - Decomposição de um campo pulsante e dois rotativos
Cada campo rotativo é responsável pela produção de um torque que é função da rotação do motor, de forma semelhante ao que ocorre no motor trifásico, como mostra a Figura 4.13.
torque 63
rotação
CAMPO DIRETO CAMPO RESULTANTE CAMPO INVERSO Figura 4.13 - Característica Torquexrotação do motor monofásico
Verifica-se, através da análise das curvas da Figura 4.13, que o único ponto em que o torque resultante é nulo é o ponto correspondente à rotação zero, ou seja na partida, daí a razão da necessidade do capacitor, pois com o capacitor as duas correntes, do enrolamento principal e do enrolamento auxiliar, estão defasadas (praticamente) de 90 graus, o que produz um campo magnético rotativo, e como consequência o torque na partida é diferente de zero, a semelhança do motor trifásico. Atingida uma determinada rotação, o torque resultante em qualquer ponto é diferente de zero, não havendo portanto a necessidade de manter o capacitor, e por consequência o enrolamento auxiliar, energizados e por esta razão eles são desconectados do circuito pelo contato centrífugo discutido anteriormente. Com o capacitor inserido, a característica torque x rotação do motor monofásico passa a ser mostrada na Figura 4.14 que se segue:
torque 64
rotação n1
Sem capacitor Com capacitor resultante
Observação : o capacitor é desconectado quando atinge a rotação n1
Figura 4.14 - Característica Torque x Rotação - Com capacitor
4.4.4 MOTOR MONOFÁSICO COM CAPACITOR PERMANENTE
O motor monofásico com capacitor permanente é idêntico ao motor monofásico com capacitor de partida, diferenciando-se deste apenas pela ausência do contato centrífugo. Este motor é mais eficiente que o anterior, visto que o campo magnético produzido é rotativo e não pulsante, como naquele caso, pois os campos magnéticos rotativos implicam em melhor rendimento das máquinas de corrente alternada. Face ao fato do capacitor permanecer permanentemente conectado, o capacitor deste motor é de melhor qualidade, portanto mais caro, que o capacitor utilizado apenas na partida. Nos motores monofásicos com capacitor de partida utiliza-se capacitores eletrolíticos bipolares (dois capacitores eletrolíticos em paralelo com polaridades invertidas), os quais são mais baratos que o capacitor a óleo ou de polipropileno utilizados no motores monofásicos com capacitor permanente (ver figura 4.15).
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torque
rotação
Figura 4.15 - Característica Torque x Rotação - Com capacitor permanente
4.4.5. APLICAÇÕES Os motores “split-phase”, como já foi discutido, são utilizados em ventiladores de teto, esmeril, bombas d’água de pequena potência, etc., e são fabricados com potência fracionária, ou seja, menores que 1CV. Os motores monofásicos com capacitor de partida e com capacitor permanente são utilizados em acionamentos mais pesados, como compressores, geladeiras, máquinas de lavar roupa, etc., e são fabricados com potências que variam de 1/4CV a 10CV. É possível ainda encontrarmos motores monofásicos com um único enrolamento em pequenas lixadeiras. Como estes motores não apresentam torque de partida, o usuário deve, manualmente, impulsioná-lo em uma dada direção para vê-lo funcionar.
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