Arranque em Motores de Indução, Notas de estudo de Cultura
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Máquinas Elétricas Motores assíncronos Motores de indução Arranque São motores robustos e baratos (fabricados em massa), embora tendo o inconveniente de não serem reguláveis. Consequentemente, uma vez definido um binário e uma corrente, estes apenas dependem de: * Tensão de alimentação (c'º) * Velocidade em qualquer momento O motor respeitante à Figura 1.1 é pequeno e arranca em vazio (inércia de carga nula). Devido à baixa inércia, todas as magnitudes variam fortemente durante o arranque, já que o binário electromagnético gerado é função da posição angular entre rotor e estator, em cada momento (para motores de maior potência, arrancando em carga tais variações surgem mais diluídas). corrente tempo A intensidade de corrente (para uma fase — as restantes sendo iguais), ascende a uma valor elevado / / (várias vezes superior à nominal) e oscila à frequência da fá rede. Além disso, esta corrente tarda a baixar para valores próximos da corrente nominal do motor e a sua e | binário magnitude inicial é independente do binário resistente que a carga opõe durante a aceleração. Também o binário motor adquire, inicialmente, valores não tão altos, sobretudo considerando que é produzido por correntes elevadas. Além disso, nos primeiros instantes do arranque, é um binário oscilante, a pelo que, ao motor, “custa-lhe adquirir velocidade”. Apenas depois de 40% do tempo de arranque, existe uma , Nye zona de binário positivo, que é o que realmente acelera o motor. Na fase final do arranque, o binário motor volta a adquirir um carácter oscilante, rapidamente amortecido, que converge para o seu valor final ou nominal (nulo neste caso, dado ser um arranque em vazio). Consequência lógica do binário motor é a evolução da velocidade. Na primeira fase surgem oscilações relativamente importantes, apenas aumentando tempo significativamente a velocidade, quando o binário motor tem um valor médio positivo. Passada esta fase, a velocidade sofre ainda oscilações, menores e mais amortecidas. tempo velocidade Voltando às elevadas correntes, em causa no arranque, estas são as absorvidas nas bobines do estator. Embora não sendo possível medi-las em motores de gaiola de esquilo, as correntes induzidas nas bobines do rotor são também muito elevadas (equivalência com transformador — relação de transformação). Estas corrente elevadas, quer no rotor quer no estator, conjugadas com arranque de duração prolongada, têm as seguintes consequências: El Quedas de tensão nos transformadores/rede de alimentação (inadmissí outros utilizadores, ligados às mesmas fontes) is para aparelhos de 1711 Máquinas Elétricas Motores assíncronos El Perdas de Joule elevadas ( RÉ ), tanto no rotor como no estator. Estas potên muita dificuldade em par-se durante o arranque — dada a sua curta duração — acumulando-se maioritariamente nas próprias bobines |, provocando importantes aumentos de temperatura que podem conduzir a: o Falhas prematuras do motor, por se ter ultrapassado a temperatura relativa à classe de isolamento o Não acontecendo a anterior, haverá lugar a um encurtamento da vida útil do motor (envelhecimento) «' Existe a necessidade de limitar o número de arranques. Grandezas físicas relacionadas com o funcionamento dos motores Considerando um motor acoplada — figura 1.2 — aplica-se a equação que expressa a 2º lei de À HE] Newton: EE A soma dos binários actuando sobre um volante, é igual à ccionando uma carga rigidamente variação da quantidade de movimento angular do mesmo, durante Figura 1.2 o tempo de aplicação dos binários origem Ng ângulo girado -T.= Taro T =binário [Nm] J = Inércia das massas do rotor Ikg.m? O = velocidade angular [rad.s Tmot A equação pode ser desenvolvida, T, ==] +0— dt Figura 1.3 Modelo simplificado do dy dt Como na maior parte dos casos de accionamento a inércia é constante”, podemos dizer que , ficando a equação neste caso, ! Para os casos em que não podemos considerar cargas com iné enrolado ia constante — robô s de cabos, bobinadoras, etc. — haverá que conhecer a lei temporal ue rege a vari ção de i aplicar a lei geral. 2 Máquinas Elétricas Motores assíncronos As restantes grandezas são, essencialmente, variáveis, dependendo de: Tyu= (0,8, Te=f(0,€,t) € = espaço angular percorrido [rad] Existem, no entanto, bastantes casos particulares, tanto para o binário motor como para o binário resistente, nos quais a dependência é apenas da velocidade, Tu =f(0) Te= "(07 As equações apresentadas anteriormente, não descrevem completamente o movimento. Necessitamos agora de equações provenientes da cinemática: oo e q de dt dt dt em que O = aceleração angular frad.s?] que também se podem expressar na sua forma integral: w= fa-dt e e=fo-dt Na integração destas equações, haverá que considerar os valores iniciais: a) Movimento uniforme a=0 m= ce E=C+ot b) Movimento uniformemente acelerado a= cle O=O+at E=to+Mt+hOL Geração do binário motor O binário motor gera-se electromagnéticamente pela interacção do fluxo no entreferro com a corrente rotórica: êmbolos e pistons (compressores p. ex.) cujo binário é função da posição angular do rotor. 311 Máquinas Elétricas Motores assíncronos Pode condensar-se esta equação, dizendo que o binário motor responde a uma expressão do tipo: T, = f(0,8,1) Nos casos normalmente encontrados na prática, as componentes que dependem do tempo desvanecem-se poucos períodos após a ligação do motor, podendo eliminar-se a dependência da variável tempo. Algo semelhante acontece com a influência do ângulo de posição €). Para além disso, o aumento de velocidade está, como se verá à frente, condicionado pela inércia total (J) a acelerar. Referindo-nos à figura 1.1, constatamos que o que importa nos arranques é o valor médio da curva de binário em função do tempo, isto é o integral desta função. Este integral é positivo e crescente com o tempo e, portanto, o motor arranca apesar das oscilações de velocidade nos primeiros instantes. Assim, para aplicações normais, o binário motor depende da velocidade angular, Tyu=f(0) obtendo-se o seu valor através das curvas fornecidas pelos fabricantes, ou calculando-o — conhecidas as características das resistências e reactâncias do motor — através do circuito equivalente. Evolução da corrente estatórica e rotórica É sabido que, em regime estaccionário, L+b=In = corrente estatórica L = corrente rotórica Im = corrente de magnetização A corrente L é a que origina o binário, de forma que, para binários nulos esta corrente é nula. A corrente Im está condicionada pelo estado magnético do motor e depende das seguintes variáveis: = Tensão aplicada — cresce com a tensão = Dimensionamento do motor (projecto): o Superior para motores lentos o Cresce com o entreferro o Cresce com circuitos magnéticos de baixa qualidade Para um dado motor, alimentado com tensão constante, esta corrente permanece praticamente constante, em regime estacionário, oscilando o seu valor entre 10 a 15 % de K para motores grandes, rápidos e com bom projecto e entre 50 a 60% de Ix para motores pequenos, lentos com fraco projecto. Para motores parados o escorregamento é s = 1. À medida que o motor acelera, o escorregamento diminui até valores de s = 0,01 a 0,05. Quer isto dizer, que a resistência rotórica aparente (R,/s) varia muito, desde valores baixos (no início do arranque) até valores que podem ser entre 100 a 20 vezes superiores ao valor inicial (motor no ponto de funcionamento nominal). Assim, o ramo rotórico passa de: i Uma situação de arranque com s = 1 e baixa resistência, que faz com que este ramo seja muito reactivo e absorva correntes elevadas e muito desfasadas da tensão aplicada. 4 Máquinas Elétricas Motores assíncronos ii. Uma situação de funcionamento normal, com s = 0,01 a 0,05 e alta resistência que faz com que este ramo seja muito resistivo e absorva correntes reduzidas com baixo desfasamento. Em regime de arranque, com baixo fluxo, a corrente Im é muito reduzida, pelo que a corrente estatórica I, segue uma evolução muito similar à corrente rotórica [SS 1 05 05 025 0 Figura 1.4 Como se pode constatar do gráfico da figura 1.4, as correntes são muito elevadas na maior parte do tempo, gerando-se, em consequência, perdas de Joule elevadas. Toma-se, desta forma, nec rio que o motor arranque rápidamente, para minorar o aquecimento das bobines do motor. No entanto, este comportamento do motor no arranque proporciona, paralelamente, altos valores de binário à custa das altas correntes absorvidas. Motores Existem 2 tipos de motores de indução (ou assíncronos): M Rotor bobinado Necessitam de equipamento de arranque ou de controle sobre o circuito rotórico — resistências trifásicas ligadas electricamente ao rotor por meio de escovas e segmentos”. Quando o motor atinge a velocidade nominal estas resistências são curto circuitadas. Este tipo de motor é mais delicado e mais caro, para a mesma potência/velocidade. segmentos Figura 1.6 - Rotor bobinado tipo de motores, por utilizarem escovas e segmentos (fafscamento) impõem precauções adicionais quando utilizados em atmosferas húmidas, poeirentas ou explosivas. 5" Máquinas Elétricas Motores assíncronos M Rotor em curto circuito (ou “gaiola de esquilo”) Este tipo de motor, quando mal aplicados, dão origem a avarias mais fortes. Figura 1.5 - Rotor “gaiola esquilo” Características principais dos motores de indução I. Potência nominal [KW] Potência disponível no eixo do motor (potência mecânica), sem que seja ultrapassado o aquecimento especificado para o motor. Il. Tensão de alimentação e frequência [M e [Hz] Tensão e frequência de alimentação, para as quais o motor fornece a potência e velocidade nominais. No caso do rotor bobinado, é especificada ainda a tensão rotórica. Ill. Velocidade a. de sincronismo velocidade do campo girante 120 2x n, 2p f£ [rpm] q, 60 n, [rad/s] b. nominal velocidade real, ligeiramente inferior àvelocidade de sincronismo O= x, [rad/s] 60 IV. Intensidade de corrente estatórica Corrente absorvida pelas bobines do estator. Pontos de interesse: corrente em vazio (s = 0), corrente nominal e corrente de arranque (s = 1) V. Binário Força fornecida pelo motor. Pontos de interesse: binário nominal, binário máximo, binário mínimo e binário de arranque (s = 1) VI. Factor de potência Relação entre a potência activa e a aparente. O seu melhor valor encontra-se para a potência nominal. Os piores valores (de 0,1 a 0,4) encontram-se para s = 0 e para s = 1. VII. Rendimento Relação entre a potência mecânica útil (no eixo) e a potência eléctrica absorvida da alimentação. Varia com a carga e alcança o seu valor máximo nas proximidades do ponto nominal sa Máquinas Elétricas Motores assíncronos Mill. Escorregamento Diferença entre a velocidade mecânica e a velocidade de sincronismo (ou do campo girante). Para haver binário é necessário que o escorregamento seja diferente de zero. n-n 0,-O s=— = n, o O escorregamento em motores pequenos (p. ex. 1,1 kW) tem valores importantes, na ordem dos 7 a 8%, ao passo que em motores de elevada potência (p. ex. 800 kW) anda na ordem do 0,3 a 0,5% sos fi, NAN, end. (%) 100 pe Velocidad so] = Rendimianto Factonda so] z Inensidad 40 y 0 25 so 75 100 PIPA (6) Figura 1.6 KT À 3 5x Ind binário máximo 2 N N > Zola instável À 1 binário hominal correntg nomina oo > 0 h %ns Figura 1.7 A zona de funcionamento estável do motor, é a zona compreendida entre o ponto de binário máximo e o de escorregamento nulo (ponto de velocidade nominal). O ponto de funcionamento 1 Máquinas Elétricas Motores assíncronos nominal do motor encontra-se na intersecção da curva do binário motor com a curva do binário da carga (binário resistente) que a máquina accionada exige. Ponto de estabilidade T carga n n m n s e Na velocidade de sincronismo, o binário é nulo Na zona compreendida entre a velocidade nominal e a velocidade de sincronismo, a curva de binário é linear (recta) e o binário é proporcional ao escorregamento. As curvas binário-velocidade são função da resistência rotórica* o Variando a resistência, não varia o binário máximo, mas apenas a sua posição o O binário máximo dá-se para um escorregamento (Smax), para o qual a reactância iguala o valor da resistência total do rotor (R> + Rexterna) o Para um determinado binário, na zona recta, estável, da curva de binário, o escorregamento é praticamente proporcional à resistência total do rotor. O binário motor, para todos os escorregamentos, é proporcional ao quadrado da tensão de alimentação (um motor que desenvolve um binário de arranque de 120%, à tensão nominal, quando alimentado a 80% da tensão nominal, terá um binário de arranque de 120% x 0,8? = 76,8 %) A corrente absorvida, para todos os escorregamentos, é proporcional à tensão de alimentação (se o motor anterior tem uma corrente de arranque de 500% à tensão nominal, quando s e s e s e s e alimentado a 80% da tensão nominal, absorverá uma corrente de arranque de 500% x 0,8 = 400% ) Motor de rotor bobinado Já foi indicado que, nos motores, se podem alterar algumas das suas características, por exemplo, alterando a resistência do rotor, alterando, consequentemente, o seu comportamento mecânico (binário / velocidade) e eléctrico (corrente absorvida). No caso dos motores com rotor bobinado e através dos segmentos/escovas há a possibilidade de ligar, em série com as bobines do rotor, resistências externa: desde Rex = O (rotor em curto circuito = Rex, em curto circuito) até Rex elevadas (arranque — limitação das correntes elevadas). Para cada valor de Rx, — ligadas às bobines do rotor — obtêm-se um par de curvas Corrente — Figura 1.8 / Binário — Figura 19. Pode também deduzir-se a equação que dá o valor do binário motor, para cada valor de escorregamento, partindo dos valores de projecto de um motor concreto, alimentado a uma determinada tensão Vi: * Fundamental para os motores de rotor bobinado sa Máquinas Elétricas Motores assíncronos Em zonas de escorregamento reduzido e inferior a Smax pode linearizar-se esta expressão, de acordo com: S << Smax pelo que: S/Smax = O vindo a expressão: T=Kes em que K é uma constante para cada escorregamento máximo. Esta expressão pode ser aproveitada para determinar os reóstatos de arranque. Ry=0 Ru=R Ru=R Ru=R Ru =R, Ru=R Ru=R Ru=Rs Ru=Rs Reu=R Ru=R Ru=R Ru=R Rx =0 Figura 1.9 Ro> R5>R4> R3> Ro> Ri 9 Máquinas Elétricas Motores assíncronos Motor de gaiola de esquilo O rotor deste tipo de motores tem as bobinas rotóricas substituídas por barras lon, itudinais, soldadas dos topos por aneis — curto circuitadas (figura 1.10). As regulação. Figura L.1O As barras, constituintes da gaiola, podem ser de cobre macio, ligas de cobre, alumínio” ou ligas de alumínio O rotor deste tipo de motores pode ser constituído por uma ou duas gaiolas. Cada gaiola tem ranhuras onde são encastradas as barras, que se unem nos topos por anéis do mesmo metal. As barras não estão isoladas, relativamente à ranhura, surgindo, por esta razão, algumas correntes parasitas que originam binários da mesma natureza. É, obviamente, uma forma construtiva extremamente robusta. No entanto, a sua natureza construtiva mecânica, condiciona as suas %T características (tomando-as fixas) de binário e corrente, Isto é, não se consegue actuar sobre as características eléctricas do rotor (tal como nos rotores bobinados quando se adicionam i Desta forma, diferentes as de binário e de corrente apenas podem ser obtidas por projecto, tendo dado origem a 4 tipos de gaiolas — A,B CeD- correspondentes a 4 tipos de binários e correntes, tal como pode ser observado na figura 1.11 : = . 25 Estes tipos de motores são obtidos à custa de variações em torno da 0 1920 30 40 50 60 70 80 90 100 % ns construção do rotor, nomeadamente através de ranhuras finas e com pouca Figura 1.11 é Que diminui o peso / inércia do rotor $ Nomenclatura NEMA 10/11 Máquinas Elétricas Motores assíncronos altura (figura 1.12), ranhuras profundas (figura 1.12) e gaiolas duplas (figura 1.13). Gaiola externa Gaiola intema Figura 112 Figura 1.13 n/1
A VIDA É UM BEM PRECIOSO, IMATERIAL E IRREPARÁVEL QUE O SUPREMO DEUS NOS DEU. PRECISAMOS SER BONS GESTORES DESTA, ISTO É, BUSCANDO MAIS A DEUS E PEDINDO A ELE AS DIRETRIZES MAIS FORTES DE MODO A NÃO SERMOS AS PRÓXIMAS VÍTIMAS DE SATANÁS, O DIABO.
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