Motores eletricos, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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ECA 34 –MÁQUINAS ELÉTRICAS PARA AUTOMAÇÃO

Motores Elétricos

(Edição Preliminar)

Antonio Tadeu Lyrio de Almeida

- Agosto de 2004 -

AUTOMAÇÃO

MOTORES ELÉTRICOS

APRESENTAÇÃO

Os motores elétricos são o meio mais indicado para a transformação de energia elétrica em

mecânica, em termos industriais, para acionamento das mais variadas cargas, tais como bombas,

compressores, sistemas de elevação de peso e outras.

Existe uma ampla variedade de motores elétricos disponíveis comercialmente, os quais

podem ser divididos em dois grupos, ou seja, os de corrente contínua e os de corrente alternada,

sendo que estes ainda podem ser síncronos ou de indução (assíncronos).

Os motores de indução , principalmente os trifásicos , são os mais utilizados industrialmente

e, dentre eles, o de rotor em gaiola, cujo campo de aplicação se estende, praticamente, a todo tipo de

acionamento.

Os motores de corrente contínua , por outro lado, são empregados em aplicações industriais,

nas quais se deseja um controle eficiente de velocidade.

Neste contexto, o objetivo desse texto é o de analisar esses motores (com exceção do

síncrono) e, para tanto, foi dividido em três partes básicas.

A primeira parte é composta pelos Capítulos 1 e 2, onde se fornecem os princípios básicos

do eletromagnetismo e alguns dos aspectos comuns a todos os motores elétricos, respectivamente.

A segunda parte compreende os Capítulos 3 a 8 e são abordados os motores de indução

trifásicos.

A terceira e última parte, composta pelos Capítulos 9 e 10, refere-se aos motores de corrente

contínua.

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• CAPÍTULO 1: CONCEITOS BÁSICOS _____________________________________________ ÍNDICE
  • RESUMO __________________________________________________________________________
  • 1.0 - INTRODUÇÃO _________________________________________________________________
  • 2.0 – CAMPO MAGNÉTICO CRIADO POR CORRENTE _________________________________
  • 3.0 –TENSÃO INDUZIDA ____________________________________________________________
  • 4.0 - FORÇA DE LORENTZ __________________________________________________________
  • 5.0 - CONJUGADO OU TORQUE _____________________________________________________
    • 5.1 – Conceito de Conjugado _________________________________________________________________
    • 5.2 - Conjugado Eletromagnético ______________________________________________________________
  • 6.0 – POTÊNCIA MECÂNICA ________________________________________________________
  • 7.0 - AÇÕES MOTORA E GERADORA ________________________________________________
• CAPÍTULO 2: MOTORES ELÉTRICOS ____________________________________________
  • RESUMO __________________________________________________________________________
  • 1.0 - INTRODUÇÃO _________________________________________________________________
  • 2.0 – TIPOS DE MOTORES___________________________________________________________
  • 3.0 – CARACTERÍSTICA NOMINAL __________________________________________________
  • 4.0 – POTÊNCIA ____________________________________________________________________
  • 5.0 – CONJUGADO OU TORQUE _____________________________________________________
  • 6.0 - VIDA ÚTIL DE MOTORES ELÉTRICOS _________________________________________
  • 7.0. - CLASSE DE ISOLAMENTO ____________________________________________________
  • 8.0 – GRAUS DE PROTEÇÃO MECÂNICA DOS INVÓLUCROS DOS MOTORES __________
    • 8.1 – Graus de proteção_____________________________________________________________________
    • 8.2 - Utilização de Motores em Áreas Perigosas__________________________________________________
• CAPÍTULO 3: MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS _____________________________ MOTORES ELÉTRICOS - RESUMO _________________________________________________________________________ - 1.0 - INTRODUÇÃO ________________________________________________________________ - 2.0 - NATUREZA E FORMAÇÃO DOS CAMPOS GIRANTES ____________________________ - 3.0 – INVERSÃO DE DUAS FASES ___________________________________________________ - 4.0 - VELOCIDADE SÍNCRONA _____________________________________________________ - 5.0 – ROTAÇÃO E CAMPO GIRANTE ________________________________________________ - 6.0 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO _____________________________________________ - 7.0 - ESCORREGAMENTO __________________________________________________________ - 8.0 - FREQÜÊNCIA DAS GRANDEZAS DO ROTOR ____________________________________
  • _____________________________________________________________________________ CAPÍTULO 4: ASPECTOS CONSTRUTIVOS DOS MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS
    • RESUMO _________________________________________________________________________
    • 1.0 - INTRODUÇÃO ________________________________________________________________
    • 2.0 - PARTES COMPONENTES DO ESTATOR ________________________________________
      • 2.1 - Carcaça _____________________________________________________________________________
      • 2.2 – Parte Ativa __________________________________________________________________________
      • 2.3 – Caixa de Terminais ___________________________________________________________________
      • 2.4 – Ligações dos Enrolamentos _____________________________________________________________
      • 2.4.1 – Tipos de ligações____________________________________________________________________
      • 2.4.2 – Marcação de terminais dos motores _____________________________________________________
    • 3.0 - PARTES COMPONENTES DO ROTOR___________________________________________
      • 3.1 – Núcleo do Rotor ______________________________________________________________________
      • 3.2 – Enrolamentos ________________________________________________________________________
      • 3.2.1 – Rotor gaiola________________________________________________________________________
      • 3.2.2 – Rotor bobinado _____________________________________________________________________
      • 3.3 - Eixo________________________________________________________________________________
    • 4.0 - OUTROS COMPONENTES _____________________________________________________
      • 4.1 - Mancais_____________________________________________________________________________
      • 4.2 – Sistema de Arrefecimento ______________________________________________________________
      • 4.3 – Escovas e Porta-escovas________________________________________________________________
• CAPÍTULO 5: CARACTERÍSTICAS DOS MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS ______ - RESUMO _________________________________________________________________________ - 1.0 - INTRODUÇÃO ________________________________________________________________
  • 2.0 – OPERAÇÃO EM CARGA DE UM MIT ___________________________________________ MOTORES ELÉTRICOS
  • 3.0 – GRANDEZAS CARACTERÍSTICAS _____________________________________________
    • 3.1 - Potência_____________________________________________________________________________
    • 3.2 - Tensões _____________________________________________________________________________
    • 3.3 – Velocidade __________________________________________________________________________
    • 3.4 – Torque ou Conjugado__________________________________________________________________
    • 3.5 – Perdas ______________________________________________________________________________
    • 3.6 – Potências Elétricas ____________________________________________________________________
    • 3.7 – Fator de Potência _____________________________________________________________________
    • 3.8 - Rendimento__________________________________________________________________________
    • 3.9 – Corrente do Estator ___________________________________________________________________
    • Exercício de fixação _______________________________________________________________________
    • 3.10 - Fator de Serviço _____________________________________________________________________
  • 4.0 – CURVAS CARACTERÍSTICAS__________________________________________________
  • 5.0 - EFEITOS DOS DESBALANÇOS DE TENSÕES ____________________________________
    • Exercício de fixação _______________________________________________________________________
  • 6.0 – FALTA DE FASE ______________________________________________________________
  • 7.0 - FLUTUAÇÕES DE TENSÕES ___________________________________________________
  • REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS __________________________________________________
• CAPÍTULO 6: PARTIDA DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS _________________
  • RESUMO _________________________________________________________________________
  • 1.0 - INTRODUÇÃO ________________________________________________________________
  • 2.0 – CONJUGADO MOTOR E ACELERADOR ________________________________________
    • 2.1 – Partida com Rotor Livre ou em Vazio _____________________________________________________
    • Exercício de fixação _______________________________________________________________________
    • 2.2 – Partida com Carga ____________________________________________________________________
  • 3.0 – CORRENTE NA PARTIDA _____________________________________________________
    • Exercício de fixação _______________________________________________________________________
  • 5.0 – EFEITOS DA VARIAÇÃO DA TENSÃO __________________________________________
  • 6.0 – EFEITOS DA RESISTÊNCIA DO ROTOR ________________________________________
  • 7.0 – CATEGORIAS DE DESEMPENHO ______________________________________________
  • 8.0 – PROBLEMAS CAUSADOS PELA PARTIDA ______________________________________
  • 8.1 – Motor ________________________________________________________________________
    • 8.2 – Carga e Sistema de Transmissão _________________________________________________________
    • 8.3 – Rede Elétrica e Instalações______________________________________________________________
  • 9.0 - MÉTODOS DE PARTIDA _______________________________________________________
    • 9.1 - Partida com Chave Estrela-Triângulo ______________________________________________________
    • Exercício de fixação _______________________________________________________________________
    • 9.2 - Chave Compensadora __________________________________________________________________
    • Exercício de fixação _______________________________________________________________________ MOTORES ELÉTRICOS
    • 9.3 - Partida com Soft-Starter ________________________________________________________________
    • 9.4 – Partida com Resistências no Rotor________________________________________________________
• CAPÍTULO 7: IDENTIFICAÇÃO DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS __________
  • RESUMO _________________________________________________________________________
  • 1.0 - INTRODUÇÃO ________________________________________________________________
  • 2.0. - DADOS DE PLACA E DE CATÁLOGOS _________________________________________
    • 2.1. - Dados de Placa_______________________________________________________________________
    • 2.2 - Dados de Catálogo ____________________________________________________________________
    • 2.3 - Folha de Dados _______________________________________________________________________
  • REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA ____________________________________________________
• CARACTERÍSTICAS OPERACIONAIS ___________________________________________ CAPÍTULO 8: METODOLOGIAS PRÁTICAS PARA A AVALIAÇÃO DE
  • RESUMO _________________________________________________________________________
  • 1.0 - INTRODUÇÃO ________________________________________________________________
  • 2.0 - AVALIAÇÃO DA POTÊNCIA – MÉTODO DA LINEARIZAÇÃO DA CURVA I = f(P) ___
  • 3.0 – AVALIAÇÃO DA ROTAÇÃO – MÉTODO DA LINEARIZAÇÃO DA CURVA I = f(n) ___
    • Exercício de fixação _______________________________________________________________________
  • 4.0 – AVALIAÇÃO DO TORQUE – MÉTODO DA LINEARIZAÇÃO DA CURVA M = f(n) ___
    • Exercício de fixação _______________________________________________________________________
  • 5.0 – CURVAS CARACTERÍSTICAS__________________________________________________
• CAPÍTULO 9: MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA _____________________________
  • RESUMO _________________________________________________________________________
  • 1.0 - INTRODUÇÃO ________________________________________________________________
  • 2.0 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO _____________________________________________
    • 2.1 – Motor Elementar _____________________________________________________________________
    • 2.2 – Utilização de Teclas ___________________________________________________________________
    • 2.3 – Atenuação das Oscilações de Torque______________________________________________________
    • 2.4 – Aumento dos Valores de Torque _________________________________________________________
  • 3.0 – TENSÃO INDUZIDA ___________________________________________________________
  • 4.0 - EXCITAÇÃO __________________________________________________________________
  • 5.0 - COMUTAÇÃO ________________________________________________________________ MOTORES ELÉTRICOS
  • 6.0 - LINHA NEUTRA ______________________________________________________________
  • 7.0 - REAÇÃO DE ARMADURA______________________________________________________
  • 8.0 - PÓLOS AUXILIARES OU DE COMUTAÇÃO (INTERPÓLOS)_______________________
  • 9.0 - ENROLAMENTO DE COMPENSAÇÃO __________________________________________
  • 10.0 - CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES CC __________________________________________
    • 10.1 - Quanto à Aplicação___________________________________________________________________
    • 10.2 - Quanto à Posição do Eixo ______________________________________________________________
    • 10.3 - Quanto ao Sistema de Excitação_________________________________________________________
• _____________________________________________________________________________ CAPÍTULO 10: ASPECTOS CONSTRUTIVOS DOS MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA
  • RESUMO _________________________________________________________________________
  • 1.0 - INTRODUÇÃO ________________________________________________________________
  • 2.0 - PARTES COMPONENTES DO ESTATOR ________________________________________
    • 2.1 - Carcaça _____________________________________________________________________________
    • 2.2 - Pólos Principais_______________________________________________________________________
    • 2.3 - Interpólos ou Pólos de Comutação ________________________________________________________
    • 2.4 - Enrolamentos de Campo e dos Interpólos___________________________________________________
  • 3.0 - PARTES COMPONENTES DO ROTOR___________________________________________
    • 3.1 - Armadura ___________________________________________________________________________
    • 3.2 - Comutador __________________________________________________________________________
    • 3.3 - Eixos _______________________________________________________________________________
  • 4.0 - OUTROS COMPONENTES _____________________________________________________
    • 4.1 - Mancais_____________________________________________________________________________
    • 4.2 – Sistema de Arrefecimento ______________________________________________________________
    • 4.3 – Escovas_____________________________________________________________________________
    • 4.3 - Porta - Escovas _______________________________________________________________________
    • 4.4 – Anel e Braço dos Porta-Escovas _________________________________________________________

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MOTORES ELÉTRICOS

“A máquina, que produz abundância, tem-nos deixado em penúria. Nossos conhecimentos fizeram-nos céticos; nossa inteligência, empedernidos e cruéis. Pensamos em demasia e sentimos bem pouco. Mais do que de máquinas, precisamos de humanidade. Mais do que de inteligência, precisamos de afeição e doçura. Sem essas virtudes, a vida será de violência e tudo será perdido”.

Charles Spencer Chaplin (1889 – 1977)

Considerado um dos maiores gênios do cinema, ganhador de três prêmios Oscar e criador de Carlitos, o imortal e impagável vagabundo. A citação acima foi retirada do “Último Discurso” do filme “O Grande Ditador”, uma de suas obras primas, onde ridiculariza Adolf Hitler e o nazismo.

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MOTORES ELÉTRICOS

Observa-se que, no momento em que a bateria era ligada ou desligada através da chave, instantaneamente flui uma corrente pela primeira bobina, a qual magnetiza o anel. Ao mesmo tempo, verifica-se que a agulha da bússola dá um “salto”, mudando de posição, como ilustrado na figura 6.

A corrente que circula pelas espiras recebe o nome de corrente de excitação e o seu produto pelo número total dessas espiras, é denominada de força magnetomotriz. De acordo com a lei de Ampère , o fluxo magnético no eletroímã depende do material magnético e das dimensões que é construído, além da força magnetomotriz. Assim, pode-se aumentar ou diminuir o fluxo, dentro de certos limites, alterando-se a força magnetomotriz (ou, em última análise, a corrente de excitação). A relação gráfica entre ambas as grandezas é conhecida por curva de saturação (ou de magnetização).

Figura 6 – Deslocamento da agulha da bússola.

Logo em seguida, a agulha volta a sua posição original, como na figura 7.

Figura 4 – Exemplo de curva de saturação.

3.0 –TENSÃO INDUZIDA Figura 7 – Retorno da agulha da bússola à posição Coube ao inglês Michael Faraday , onze anos original. depois de Oersted e Ampère, descobrir como se obter eletricidade a partir do magnetismo.

Faraday concluiu que a deflexão da agulha da bússola ocorria devido à indução de uma tensão elétrica (mais propriamente, uma força eletromotriz) que causava o surgimento instantâneo de uma corrente na segunda bobina.

Em 1831, Faraday construiu um experimento semelhante ao mostrado na figura 5, onde se tem um anel de aço, duas bobinas sem contato físico, uma chave para ligar e desligar o circuito, uma bateria e uma bússola.

Uma segunda experiência realizada por Faraday, foi inserir e retirar um imã dentro de uma bobina, cujos terminais estavam conectados a um galvanômetro. Ao fazer isso, percebeu que a agulha do galvanômetro se movia, como ilustra a figura 8.

________________________________________________________________________________________________

Capítulo 1: Conceitos Básicos - 2

Figura 5 – Experimento de Faraday. Figura 8 – Indução de tensão em bobina.

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MOTORES ELÉTRICOS

Com tais experimentos, Faraday verificou que, sempre que houver uma variação entre o fluxo magnético e um circuito elétrico, nele será induzido uma força eletromotriz (tensão induzida). Se ele estiver fechado, ocorrerá a circulação de corrente. Portanto, em linhas gerais, pode-se escrever a lei de Faraday como: “ A força eletromotriz induzida em um circuito fechado é determinada pela taxa de variação do fluxo magnético que atravessa o circuito ”. Na última experiência descrita, verifica-se que quando o ímã se aproxima do circuito o galvanômetro deflete em um determinado sentido e quando ele se afasta, a deflexão ocorre no sentido contrário.

Figura 10 - Força agindo sobre um condutor.

5.0 - CONJUGADO OU TORQUE 5.1 – Conceito de Conjugado

Quando se aplicam forças a um corpo, elas possuem a qualidade de realizarem trabalho , função dos deslocamentos que nele provocam. Assim, o trabalho de uma força é definido como o produto da intensidade da força pela extensão do deslocamento que ela determina no corpo, quando o Figura 9 – Deflexão do galvanômetro. deslocamento se dá na direção dessa força. Desta forma, pode-se definir torque ou conjugado como um momento de torção, ou seja, o esforço (ou trabalho) que se faz para movimentar algo em círculo, como uma porca no caso mostrado na figura 11.

O cientista russo Heinrich Friedrich Emil Lenz , em 1834, enunciou a chamada Lei de Lenz , que justifica o fenômeno, ou seja: “ A força eletromotriz induzida produz uma corrente cria um campo magnético cujo sentido se opõe à variação do fluxo magnético original ”.

4.0 - FORÇA DE LORENTZ

O holandês Hendrik Antoon Lorentz, prêmio Nobel de Física de 1902, verificou que "toda carga elétrica imersa num campo e dotada de velocidade, de direção não coincidente com a direção do campo, fica sujeita a uma força de origem eletromagnética”. Desta forma, se um condutor imerso em um campo com densidade (ou indução) magnética B e percorrido por uma corrente I fica submetido a uma força F de origem eletromagnética, cujo valor máximo é:

Figura 11 – Conceito de torque. Note-se que o esforço (ou trabalho) efetuado para rosquear a porca é sempre o mesmo, mas se o cabo da chave for segurado em pontos diferentes, a

F = B. I. l (1) força a ser aplicada muda, como ilustra a figura 12.

Onde:

l é o comprimento da parte do condutor imersa no campo.

O sentido dessa força pode ser obtido pela conhecida regra da mão esquerda , onde o dedo indicador representa o campo, o dedo médio a corrente e o polegar a força de origem eletromagnética, como mostrado a figura 10.

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Capítulo 1: Conceitos Básicos - 3

Figura 12 – Aplicação de torque em um parafuso.

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MOTORES ELÉTRICOS

e:

P =

t

E

= F x 2 R

T

= F x R x 2 f (12)

Ou:

P = M w (13)

Ou, ainda:

P = M n (14)

7.0 - AÇÕES MOTORA E GERADORA

Note-se um fato importante no caso mostrado na figura 13, ou seja, além do surgimento do conjugado eletromagnético pela circulação de corrente, a espira ao girar induz uma tensão em seus terminais. Ela é denominada força contra eletromotriz ( f.c.e.m .), pois o seu sentido se opõe à variação de fluxo de acordo, com a lei de Lenz. Por outro lado, como visto anteriormente, ao se induzirem tensões em uma espira em um circuito fechado, ocorrerá a circulação de corrente. Essa corrente ao circular na espira também resultará em um conjugado eletromagnético. Desta forma, é possível concluir que quando ocorre uma:

a) ação geradora há a indução de tensão e, ocorrendo a circulação de corrente, o surgimento de um conjugado contrário ao de giro da espira; b) ação motora há o fornecimento de conjugado no eixo da espira e indução de tensão nos terminais da espira (f.c.e.m.). Aplicados estes conceitos às máquinas elétricas, verifica-se que as ações geradora e motora diferenciam-se pelo sentido de transferência de potência, ou seja:

a) Ação Motora : potência elétrica absorvida da rede, convertida em potência mecânica através dos fenômenos eletromagnéticos e transmitida no eixo da máquina;

Figura 14 – Ação motora.

b) Ação Geradora : potência elétrica fornecida à rede, convertida através dos fenômenos eletromagnéticos da potência mecânica, a qual é transmitida de uma máquina primária acoplada no eixo.

Figura 15 – Ação geradora.

Considerando-se a potência mecânica fornecida por uma máquina elétrica como positiva e a recebida como negativa, tem-se:

a) Motor: P > 0;

b) Gerador: P < 0.

Por outro lado, sabe-se das expressões (13) e (14) que:

P = M n = M w (15)

Adotando-se para o giro, o sentido horário como positivo, tanto para o conjugado, quanto para a velocidade angular, tem-se:

M > 0 (horário ) ou M < 0 (anti –horário)

e

w > 0 (horário ) ou w < 0 (anti –horário).

Desta forma, resultam as seguintes situações operacionais:

a) M > 0 e w > 0; então P > 0, ação motora ;

b) M < 0 e w > 0; então P < 0, ação geradora ;

c) M < 0 e w < 0; então P > 0, ação motora ;

d) M > 0 e w < 0; então P < 0, ação geradora.

A figura 16 esclarece o exposto.

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Capítulo 1: Conceitos Básicos - 5

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MOTORES ELÉTRICOS

Figura 16 - Situações operacionais para as máquinas elétricas.

Como citado anteriormente, toda máquina elétrica é reversível, ou seja, em determinadas condições podem agir como motor ou como gerador. Observa-se que, para obter uma ou outra situação, basta inverter o sentido do torque.

Outro aspecto importante é a constatação de que toda ação geradora também o é de frenagem. Assim, para frear eletricamente uma máquina agindo como motor, basta inverter o sentido do torque eletromagnético.

________________________________________________________________________________________________

Capítulo 1: Conceitos Básicos - 6

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MOTORES ELÉTRICOS

Os motores de corrente contínua são empregados em aplicações industriais, nas quais se deseja um controle eficiente de velocidade, principalmente na área de siderurgia e papel. Além disto, são amplamente utilizados em tração elétrica, como, por exemplo, em locomotivas Diesel-elétricas ou totalmente elétricas, metrô, grandes caminhões fora- de-estrada e trolleybus e empilhadeiras.

Qualquer que seja o tipo, os motores de grande potência (acima de 1000 CV) e tensão elevada (acima de 2200 volts) são considerados especiais, isto é, eles só são fabricados sob encomenda e sua potência não é padronizada. A figura 2 apresenta os diversos tipos de motores hoje existentes comercialmente, incluindo os de pequeno porte.

Figura 2 – “Famílias” de motores.

3.0 – CARACTERÍSTICA NOMINAL

A característica nominal é um conjunto de valores nominais atribuídos às grandezas que definem o funcionamento de um motor, em condições especificadas por norma e que servem de base à garantia de fabricantes e aos ensaios. Deve-se enfatizar

que nem sempre tais grandezas definem os limites operacionais da máquina. Normalmente, tais grandezas são fornecidas pelo fabricante em folhas de dados (" data sheets ") quando solicitado pelo usuário além disto, constam da placa de identificação dos motores ou em catálogos.

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Capítulo 2: Motores Elétricos - 8

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MOTORES ELÉTRICOS

Por outro lado, como visto no capítulo anterior, na ação motora, potência elétrica absorvida da rede, convertida em potência mecânica através dos fenômenos eletromagnéticos e transmitida no eixo da máquina, como ilustra a figura 3.

4.0 – POTÊNCIA

Qualquer que seja o tipo de motor, o termo potência se refere àquela disponível em seu eixo. Portanto a potência de um motor é a sua potência mecânica. A unidade de potência no SI é o Watt , podendo, naturalmente, ser empregados os seus múltiplos e submúltiplos. Observa-se, entretanto, que existem outras unidades amplamente utilizadas no meio industrial, tais como o HP ( horse power ) e o CV ( cavalo vapor ). As relações aproximadas entre essas unidades são:

1 HP 746 W e 1 C.V 736 W

Por outro lado, a potência elétrica deve ser aquela que permita a execução de trabalho e que supra as perdas do processo de conversão de energia elétrica para mecânica (o que produz calor). Desta forma, esta é uma potência elétrica ativa ( Pel ) e se relaciona com a mecânica ( P ) através do rendimento, ou seja:

P el

P

De qualquer modo, a potência nominal pode ser definida como aquela que o motor pode entregar em seu eixo, permanentemente, nas condições nominais, sem que a temperatura dos enrolamentos ultrapasse os limites admissíveis pela sua classe de isolamento , como analisado mais a frente. Observe-se que esta definição indica claramente que a potência disponível em um motor é limitada pelo aquecimento. Assim, nem sempre a potência nominal é o limite que se pode extrair de um motor em condições específicas.

5.0 – CONJUGADO OU TORQUE

Como se sabe, o conjugado (ou torque ) pode ser definido como o esforço necessário para acionar uma carga em movimento circular. Por outro lado, como:

P = M n= 1,05 M n (2)

O torque pode ser calculado por:

M =

n

P

n

P

Nestas condições, se a carga absorve a potência nominal ( PN ) à sua velocidade nominal ( nN ), diz-se que o motor desenvolve o seu torque nominal ( MN ).

Figura 3 – Ação motora.

Considerando-se o sistema ilustrado na figura 3, verifica-se que a velocidade é a mesma, tanto para o motor quanto para a carga, pois seus eixos estão diretamente acoplados. Além disto, sabe-se que:

P = Pc (4)

Onde:

Pc é a potência mecânica solicitada pela máquina

mecânica, a qual se constituí em uma carga para o motor elétrico.

Utilizando-se da expressão (2) em (4), resulta:

M = Mc (5)

Onde: M é o torque desenvolvido pelo motor; e, Mc é o torque necessário para a carga (máquina mecânica) efetuar seu trabalho.

Assim, pelo exposto, conclui-se que o torque ou conjugado pode ser:

a) Motor (M) , o qual corresponde ao trabalho (ou esforço) efetuado pelo motor elétrico; e, b) Resistente(Mc) , o qual corresponde ao trabalho (ou esforço) efetuado pela carga, ou seja, aquele que a carga apresenta ao motor elétrico.

Ressalta-se que a análise da expressão (5) revela um conceito de grande importância, ou seja, o motor sempre fornece o torque solicitado pela carga (se não conseguir, o eixo irá travar). Portanto, a carga é quem determina a atuação do motor. A figura 4 ilustra a transmissão de potência e respectivos torques.

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Capítulo 2: Motores Elétricos - 9

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MOTORES ELÉTRICOS

c) Classe E : abrange algumas fibras orgânicas sintéticas e outros materiais; d) Classe B : abrange materiais à base de poliéster e poli-imídicos aglutinados com materiais orgânicos ou impregnados com estes; e) Classe F : abrange materiais à base de mica, amianto ou fibra de vidro aglutinados com materiais sintéticos, usualmente silicones, poliésteres ou epóxis; f) Classe H : abrange materiais à base de mica, asbestos ou fibra de vidro aglutinados tipicamente com silicones de alta estabilidade térmica; g) Classe C : inclui mica, vidro, cerâmica e quartzo sem aglutinantes. Figura 5 - Vida estimada do motor em função da Usualmente, os motores de indução temperatura para as classes B e F. disponíveis no mercado são construídos com material isolante classe B ou F. Os de classe H restringem-se a motores de corrente contínua, onde a redução obtida em sua massa apresenta vantagens de custo.

8.0 – GRAUS DE PROTEÇÃO MECÂNICA DOS INVÓLUCROS DOS MOTORES

No caso da classe B , por exemplo, admite-se uma elevação de 80 0 C a partir de uma temperatura ambiente referência, que normalmente é de 40 0 C. Isto significa que o isolante do motor pode operar a uma temperatura máxima de 130 0 C, considerando-se uma reserva de 10 0 C.

8.1 – Graus de proteção Os invólucros dos motores são designados por uma código que é composto de uma sigla IP , seguida de dois dígitos, como, por exemplo, IP55. O primeiro algarismo indica o grau de proteção contra contatos acidentais nas partes ativas e a penetração de corpos (sólidos) estranhos e, o segundo, indica o grau de proteção contra a entrada de líquidos, conforme mostrado nas tabelas 2 e 3, respectivamente.

Observe-se, entretanto, que este é um valor médio, resultante da forma de se medir a temperatura através da variação das resistências dos enrolamentos do motor a quente e a frio. Naturalmente, existirão pontos nos enrolamentos que estarão a uma temperatura mais elevada que o valor médio encontrado.

Dígito Descrição Sumária Corpos que Não DevemPenetrar 0 Não protegido Sem proteção especial

1

Protegido contra objetos sólidos de dimensão maior do que 50 mm.

Grande superfície do corpo humano como a mão. Nenhuma proteção contra penetração lateral.

2

Protegido contra objetos sólidos de dimensão maior do que 12 mm.

Dedos ou objetos de comprimento maior do que 80 mm cuja menor dimensão seja

12 mm.

3

Protegido contra objetos sólidos de dimensão maior do que 2,5 mm.

Ferramentas, fios, etc. cuja menor dimensão > 2,5 mm e diâmetro e/ou espessura maiores do que 2,5 mm.

4

Protegido contra objetos sólidos de dimensão maior do que 1,0 mm.

Fios, fitas de largura maior do que 1,0 mm, objetos cuja menor dimensão seja maior do que 1,0 mm.

5

Protegido contra poeira e contato a partes internas do invólucro.

Totalmente vedado contra poeira, mas se penetrar, não prejudica a operação do equipamento.

6

Totalmente protegido contra poeira e contato a parte interna.

Não é esperada nenhuma penetração de poeira no interior do invólucro.

A tabela 1 fornece as temperaturas limites correspondentes às classes de isolamento padronizadas.

CLASSE DE ISOLAMENTO A E B F H Elevação de temperatura média admissível, calculada pelo método da resistência ( C)

60 75 80 100 125

Diferença de temperatura entre o ponto mais quente e a temperatura média ( C)

5 5 10 15 15

Temperatura ambiente ( C) 40 40 40 40 40 Temperatura admissível do ponto mais quente ( C) 105 120 130 155 180

Tabela 1 - Temperaturas admissíveis para os enrolamentos em função da classe de isolamento.

Observa-se que, baseando-se no exposto, a vida estimada em função da temperatura pode ter o comportamento dado na figura 3, para as classes B e F.

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Capítulo 2: Motores Elétricos - 11

Tabela 2 – Grau de Proteção - Primeiro Dígito.

AUTOMAÇÃO

MOTORES ELÉTRICOS

Dígito Descrição Sumária Proteção Dada 0 Não protegido Nenhuma proteção especial .Invólucro aberto.

1 Protegido contraqueda vertical.

Gotas de água caindo da vertical não prejudicam o equipamento (condensação).

2

Protegido contra queda de água com inclinação de 15o.

Gotas de água não tem efeito prejudicial para inclinações de até 15o^ com a vertical.

3 Protegido contra águaaspergida.

Água aspergida de 60o^ com a vertical não tem efeitos prejudiciais.

(^4) projeções de água.Protegido contra

Água projetada de qualquer direção não tem efeito prejudicial.

5 Protegido contra jatosde água.

Água projetada por bico em qualquer direção não tem efeitos prejudiciais.

6 Protegido contraondas do mar.

Água em forma de onda, ou jatos potentes não tem efeitos prejudiciais. 7 Protegido contra osefeitos de imersão.^ Sob certas condições de tempo epressão.

8 Protegido contrasubmersão.^ Adequado à submersão contínuasob condições especificas.

Tabela 3 – Grau de Proteção - Segundo Dígito.

As normas mencionam ainda que, caso haja alguma condição particular na indústria onde o invólucro vai ser instalado e que necessite de proteção especial (que não seja nem poeira nem água), o usuário ao especificar o grau de proteção deve incluir antes dos dois numerais, a letra “ W ” que indica haver alguma proteção adicional e cujas medidas de proteção são fruto do acordo entre fabricante e usuário. Por exemplo, em locais de atmosfera extremamente salina, é comum especificar-se grau de proteção IPW. Sendo esse “ W ” referente à proteção que deve ter o invólucro contra a corrosão causada por atmosfera salina. Note-se que, apesar de que os algarismos indicativos de grau de proteção possam ser combinados de muitas maneiras, apenas alguns deles são empregados nos casos normais, ou seja, IP21, IP22, IP23, IP44 e IP55. Os três primeiros são motores abertos e os dois últimos são motores blindados. Para aplicações especiais mais rigorosas, são comuns também os graus de proteção IPW55 (proteção contra intempéries), IP56 (proteção contra água de vagalhões) e IP65 (totalmente protegido contra poeiras). Outros graus de proteção para motores são raramente fabricados, mesmo porque, qualquer grau de proteção atende plenamente aos requisitos dos inferiores (algarismos menores). Assim, por exemplo, um motor IP55 substitui com vantagens os motores IP12, IP22 ou IP23, apresentando maior segurança contra exposição acidental à poeiras e água. Isto

permite a padronização da produção em um único tipo que atenda a todos os casos.

8.2 - Utilização de Motores em Áreas Perigosas

Áreas onde a presença, certa ou provável, contínua ou intermitente, de substâncias que podem levar a uma explosão ou incêndio, é uma das situações mais relevantes para o a instalação de um motor elétrico. Estas áreas são ditas como classificadas. A norma brasileira que trata dos equipamentos utilizáveis em áreas classificadas é a NBR 5418 , abrangendo áreas de divisão 1 e 2. A NBR 5363 trata especificamente de equipamentos à prova de explosão e a NB 169 , dos invólucros com sobrepressão interna. A simbologia para equipamentos que sejam adequados para a aplicação em áreas classificadas é composta pela sigla Ex , seguida de uma letra minúscula, com significado particular para cada tipo considerado. Desta forma, tem-se:

Ex d : Motor à Prova de Explosão (à prova de chama) É todo equipamento que está encerrado em um invólucro capaz de suportar a pressão de explosão interna e não permitir que esta explosão se propague para o meio ambiente. Cuidados devem ser tomados para manter a temperatura em qualquer ponto baixo da temperatura limite do grupo da área onde será instalado o motor; Ex p : Motor com Ventilação Canalizada (pressurizado) Esta técnica consiste em manter presente, no interior do invólucro uma pressão positiva superior à pressão atmosférica, de modo que se houver presença de mistura inflamável ao redor do equipamento esta não entre em contato com partes que possam causar uma ignição; Ex o : Equipamento Elétrico Imerso em óleo Aparelhagem elétrica na qual todas as partes onde fenômenos deflagrantes possam ocorrer estão imersas em óleo e a uma profundidade tal que superfície desde que não seja possível a ignição de um atmosfera explosiva. Não é aplicável a motores, mas sim a capacitores, transformadores e disjuntores.

Ex q: Equipamentos Imersos em Areia

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Capítulo 2: Motores Elétricos - 12

Tipo de proteção aplicável a equipamentos tendo tensão nominal não superior a 6,6 kV bem como não tendo nenhuma parte móvel que esteja em contato direto com a areia. O invólucro do equipamento elétrico é preenchido com um material de granulometria adequada de modo que em