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Apostila com um resumo sobre Motores Síncronos
Tipologia: Notas de estudo
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Não perca as partes importantes!
Centro de Formação Profissional “Taft Alves Ferreira” Paulo Henrique da Rocha Rodrigues
Trabalho apresentado ao Curso de Técnico em Eletrotécnica no CFP “Taft Alves Ferreira” como requisito para a conclusão da disciplina de Máquinas Elétricas II, e orientado pelo professor Varley.
Sete Lagoas/MG Outubro de 2009.
Centro de Formação Profissional “Taft Alves Ferreira” Avenida Prefeito Alberto Moura, 60 – São Sebastião • Sete Lagoas - MG Tel.: (031) 3779-
Introdução
É o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da utilização de energia elétrica - baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando – com sua construção simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos. O termo SÍNCRONO tem sua origem no Grego, onde o prefixo SIN significa “com” e CRONOS é uma palavra que denota “tempo”. Um motor síncrono literalmente opera “em tempo com” ou “em sincronismo com” o sistema de alimentação. Os motores síncronos estão sendo utilizados com maior freqüência pelas indústrias, devido ao fato de possuírem características especiais de funcionamento. O alto rendimento e o fato de poderem trabalhar como compensador síncrono para corrigir o fator de potência da rede, se destacam como os principais motivos que resultam na escolha dos MOTORES SÍNCRONOS para acionamento de diversos tipos de cargas. Altos torques, velocidade constante nas variações de carga e baixo custo de manutenção, também são características especiais de funcionamento que proporcionam inúmeras vantagens econômicas e operacionais ao usuário.
1 – CONCEITOS E DESCRIÇÃO
1.1 – MOTORES ELÉTRICOS DE CORRENTE ALTERNADA (CA)
É um equipamento rotativo que funciona a partir de energia elétrica, diferente de outros motores elétricos, o motor CA não precisa, necessariamente, qualquer entreposto dele à alimentação e serve, basicamente, para "girar" um segundo acoplado, ou movido. Estes motores podem ser divididos, num primeiro momento, em síncronos e assíncronos, sendo que, este último, sofre escorregamento conforme a intensidade de carga (i.e., oscila a rotação), contudo, são a esmagadora maioria nas indústrias. Outra grande divisão dentre os motores CA (de corrente alternada), são em trifásicos e monofásicos. A diferença entre estes dois tipos de alimentação alteram profundamente a versatilidade e performance do motor, sendo, os monofásicos, muito mais limitados e necessitados de capacitores de partida, senão, não conseguem vencer a inércia. Os motores de corrente alternada têm outras muitas divisões todas elas mundialmente normalizadas, dentre as mais comuns temos: motor de dupla polaridade, o qual pode rodar em duas velocidades diferentes em detrimento da potência, motor de eixo-duplo, com uma saída para cada lado. Nos motores síncronos a velocidade angular do eixo é constante e independe da carga acoplada ao eixo, isto é até determinados valores de potência tendo como limite de uso, a potência nominal da máquina. Nos motores assíncronos, há uma queda da velocidade angular quando é acoplada carga no eixo. Com relação ao aspecto construtivo, as máquinas trifásicas são constituídas fundamentalmente de duas partes: Estator: Parte fixa da máquina construída de chapas de aço laminadas na qual são colocados os enrolamentos de armadura com alimentação trifásica, defasadas de 120°. Os enrolamentos são dispostos espacialmente de tal forma que as correntes de todas as fases contribuem positivamente na geração de uma onda de fluxo magnético girante ou campo girante. Rotor: Parte girante da máquina também construída de chapas de aço laminadas na qual são colocados os enrolamentos de campo. O estator e o rotor são construídos de chapas de aço laminadas, isoladas eletricamente e justapostas no sentido longitudinal da máquina. Com isto diminuem consideravelmente as perdas por correntes parasitas, aumentando o rendimento da máquina.
O motor síncrono parte como um motor de indução, acelera a carga até o ponto onde o conjugado do motor iguala o conjugado resistente da carga. Usualmente este ponto ocorre com 95% da rotação síncrona ou acima e nesta situação a tensão de excitação é aplicada no motor e o rotor sincroniza, ou seja, irá acelerar a inércia combinada do rotor do motor mais a da carga até rotação síncrona precisa. As características das cargas a serem acionadas determinam as condições de aceleração e sincronismo. Em cargas com alto de conjugado resistente, o enrolamento amortecedor deve levar o conjunto carga e motor a acelerar em um tempo maior do que para um conjugado resistente menor. O projeto adequado do enrolamento amortecedor requer o conhecimento preciso do conjugado resistente da carga. Conforme a curva característica de partida do motor síncrono, o conjugado de partida diminui a medida que se aproxima da rotação síncrona. Em aplicações a cargas com curva parabólica de conjugado resistente e considerando que a 98% da rotação síncrona o valor deste conjugado seja igual ao conjugado nominal da carga, será necessário que o motor consiga desenvolver um conjugado igual ou superior ao conjugado da carga neste ponto. Se o conjugado do motor especificado, com 95% da rotação síncrona for igual ao conjugado máximo da carga, o mesmo não conseguirá desenvolver este conjugado a 98% da rotação síncrona e o motor não sincroniza. Desta forma, para que a partida e sincronismo do motor síncrono sejam garantidos, a análise da curva de conjugado de partida deve ser sempre acompanhada pela análise da curva de conjugado resistente da carga.
Partida assíncrona - O principal método utilizado para partida dos motores síncronos é a partida assíncrona através da gaiola de esquilo com o enrolamento do rotor curto- circuitado ou conectado a uma resistência usualmente chamada resistência de partida ou resistência de descarga. Através da partida assíncrona, o rotor acelera a uma velocidade muito próxima da velocidade síncrona, com um pequeno escorregamento em relação ao campo girante. Neste momento, aplica-se uma corrente contínua no enrolamento do rotor, levando o motor ao sincronismo. Nas máquinas com escovas, utiliza-se um relé de aplicação de campo, enquanto nos motores brushless, utiliza-se um circuito eletrônico de
disparo instalado junto de um disco girante. A função deste circuito eletrônico e do relé de aplicação de campo é gerenciar a seqüência de partida do motor síncrono, desde o fechamento (curto-circuito) do rotor até a aplicação da corrente no campo.
Corrente de Partida - Durante a partida dos motores síncronos brushless, o enrolamento de campo é curto-circuitado através do circuito de disparo. Enquanto o motor permanecer parado, a freqüência da corrente de campo é inicialmente igual a freqüência da rede (60Hz para rede de 60Hz) e diminui a medida em que a rotação do motor aumenta. Quando a excitação é ligada, a rotação do motor deve estar próximo da rotação de sincronismo (em torno de 95% da rotação síncrona) e a freqüência da corrente de campo estará em torno de 3Hz. A corrente do estator também oscila durante o processo de partida, estabilizando após o sincronismo do motor.
1) Instante da partida 2) A freqüência do rotor diminui aumento da rotação^ com o Is
Ie
Is
Ie 3) Instante em que o campo é ligado e o motor sincroniza
4) Estabilidade das correntes do rotor e estator Is
Ie
Is
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A aplicação dos Motores Síncronos na indústria, na maioria das vezes, resulta em vantagens econômicas e operacionais consideráveis ao usuário devido a suas características de funcionamento. Dentre as vantagens econômicas da utilização dos motores síncronos, as principais são: Alto rendimento. Corrigir o fator de potência da rede Ainda podemos citar as vantagens operacionais específicas dos motores síncronos: Características de partida especiais. Velocidade constante sob variações de carga. Manutenção reduzida.
ao campo é usualmente retardada até o motor alcançar uma velocidade na qual ele possa ser levado ao sincronismo sem escorregamento. Na velocidade síncrona, os pólos do rotor ferromagnético tornam-se magnetizados, resultando num torque pequeno (torque de relutância), o qual permite ao motor funcionar a cargas muito leves em sincronismo, sem excitação externa. O torque de relutância pode também levar o motor a funcionar em sincronismo, se ele estiver levemente carregado e associado a carga de baixa inércia. É conveniente fazer uma analogia entre um motor-síncrono e um transformador de corrente, com o propósito de demonstrar o relacionamento angular da corrente de campo e o fluxo, com a posição do rotor. Se I1 é uma corrente equivalente no estator, causando a ação do transformador, então I1 estará em torno de 180° do I2 (ou IFD), e o fluxo estará 90 graus atrasado de IFD. Muito significativamente, então, o ponto do fluxo máximo induzido (Ø) ocorre, enquanto a corrente IFD de campo induzida passa através de 0 (zero) indo de negativa a positiva; taxa máxima de mudança de corrente. O ângulo do rotor no qual I1 e I2 passam por 0 (zero) dependerá da relação de reatância em relação à resistência no circuito de campo. Um valor muito alto de reatância à resistência deslocará o ângulo para -90°. A reatância é alta com baixa velocidade (alta freqüência). Em alta velocidade (baixo escorregamento, baixa freqüência), a reatância decresce e o ângulo se deslocará para 0 (zero) se o circuito incluir um valor alto de resistência. Enquanto o estator vai além de -45°, o torque aumenta (essencialmente devido ao aumento do fluxo do estatórico). Neste ponto IFD produz um indicador de máximo fluxo, muito conveniente, e um torque crescente, a partir do que a excitação pode ser aplicada com máxima eficácia. Se o loop de descarga de campo estiver aberto no ponto de fluxo máximo, este fluxo é capturado. A aplicação da excitação externa na polaridade correta aumenta o fluxo capturado, fazendo uso máximo de sua existência. Neste ponto o pólo do estator começa a se mover e está em posição de levar o rotor para frente, para um alinhamento síncrono. Foi estabelecido que o torque de pólo-saliente próximo à velocidade síncrona é uma função de ambos, escorregamento e resistência de descarga de campo. Obviamente, sem torque de pólo saliente o motor cessaria de acelerar certas cargas, em algum ponto do eixo de velocidade.
O limite superior da resistência de descarga é controlado pela outra função do resistor, a qual é a redução da tensão de campo, para níveis seguros durante a partida. Se a resistência de descarga aumenta, a tensão induzida também aumenta e, em algum ponto, esta tensão seria danosa ao isolamento ou a outros componentes no circuito de campo. A excitação do tipo SCR e os componentes de controle no circuito de campo têm o efeito de fazer a resistência de descarga e sua tensão ainda mais significativa. Há uma grande sensibilidade para os níveis de tolerância da tensão de campo tendo em vista os componentes de estado sólido. Relembrando: Princípio de Funcionamento - Os motores síncronos possuem o estator e os enrolamentos de estator (armadura) bastante semelhante aos dos motores de indução trifásicos. Assim como no motor de indução, a circulação de corrente no enrolamento distribuído do estator produz um fluxo magnético girante que progride em torno do entreferro. Campo girante do estator - Quando uma bobina é percorrida por uma corrente elétrica, é criado um campo magnético dirigido conforme o eixo da bobina e de valor proporcional à corrente. Na figura 1 está indicado a forma de onda de um sistema trifásico equilibrado constituído por três conjuntos de bobinas dispostas simetricamente no espaço formando um ângulo de 120º. A figura 2 está representando o enrolamento de um motor trifásico. Se este enrolamento for alimentado por um sistema trifásico, as correntes I1, I2 e I3 criarão, do mesmo modo, os seus próprios campos magnéticos H1, H2 e H3. Estes campos são espaçados entre si de 120º. Além disso, como são proporcionais às respectivas correntes, serão defasados no tempo, também de 120º entre si. O campo total H resultante, a cada instante, será igual à soma gráfica dos três campos H1, H2 e H3 naquele instante. Na figura 3, está representada esta soma gráfica para seis instantes sucessivos. Introdução - No instante (1), a figura 2 mostra que o campo H1 é máximo e que os campos H2 e H3 são negativos e de mesmo valor, iguais a metade de H1. Os três campos representados na figura 3 (parte superior), levando em conta que o campo negativo é representado por uma seta de sentido oposto ao que seria normal; o campo resultante (soma gráfica) é mostrado na parte inferior da figura 3 posição (1), tendo a mesma direção do enrolamento da fase 1. Repetindo a construção para os pontos 2, 3, 4, 5 e 6 da figura 1, observa-se que o campos resultante H tem intensidade “constante”, porém sua direção vai “girando”, completando uma volta no fim de um ciclo.
Os pólos de campo são magnetizados através da corrente direta da excitatriz ou diretamente por anéis coletores e escovas; eles engrenam magneticamente pelo entreferro e giram em sincronismo com o campo girante do estator. O rotor do motor síncrono de pólos salientes compreende em eixo, roda polar e pólos. Os pólos são fabricados com chapas de aço laminado que são fixadas através de barras de aço que são soldadas nas extremidades. As bobinas de campo são feitas de fios de cobre esmaltados ou barras de cobre planas. Após bobinados e impregnados, os pólos são fixados ao eixo ou a roda polar, através de parafusos, por cima ou por baixo do pólo, ou conectados por meio de rabo de andorinha. O enrolamento amortecedor está alojado nos pólos e é feito de barras de cobre ou outro material dependendo do projeto do motor. Após montagem final e impregnação, o rotor completo é balanceado dinamicamente em 2 planos. O rotor do motor síncrono de pólos lisos compreende em eixo, pacote de chapas laminado e enrolamento dos pólos. O enrolamento é alojado nas ranhuras do rotor formando os pólos.
Eixo - Os eixos são fabricados de aço forjado ou laminado e usinados exatamente conforme as especificações. A ponta de eixo normalmente é cilíndrica ou flangeada. Mancais - Em função da aplicação, os Motores Síncronos podem ser fornecidos com mancais de rolamentos ou mancais de deslizamento. a) Mancais de rolamento - Estes mancais são normalmente constituídos de rolamentos de esferas ou de rolos cilíndricos, dependendo da rotação e dos esforços axiais e radiais a que são submetidos, sendo que em algumas aplicações podem ser utilizados rolamentos especiais. Os mancais de rolamentos podem ser lubrificados à óleo ou graxa.
b) Mancais de deslizamento - Os mancais de deslizamento podem ter lubrificação natural (auto-lubrificáveis) ou lubrificação forçada (lubrificação externa). Os Motores Síncronos necessitam de uma fonte de corrente contínua para alimentar o enrolamento de campo (enrolamento do rotor), que usualmente é suprido através de anéis coletores e escovas (excitatriz estática) ou através de uma excitatriz girante sem escovas (brushless).
Excitação Estática (com escovas) - Motores Síncronos com excitatriz do tipo estática são constituídos de anéis coletores e escovas que possibilitam a alimentação de corrente dos pólos do rotor através de contato deslizante. A corrente contínua para alimentação dos pólos deve ser proveniente de um conversor e controlador estático CA/CC. Os Motores Síncronos com excitatriz estática atualmente estão sendo muito utilizados em aplicações com variação de velocidade através de Inversores de Freqüência.
Excitação Brushless (sem escovas) - Motores Síncronos com sistema de excitação brushless possuem uma excitatriz girante, normalmente localizada em um compartimento na parte traseira do motor.
Figura 01 – Máquina síncrona convencional – (a) rotor pólos lisos- (b) rotor pólos salientes
Máquina síncrona convencional com excitatriz interna: Os enrolamentos de campo são alimentados com corrente contínua a partir de um gerador interno também conhecido por excitatriz, acoplado diretamente ao eixo da máquina. Neste tipo de máquina não há escovas reduzindo então as manutenções. O rotor pode ser de pólos lisos ou pólos salientes. Máquina síncrona com ímã permanente: Não há enrolamentos de campo, que são substituídos por ímãs permanentes de alto produto energético. Não possui igualmente escovas ou fonte de tensão contínua, reduzindo com isto manutenções, aumentando o rendimento e com melhor relação torque/volume. Os ímãs são fixados, em alguns casos, tangencialmente na superfície dos pólos do rotor, ou embutidos no rotor. Alguns possuem uma configuração híbrida. Máquina síncrona de relutância: Neste tipo de máquina, não há enrolamentos de campo. O rotor é construído com saliências (pólos salientes) que, devido ao efeito da mínima relutância, giram em sincronismo com o campo girante do estator. Esta máquina não possui enrolamentos de campo ou ímãs permanentes, escovas ou fonte de tensão contínua, reduzindo com isto manutenções. Como desvantagem, possui menor relação torque/volume, comparado às outras máquinas trifásicas.
Uma observação importante quanto aos motores síncronos é que estes não possuem torque de partida e uma das alternativas deve ser realizada:
Construção de uma gaiola envolvendo o rotor, ou seja, a colocação de barras no sentido longitudinal da máquina, curto-circuitadas nas extremidades por anéis. Nesta configuração, na partida, correntes bastantes elevadas são induzidas nestas barras em função da baixa impedância, aumentando consideravelmente o fluxo magnético, fazendo com que o motor parta. Quando o rotor da máquina está girando em regime permanente, à velocidade síncrona com o campo girante, nenhuma tensão é induzida nestas barras e elas simplesmente não agem. Dispositivo de partida externa, ou seja, outro motor acoplado ao eixo fornece o torque suficiente para a partida do motor síncrono. Utilizando um conversor com freqüência ajustável, tem-se então um campo girante com velocidade angular variável. Nesta circunstância, inicialmente regula-se o conversor para geração de um campo girante com uma freqüência baixa, de tal forma que o rotor comece a girar. A seguir, aumenta-se a freqüência do campo girante até a velocidade síncrona.
Componentes do motor
CONCLUSÃO
As São motores de corrente alternada. Nestes motores, o estator é alimentado com corrente alternada, enquanto o rotor é alimentado com corrente contínua proveniente de uma excitatriz, que é um pequeno motor que corrente contínua (dínamo), normalmente montado no próprio eixo do motor. Não possuem condições de partida própria, de modo que, para demarrarem e alcançarem a velocidade síncrona, necessitam de um agente auxiliar, que geralmente é um motor de indução, tipo gaiola. Após atingirem a rotação síncrona, conforme mencionamos, eles mantém a velocidade constante para qualquer carga, naturalmente, dentro dos limites de sua capacidade. Assim, caso se quisesse variar a velocidade, ter-se-ia que mudar a freqüência da corrente. Antes de se submeter o motor síncrono à carga, ele deve ser levado à velocidade de sincronismo. Todos os métodos de partida exigem que, durante a aceleração, se proceda à remoção total ou, pelo menos, parcial de carga. Usam-se os seguintes métodos de partida:
Os motores síncronos quando superexcitados fazem com que a corrente avance em relação à tensão, agindo assim de forma análoga ao capacitor, melhorando o fator de potência de uma instalação.
Quando submetidos a uma carga excessiva, os motores síncronos perdem o sincronismo e param. São usados em máquinas de grande potência e baixa rotação.
Nos motores síncronos, a rotação do eixo é igual à rotação síncrona, daí seu nome. Dentro dos limites aceitáveis de trabalho do motor, a velocidade praticamente não varia com a carga.
BIBLIOGRAFIA
OLIVEIRA, C.C.B.; SCHMIDT, H.P.; KAGAN, N.; ROBBA, E.J. Introdução a sistemas elétricos de potência - Componentes simétricas - 2a edição. São Paulo, Edgard Blücher,
ORSINI, L.Q. Curso de circuitos elétricos. São Paulo, Edgard Blücher, 1993-4, 2v.
KOSOV,I.L - Máquinas Elétricas e transformadores. 4ª edição. Editora Globo,Rio de Janeiro/RJ.
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Apostila – Comando e Motores Elétricos – Jorge Eduardo Uliana
Catálogos – Multilin, WEG
Normas Técnicas Motores – NT 02 – GEVISA
Relação de sites:
http://pt.wikipedia.org/ - Acesso em 03/10/ http://www.geindustrial.com.br/ - Acesso em 03/10/ http://www.cefetsc.edu.br/ - Acesso em 03/10/ http://www.weg.net/br/ - Acesso em 03/10/
