Motores Síncronos, Notas de estudo de Eletromecânica

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SÍNCRONOS

Motores

Funcionamento

Características Construtivas

Aplicações

INDICE

• INTRODUÇÃO.....................................................................
• VANTAGENS ........................................................................
• CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMENTO.........................
• TIPOS DE EXCITAÇÃO.........................................................
• PARTES CONSTRUTIVAS.....................................................
• ACESSÓRIOS......................................................................
• CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS.................................
• SISTEMA DE ISOLAMENTO ...............................................
• ENSAIOS.............................................................................
• SELEÇÃO DE MOTORES SÍNCRONOS..................................
• APLICAÇÕES........................................................................
• ESPECIFICAÇÃO DE MOTORES SÍNCRONOS ......................

Velocidade Síncrona - A velocidade síncrona do motor(rpm) é definida pela velocidade de rotação do campo girante, a qual depende do número de pares de pólos (p) do motor e da freqüência (f) da rede. Os enrolamentos do estator podem ser construídos com um ou mais pares de pólos, que se distribuem alternadamente (um “norte” e um “sul”) ao longo da periferia do núcleo magnético. O campo girante percorre um par de pólos (p) a cada ciclo. Assim, como o enrolamento tem pólos ou pares de pólos, a velocidade do campo será:

O motor síncrono possui o rotor com número de pólos correspondente ao número de pólos do enrolamento do estator. Durante a operação normal em regime, não há nenhum movimento relativo entre os pólos do rotor e o fluxo magnético do estator, ou seja, estão em perfeito sincronismo e com isto não há indução de tensão elétrica no rotor pelo fluxo mútuo e, desta forma, não há excitação proveniente da alimentação de corrente alternada (ca).

As bobinas dos pólos podem ser feitas com muitas espiras de fio de cobre isolado ou barras de cobre, dependendo do tipo de rotor utilizado (polos lisos ou polos salientes).

A alimentação do campo (excitação) é feita em Corrente Contínua que, ao circular pelos enrolamentos de campo, os pólos são magneticamente polarizados, tornando-se alternadamente pólos norte e sul.

A excitação em corrente contínua pode ser aplicada no campo através dos porta-escovas e anéis coletores ou por um sistema de excitação sem escova e com controle eletrônico (brushless).

p

rpm =^60 .f

VANTAGENS

A aplicação dos Motores Síncronos na indústria, na maioria das vezes, resultam 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.

Alto Rendimento

Além de considerarmos o custo inicial na aquisição do motor síncrono, devemos considerar os ganhos que podem ser obtidos pelos baixos custos operacionais. Quando basicamente se considera o rendimento na escolha do motor, um motor síncrono com FP=1.0 é usualmente a solução. Sendo a potência reativa (kVAr) desnecessária, e aplicável somente a potência real (kW), a corrente de linha é minimizada, resultando em menor perda I^2 R no enrolamento do estator. Uma vez que a corrente de campo requerida é a mínima praticável, haverá menor perda I^2 R no enrolamento de campo da mesma forma. Com exceção das situações onde um alto conjugado é requerido, a baixa perda nos enrolamentos do estator e de campo permitem que o motor síncrono com FP=1. seja construído em tamanho inferior aos motores síncronos com FP= 0.8 de mesma potência. Assim, os rendimentos do motor síncrono com FP=1.0 são geralmente superiores aos do motor de indução de mesma potência.

Comparativo entre os rendimentos dos motores síncronos com FP=0.8, FP=1.0 e motores de indução.

Correção do Fator de Potência

Os sistemas de potência de energia elétrica são baseados não somente em potência ativa em kW gerada, mas também no fator de potência na qual ela é fornecida. Penalidades podem ser aplicadas ao consumidor, quando o fator de potência da carga está abaixo de valores especificados. Estas penalidades (multas) ocorrem devido ao fato de que baixo fator de potência representa um aumento da potência reativa (kVAr) requerida e conseqüentemente, um aumento da capacidade dos equipamentos de geração e transmissão de energia elétrica.

Nas indústrias, geralmente predominam as cargas reativas indutivas, que são os motores de indução de pequeno porte ou de rotação baixa, as quais requerem considerável quantidade de potência reativa (kVAr) consumida como corrente de magnetização.

Para suprir a necessidade da rede de potência reativa, além da possibilidade de utilização de bancos de capacitores, os motores síncronos são freqüentemente utilizados com esta finalidade.

O fator de potência dos motores síncronos pode ser facilmente controlado devido ao fato de possuirem uma fonte separada de excitação, e desta forma, podem tanto aumentar a potência sem geração de potência reativa (motor com fator de potência unitário), ou também gerar potência reativa necessária (motor com fator de potência 0.8). Desta forma, o motor síncrono, dependendo da aplicação, pode fornecer a potência útil de acionamento necessária com redução benéfica da potência total do sistema.

Curva característica de partida de um motor síncrono a plena tensão

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.

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 em 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 cojugado 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.

0

0.

0.

0.

0.

1

1.

1.

1.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Rotação [pu]

Conjugado [pu]

0

1

2

3

4

5

6

Corrente [pu]

Sincronismo

Corrente de partida Conjugado do motor Conjugado da carga

TIPOS DE EXCITAÇÃO

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).

1. Excitatriz estática (com escovas) Motores Síncronos com excitatriz do tipo estática são constituidos 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. A excitatriz estática atualmente está sendo muito utilizada em aplicações com variação de velocidade através de Inversores de Freqüência. 2. Excitatriz brushless (sem escovas) Motores Síncronos com sistema de excitação brushless possuem uma excitatriz girante, normalmente localizada em um compartimento na parte traseira do motor. A excitatriz funciona como um gerador de corrente alternada onde o rotor que fica localizado no eixo do motor, possui um enrolamento trifásico e o estator é formado por pólos alternados norte e sul alimentados por uma fonte de corrente contínua externa. O enrolamento trifásico do rotor é conectado a uma ponte de diodos retificadores. A tensão gerada no rotor é retificada e utilizada para a alimentação do enrolamento de campo do motor. A amplitude desta corrente de campo pode ser controlada através do retificador que alimenta o campo do estator da excitatriz. Os motores síncronos com excitação brushless possuem um custo de manutenção reduzido devido ao fato de não possuirem escovas. Por não possuirem contatos elétricos deslizantes, eliminando a possibilidade de faiscamento, os motores síncronos com excitação do tipo brushless são recomendados para aplicações em áreas especiais com atmosfera explosiva.

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 Is

Ie

2) A freqüência do rotor diminui com o aumento da rotação

3) Instante em que o campo é ligado e o motor sincroniza

4) Estabilidade das correntes do rotor e estator

Is

Ie

Is

Ie

Is

Ie

Comportamento da corrente do estator (Is) e do rotor (Ie) na partida assíncrona

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 polos. 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.

Enrolamento amortecedor - Está alojado em ranhuras localizadas nas sapatas polares do rotor de polos salientes ou a superfície externa do rotor de polos lisos. É constituido de barras que atravessam a ranhura e são curto-circuitdas nas extremidades formando uma gaiola. O enrolamento amortecedor atua na partida do motor síncrono, como também garante estabilidade de velocidade perante a variações bruscas de carga.

Em função da aplicação, os motores síncronos podem ser fornecidos com mancais de rolamentos lubrificados a graxa ou mancais de deslizamento com lubrificação a óleo. Os mancais de deslizamento podem ter lubrificação natural ( auto lubrificáveis) ou lubrificação forçada (lubrificação externa).

Mancais de Rolamentos - Lubrificados a graxa, estes mancais são constituídos de rolamento de esferas ou de rolos cilíndricos, dependendo da rotação e dos esforços axiais e radiais a que são submetidos. Em algumas aplicações podem ser utilizados rolamentos especiais.

Mancais de deslizamento com lubrificação Natural - Quando o rotor gira, o óleo lubrificante é recolhido pelo anel pescador interno e t r a n s f e r i d o diretamente à superfície do eixo criando uma camada de óleo entre o eixo a superfície dos casquilhos do mancal. O aquecimento de fricção é dissipado somente por radiação ou convecção, entretanto, a temperatura ambiente deve ser informada quando da especificação do motor, para que seja garantida a refrigeração natural.

Lubrificação Forçada - O óleo lubrificante circula no mancal através um sistema de alimentação externa de óleo e, se necessário é resfriado em uma unidade hidráulica separada. Este sistema torna-se necessário quando a lubrificação natural do mancal, proveniente do anel pescador interno de lubrificação, é insuficiente devido a rotação específica requerida ou altas perdas por atrito.

MANCAIS

Rotor de pólos lisos

Os motores síncronos WEG são fornecidos com os acessórios padrões necessários para seu correto funcionamento e monitoramento nos principais componentes. Quando da especificação do motor, é importante informar os demais acessórios que o usuário deseja para que sejam inclusos no projeto e fabricação do motor.

Acessórios (fornecimento padrão)

• Sensores de temperatura tipo PT-100 nos enrolamentos do estator.
• Sensores de temperatura nos mancais.
• Resistência de aquecimento.

Acessórios Especiais

• Disco de Frenagem.
• Freio.
• Sensores de Vibração.
• Indicador de posição (encoder).
• Dispositivo para Içamento da carcaça.

Acessórios Opcionais

• Sensores de Temperatura para entrada e saída de ar.
• Indicador de vazamento de água.
• Fluxostato para água.
• Fluxostato para óleo.
• Visor de fluxo de óleo.
• Visor de fluxo de água.
• Unidade hidráulica para lubrificação dos mancais.
• Sistema para injeção de óleo sob pressão para partida e parada do motor (Hydrostatic Jacking).
• Termômetro para óleo (mancais).
• Termômetro para água ( trocador de calor).
• Termômetro para ar (Ventilação).
• Placa de Ancoragem.

ACESSÓRIOS

Termômetro

PT - 100 no mancal

ENSAIOS

Os motores síncronos WEG são ensaiados de acordo com a norma IEC34 no moderno laboratório capacitado para testar motores de média e alta tensão com potência de até 10000kVA e tensões até 15000V com monitoramento totalmente informatizado e controles de alta precisão. Os ensaios são divididos em três categorias: ensaio de rotina, tipo e especial. Os ensaios de rotina são realizados em todos os motores. Além dos ensaios de rotina, os ensaios de tipo são normalmente realizados em uma de uma série de máquinas iguais ou por solicitação do cliente. Os ensaios especiais são realizados somente por solicitação do cliente.

Ensaios Especiais Medição de nível de ruído Curto-circuito instantâneo Medição da tensão no eixo Corrente de partida

Ensaios De Tipo Ensaio de elevação de temperatura Curva em vazio (curva V) Sobrevelocidade Ensaio de perdas e rendimento Medição da forma de onda Índice de polarização Partida do motor síncrono

Ensaios De Rotina Inspeção visual Medição do entreferro e tolerâncias dos mancais Resistência Ôhmica dos enrolamentos Resistência do Isolamento. Inspeção nos detetores de temperatura e resistência de aquecimento Marcação dos terminais e sentido de rotação Medição de vibração Ensaio em vazio Curva de curto-circuito Teste de tensão aplicada Teste com sistema de excitação

SISTEMA DE ISOLAMENTO

O estator é submetido aos teste de tensão aplicada e curto-circuito entre espiras

- Surge Test antes e após a impregnação.

Nos motores de Alta Tensão - as bobinas são pré-formadas utilizando fio de seção retangular, revestidas com mica e impregnadas com resina epóxi, sofrendo então aquecimento e cura, obtendo- se alta resistência mecânica no bobinado, processo este denominado polimerização que proporciona um prolongamento da vida útil do motor. As bobinas são alojadas nas ranhuras do estator, isoladas do núcleo de chapas do estator através de material isolante classe “F” (155°C) e fixadas por cunha de fechamento de fibra de vidro ou magnética. Os fios de cobre que formam as bobinas são isolados com esmalte apropriado para classe “H” (180°C).

Impregnação - Após a inserção das bobinas, fechamento das ranhuras, conexões e amarrações das cabeças das bobinas, o estator bobinado é impregnado a vácuo e pressão utilizando-se resina epóxi classe H isenta de solventes, que garante ao sistema de isolamento WEG excelentes propriedades elétricas, mecânicas e resistência a intempéries. As resinas epóxi são ideais para impregnações porque após a cura apresentam excelente resistência a intempéries que são encontradas nos ambientes onde máquinas elétricas girantes são utilizadas. Por se tratarem de resinas 100% sólidas, isto é, não possuem solvente em sua composição, garantem maior homogeneidade e evitam a presença de bolhas de ar no isolamento após a polimerização e cura final.

SELEÇÃO DE MOTORES SÍNCRONOS

Os motores síncronos devem ser especificados segundo

sua aplicação, isto é, através de seu regime de trabalho, curva de conjugado resistente e inércia. Estas duas últimas

são definições importantes para a anállise da partida do

motor, enquanto que o regime de trabalho é importante para o dimensionamento térmico em regime.

O fator de potência e o tipo de excitação também são

características importantes na especificação do motor. O tipo de ambiente define o grau de proteção do motor.

Conjugado resistente e inércia da carga

Na especificação de um motor síncrono, é importante se conhecer a carga acionada. A curva de conjugado resistente e a inércia da carga influenciam diretamente nas características de partida do motor. Motores Síncronos para acionar cargas de alta inércia são construídos em carcaças maiores para atender as condições de aceleração. Como o motor síncrono parte através de sua gaiola (como um motor de indução) e com o enrolamento do rotor curto-circuitado (ou fechado numa resistência), a escolha correta do material utilizado na barra amortecedora (geralmente constituído de cobre ou ligas de cobre) e a sua geometria são primordiais para a definição da curva característica de partida do motor. Esta curva deve ser sempre definida a partir da curva de conjugado resistente da carga. As barras amortecedoras, além de garantir em partida através do conjugado gerado na gaiola, também devem ser dimensionadas de maneira que possam dissipar o calor gerado durante o processo de partida.

Neste aspecto, a inércia da carga terá uma grande influência sobre o tempo de partida e o calor a ser dissipado pelas barras.

Em princípio, não se pode afirmar que um motor síncrono utilizado em uma determinada aplicação (ex. bomba), possa ser utilizado para o acionamento de uma outra aplicação diferente da primeira (ex. exaustor).

Regime de trabalho A especificação correta da potência nominal do motor síncrono deve considerar o ciclo de trabalho do motor com a freqüência de sobrecargas que existem no regime.

Fator de potência Quando se deseja realizar a correção do fator de potência utilizando o motor síncrono, o fator de potência desejado deve ser especificado previamente. Isto significa que um motor projetado para operar com fator de potência unitário, não poderá desenvolver a mesma potência nominal ativa sob um fator de potência inferior.

Características do ambiente O ambiente onde o motor será instalado deve ser analisado antes de se especificar o motor. O tipo de ambiente define o grau de proteção e o tipo de refrigeração do motor. Motores para aplicação em ambientes com atmosfera explosiva exigem excitação do tipo brushless. A temperatura ambiente e altitude consideradas para especificação do motor são de 40ºC e 1000m acima do nível do mar. Se o ambiente de trabalho do motor possuir valores acima destas premissas, é importante que estes dados sejam considerados na especificação.

Quantidade:__________ Aplicação (máquina acionada):_________________________ Potência (kW):________ Tensão (V):________ Velocidade (rpm)__________ Freqüência (Hz):______[60] Altitude (m):_______[1000] t. ambiente (ºC)_______[40] Fator de Potência:_____[0.8 ou 1.0] Fator de Serviço: _____[1.0] Forma Construtiva:____[B3E] Instalação: __________[interna ou externa] Excitação:____________[brushless ou com escovas] Tensão de excitação (V)_____ Partida: Plena Tensão [ ] Tensão Reduzida [ ] ______ % Condições de funcionamento : [ ] Tensão e freqüência contínuos [ ] Inversor de freqüência - de _______ até ______Hz

Mancais:_____________[pedestal ou na tampa] Esforço Contínuo ou Momentâneo nos mancais:___________ Grau de Proteção:__________ [aberto - IP23S ou fechado – IP55] Refrigeração:______________ [trocador de calor ar-ar, trocador de calor ar-água ...] Partidas:___________[1 quente/2 frio] Conjugado de partida:_______[40%] Conjugado de Sincronização (pull-in)____[30%] Conjugado máximo em sincronismo (Pull out):_________[150%] Inércia da carga J (kgm^2 ): __________ (Anexar curva de torque x rotação da carga) Sentido de rotação:_______________[horário, anti-horário ou bidirecional] Acoplamento (tipo):_______________ Fornecimento WEG [ ] Sim [ ] Não

Dimensões principais do motor Altura da ponta de eixo .. H:_______ Altura total: HD: _____________ Distância entre a furação dos pés (longitudinal) .. B:______ Distância entre a furação dos pés (transversal) .. A:_______ Distância entre o furo dos pés e o encosto do eixo .. C:____ Eixo - Diâmetro .. ØD:_____ comprimento .. E: ______ Diâmetro com chaveta ..GA: ________ Largura da chaveta ..F: _________

Caixa de Ligação Principal - Entrada dos cabos: ____________ [inferior] Prensa cabos _________________ [sim ou não] Número de terminais ___________ [3 ou 6]

Caixa de Ligação de Acessórios:___________ [ Sim ou Não ]

Acessórios – [ ] Resistência de Aquecimento Tensão (V) ____________ [ ] Sensores de temperatura nos enrolamentos [PT100 a 3 fios - 1 por fase] [ ] Sensores de temperatura nos mancais [PT100 a 3 fios - 1 por mancal]

Observações: **_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

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ESPECIFICAÇÃO DE MOTORES SÍNCRONOS (CHECK LIST)

WEG MÁQUINAS

Av. Pref. Waldemar Grubba,3000 - 89256-9000 - Jaraguá do Sul - SC Tel.: (47) 372-4000 - Fax: (47) 372- São Paulo - SP - Tel.: (11) 5053-2300 - Fax: (11) 5052- [email protected] www.weg.com.br