Máquinas Elétricas
Eletrotécnica
Definições
• Máquinas elétricas são dispositivos
capazes de converter energia elétrica em
energia mecânica e vice-versa.
• Geradores: convertem energia mecânica
em elétrica.
• Motores: convertem energia elétrica em
mecânica.
Motores Elétricos
Motor de Indução
Máquina Assíncrona
Motor de indução
Enrolamento de estator trifásico
Rotor tipo gaiola de esquilo
Rotor gaiola de esquilo
Rotor tipo bobinado
Pacote magnético do estator
Máquina Assíncrona
• A máquina de indução é, dentre as
máquinas elétricas, a mais utilizada na
indústria.
Na máquina assíncrona tanto o rotor quanto
o estator conduzem corrente alternada.
Máquina Assíncrona
• A corrente que circula pelo rotor é uma
corrente induzida devido a um campo
variável devido à diferença de velocidade
de rotação do rotor e do campo girante.
Por isso a nomenclatura máquina de
indução.
Campo magnético girante
• Os enrolamentos trifásicos localizados no estator e
representados pelos enrolamentos aa’, bb’ e cc’ estão
deslocados de 120 graus entre si. Quando uma corrente
alternada senoidal circula por um enrolamento ela
produz uma força magneto motriz senoidal centrada no
eixo do enrolamento.
Campo magnético girante
• A força magneto motriz resultante é a
composição vetorial das três componentes
de força magneto motriz.
• Devido a corrente na fase A está em um instante
de máximo, a força magneto motriz produzida
por este enrolamento é máxima.
• O vetor resultante força magneto motriz F possui
a mesma amplitude em todos os instantes de
tempo, girando em sentido anti-horário.
Campo magnético girante
No instante de
tempo to, a corrente
na fase A passa por
um máximo positivo
e as corrente nas
fases B e C por
metade da
amplitude máxima
negativa.
Princípio de funcionamento
Tensões induzidas
• O campo magnético girante induz tensões
nas fases do estator. As expressões para
as tensões induzidas podem ser obtidas
utilizando a lei de Faraday
E1  4,44 f  N1  p  Kw
Escorregamento
ns  n
s
ns
• É óbvio que a velocidade do rotor não pode ser
igual à velocidade síncrona, pois assim,
nenhuma corrente seria induzida no
enrolamento do rotor e consequentemente
nenhum torque seria produzido.
Circuito do rotor
E2  4,44  f1  N 2   p  K w
Rotor parado
E2 s  s  E 2
Rotor girando
n  (1  s)  ns
f 2  s  f1
Velocidade do Rotor
Freqüência da corrente
induzida no Rotor
Circuito equivalente
• O circuito equivalente pode ser utilizado
para estudar e antecipar o desempenho
da máquina de indução com apreciável
proximidade da realidade.
Ensaio a vazio
Ensaio com rotor bloqueado
Equações para determinação dos
parâmetros
Rsc 
Z rb 
Psc
3  I sc
Z sc 
2
V fase ( rotor _ bloqueado )
I rb
X sc  X 1  X m
X rb
X1  X 2 
2
V fase ( semc arg a )
I sc
X sc  Z sc  Rsc
2
Rrb 
2
Prb
3  I rb
2
X rb  Z rb  Rrb
2
2
X rb  X 1  X 2
Curva conjugado x rotação para
o motor assíncrono
Classificação por categorias
Categoria N
São caracterizados por possuírem um
conjugado de partida normal, corrente de
partida normal e pequeno valor de
escorregamento em regime permanente.
Constituem a maioria dos motores
encontrados no mercado e prestam-se ao
acionamento de cargas normais, com
baixo conjugado de partida como: bombas
e máquinas operatrizes.
Categoria H
Os motores dessa categoria são
caracterizados por possuírem um
conjugado de partida elevado, corrente de
partida normal e baixo valor para o
escorregamento em regime permanente.
Esta categoria de motores é utilizada para
acionamento de cargas que exigem maior
conjugado de partida, como peneiras,
transportadores carregados, cargas com
alta inércia, etc.
Categoria D
São caracterizados por conjugado de
partida elevado, corrente de partida
normal e alto escorregamento. Utilizados
para acionamento de cargas como:
prensas excêntricas e máquinas
semelhantes, em que a carga apresenta
picos periódicos e cargas que necessitam
de conjugado de partida elevado e
corrente de partida limitada.
Controle de velocidade
• Um motor de indução possui velocidade
aproximadamente constante quando
conectado a uma fonte de tensão
constante com uma freqüência fixa. A
velocidade em regime permanente é muito
próxima da velocidade síncrona. Quando
o torque solicitado aumenta, a velocidade
diminui.
Variação da velocidade em
função da carga
Controle de velocidade
• Em muitas aplicações industriais,
velocidades variáveis ou continuamente
ajustáveis são necessárias.
• Tradicionalmente, motores de corrente
contínua sempre foram utilizados em
aplicações onde era necessário variar a
velocidade da máquina.
Controle de velocidade
• Entretanto, motores de corrente contínua
são caros, requerem manutenção das
escovas e dos comutadores e são
proibitivos em ambientes agressivos.
• Em contrapartida, motores de indução são
baratos, não requerem manutenção, estão
aptos a funcionar em ambientes
agressivos e estão disponíveis para
velocidades elevadas.
Controle de velocidade através
da variação da freqüência.
Inversor de
freqüência
Motor
De
Indução
Métodos de partida dos motores
de indução
• Uma corrente de partida de 500 a 800 %
maior que a corrente nominal pode
circular pela rede de alimentação.
• Além de causar uma queda de tensão
apreciável, pode afetar outras cargas
conectadas à rede de alimentação. Além disso,
se uma corrente elevada circular no motor por
um longo intervalo de tempo, poderá aquecê-lo,
danificando o isolamento do enrolamento.
Autotransformador abaixador
Partida estrela-triângulo
Fase dividida
Conversor de estado sólido
Métodos de partida dos
motores de indução
• É importante ressaltar que embora
tensões menores reduzam a corrente
durante a partida dos motores, o torque de
partida decresce porque o torque é
proporcional ao quadrado da tensão
aplicada.
Influência da rede elétrica na
operação do MIT
• A operação eficiente dos motores de
indução trifásicos depende, entre outras
coisas, da qualidade da rede elétrica de
alimentação. O ideal é que esta rede seja
equilibrada e com suas tensões
apresentando amplitudes e freqüência
constantes.
Influência da rede elétrica na
operação do MIT
• A eficiência e o fator de potência dos motores de
indução trifásicos variam segundo o valor da
tensão de alimentação. Estes motores são
projetados para suportarem variações de ±10%
da tensão nominal.
•
Os motores devem suportar variações de
freqüência de -5% a até +3%. Uma variação
simultânea da amplitude e da freqüência pode
ser prejudicial para o motor.
Influência da rede elétrica na
operação do MIT
• Uma tensão de alimentação abaixo do
valor nominal do motor provoca aumento
da corrente e da temperatura e ainda
redução dos torques de partida e de
regime. Por outro lado, um valor de tensão
acima do nominal acarreta redução do
fator de potência e aumento da corrente
de partida.
Influência da carga mecânica na
operação do MIT
• As principais conseqüências do
superdimensionamento são:
• Maior custo, volume e peso do motor.
• Redução do fator de potência.
• Redução da eficiência, embora muito motores
apresentem sua eficiência máxima a,
aproximadamente, 75% da sua carga nominal.
• Maior corrente de partida, acarretando maior
custo da instalação e proteção.
Fator de serviço
•
A norma ABNT NBR 7094/1996, define
fator de serviço como um multiplicador
que, quando aplicado à potência nominal
do motor, indica a carga que pode ser
acionada continuamente sob tensão e
freqüência nominais. Entretanto, a
utilização do fator de serviço implica em
vida útil inferior àquela do motor com
carga nominal.
Influência do ambiente na
operação do MIT
•
As condições ambientais onde está instalado
um motor têm influência na sua operação.
Poeiras que se depositam na sua carcaça, ao
absorverem umidade ou partículas de óleo,
formam uma crosta que dificulta a liberação do
calor. Por causa disso, a temperatura interna do
motor se eleva. Uma das conseqüências é
aumentar o valor da resistência do enrolamento
e diminuir a eficiência do motor.
Grau de proteção - IP
•
Motores que trabalham em ambientes
desfavoráveis ou mesmo agressivos
devem ser providos de um grau de
proteção. A norma brasileira NBR 6146
define os vários graus de proteção que os
motores elétricos podem apresentar, por
meio das letras características IP, seguida
por dois algarismos. As tabelas 2.1 e 2.2
apresentam os critérios de proteção.
Tabela 2.1 – Indica grau de proteção contra penetração
de corpos sólidos estranhos e contato acidental.
1o Algarismo
Algarismo
Indicação
0
Sem proteção
1
Corpos estranhos acima de 50mm
2
Corpos estranhos acima de 12mm
3
Corpos estranhos acima de 2,5mm
4
Corpos estranhos acima de 1,0mm
5
Proteção contra acúmulo de poeiras prejudiciais ao
motor.
6
Totalmente protegido contra poeira.
Tabela 2.2 – Indica grau de proteção contra penetração
de água no interior do motor.
2o Algarismo
Algarismo
Indicação
0
Sem proteção
1
Pingos de água na vertical.
2
Pingos de água até a inclinação de 15o com a vertical.
3
Pingos de água até a inclinação de 60o com a vertical.
4
Respingos em todas as direções.
5
Jatos de água em todas as direções.
6
Água de vagalhões.
7
Imersão temporária.
8
Imersão permanente.
Classes de Isolação
• Classe A – 105 graus
• Classe E – 120 graus
• Classe B – 130 graus
• Classe F – 155 graus
• Classe H – 180 graus
Motor de alto rendimento
Motores de alto
rendimento => custo de
aquisição inicial maior
Entretanto, sua
utilização pode trazer
grande economia em um
curto prazo.
Especificação de motores
Cmotor 
nc arg a  Cc arg a
 ac  nmotor
Pmotor  2    nmotor  Cmotor
Relação de transmissão
R
nc arg a
nmotor
Inércia da carga referida ao eixo
do motor
J e  J c arg a  R
2
Conjugado motor médio
C mmed
 C p C max 
  C n  9,81
 0,45  

Cn 
 Cn
Conjugado resistente médio
Crmed  R  Ccmed
Tempo de aceleração
 J m  Je
t a  2    n  
 C mmed  C rmed



• É necessário que o tempo de aceleração
do motor seja menor que 80% do tempo
de rotor bloqueado
Exemplo: Considere o sistema abaixo utilizado para
levantamento de peso com capacidade para levantamento
de 50kg, com uma velocidade de içamento igual a 0,5m/s.
Se o raio da polia é igual a 90mm, a redução de 1:32, o
rendimento da talha é igual a 97%, a inércia das partes
girantes é igual a 0,0005Kgm2.
P
m g v
 talha
50  9,81 0,5

 252W
0,97
Pc
Pc
252
Cc 


 45,36N  m
v
0,5

R polia
0,09
n motor 
nc arg a
R
0,5
2  0,09

 28,3rps  1699rpm
1
32
Tipo do motor
Motor de alto rendimento plus
Potência
0,5 CV
Número de pólos
4 pólos
Rotação
1720 rpm
Conjugado nominal (Cn)
0,21 Kgfm
Cp/Cn
2,7
Cmax/Cn
3
J
0,00079
Tempo de rotor bloqueado
10 s
In
2,07 A
2
J massa _ e
1
 50  0,09     0,395 103 Kgm2
 32 
2
2
J PG _ e
1
 0,0005   ,488 106 Kgm2
 32 
3
J e  J massa _ e  J PG _ e  0,39510 Kgm
2
C rmed
1

 45,36  1,42 Nm
32
Cmmed  0,45 2,7  3  0,21 9,81  5,28Nm
1720  0,00079 0,395 103 
  55m s
ta  2   
 
60 
5,28  1,42

Gerador Assíncrono
• O gerador de
indução é acionado
a uma velocidade
maior do que a
velocidade
síncrona.
• O escorregamento
no gerador
assíncrono é
negativo:
ns  n
s
ns
Corrente de excitação
• Uma corrente de
excitação deve ser
fornecida ao
enrolamento de
armadura para
indução no rotor. A
amplitude da
corrente de
excitação irá
determinar a
amplitude da tensão
nos terminais do
gerador.
Gerador assíncrono com capacitor
para excitação da máquina
• Nesta configuração é
necessário utilizar
capacitores para
fornecer os reativos
de que a máquina
necessita.
Gerador assíncrono com conversor
para excitação da máquina
• Nesta configuração não
é necessário utilizar
capacitores pois a
demanda de reativos de
que a máquina
necessita é fornecida
pelo conversor.
• O conversor onera o
sistema uma vez que toda
a potência gerada circula
através do mesmo.
Gerador assíncrono alimentado
através de escovas
• Nesta configuração a
excitação é proveniente da
rede, através de um
conversor, que é
conectado ao enrolamento
do rotor através de anéis
coletores e de escovas. A
vantagem é que o
conversor não necessita
processar a potência
nominal do gerador.
Gerador assíncrono duplamente
alimentado sem escovas (GATDASE)
• Nesta configuração a
máquina possui dois
enrolamentos no estator, um
principal, de potência, e um
auxiliar. O enrolamento
auxiliar, ou de controle, é
ligado à rede através de um
conversor que permite
controlar o torque, a
velocidade e o fator de
potência da máquina.
Curva Torque x velocidade
Curva Torque x velocidade
Gerador
Motor