Cap. 4 – Motores de Indução
Ementa detalhada
 Motivações para o estudo de máquinas de indução.
 Breve revisão.
 Características construtivas.
 Campo magnético girante.
 Princípio de funcionamento.
 Circuito equivalente.
 Obtenção dos parâmetros do circuito equivalente.
 Rendimento.
 Métodos para a limitação da corrente de partida em MI
 Motor de indução linear
 Comentários gerais
 Motor de indução monofásico
 Curiosidade.
Máquinas Elétricas Rotativas
 Máquinas elétricas fazem a interface entre um sistema mecânico e
um sistema elétrico;
 O acoplamento entre os dois sistemas ocorre através do campo
magnético;
 São denominadas máquinas CA quando ligadas a um sistema de
corrente alternada;
 São denominadas máquinas CC quando ligadas a um sistema de
corrente contínua;
Máquinas Elétricas Rotativas
 Máquinas CA são ditas:
1. Síncronas: quando a velocidade do eixo estiver em sincronismo
com a freqüência da tensão elétrica de alimentação;
2. Assíncronas: quando a velocidade do eixo estiver fora de
sincronismo (velocidade diferente) com a tensão elétrica de
alimentação. Quando as correntes no rotor surgem somente devido
ao efeito de indução (sem alimentação externa), a máquina é
denominada de indução
 Máquinas de corrente contínua (CC), máquinas de indução
(assíncrona) e máquinas síncronas representam os três maiores
grupos com aplicações práticas;
Fotos
Motivações
 Máquina de Indução (MI ou Máquina Assíncrona)
 MI > 90% dos motores na indústria
 MI ~ 25% da carga elétrica brasileira
 Países industrializados – 40% a 70% da carga
 Máquina robusta, compacta e barata
 MI gaiola de esquilo – sem contato elétrico com parte girante
 Baixo requisito de manutenção
 Maior vida útil da máquina
Revisão (1/7)
 Produção de um campo magnético.
i
André-Marie Ampère
“Quando um condutor é percorrido por uma corrente elétrica surge
em torno dele um campo magnético”
 Lei circuital de Ampère.
  n
 H .dl   ik
c
k 1
Revisão (2/7)
 Lei de Faraday.
fluxo 
e
Michael Faraday
Constatações:
 Ao se aproximar ou afastar o ímã do solenóide (bobina) ocorre um
deslocamento do ponteiro do galvanômetro.
 Quando o ímã está parado, independentemente de quão próximo este
esteja do solenóide, não há deslocamento do ponteiro do
galvanômetro.
Revisão (3/7)
 Lei de Faraday.
fluxo 
e
Michael Faraday
d
e
dt
 A lei de Faraday declara que:
“Quando um circuito elétrico é atravessado por um fluxo magnético
variável, surge uma fem (tensão) induzida atuando sobre o mesmo.”
Revisão (4/7)
 Lei de Faraday.
fluxo 
e
Michael Faraday
d
e
dt
Formas de se obter uma tensão induzida segundo a lei de Faraday:
 Provocar um movimento relativo entre o campo magnético e o
circuito.
 Utilizar uma corrente variável para produzir um campo magnético
variável.
Revisão (5/7)
 Lei de Lenz.
d
e
dt
Heinrich Lenz
“A tensão induzida em um circuito fechado por um fluxo magnético
variável produzirá uma corrente de forma a se opor á variação do
fluxo que a criou”
Revisão (6/7)
 Força Eletromagnética: quando um condutor, atravessado por
corrente elétrica, é imerso em um campo magnético, surge sobre o
condutor uma força mecânica;
f=Bil
(Força de Lorentz)
i
f
B
Revisão (7/7)
Regra da mão direita para determinar o sentido da força
I
I
Características construtivas (2/2)
Construção - Estator
 Estator
 Possui um pacote magnético cilíndrico, vazado e ranhurado
internamente.
 Nas ranhuras são alojados os enrolamentos de campo.
 O pacote magnético é formado de lâminas de aço silício.
Construção - Rotor
 Rotor: Peça maciça, cilíndrica, de material ferromagnético, em
cuja superfície são incrustadas barras de alumínio ou cobre.
 Dois tipos: gaiola de esquilo e rotor bobinado
Construção - Rotor
 Rotor gaiola de esquilo
 Barras de alumínio ou cobre, curto-circuitadas nas
extremidades através de anéis condutores
Construção - Rotor
 Rotor bobinado
 Possui ranhuras abertas que recebem os enrolamentos de
armadura.
 Cada fase dos enrolamentos possui um dos terminais
ligados a anéis montados no eixo.
Construção - Rotor
 O circuito externo é composto por um reostato trifásico
(3) que é inserido durante a partida e eliminado
gradativamente à medida que o motor acelera
 O fechamento
externamente
dos
enrolamentos
(curto)
é
feito
Construção – Carcaça
 Carcaça : Feita de fofo, servindo de suporte para o estator
e o rotor.
 A carcaça não faz parte do circuito magnético do estator
Graus Elétricos X Graus mecânicos
 Por definição um par de pólos corresponde a 360º elétricos
ou 2 rad
 Para uma máquina de “P” pólos temos
2
 º mec   º el
P
-P=8
Exemplo 1
-.
Para uma máquina com 8 pólos, quantos graus mecânicos
equivalem à 180º elet.
2
2
 mec   º el 
   x 180  45º mec
P
8
o
1º mec  4º elet .
Campo magnético girante
 Enrolamento monofásico excitado por uma corrente constante.
 Campo magnético constante
 Na direção da fase “a”
(unidirecional).
Eixo da fase a
Linhas de
fluxo
ia
ia
a
0
t
Campo magnético girante
 Enrolamento monofásico excitado por uma corrente senoidal.
 Campo magnético pulsante
 Na direção da fase “a”
(unidirecional).
Eixo da fase a
ia
ia
a
t0
0
t1
t2
t
Campo magnético girante
 Uma rede de alimentação trifásica balanceada possui tensões
senoidais de mesma amplitude, porém defasadas no tempo de
120º elet.
va
t0
vb
t1
vc
t2
1 cycle
t3
t4
Campo magnético girante
 Os embobinamentos (bobinas) do estator do motor de indução
trifásico (MI3 ou MIT) são idênticos e montados a 120º
geométricos um do outro.
Campo magnético girante
 As bobinas são alimentadas por correntes elétricas trifásicas
(defasadas 120º elet. entre si e com mesma amplitude)
ia (t) = Iam sen (t)
ib (t) = Ibm sen (t – 120º)
ic (t) = Icm sen (t + 120º )
Iam = Ibm = Icm = Im
Campo magnético girante
 Como H é proporcional a I, temos
ha (t) = Ham . sen (t)
hb (t) = Hbm . sen (t – 120º)
hc (t) = Hcm . sen (t + 120º)
Ham = Hbm = Hcm = Hm
Estudar item 3.1 Estudo da direção do campo resultante (hr)
para vários instantes, da apostila
Ver animação: filme 1 - aula9_(campo girante)
Campo magnético girante
Três correntes alternadas senoidais, com mesma amplitude e
defasadas de 120 graus, circulando por três bobinas fixas, cujos
eixos magnéticos distam 120 graus entre si, produzem um campo
magnético girante de intensidade constante
c
Eixo da fase a
ib
ia
ib
ic
b
ic
t
Eixo da fase c
Eixo da fase b
ia
a
t0
t1
t2
1 cycle
1 ciclo
t3
t4
Campo magnético girante
 Enrolamento trifásico.
Eixo da fase a
ib
ia
ib
ic
c
b
t
ic
Eixo da fase c
Eixo da fase b
ia
t0
a
t1
t2
1 cycle
1 ciclo
Ver animação: filme 2 - aula9_(rotating_mmf).ppt
filme 3 - aula9_(DSCF0003)
t3
t4
Campo magnético girante
ha(t)=Hm sen (wt)
hb(t)=Hm sen (wt-120)
hc(t)=Hm sen (wt+120)
hr = 1,5 Hm
Velocidade síncrona
 Velocidade síncrona: Velocidade do campo girante em uma
máquina multi-pólos
120 . f
S 
(rpm )
P
 Campo girante é uma onda de f.m.m. que se desloca ao longo do
entreferro com velocidade síncrona 120f/P formando “P” pólos
girantes ao longo do entreferro
 Considerando a freqüência de alimentação de 60 Hz pode-se
montar a seguinte tabela
No pólos
s
(rpm)
2
4
6
8
3.600
1.800
1.200
900
Campo magnético girante (8/8)
 Módulo constante.
 A velocidade de giro do rotor depende da frequência da rede
elétrica.
 A sequencia de fase determina o sentido de rotação do campo
girante.
 Expressão para o cálculo da velocidade de rotação do campo
magnético girante também conhecida como velocidade síncrona
(s):
120 f e
s 
p
 fe é a frequência das correntes trifásicas nas bobinas do estator, p é
a quantidade de pólos por fase.
 Obs.: A constante 120 concilia a unidade de fe (Hz) com a unidade
de s (rpm).
Princípio de funcionamento (1/4)
 Estator constituído por três
enrolamentos defasados de
120 graus energizados por
uma fonte trifásica.
 O fluxo produzido nos
enrolamentos do estator é
girante com a velocidade
síncrona da tensão de
alimentação.
Princípio de funcionamento (2/4)
 O rotor é uma peça maciça, cilíndrica, de
material ferromagnético, em cuja superfície
são incrustadas barras de alumínio ou cobre,
curto-circuitadas nas extremidades através
de anéis condutores. Esta estrutura é
conhecida como gaiola de esquilo.
 No rotor surgirão correntes induzidas devido
a variação do campo girante produzido pelo
estator. As correntes induzidas produzem
uma segunda distribuição de fluxo no rotor.
 A produção de torque ocorre devido a busca
de alinhamento entre os fluxos girantes do
estator e do rotor.
Barras
condutoras
Anéis
extremos
Princípio de funcionamento (3/4)
 Este torque mecânico acelerará o
rotor que começará a girar.
 A velocidade do rotor aumentará até
atingir um ponto de equilíbrio.
Princípio de funcionamento (4/4)
 Se a velocidade do rotor for igual ao do campo girante.
 Fluxo magnético concatenado entre as bobinas seria constante.
 Não há indução de tensão no rotor.
 A velocidade do rotor diminui com o aumento da carga mecânica.
 Maior corrente induzida para produzir maior campo magnético.
 O MI possui conjugado de partida.
 Alta taxa de variação de fluxo, produzindo um elevado conjugado de
partida
 O MI consome potência reativa da rede.
 Corrente de magnetização alta por motivo do entreferro.
filme 4 - Motor de Indução - Princípio de Funcionamento
http://www.youtube.com/watch?v=B5aEeuYgfTE
Copiar link – ver em casa
Motor de Indução - Princípio de Funcionamento
http://www.youtube.com/watch?v=B5aEeuYgfTE
Motores Elétricos
http://www.youtube.com/watch?v=lJPmwut73P4
Motores Eletricos
http://www.youtube.com/watch?v=rbU_JAT6VA4
Slip ou escorregamento
 A diferença relativa entre as velocidades angulares das correntes
do estator (s) e do rotor (r) define o escorregamento da
máquina de indução.
 s  r
s 
s
 Em geral, o escorregamento é expresso em porcentagem, variando
a plena carga entre 1 a 5%, dependendo do tamanho e do tipo do
motor.
Slip ou escorregamento
 Na partida (instante), a velocidade relativa entre o rotor e o campo
girante é máxima. ɷ r = 0 → S = 1
 Se o rotor alcançar a velocidade síncrona ɷr = ɷs → S = 0
 Em carga
 Com isto podemos concluir que: 0 ≤ S ≥ 1
 A f.e.m. induzida na armadura tem módulo e frequência
proporcionais ao escorregamento
↔
velocidade do eixo, que depende do valor da carga
Identificação (Dados de placa)
 Para instalar adequadamente um motor, é imprescindível que se
saiba interpretar os seguintes dados de placa.
Circuito equivalente Completo
Circuito equivalente do estator
X rb
Xs
Rs
Vs
Circuito equivalente do rotor refletido
I
Is
Rc
Xm
E rb
Ir
R2
s
Vs : tensãode fase nos terminaisdo estator;
E : fcem gerada pelo fluxo de entreferroresultante;
rb
Is , I , Irb : correntedo estator, de excitação e do rotor;
Rs , X s : perda Joule e dispersão de fluxo,no estator;
Rc , X m : perdas no núcleo (Foucault,Histerese,Ruido) e reatânciade magnetização;
R´r , X ´rb : perda Joule e dispersão de fluxo,no rotor
referidosao estatorna situaçãode rotorbloqueado;
Circuito equivalente simplificado
Circuito equivalente do estator
X rb
Xs
Rs
Vs
Circuito equivalente do rotor refletido
Is
I
Xm
E rb
Ir
R2
s
Rc é considerada como uma parcela das
perdas rotacionais, ensaio a vazio
Prot  Po  3 R s Io2
Modelagem do rotor
 Devemos atentar para o fato de que as tensões e correntes
induzidas no rotor são variáveis durante o processo de aceleração,
uma vez, que são funções da velocidade do rotor.
 A f.e.m. induzida no rotor tem módulo e frequência proporcionais
a velocidade do eixo, que depende do valor da carga
Er = S Erb
Xr = S Xrb
s E rb  ( Rr  j s X rb )Ir
Xrb = 2.fs.Lr
 Rr


 Erb    j X rb  Ir
 s

Modelagem do rotor
 Onde Rr s representa a resistência Rr próprio dos enrolamentos
do rotor em série com uma resistência fictícia Rcarga, que traduz
o comportamento da carga no eixo do
Rc arg a
1 s 
 Rr 

 s 
Importância do circuito equivalente
 Com o circuito equivalente e seus respectivos parâmetros, podemos calcular
diversas características de desempenho da máquina:
 Relação Torque versus velocidade
 Corrente de partida
 Fator de potência
 Rendimento
Análise do circuito equivalente do MIT
 Potencia absorvida ou Potencia de entrada ou Potencia de linha
 Perda no cobre do estator
Pcs  3Rs I s
 Potencia fornecida ao rotor
 Perda no cobre do rotor
2
Pfr  Pe  Pcs 3
Rr
s
2
Pcr  Pfr  Pdr  3Rr I r
Is
2
Pe  3Vs I s cos
Análise do circuito equivalente do MIT
 Potencia desenvolvida pelo rotor ou Potencia interna
Pdr  Pfr  Pcr  3
 Perdas rotacionais
Rr
Prot  Po  Pcs  Po  Rs . (I 0 )2
 Potência útil ou potência de saída ou potência no eixo
 Rendimento
 (%) 
s
(1 s) . ( I s' ) 2  (1  s)Pfr
Ps
.100
Pe
Ps  Pdr - Prot
Exercício
Desenhe o circuito equivalente do motor de indução trifásico (MIT), em
Ω / fase, referido ao estator.
a) Diga o significado das grandezas referentes a tensões e correntes
b) Diga a representação física de cada um dos parâmetros (impedâncias)
Exercício
a)
Vs = modulo da tensão de fase nos terminais do estator;
Es = modulo da f.e.m induzida no estator, gerada pelo fluxo de entreferro;
E’rb = modulo da f.c.e.m induzida no rotor, situação de rotor bloqueado,
referido ao estator;
Is = modulo da corrente de fase no estator;
IØ = modulo da corrente de excitação;
Ic = modulo da corrente de perdas no núcleo;
Im = modulo da corrente de magnetização;
I’r = modulo da corrente de fase no rotor, referido ao estator
Exercício
b)
Rs = resistência ohmica que representa a perda joule na bobina do estator;
Xs = reatância indutiva que representa a dispersão de fluxo na bobina do estator;
Rc = resistência ohmica que representa as perdas magnéticas no núcleo (Foucault,
Histerese, Ruido...;
Xm = reatância indutiva de magnetização;
R’r = resistência ohmica que representa a perda joule na bobina rotor, referido ao
estator;
X’rb = reatância indutiva que representa a dispersão de fluxo na bobina do rotor
referido ao estator.
OBS: R’r /s = R’r + Rcarga (resistência ficticia que representa o comportamento da
carga em função do escorregamento.
Exemplo 3
Um motor de indução trifásico, estator conectado em Y, 460 V, 1740 rpm, 60
Hz, 4 pólos, rotor bobinado tem os seguintes parâmetros (por fase):
R1=0,25 Ω
R2’=0,2 Ω
X1=X2’=0,5 Ω
Xm=30 Ω
As perdas rotacionais são de 1700 W. Com o rotor curto-circuitado, encontre:
(a)
(i) corrente de partida quando ligado a tensão nominal;
(ii) torque de partida;
(b)
(i) escorregamento a plena carga;
(ii) corrente a plena carga;
(iii) razão entre as correntes de partida e de carga nominal;
(iv) fator de potência a plena carga;
(v) torque a plena carga;
(vi) eficiência interna e eficiência do motor a plena carga;
(c)
(i) escorregamento para torque máximo;
(ii) torque máximo;
(d)
resistência que deve ser conectada por fase ao rotor para torque máximo na partida.
Exemplo 2
a) I1 e Tm na partida
V1 
460
 265,6 V/fase
3
P ara s  1  Z1  R1  jX1 
jX m R2  jX 2 
R2  j ( X 1  X m )
Z1  1,0866 Ω  I1,partida 
V1
 245,6  66 A
Z1
1800 2
265,6  j 30
 188,5 rad/s Vth 
 261,3 V
60
0,25  j 30,5
j 300,25  j 0,5
 Rth  jX th 
 0,5563,9  0,24  j 0,49 Ω
0,25  j 30,5
s 
Z th
I 2' 
Vth
Z th  Z 2'
Tm,partida

261,3
0,24  0,2  0,49  0,5
2
2
 241,19A
3 R2' I 2'2
3 0,2  241,192



 185,17 N  m
s s s
188,5
1
Pag
Exemplo 2
b) s, I1, I1,partida/I1,nominal, FP; ηinterno e ηreal para carga nominal
s
ns  n 1800 1740

 0,0333 3,33%
ns
1800
P ara s  0,0333 Z1  R1  jX1 
FP  cos19,7  0,94
V
I1, nominal  1  42,754  19,7A
Z1
I1, partida
I1, nominal
Tm,nominal

245,9
 5,75
42,754
3 R2' I 2'2

 163,11 N  m
s s
jX m R2 / s  jX 2 
6,212319,7 Ω
R2 / s  j ( X 1  X m )
Exemplo 2
 interno  1  s  0,9667  96,67%
 real  ?
Pentrada  3V1 I1 cos1  3  265,6  42,754 0,94  32022,4 W
Psaída  Pmec  Protacional
2
 29721W  (1 - s)Pag  (1 - s)Tsyn
60
 29721 1700  28021
Pmec  T mec  163,111749
Psaída
28021
 real 
 87,5%
32022,4
Exemplo 2
c) s para Tmáx e Tmáx
sTmáx 
Tmáx

R2'
Rth2  X th  X

' 2
2
 0,1963 19,63%
Vth2
1
3
2s R  R 2  X  X '
th
th
th
2


2
Tmáx
431,68

 2,65
Tnominal 163,11
 431,68 N  m
d) Rexterno para que Tmáx ocorra com s = 1.
sTmáx 
R2'  Rexterno

Rth2  X th  X

' 2
2
 1  Rexterno  0,8186Ω/fase
Conjugado x escorregamento
Motor
Conjugado
Região
como motor
s 
Vth2
2
R2' 
 Rth    X th  X 2'
s 

Região
como gerador
Gerador
Região de
frenagem
Tmec 
1
Velocidade em porcentagem da velocidade síncrona
Escorregamento como uma fração da velocidade síncrona


2
R2'
s
Rendimento
 Potência de saída ou potência no eixo: geralmente expressa em CV ou HP e
eventualmente em kW. Potência de entrada menos as perdas no cobre (do estator e
do rotor), no núcleo (do estator e do rotor) e perdas por atrito, resistência ao ar e
ventilação.
 Potência de entrada: expressa em kW.
 Corrente nominal ou corrente de plena carga: é a corrente consumida pelo motor
quando ele fornece a potência nominal a uma carga.
 n = Psaida / Pentrada
Rendimento
 A eficiência é altamente dependente do escorregamento da máquina.
 Para manter alta eficiência, o motor de indução deve operar próximo
a velocidade síncrona.
Métodos para a limitação da corrente de partida em MI
 No instante de acionamento (partida) do motor de indução, este se
comporta como um transformador cujo enrolamento secundário
corresponde ao do rotor parado e curtocircuitado.
 Na partida, a resistência do rotor é muito baixa (R2’/s = R2’, s =1 ),
resultando em correntes de 5 a 8 vezes o valor nominal.
 A circulação dessa corrente provoca uma queda de tensão elevada
no alimentador, além de provocar sobre aquecimento (danos ao
circuito de isolação) da máquina, caso essa corrente circule por um
longo período de tempo.
 Devido a esses motivos, a máquina de indução deve partir com
tensão reduzida ou outro método que diminua a corrente de partida.
Métodos para a limitação da corrente de partida em MI
 No instante de acionamento (partida) do motor de indução, este se comporta como um
transformador cujo enrolamento secundário corresponde ao do rotor parado e
curtocircuitado.
 Corrente nominal do motor de indução trifásico – corrente de linha
I n I L 
PotênciaNominalno Eixo

3  VL    cos
IS n   ' r 
Pmec
3 VL    cos
VSn
 R' r  2

' 2
   rB 

Sn




 
1
2
No instante da partida do motor (r  0  S  1 )
I spartida  I 'r 
Vsnom
R ' r  X' rb
2
2
 V1  cte
Para que o motor tenha condição de giro Tp > Tcarga mec
Métodos para redução da corrente de partida
 Partida com tensão reduzida (aplicado a motores com rotor em gaiola de esquilo)
-
Autotransformador de partida
-
Chave estrela-triângulo
-
Conversor eletrônico com tensão e freqüência variável
 Partida com resistor de limitação de corrente
-
Resistor em série com o estator (rotor em gaiola de esquilo)
-
Resistor em série com o rotor (rotor bobinado)
Partida direta
Transformer
Distribution Line
Utility
Induction Motor
PCC
M
0.15
1
Motor terminal voltage(p.u.)
Motor stator current(p.u.)
0.1
0.05
0
-0.05
0.5
0
-0.5
-1
-0.1
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Time (s)
0.7
0.8
0.9
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Time (s)
0.7
0.8
0.9
(b) PCC voltage waveform
(a) Motor stator current waveform
RMS value of motor terminal voltage (p.u.)
RMS value of motor stator current (p.u.)
1.1
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Time (s)
0.7
0.8
0.9
(c) RMS value of motor stator current
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Time (s)
0.7
0.8
0.9
(d) RMS value of the PCC voltage
Current and voltage waveforms of cross-line motor starting
Partida direta
 Além dos problemas de qualidade de energia elétrica, ocorrem períodos de
aceleração e desaceleração no eixo da máquina levando a vibrações mecânicas.
Autotransformador de partida
 Um autotransformador trifásico abaixador pode ser empregado na partida de
forma a fornecer tensão reduzida durante a aceleração da MI até próximo da
velocidade nominal.
 Quando o motor atinge velocidade de regime permanente, o autotransformador é
desconectado do circuito, através da ação de contatores R e S.
 Desvantagem: Diminui o torque de partida (proporcional ao quadrado da tensão
terminal) e aumenta o tempo de aceleração até a velocidade nominal, uma vez que o
torque acelerante (diferença entre torque eletromagnético e torque mecânico)
diminui.
 Tipicamente, parte-se a máquina em 2 ou 3 estágios em que a tensão é
gradualmente aumentada (66%, 75% 100%). Isso faz com que o torque de partida
não seja muito baixo.
Chave estrela triângulo
 Esse método também é empregado pra alimentar a máquina com tensão reduzida
durante a partida.
 Durante a partida os contatos são fechados no ponto 1, fazendo com que os
enrolamentos do estator sejam conectados em estrela (Y) com a rede. Assim, a
tensão aplicada sobre o enrolamento na partida será:
V
3
-Redução de 42,3% (1-1/3)
na corrente de partida
Chave estrela triângulo
 Em velocidade nominal, o contatos são chaveados para o ponto 2, e os
enrolamentos são alimentados com a tensão terminal nominal.
 Esse método também provoca redução do torque de partida.
Motor de Indução - Acionamento - Chave Estrela-Delta
http://www.youtube.com/watch?v=lBFgMEU84Fo
Soft-starter (chave eletrônica de partida)
 Utilizando-se um conjunto de tiristores em anti-paralelo, pode-se partir a máquina
com tensão reduzida (diminuindo a corrente de partida)
 Também reduz o torque de partida, portanto, usualmente a tensão de partida aplicada
é em torno de 30-60% da tensão nominal.
 Produz distorção harmônica.
Conversor eletrônico com tensão e freqüência variável
 Pode ser usado um conversor eletrônico com capacidade de controlar a magnitude e
a freqüência da tensão para a partida suave da máquina, mantendo a corrente
limitada a um valor pré-especificado (em inglês: Variable Frequency Drive).
 A principal vantagem da partida via conversor eletrônico é a capacidade de fornecer
torque de partida nominal durante todo o processo de partida (i.e., em qualquer
velocidade) e simultaneamente limitar a corrente em seu valor nominal.
 Isso é feito partindo-se a máquina com freqüência e tensão reduzida mas mantendose a relação Volts/Hertz em seu valor nominal.
 Mais complexo e caro, usualmente só é economicamente justificado no caso em que
o conversor é utilizado para controle de velocidade. Também introduz distorção
harmônica no sistema.
Vg
Vp
VFD
Distribution
Utility
Line
Transformer
PCC
Induction Motor
Partida via resistências externas em série com o rotor
 No caso de rotor bobinado, um resistência externa pode ser conectada
ao enrolamento do rotor de forma a reduzir a corrente de partida (visto
que a impedância equivalente do motor aumenta).
 Conforme a velocidade do motor aumenta, a resistência externa é
gradualmente reduzida.
 Até que ela é eliminada quando a máquina alcança a velocidade
nominal.
 Uma vantagem deste método é permitir obter torque máximo durante
todo o processo de partida com corrente reduzida.
 A desvantagem deste método é que ele somente é aplicável a
máquinas com rotor bobinado.
Partida via resistências externas em série com o rotor
Motor de indução linear
 Em certas situações (como por exemplo em transporte ferroviário e metroviário)
deseja-se obter movimento translacional (em vez de rotacional).
 Neste caso pode-se utilizar um sistema de cremalheira para mecanicamente
converter o movimento rotacional em translacional. Sendo que a vantagem desse
sistema é a simplicidade e a desvantagem é o aumento das perdas mecânicas e
maior necessidade de manutenção devido ao desgaste.
 Outra opção é empregar um motor linear que produz diretamente movimento
translacional. Tais motores são denominados motores lineares.
Motor de indução linear
ia
ib
ic
FR = 3/2Fm
b
B
a' .
c .
b'
C
t = t0
t = t1
.b
+
+
a +
.
FR = 3/2Fm
a
A
+
c'
t0  Fa = Fm
Fb = -Fm/2
Fb = -Fm/2
t1  Fa = -Fm/2
Fb = Fm
Fb = -Fm/2
xy
Enrol. 3
secundário
Rotor
primário
Campo deslizante
+
+
c
Campo girante
Estator
.
Motor de indução linear
 Se o rotor do tipo gaiola de esquilo for substituído por um cilindro de material
condutor (alumínio), o rotor girará da mesma forma visto que correntes serão
induzidas na superfície do rotor.
 Assim, utilizando-se o raciocínio simplista de desenrolar essa máquina, podemos
constatar que a parte da máquina composta por material condutor irá deslizar,
produzindo movimento translacional.
Motor de indução linear
 Visto que essa máquina não produz movimento rotacional, o termo “rotor” não é
adequado. Desta forma utilizam-se os termos:
Primário ou indutor: designa a parte da máquina onde os enrolamentos são
energizados para produzir o campo deslizante (pode ser estático ou móvel)
Secundário ou induzido: designa a parte da máquina onde as correntes são induzidas
devido à ação do campo deslizante (pode ser estático ou móvel)
 Existem várias possibilidades de construção do secundário, mas de forma geral ele é
composto de material ferromagnético (para aumentar a densidade de campo
magnético e direcionar o fluxo) e material condutor, geralmente alumínio ou cobre
(para permitir a indução de correntes)
Motor de indução linear
 CONTROLES BÁSICOS DE MOTOR DE INDUÇÃO LINEAR
Velocidade  controle de freqüência (conversor)
Sentido do movimento  inversão de duas fases
Frenagem  inversão de duas fases
Motor Linear de Indução
http://www.youtube.com/watch?v=prOrlg8-wGE
Motor de indução linear
 APLICAÇÕES
Máquinas envolvidas em processos industriais que exigem movimentos lineares
Transporte (metro/trem)
Coração artificial (sistema de êmbolos)
Portas deslizantes
Bombeamento de líquidos (sistema de êmbolo)
 VANTAGENS
Não são necessárias partes mecânicas para transformar o movimento rotacional em
linear
Permitem altas acelerações e velocidades
 DESVANTAGENS
Efeito longitudinal de extremidade
Existência de uma força normal
Motor de indução linear
Motor de indução monofásico
Motor de indução monofásico
 Pequenos motores usados em geladeiras, lavadoras de roupa,
ventiladores, condicionadores de ar, etc., são monofásicos;
 Em geral a potência desses pequenos motores é fracionária, ou seja,
menor do que 1 hp (1/2hp, 1/3 hp, 1/20hp, 1/30hp);
 Os motores monofásicos mais comuns são do tipo:
 Motor de indução monofásico – mais utilizado
 Motor síncrono monofásico – p/ aplicações com velocidade cte.
 Motor universal (motor série CA ou CC) – aplicações que demandem alto
torque de partida ou alta velocidade (bastante usado em pequenos
eletrodomésticos: liquidificador, batedeira, processadores (mixers), etc.)
Motor de indução monofásico – Rotor parado
 Pela Lei de Lenz, o fluxo produzido no rotor pela gaiola, se opõe ao
fluxo produzido pelo enrolamento distribuído do estator;
 Não havendo defasagem angular entre os dois campos pulsantes não
há produção de torque (não há torque de partida);
Motor de indução monofásico – Rotor girando
 Se o motor estiver girando, através da aplicação de um torque
externo ou de circuitos auxiliares, o motor de indução monofásico
produz torque, pois cria-se uma defasagem entre os dois fluxos
pulsantes visto que o campo do rotor estará atrasado em relação ao
campo do estator no tempo devido à tensão induzida de velocidade;
T  kBr  Bs
Motor de indução monofásico – Partida
 Motores de indução monofásicos não possuem torque de partida,
devido ao alinhamento no espaço e no tempo entre o campo
produzido pelo enrolamento do estator e o campo produzido pelas
correntes induzidas no enrolamento do rotor;
 Não havendo defasagem angular entre os dois fluxos pulsantes não
há produção de torque;
T  kBr Bs
Motor de indução monofásico – Partida
 Um estator com dois enrolamentos idênticos defasados de 90 graus
produz um campo girante com magnitude constante;
 Isto é, na presença de dois campos defasados no tempo e no espaço
produzidos por enrolamentos no estator, tem-se um campo girante.
 Portanto, as principais formas empregadas para partir um motor de
indução são baseadas no uso de enrolamentos auxiliares que criam
dois campos defasados.
Motor de indução monofásico – Partida à resistência
 Um enrolamento auxiliar é usado para proporcionar uma defasagem
inicial entre os campos principal e auxiliar de forma a criar um campo
girante;
 O enrolamento auxiliar tem alta taxa R/X (resistência elevada: fio fino e
baixa reatância: poucas espiras) de forma a aumentar a defasagem;
 O enrolamento principal tem baixa taxa R/X de forma a garantir melhor
rendimento em regime permanente e magnetização suficiente para a
máquina (baixo R e X elevada/muitas espiras);
Motor de indução monofásico – Partida à resistência
 A defasagem vai ser sempre menor que 90 graus (tipicamente em torno de
25o), fornecendo torque de partida moderado, para baixa corrente de
partida;
 Uma chave centrífuga desliga o enrolamento auxiliar a 75% da velocidade
nominal;
 Para inverter o sentido de rotação é necessário inverter a ligação do
enrolamento auxiliar com a máquina parada (não reversível), visto que o
torque produzido pelo enrolamento auxiliar (operação bifásica) é menor
que o torque produzido pelo enrolamento principal (operação monofásica);
X
principal
a
auxiliar
R
Motor de indução monofásico – Partida à resistência
 Bifásica desequilibrada até a abertura da chave centrifuga (correntes
diferentes nos dois enrolamentos);
 Monofásica a partir do desligamento do enrolamento auxiliar;
 Usada em potências entre 50 e 500W em ventiladores, bombas e
compressores;
 São de baixo custo;
 A falha da chave centrifuga pode queimar os enrolamentos;
Motor de indução monofásico – Partida à capacitor
 Usa-se um capacitor em série com o enrolamento auxiliar, para
aumentar a defasagem inicial entre os campos do enrolamento
principal e auxiliar;
 Resulta em maior torque de partida;
 Através do capacitor é possível aproximar a defasagem de 90 graus
(tipicamente em torno de 82o);
 Produz torque de partida 2,35 maior que o motor com partida à
resistência (sen82o/sen25o)
Motor de indução monofásico – Partida à capacitor
 Tende a reduzir a corrente de partida, pois melhora o fator de
potência;
 Capacitor eletrolítico do tipo seco p/ operação intermitente
(1min/1h);
 É reversível (mudança do sentido de rotação com a máquina em
movimento), pois a alta defasagem (82 graus) faz com que o torque
em operação bifásica seja maior do que o torque monofásico;
X
principal
a
R
Auxiliar
+ cap
Motor de indução monofásico – Partida à capacitor
 Usada em potências até 7,5 hp, para cargas de difícil partida (alto
torque de partida), ou onde seja necessária a inversão do motor;
 São usados para acionar bombas, compressores, unidades
refrigeradoras, condicionadores de ar, e máquinas de lavar de maior
porte;
Motor de indução monofásico de polo ranhurado
 Para motores pequenos, até 1/10 hp;
 A maior vantagem é a simplicidade: enrolamento monofásico, rotor em
gaiola e peças polares especiais;
 Não utiliza chaves centrífugas, capacitores ou enrolamentos auxiliares;
 Apresenta torque de partida apenas com um enrolamento monofásico;
 A corrente induzida no anel de cobre do polo ranhurado, produz um
fluxo atrasado, em relação ao fluxo do estator, fornecendo a defasagem
necessária para a partida da máquina;
Motor de indução monofásico de polo ranhurado
 Máquina barata;
 O torque de partida é limitado;
 Não reversível, seria necessário desmontar o motor e inverter a
posição do polo ranhurado;
 Pode-se projetar um motor com dupla ranhura, uma para cada
sentido de rotação da máquina;
Potência instantânea do motor de indução monofásico
 A potência instantânea em uma MI monofásica é pulsante com o
dobro da frequência da rede (o valor médio é positivo);
 Em parte de cada ciclo ocorre a reversão de fluxo, devido a interação
dos campos direto e reverso;
 Como consequência, o nível de vibração e ruído de MI monofásicas
é elevado, demandando algum sistema de amortecimento/absorção
das vibrações mecânicas;
Motor de indução monofásico – Aplicações típicas
Comentários gerais
 A principal aplicação da máquina de indução é como motor.
 Devido à sua construção mais simples, o motor de indução, também conhecido
como motor assíncrono, apresenta um custo menor e também devido à sua
robustez (manutenções menos frequentes) é o motor mais utilizado na indústria,
principalmente os com rotor tipo gaiola.
 A velocidade do rotor depende da frequência da rede elétrica, do número de
polos do motor e da carga mecânica (a velocidade decresce ligeiramente com o
acréscimo de carga).
 Para que a máquina de indução possa atuar como gerador, o seu rotor deve ser
acionado a uma velocidade superior à velocidade síncrona e uma fonte de
energia reativa, conectada ao estator, garante a magnetização da máquina.
 Esta energia pode ser suprida pela própria rede ou por um banco de capacitores
conectado em paralelo ao gerador e à rede elétrica.
Curiosidade (1/2)
2788HP * 746 = 2079848 W ~ 2 MW
Curiosidade (2/2)
Exercicios
1. Em um motor de indução trifásico com rotor tipo gaiola de
esquilo e em outro com rotor do tipo bobinado, a velocidade de
rotação do eixo pode ser igual à velocidade de rotação do campo
girante? Justifique fisicamente.
2. Analise a seguinte afirmação: "Para se acionar o motor de indução
trifásico com rotor bobinado, deve-se assegurar que os terminais
do rotor estejam curto-circuitados". Por quê? Justifique
fisicamente.
3. Porque a troca de 2 fases da alimentação de um motor de indução
trifásico produz a inversão no sentido de rotação do rotor?
Justifique fisicamente.
4. Se em um processo industrial houver a necessidade de alterar a
velocidade do campo girante em um motor de indução trifásico
em uso, que procedimento você adotaria? Justifique.
Exercicios
5. Em um motor de indução trifásico, 4 pólos, 60 Hz, o
escorregamento é de 5%. Obtenha a velocidade do rotor.
6. Em um motor de indução trifásico, 60 Hz, a velocidade síncrona é
de 900 rpm. Obtenha a quantidade de pólos no estator.
7. Em um motor de indução trifásico, 60 Hz, o eixo gira a 1140 rpm.
Obtenha a velocidade síncrona, a quantidade de pólos e o
escorregamento.
8. Um motor de indução trifásico, D - 220 V, 60 Hz, rotor bobinado,
aciona uma bomba d'água.
a) Qual a importância da seqüência de fases na ligação elétrica do
motor? Justifique fisicamente.
b) Descreva um método para limitar a corrente na partida.
Justifique fisicamente.
Exercicios
9.
Numa instalação industrial, foi possível identificar em um motor de indução
trifásico, as seguintes características nominais: PN = 15 CV, U = 220 V, f = 60
Hz e rendimento = 83%. Para obter o respectivo fator de potência (grandeza
fundamental para dimensionar os capacitores para a correção do fator de
potência), o Gerente chamou dois estagiários para resolver o problema. O
primeiro disse: “Dê-me um wattímetro que resolverei o problema”. O segundo,
mais modesto, disse: “Com um amperímetro consigo obter a resposta”. As
figuras mostram as ligações feitas e os valores medidos pelos estagiários.
Apresente os cálculos feitos pelos dois estagiários para determinar o fator de
potência.