2.14 Acoplamento Magnético
2.14.4. Polaridade de Bobinas
3.1.1.7 Regulação de velocidade
Em regime permanente a vazio o torque resistente é aproximadamente igual a zero. Portanto basta uma pequena corrente circulando no rotor para o torque do motor se igualar ao torque resistente. Isto é obtido através de um pequeno escorregamento, que pode ser considerado praticamente nulo.
Em regime permanente a plena carga o torque resistente é o torque nominal. Portanto o motor solicita uma corrente nominal (alta) no rotor para que o torque do motor se iguale ao torque resistente. Isto é obtido através de um escorregamento um pouco maior, ou seja, a velocidade do rotor sofre uma queda que varia de 1 a 5% da velocidade síncrona, dependendo é claro, da categoria do motor como será vista adiante.
Conforme o evidenciado, os motores de indução trifásicos apresentam pequena queda de velocidade quando é aplicada uma carga mecânica em seu eixo, o que caracteriza uma pequena regulação de velocidade.
3.1.1.8 Perdas e rendimento
As perdas elétricas são as perdas que ocorrem devido ao aquecimento dos enrolamentos do estator e do rotor, são conhecidas também por Efeito Joule (R.I2). Podem ser reduzidas, aumentando a seção dos condutores, diminuindo o seu comprimento ou substituindo o material condutor por outro de menor resistividade (quando for possível). Estas perdas crescem quadraticamente com o aumento da carga.
As perdas magnéticas ocorrem nas lâminas de ferro do estator e do rotor. Ocorrem devido ao efeito histerese magnética e às correntes de Foucault (neste caso, correntes parasitas) e variam com a densidade do fluxo e com a freqüência. Podem ser reduzidas pelo melhoramento do material magnético através da granulometria orientada, aumentando a sua permeabilidade magnética e reduzindo a não-linearidade da curva de histerese e também através da redução da espessura das chapas de aço limitando a circulação de correntes induzidas na massa do núcleo. Estas perdas são dependentes do fluxo e, como este é praticamente independente da carga podemos dizer essas perdas são independentes da carga.
As perdas mecânicas são as perdas que ocorrem por atrito nos mancais e na ventilação. Podem ser reduzidas utilizando procedimentos de baixa fricção ou com o aperfeiçoamento do sistema de ventilação. Tais perdas são dependentes da velocidade e, como esta varia pouco, podemos
A dispersão magnética ocorre devido às fugas de fluxo, distribuição de corrente não uniforme, imperfeições mecânicas nas aberturas para escoamento de ar que provocam consequentemente irregularidades na densidade de fluxo ao ser escoado por essas aberturas. Podem ser reduzidas através da otimização do projeto, principalmente no que se trata da produção de peças mecânicas. Atualmente, devido à alta tecnologia no desenvolvimento das máquinas, essas perdas nos motores são muito pequenas, podendo ser consideradas desprezíveis.
O rendimento é definido como a relação entre a potência de saída (potência mecânica no eixo) e a potência de entrada (potência ativa).
Perdas
Pm
Pm
P
Pm
P
P
entrada saída+
=
=
=
η
(eq.24)De acordo com a eq.24, mostrada acima, constatamos que o rendimento do motor depende da potência mecânica fornecida no eixo do motor e das perdas.
Tanto a potência mecânica quanto as perdas dependem da carga que o motor está acionando. Mesmo assim, devemos considerar que as perdas subdividem-se em uma parcela fixa (perdas mecânicas e magnéticas), que não varia em função da carga e uma parcela variável com a carga mecânica no eixo (perdas elétricas).
Portanto com o aumento da carga no eixo, aumentam as perdas, em compensação aumenta também a potência mecânica fornecida pelo motor, logo as perdas acabam tornando-se insignificantes em relação à potência mecânica e isto acarreta num acréscimo no rendimento do motor.
Ao diminuir a carga no eixo, diminuem as perdas, porém a potência mecânica fornecida pelo motor também diminui, logo, as perdas fixas (mecânicas e magnéticas) acabam tornando-se consideráveis em relação à potência mecânica, e isto acarreta num decréscimo no rendimento do motor. Sendo assim, o rendimento dos motores de indução trifásicos, abrange as seguintes faixas de acordo com as respectivas condições de operação:
Tabela 3.1.1 – Faixas de rendimento dos motores
Condição de operação Rendimento
A plena carga 0,80 a 0,90
A meia carga 0,75 a 0,85
A vazio Nulo
Observação: Os grandes motores (de alta potência) apresentam um rendimento maior do que os pequenos motores (de alta potência). Pois nos pequenos motores a potência fornecida é baixa, logo as perdas tornam-se significativas e o rendimento do motor cai. Enquanto que nos grandes motores ocorre o oposto, a potência fornecida é alta comparada com as perdas, elevando o rendimento do motor.
3.1.1.9 Fator de potência
O fator de potência é a porcentagem de potência aparente consumida pelo motor que é transformada em potência ativa.
Portanto, pode ser expresso pela relação entre a potência ativa e a potência aparente, de acordo com a equação abaixo:
)
(
)
(
cos
VA
S
W
P
FP=
ϕ
=
(eq.25)A potência ativa corresponde à potência mecânica fornecida mais as perdas e, portanto varia em função da carga.
Com o aumento da carga, aumenta a potência ativa fornecida, diminuindo o ângulo de defasagem e aumentando o fator de potência, conforme é demonstrado na Fig.3.12b.
Reduzindo a carga no eixo do motor, a potência ativa fornecida por este diminui, aumentando o ângulo de defasagem e diminuindo o fator de potência, conforme é demonstrado na Fig. 3.12a.
Q
S
P
ϕ
Q
S
P
ϕ
a) Fator de potência a vazio. b) Fator de potência a plena carga.
Figura 3.12 – Triângulos de potência do MIT.
Sendo assim, o fator de potência, abrange as seguintes faixas de acordo com as respectivas condições de operação:
Tabela 3.1.2 – Condições de operação de potência
Condição de operação Fator de potência
A plena carga 0,80 a 0,90
A meia carga 0,70 a 0,80
3.1.1.10 Corrente nominal
A corrente de linha solicitada por um motor de indução trifásico pode ser calculada por:
η
ϕ.
cos
.
.
3
736
.
L LU
Pm
I
=
(eq.26)Onde:
I
L = corrente de linha solicitada da rede (em Ampère);Pm
= potência mecânica fornecida no eixo do motor (em cv);736
= fator multiplicador que converte de Watt para cv;3
= constante usada para sistemas trifásicos;L
U
= tensão eficaz de linha (em Volt);ϕ
cos
= fator de potência;η
= rendimento do motor (em decimal).Para dimensionarmos a bitola dos condutores que alimentarão um motor ou um grupo de motores é utilizado um critério prático que já nos fornece a relação em A/cv, conforme é mostrado na equação abaixo:
η
ϕ.
cos
.
.
3
736
L LU
Pm
I
=
(eq.27)Considerando os valores típicos de rendimento e fator de potência (0,86 e 0,82 respectivamente), para uma rede trifásica de 380 V de linha a relação A/cv será igual a:
cv
A
Pm
I
L5
,
1
86
,
0
.
82
,
0
.
380
.
3
736
≅
=
(eq.28)Observação: Esta relação serve para maioria dos casos quando a potência do motor fica entre 5cv e 30cv. Abaixo de 5cv esta relação aumenta e acima de 30cv esta relação tende a diminuir.
3.1.1.11 Fator de Serviço
O fator de serviço é um valor que multiplicado pela potência nominal do motor indica a potência máxima que este pode fornecer em regime contínuo de funcionamento. Por exemplo, um motor com um fator de serviço de 1,15 pode fornecer 15% a mais de potência por tempo indeterminado, sob freqüência e tensão nominais.
3.1.1.12 Categorias
Modificando as características construtivas do rotor, como a construção das ranhuras, formato dos condutores dentro dessas ranhuras, tipo de metal utilizado nessa construção, varia-se os conjugados do motor, especialmente o de partida.
De acordo com a ABNT, os motores de indução trifásicos são classificados em 4 categorias:
Categoria N: apresenta rotor de baixa resistência, por isso possui uma grande defasagem entre a FEM e a corrente rotórica, ocasionando um baixo torque de partida (Tp = 0,65 a 2,0 Tn). Na partida o escorregamento é máximo, fazendo com que a FEM induzida também seja máxima, produzindo uma corrente alta na partida (Ip = 5 a 9 In). Em regime permanente, o escorregamento é baixo devido à baixa resistência (sn < 5%).
As perdas elétricas (R.I2) são baixas em regime permanente devido a baixa resistência,
consequentemente o rendimento do motor é bom (80% a 90%).
Este motor apresenta pequena regulação de velocidade, ou seja, a sua velocidade não se desajusta muito com a variação da carga no eixo (η = 0,99 a 0,95 ηs).
Dos motores de indução este é o mais usado no mundo, acionam cargas que solicitam baixo torque resistente na partida, ou em situações em que parta a vazio. Ex: bombas, máquinas operatrizes, ventiladores entre outras.
Categoria D: apresenta rotor de alta resistência, o que ocasiona uma pequena defasagem entre a FEM e a corrente rotórica, produzindo um alto torque de partida (Tp ≥ 2,75 Tn). Na partida o escorregamento é máximo, porém a impedância no rotor é alta devido à alta resistência, limitando um pouco a corrente na partida que também será alta (Ip = 4 a 6 In), mas não tão alta quanto a corrente nos de baixa resistência. Em regime permanente, a alta resistência faz com que a aumente a indução FEM no rotor para manter a corrente constante no valor solicitado pela carga, e isso é obtido através
As perdas elétricas (R.I2) são altas em regime permanente, pois a corrente ao circular pela alta
resistência do rotor gera um efeito Joule excessivo e, em função deste, o rendimento do motor é baixo (70% a 80%).
Em decorrência das características citadas, este motor apresenta uma grande regulação de velocidade (η = 0,95 a 0,85 ηs).
Este motor é usado para acionamento de cargas que apresentem um elevado torque resistente na partida e, em regime permanente solicitem pouco torque resistente, não sendo portanto, aconselhável o seu uso em regime contínuo, pois o rotor aquecerá demasiadamente, diminuindo o rendimento do motor. Ex: Prensas excêntricas, elevadores e acionamento de cargas com picos periódicos.
Categoria H: apresenta boas características na partida (alto torque) como os motores CAT D e ao mesmo tempo têm boas características de regime permanente (pequeno escorregamento, alto rendimento e pouca regulação de velocidade) como os motores de CAT N.
Este motor assume as vantagens dos dois motores citados anteriormente devido ao aspecto construtivo de suas gaiolas, as quais, apresentam características elétricas e magnéticas distintas. O seu rotor é constituído por duas gaiolas: uma gaiola externa, de alta resistência e baixa indutância e outra gaiola interna, de baixa resistência e alta indutância.
Na partida do motor a corrente começa a circular nas duas gaiolas, de modo que, estas ficam sujeitas a ação de forças mecânicas, dando origem ao torque de arranque do motor.
O torque será alto na partida devido à gaiola externa (de alta resistência), pois embora a reatância seja alta (pois s =1), a resistência da gaiola também é, diminuindo a defasagem entre a FEM e a corrente, aumentando o torque de partida.
A gaiola interna (de baixa resistência) também produzirá um torque de partida, porém este é bem menos significativo que o torque produzido na gaiola externa. Portanto, conclui-se que o torque de partida de um motor de dupla gaiola é obtido pela soma dos torques produzidos nas duas gaiolas, porém com uma contribuição maior da gaiola externa (de alta resistência).
Na medida em que o rotor vai aumentando a sua velocidade, a gaiola externa tende a provocar uma desaceleração devido a sua alta resistência. Pois, para manter a corrente constante no valor em que a carga solicita, é necessário que a FEM induzida nas barras do rotor aumente compensando a alta resistência e, para que isso ocorra, o escorregamento deve aumentar, diminuindo a velocidade do rotor.
Acontece que, próximo da condição de regime permanente, diminui a circulação da corrente pela gaiola externa e a circulação desta tende a crescer na gaiola interna (de baixa resistência) devido a sua baixa impedância. Com isto, a gaiola interna acelera o rotor, reduzindo o seu escorregamento até que o rotor atinja a condição de regime permanente.
Em regime permanente a gaiola interna contorna o problema do escorregamento excessivo, das perdas por efeito Joule e da alta regulação de velocidade, contribuindo para o bom desempenho do motor em regime permanente.
Além disso, o torque permanece alto, pois em regime permanente o escorregamento é baixo, reduzindo a reatância, diminuindo o ângulo de defasagem entre as FEMs e as correntes nas duas gaiolas. Este motor é utilizado para acionamento de cargas que solicitem um alto torque de partida e que, em regime permanente solicitem bom desempenho. Ex: elevadores, esteiras transportadoras, peneiras, guindastes, trituradores entre outros.
Categorias de torque x velocidade de um MIT
Figura 3.13 – Demonstração das curvas características de torque x velocidade de um MIT
Sem categoria: apresenta um rotor bobinado, ligado em estrela, com o mesmo número de pólos do estator. Esses enrolamentos são interligados, através de anéis coletores e escovas a um reostato trifásico. Na partida do motor, devemos aumentar a resistência do reostato para que o motor tenha um alto torque de partida.