EXP6 ELETRO II – PROJETOS_PROC PROD

I. Título : Máquinas rotativas – Controle automático da chave de partida estrela/triângulo, freio magnético

II. Objetivo

Conhecimento de um sistema automático de configuração λ - ∆ na partida de motores trifásicos, de modo a se reduzir o pico de corrente na partida. Uso da chave temporizada. Conhecimento do freio eletromagnético.

III. Conteúdo :

1 MAQUINAS ROTATIVAS 1.1 Características Gerais

Maquinas de corrente alternada: São divididas entre :

a) Maquinas assíncronas – velocidade nominal diferente da velocidade do campo girante – velocidade síncrona

b) Motores e máquinas síncronas – velocidade igual a do campo girante c) Geradores e motores

Os motores CA de indução (maquinas assíncronas) são os mais utilizados dados as suas características de simplicidade, robustez e baixo custo. A parte fixa da máquina chama-se ESTATOR e contém os enrolamentos responsáveis pelo campo magnético

Figura 2a – estator sem carcaça Figura 2b – estator com carcaça

1.2 Campo Girante; escorregamento

Quando temos 3 (ou múltiplos de 3) bobinas instaladas com um ângulo de 1200 _{entre si e alimentadas por}

um sistema trifásico de tensões, a resultante do campo magnético obtido no seu interior é um vetor girante em função do tempo, como indicado na figura abaixo.

A velocidade de rotação do campo girante define a chamada “velocidade síncrona” (NS) do motor.

Figura 3

Devido a variação do fluxo magnético no interior das espiras curto-circuitadas ( nas barras de alumínio do rotor), haverá o aparecimento de uma corrente induzida nestas espiras e portanto dará origem a força, pois estão em uma região onde existe campo magnético.

A força que aparece nos condutores (barras do rotor) dá origem ao conjugado (torque) que faz o motor girar.

Define-se como escorregamento (s) :

Ns N Ns

S= − Onde: Ns = velocidade síncrona(rotação) _{N = velocidade do rotor}

S = escorregamento

Em função desta situação obtém-se o seguinte comportamento de conjugado (torque) e corrente em função da velocidade (rotação). A sobrecorrente no início é devido ao fato do motor ter que vencer a inércia para a rotação.

Figura 5

A parte móvel é denominada ROTOR e este junto com o eixo.

Os motores mais utilizados apresentam o enrolamento do ROTOR constituído por um conjunto de barras metálicas não isoladas e interligadas por anéis de curto-circuito “enrolamento em gaiola” motor em gaiola (gaiola de esquilo)

Os motores de indução trifásicos são os mais utilizados no mundo devido ao seu alto rendimento, reduzida manutenção e simplicidade de funcionamento e baixo custo.

1.3 Partida estrela/triângulo

Como existe a possibilidade de ligar o motor (ou outros equipamentos trifásicos) na ligação estrela e na ligação triângulo, em cada uma destas situações são obtidas as seguintes características de conjugados e correntes em função da rotação.

Figura 6

Para evitar problemas na instalação elétrica que alimenta motores deste tipo, é usual ate o momento o emprego da chave de partida estrela/triângulo, que pode ser manual ou automática.

Entende-se por chave manual aquela onde a comutação, passagem da ligação estrela para a ligação triângulo é feita pelo operador e automática a que é realizada pelo próprio equipamento.

Esta técnica de acionamento é utilizada em motores CA de indução trifásicos, que apresente pelo menos 6 terminais de ligação possibilitando a ligação em dupla tensão – ligação estrela e ligação triângulo (127V/220V; 220V/380V; 380V/660V)

A partida Estrela-Triângulo é normalmente utilizada quando a curva do conjugado do motor tenha valores tais que garantam a aceleração do motor em correntes reduzidas.

Na ligação estrela, a corrente de partida se reduz a 33% do valor necessário para a ligação triângulo. Desta forma para o uso de uma partida Estrela-Triângulo, será necessário verificar se o conjugado de partida assume valores suficientes para acionar a máquina.

A chave Estrela-Triângulo, em geral, só pode ser empregada em partida de máquinas em vazio (sem carga) somente após ter atingido a rotação nominal (velocidade) a carga pode ser aplicada, e normalmente é utilizado para motores Pnom ≤ 50 CV, para potências maiores é utilizada a chave compensadora, que utiliza

A montagem mais comum da chave automática emprega 3 contatores, e utiliza o seguinte circuito principal ( circuito por onde passa a corrente que aumenta a carga, motor):

M 3~ 5 (U) 1 (Z) 6 (V) 2 (X) 4 (W) 3 (Y) R S T (FUSÍVEIS) C1 F1, 2, 3 F4 C2 ( ) C3 ( ) PARA O CIRCUITO DE COMANDO MOTOR TRIFÁSICO Figura 7 Para efetuar o comando utiliza-se o circuito a seguir:

F4 B1 B2 (DESLIGA) (LIGA) CIRCUITO DE FORÇA C1 D1 2 C3 C3 C2 C2 C1 D1 a1 a1 a1 a1 a2 a2 a2 a2 1 Figura 8 Onde: C1 – contator principal C2 – contator para ligação

triângulo

C3 – contator para ligação estrela

F1, 2, 3 – fusíveis para proteção contra curto-circuito F4 – relé térmico (proteção

contra sobre-cargas) D1 – relé de tempo eletrônico

IV. Parte experimental:

1 Material utilizado

- Conjunto De Lorenzo – Acionamento Motor 3 φ - 03 contatores

- 01 relé de tempo (CEOL)

- 01 relé térmico (Siemens) 2,5 – 4,5 A - 01 motor 3φ - conjunto De Lorenzo - 01 botoeira Liga-desliga

- 01 amperímetro AC

- 01 multiteste (miliamperímetro DC)

- 01 freio eletromagnético DL – 10300A – De Lorenzo 24 VDC 1,5 A 4000rpm

- 01 cosifimetro

- Cabos de ligação banana-banana

2 Descrição do funcionamento:

a) pressionando o botão B2 “ LIGA”, aplica-se tensão nas bobinas do contator C1 e alimenta-se o relé de tempo.

Como o contato de comutação do relé de tempo está com o contato NF fechado, também é aplicada tensão na bobina do contator de ligação em estrela C3. Nesta situação, podemos observar através do circuito de força que o motor estará em funcionamento com os enrolamentos (bobinas) ligados em estrela.

b) No relé de tempo há um circuito eletrônico que processará a mudança da ligação do contato de comutação da posição 1 para 2, após ter passado o intervalo de tempo selecionado ( de 0 a 60 segundos). Quando ocorre a comutação, a bobina do contator de ligação estrela (C3 ) deixa de ser alimentada e passa a ocorrer a alimentação da bobina do contator de ligação triângulo ( C2). Havendo portanto a mudança da ligação das bobinas do motor, de estrela para triângulo.

O intervalo de tempo a ser ajustado no relé deve ser de tal valor que permita o motor atingir uma velocidade (rotação) próxima a nominal, de modo que quando o motor passa a ser alimentado em triângulo, portanto com uma tensão 3 vezes maior que aquela em que estava em estrela, a aceleração a ser realizada é pequena não ocasionando portanto uma sobrecorrente muito elevada (em geral inferior a 3 vezes a corrente nominal, e não 3 a 8 vezes como aconteceria se o motor estivesse partindo diretamente em triângulo).

3 Montagem

Para verificação do funcionamento da chave de partida Estrela/Triângulo automática, com temporizador, foi montado para demonstração no laboratório a seguinte configuração:

Caixa de alimentação (DL 10281), chave principal a esquerda na posição “A” que permite a saída trifásica operar em 24V

3.1 Esquema de ligação V1 V2 V6 V5 C2 ( ) C3 ( ) B V V 75V L1 L2 L3 MÓDULO DL 10281 (ALIMENTAÇÃO) A A 15A MOTOR TRIFÁSICO FREIO ELETROMAGNÉTICO TACÔMETRO ( rpm )

EIXO DO MOTOR MULTÍMETRO

0 - 10A (DC.A) 0-40V L1 L2 - + + -W1 W2W6 W5 U1 U2 U6 U5 C1 F4 Figura 9 3.2 Circuito de comando F4 B1 B2 (DESLIGA) (LIGA) 220V (BANCADA) C1 D1 2 C3 C3 C2 C2 C1 D1 a1 a1 a1 a1 a2 a2 a2 a2 1 Onde: C1 – contator principal C2 – contator para ligação

triângulo

C3 – contator para ligação estrela

F1, 2, 3 – fusíveis para proteção contra curto-circuito F4 – relé térmico (proteção

contra sobre-cargas) D1 – relé de tempo eletrônico

a) Identificar os medidores:

- tensão para alimentação do motor; - corrente para alimentação do motor; - rotação do motor;

- tensão aplicada no freio; - corrente no freio

b) Realizar o processo de partida do motor, sem carga (corrente no freio = 0), e observa-se a mudança de ligação do motor de estrela para triângulo, a cerca de 70 a 80% da rotação nominal (motor de 2 pólos: rotação síncrona : 3600 rpm).

c) Observar as variações de corrente, no instante da partida em estrela e quando ocorre a passagem para triângulo. I I N (rotação síncrona) N (rotação nominal) s nom Comutação da ligação para Rotação (% rpm) I I 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 6 _nom Figura 11

Em termos de variação do conjugado (torque) Rotação (% rpm) C _C Ponto de trabalho 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 resistente C C C 1 2 3 4 5 6 _nom N N s nom Comutação da ligação para Figura 12

d) Observa-se que a rotação nominal é um pouco inferior (± 10% abaixo) da rotação síncrona ( do campo girante). O conjugado resistente ao movimento é realizado neste momento apenas por atrito e sistema de ventilação.

e) Também podemos observar nesta montagem que, se alimentarmos o freio, de modo a produzir um acréscimo no conjugado resistente, a rotação diminui e a corrente solicitada pelo motor aumento.

f) Se aumentarmos o conjugado resistente para um valor acima do conjugado máximo do motor, este perderá a capacidade de acionar a carga e sua rotação pode se reduzir a zero (para) o que pode ocasionar danos no motor por aquecimento, os quais podem ser evitados com o uso do relé térmico (bimetálico) que atua na proteção contra sobrecargas, desligando a tensão de alimentação do motor, por atuação na malha de comando (contator principal).

Rotação (% rpm) C C 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 resistente 2 C C C 1 2 3 4 5 6 _nom C resistente 3 C resistente C resistente 4 C resistente 1 Figura 13

A corrente de ajuste do relê térmico é da ordem de 15% acima da corrente nominal do motor, porém como sua atuação ocorre devido ao aquecimento do bimetal sua resposta é tanto lenta em termos de tempo de atuação, devendo ser ajustada de modo a não danificar o motor ou condutores de alimentação.

NOTAS:

1 Acionamento com motor elétrico

Característica “Conjugado x Velocidade” em motores elétricos

Entende-se por acionamento elétrico um sistema capaz de efetuar a conversão de energia elétrica em energia mecânica, produzindo o trabalho necessário e mantenha a ação de controle sobre o processo da conversão.

Para um sistema dotado de movimento de rotação a potência pode ser escrita segundo a relação: P = C. ωωωω

Onde P potência em

ω

, C conjugado (torque) em N.m e

ω

velocidade angular do movimento em rad/s. Desta forma, dizer que uma carga mecânica necessita uma determinada potência significativa dizem que esta carga necessita de um conjugado (torque) C a uma dada velocidade de rotação ω.

A conhecida curva característica conjugado X velocidade C + f(ω) é uma característica fundamental para o processo de seleção do motor adequado ao acionamento.

- conjugado constante (aproximadamente independente da rotação C = cte.) Ex. – guias, guinchos, correias transformadores (velocidade cte ) guindastes

Conjugado com variação linear da velocidade (C = K .

ω

) Ex. plainas, serras para madeira, bombas de pistas moinho de rolos.

Conjugado com variação parabólicas (C=K .

ω

2₎

Ex.- ventiladores, misturadores, exaustores, compressores, bombas centrífugas, centrifugas Conjugado com variação Hiperbólica (C=K/

ω

)

Variação do conjugado inversamente proporcional a velocidade Ex – máquinas operatrizes em geral, frezadora, mandrilhadora Curva característica “Conjugado x Velocidade” ( C = f(ω)) Para motores elétricos

Mostra a dependência do conjugado (torque) desenvolvido por um motor elétrico e sua velocidade (rotaçã0 Os motores elétricos apresentam um decréscimo do conjugado (torque) para velocidade crescentes.

Para motores de indução (assíncronos), o conjugado (torque) varia com a velocidade (rotação) conforme a curva a seguir:

ω

ω

ω

C C C C Motor máx. p mín. nom. C s nom (rad/s) Figura 14 Onde: Cmáx. – conjugado máximo Cp – conjugado de partida Cmín. – conjugado mínimo

ω

n – velocidade nominal

ω

s – velocidade síncrona

Na velocidade síncrona (

ω

s ) o conjugado (torque) é nulo.

A medida que a carga ( conjugado resistente – Cr) vai aumentando a velocidade um valor de carga tal que o conjugado (torque) é o máximo que motor pode desenvolver em velocidade (rotação) normal.

C (C ) C C C C Motor Carga Rotação (% rpm) resistente R máx. p mín. nom. C Figura 15

2 Chave Temporizada

Temporizador Eletrônico Modelo AE – Coel

“bobina” contatos

Figura 16 3 Freio Eletromagnético

Os freios eletromagnéticos têm o mesmo propósito dos freios convencionais: causar uma desaceleração num sistema que está em movimento.

Os chamados freios convencionais operam por aplicação de uma pressão sobre um dado material, de modo que este ,material, entre em contato com a parte móvel. Devido a fricção entre estas partes, a energia cinética se converte gradualmente em calor, ocorrendo a desaceleração. A grande desvantagem dos freios convencionais consiste no desgaste das partes que se friccionam, resultando em sua troca a partir de um determinado período utilização.

A constituição básica de um freio eletromagnético é tal que nenhuma parte se toca fisicamente. Um freio eletromagnético, é constituído por um disco de metal conectado a um eixo e submetido a um campo magnético cujas linhas de aço de sua força, interceptam o disco.

Para causar a desaceleração, uma corrente elétrica passa por um enrolamento, criando um campo magnético.

O movimento do disco metálico através o campo magnético causa o aparecimento de correntes induzidas na massa deste disco, chamada “corrente de Foucault”.

Estas correntes de Foucault causam o aparecimento de um campo magnético que se opõe ao campo que originou as correntes (Lei de Lenz).

Como conseqüência desta oposição ao movimento o disco desacelera e parte da energia absorvida pelo disco causará um aquecimento deste.

A ação do freio poderá ser controlada, variando-se a corrente de excitação do campo eletromagnético. Cabe observar também que a ação do freio está estritamente ligada à velocidade de rotação do disco. Desta forma, maior a velocidade de rotação do disco, maior será a ação do freio. Como conseqüência, em baixas velocidades o efeito de frenagem é muito fraco, o que desaconselha o uso de freio eletromagnético para motores lentos.

4 Medida de conjugado e rendimento C= Conjugado (Torque)

C= G x b G= peso em N B= braço em m

Potência mecânica resistente no eixo devido a ação do freio (Pr):

60 .n.C 2. Pr = π (W) n = rotação em rpm C = conjugado medido em Nm

Potência elétrica absorvida pelo motor (Pm):

Pm = √3 . Vl . Il . cos ϕ Pm Pr = η Exemplo: Valores medidos: G = 1,5 N b = 0,10 m n = 3400 rpm Vl = 25 V Il = 4,2 A Cos ϕ = 0,98 C = 0,15 x 1,5 = 0,255 Nm Pr = 2 π x 3400 x 0,15x 1,5 = 80 W Pm = 25 x 4,2 x 0,98 = 198 W η = 80 = 0,45 ⇒ η (%) = 45% 198

Componentes do kit “De Lorenzo”

1. Base da Placa 2. Suporte de sustentação

3. Encaixe de acoplamento 4. Conexão flexível 5. Transdutor eletrônico de velocidade 6. Parafuso

7. Chave yale 8. Estator C.C.

9. Estator C.ª 10. Rotor com comutador

11. Suporte com 2 escovas 12. Motor gaiola

MODALIDADE_______________________________ TURNO:__________ DATA:_____/_____/_____ NOME:________________________________________________ No. DE MATRÍCULA: _____________ NOME:________________________________________________ No. DE MATRÍCULA: _____________ NOME:________________________________________________ No. DE MATRÍCULA: _____________ NOME:________________________________________________ No. DE MATRÍCULA: _____________ NOME:________________________________________________ No_{. DE MATRÍCULA: _____________}

1 Comente a necessidade do uso da chave de partida estrela/Triângulo:

2 Em que momento da partida é efetuado a mudança da ligação estrela para a ligação triângulo?

3 Comente o que você consegue observar da atuação do relé bimetálico (térmico) na proteção de circuitos com motores, nesta experiência:

4 O que é o freio eletromagnético?

5 O que é um relê de tempo?