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Induction MotorsCasa

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(1)

Motores de Indução

(2)
(3)
(4)

MIT com rotor de gaiola

Pequeno porte

Pequeno porte

Grande porte

(5)
(6)

MIT com rotor bobinado

Manutenção

Manutenção

Tamanho e

calor

gerado

pelo

reostato

Tamanho e

calor

gerado

pelo

reostato

(7)

Motores de Indução

(8)

Torque induzido em um MIT [1]

1.

Tensão 3

f

no estator

2.

Corrente 3

f

no

estator

3.

Campo magnético

girante no estator,

4.

Tensão induzida no

rotor

5.

Corrente no rotor

6.

Campo magnético no

rotor,

barras do

rotor

barras do

rotor

R

B

S

B

ind

e

v B l

(9)

Torque induzido em um MIT [2]

A corrente está

atrasada da tensão no

rotor devido a sua

característica indutiva

ind

(10)

Torque induzido em um MIT [3]

A corrente do rotor

produz uma densidade

de fluxo atrasada de

90º em relação a

corrente.

Esta , interage com

, produzindo um

torque induzido na

máquina

R

B

R

B

S

B

ind

k B

R

B

S

 

Corrente do rotor defasada da tensão no

rotor

(11)

Escorregamento

slip

sync

m

n

n

n

Velocidade do escorregamen to Velocidade do escorregamen to Velocidad e síncrona Velocidad e síncrona Velocidade do eixo do motor Velocidade do eixo do motor

sync

m

sync

n

n

s

n

Escorregament o Escorregament o

rotor

estator

f

 

s f

Freqüência elétrica do rotor Freqüência elétrica do rotor

(12)

Ex 7-1

Um MIT 200V, 10hp, 4 pólos,

60Hz, conectado em Y tem

escorregamento a carga

nominal de 5%.

a.

Qual é a velocidade

síncrona deste motor?

b.

Qual é a velocidade deste

motor a carga nominal?

c.

Qual a freqüência elétrica

do rotor a carga nominal?

d.

Qual é o torque no eixo

do motor a carga

nominal?

1

120

120 60

1

0,95 1710 min

4

f

n

s

p

  

0,05 60 3Hz

r e

f

  

s f

10 746

41, 7 N m

2

1710

60

P

   

 

(13)

Motores de Indução

(14)

Modelo 1

f

de um MIT

Núcleo (Histerese + Foucault)

Cobre Alumínio

(15)
(16)

O modelo do circuito do rotor

0

2

2

2

R

R

R

r

R

e

R

e

R

R

X

L

f L

s f L

s

f L

s X

   

    

    

 

0

0

0

0

R

R

R

R

R

R

R

s E

I

R

j s X

E

R

j X

s

  

 

,eq

R

0

R

R

R

Z

j X

s

 

(17)

0

R

R

R

X

s

0

R

R

R

X

s

C

o

rr

e

n

te

v

e

rs

u

s

ro

ta

çã

o

n

o

r

o

(18)
(19)
(20)

Ex 7-2

Um MIT 480V, 50hp, 60Hz, está drenando uma corrente de

60A com FP 0,85 em atraso. As perdas no cobre do estator e

rotor são de 2kW e 700W respectivamente. As perdas por

atrito e ventilação são de 600W. As perdas no núcleo são de

1800W e as perdas adicionais são desprezíveis. Encontre:

a.

A potência no entreferro

P

AG

b.

A potência convertida

P

conv

c.

A potência de saída

P

out

d.

A eficiência do motor

h

AG in SCL core AG

3 480 60 0,85 1.800 2.000 38,6 kW

P

P

P

P

P

 

conv AG RCL

38, 6 700 37,9 kW

P

P

P

out conv F&W

37,9 600 0 37,3kW

P

P

P

 

out in

37,3

37,3

88%

42, 4

3 480 60 0,85

P

P

h 

 

(21)

Potência e Torque em MITs [1]

eq

1

1

2

2

1

1

C

M

Z

R

j X

G

j B

R

j X

s

 

 

 

(22)

Potência e Torque em MITs [2]

2 SCL

3

1 1

P

  

I R

2 core

3

1 C

P

 

E G

AG in SCL core 2 2 AG

3

2

P

P

P

P

R

P

I

s

  

2 RCL

3

2 2

P

  

I R

AG conv AG RCL 2 2 2 conv 2 2 2 2 conv 2 2 conv AG

3

3

1

3

1

s P

P

P

P

R

P

I

I R

s

s

P

I R

s

P

s P

  

  

  



  



out load m

P

 

in

3

T L

cos

P

  

V I

(23)

Separando RCL da potência no eixo

2

conv

2

2

1

R

s

R

R

R

s

s



(24)

Ex 7-3

Um motor de indução de IV pólos, 460V, 25hp, 60Hz, conectado

em Y tem as seguintes impedâncias em ohms por fase referidas

ao circuitos do estator

As perdas rotacionais totais + no núcleo são de 1100W e são

assumidas constantes. Para um escorregamento de 2,2% a

tensão e freqüência nominais, encontre, no motor, a:

a.

Velocidade

b.

Corrente do estator

c.

Fator de deslocamento

d.

P

conv

e

P

out

e.

ind

e

load

f.

Eficiência

2,2%

120 60

1.800 rpm

1 0,022 1.800 1.760, 4 rpm

4

s sync

n

  

n

R

1

= 0,641 W

R

2

= 0,332 W

X

1

= 1,106 W

X

2

= 0,464 W

X

M

= 26,3 W

2 2 2

0,332

0, 464 15,09

0, 464 15,10 1,76

0,022

R

Z

j X

j

j

s

 

 

 

(25)

Motores de Indução

(26)

Variação da carga [1]

 

ind

net

ind

net

sen

R

R

k B

B

k B B

 

 

(27)

Variação da carga [2]

1.

O

B

R

é diretamente proporcional a corrente

fluindo neste, enquanto o rotor não estiver

saturado. A corrente que flui no rotor

aumenta com o escorregamento

2.

O

B

net

é proporcional a

E

1

3.

O ângulo

entre o

B

R

e o

B

net

pode ser

expresso de uma maneira bastante útil

 

 

90

sen

sen

90

cos

R R R

 

 

  

0

arctg

R

arctg

R R R R

s X

X

R

R

(28)

Corrente do rotor ou

(29)
(30)

Fator de deslocamento

 

0

cos

cos arctg

R

R R

s X

FDesl

R

(31)
(32)

 

 

ind

net

cos

sen

R

R

k B B

 



Sintetizando...

0 R R R X s  0 R R R X s

(33)

Torque Induzido

Equação do torque em um MIT [1]

conv

ind

m

P

AG

ind

sync

P

2

2

AG,1

2

2

2

AG

3

2

R

P

I

s

R

P

I

s

f

  

(34)

E

q

u

iv

a

le

n

te

d

e

T

h

é

v

e

n

in

(35)

Equação do torque em um MIT [2]

TH

2

2

2

1

1

1

TH

1

M

M

M

M

X

V

V

R

R

X

X

X

V

V

X

X

f

f

1

1

TH

1

1

2

TH

1

1

TH

1

M

M

M

M

j X

R

j X

Z

R

j X

X

X

R

R

X

X

X

X

 

 



(36)

Equação do torque em um MIT [3]

TH TH 2 2 TH 2 TH TH 2 TH 2 2 2 TH H 2 T 2

V

V

I

R

Z

Z

R

j X

j X

s

R

R

X

s

I

V

X

 

 

2 2 TH 2 2 AG 2 2 2 2 TH TH 2

3

3

R

V

R

s

P

I

s

R

R

X

X

s

  

2 2 TH ind 2 2 2 sync TH TH 2

3

V

R

s

R

R

X

X

s

(37)

Curva torque-velocidade [1]

2 2 TH ind 2 2 2 sync TH TH 2

3

V

R

s

R

R

X

X

s

(38)
(39)

Curva torque-velocidade [3]

1.

O torque do motor a velocidade síncrona é zero

2.

O intervalo entre o motor estar sem carga e com

carga nominal é praticamente linear (

R

R

>>

X

R

)

3.

O máximo torque do motor não pode ser

excedido. Este é de 2 a 3 vezes o torque nominal

4.

O torque de partida é maior que o nominal,

permitindo que o motor parta com carga

5.

O torque varia com o quadrado da tensão

aplicada

6.

Se o motor gira a uma velocidade maior do que

a síncrona a direção do torque induzido inverte,

e este se torna um gerador de indução

(40)

Máximo torque em um MIT [1]

conv ind m

(41)

Máximo torque em um MIT [2]

source

TH

TH

2

2

2

2

TH

TH

2

2

max

2

2

TH

TH

2

Z

R

j X

j X

R

R

X

X

s

R

s

R

X

X

 

 

Teorema da máxima

transferência de potência

média (ativa)

Teorema da máxima

transferência de potência

média (ativa)

Escorregamento para o qual

ocorre a máxima

transferência de potência

Escorregamento para o qual

ocorre a máxima

(42)

Máximo torque em um MIT [3]

Proporcional ao quadrado da tensão

Inversamente proporcional a impedância do estator

Inversamente proporcional a reatância do rotor

O escorregamento no qual ocorre o torque máximo depende da

resistência do rotor, porém o valor do torque máximo não

depende

 

2

max

2

2

TH

TH

2

2

TH

max

2

2

sync

TH

TH

TH

2

3

2

R

s

R

X

X

V

R

R

X

X

2 TH 1 1 TH 1 M M

X

R

R

X

X

X

X



(43)

Máximo torque em um MIT [4]

 

2 max 2 2 TH TH 2 2 TH max 2 2 sync TH TH TH 2 3 2 R s R X X V R R X X                  2 TH 1 1 TH 1 M M X R R X X X X     

(44)

Ex 7-4

Um motor de indução de II pólos , 50Hz fornece 15kW a uma

carga a velocidade de 2.950rpm.

a.

Qual é o escorregamento do motor

b.

Qual é o torque induzido no motor nestas condições?

c.

Qual será a velocidade de operação do motor se o torque

for dobrado?

d.

Quanta potência será fornecida pelo motor quando o

(45)

Ex 7-5

Um motor de indução de IV pólos, 460V, 25hp, 60Hz, conectado em Y tem

as seguintes impedâncias em ohms por fase referidas ao circuitos do

estator

a.

Qual o máximo torque deste motor?

Qual a velocidade o escorregamento

quando ela ocorre?

b.

Qual é o torque de partida deste motor?

c.

Quando a resistência do rotor é dobrada,

qual é a velocidade na qual o máximo

torque ocorre? Qual é o novo torque de

partida do motor?

d.

Calcule e plote a característica

torque-velocidade deste motor com

a resistência rotórica original e com

a resistência dobrada.

R

1

= 0,641 W

R

2

= 0,332 W

X

1

= 1,106 W

X

2

= 0,464 W

X

M

= 26,3 W

2 2 TH ind 2 2 2 sync TH TH 2

3

V

R

s

R

R

X

X

s

 

2 max 2 2 TH TH 2 2 TH max 2 2 sync TH TH TH 2

3

2

R

s

R

X

X

V

R

R

X

X

(46)

Curva torque-velocidade do MIT do Exemplo 7-5

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 50 100 150 200 250

n

m

ind

Característica torque-velocidade de um Motor de Inducão

R2 Original R2 Dobrado

(47)

Motores de Indução

(48)

Variando a

R

R

com reostato

Torque e corrente de partida

Escorregamento

e eficiência

Manutenção

Preço

Ambientes

agressivos

ou perigosos

conv

1

AG

P

  

s P

(49)

Design do Rotor

NEMA

NEMA

Classe A

Classe B

(50)
(51)
(52)

NEMA e ABNT

C

n

N

H

D

NBR 7094

EB 120

N

A

B

H

C

D

D

(53)

Classes de projeto dos MITS [1]

Classe A

Torque de partida normal

Corrente de partida normal: 5 a 8 vezes a nominal

Baixo escorregamento: menos de 5%

Torque máximo de 2 a 3 vezes o nominal com um

baixo escorregamento (menos de 20%)

Torque de partida aproximadamente 2 vezes o

nominal

Motores acima de 7,5 hp normalmente opta-se por

partidas suaves

(54)

Classes de projeto dos MITS [2]

Classe B

Torque de partida normal (mesmo do Classe A)

Corrente de partida baixa (25% menos que o

classe A)

Baixo escorregamento: menos de 5%

Torque máximo de pouco mais de 2 vezes o

nominal (menor do que o de Classe A), por causa

do aumento na reatância do rotor

Torque de partida aproximadamente 2 vezes o

nominal

Menores correntes de partida do que os de Classe

A

(55)

Classes de projeto dos MITS [2]

Classe C

Torque de partida alto

Corrente de partida baixa

Baixo escorregamento: menos de 5%

Torque máximo um pouco menor do que os de

Classe A

Torque de partida aproximadamente 2,5 vezes o

nominal

Motores de dupla gaiola

Mais caros

Usados em aplicações que exijam alto torque de

partida: bombas carregadas, compressores e

esteiras.

(56)

Classes de projeto dos MITS [2]

Classe D

Torque de partida muito alto (2,75 vezes o

nominal)

Corrente de partida baixa

Alto escorregamento (tipicamente de 7 a 11%,

pode atingir 17% ou mais)

A alta resistência rotórica desloca o torque

máximo para rotações mais baixas. O torque

máximo ocorre na partida

Usado em aplicações de inércia extremamente

(57)

Ex 7-6

Um motor de indução de IV pólos, 460V, 30hp, 60Hz, conectado

em Y tem dois possíveis projetos de rotor: gaiola simples e dupla

(o estator não muda). O rotor de gaiola simples foi modelado e as

seguintes impedâncias em ohms por fase referidas ao circuitos

do estator:

Para o rotor com dupla gaiola pode-se modelar: a gaiola externa

fortemente acoplada, de alta resistência e a gaiola interna

fracamente acoplada de baixa resistência.

Os dados do rotor são:

Compare graficamente a característica torque-velociade de

ambos os projetos de rotores.

R

1

= 0,641 W

R

2

= 0,332 W

X

1

= 1,106 W

X

2

= 0,464 W

X

M

= 26,3 W

R

2o

= 3,200 W X

2o

= 0,500 W

R

2i

= 0,400 W

X

2i

= 3,300 W

o = out

i = in

o = out

i = in

(58)

Curva torque-velocidade do MIT do Exemplo 7-6

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 100 200 300 400 500 600 n m  ind

Características torque-velocidade de um MIT

Gaiola Simples Gaiola Dupla

(59)

Motores de Indução

(60)

Evolução dos MITs, 220 V / 15 hp

Um motor moderno de 100 hp tem o mesmo tamanho que um motor de 7,5 hp fabricado em 1.897

(61)
(62)

Consumo de Energia Elétrica na Indústria

Processos Eletroquímicos 19.00%

Iluminação

2.00%

Motores

55.00%

Refrigeração 6.00% Aquecimento 18.00%

Fonte: Procel

(63)

Motores de Alto Rendimento [1]

Motores Standard em geral são projetados

tendo em vista o menor custo de aquisição

Motores de Alto Rendimento são projetados

tendo em vista também o rendimento

Conseqüência

rendimento maior

custo maior (10-30% a mais)

Vantagens

proporciona economia de energia

adicional retorna antes do final da vida útil

(64)

Motores de Alto Rendimento [2]

Chapas Magnéticas:

melhor qualidade

menor espessura

maior volume de chapas

menores perdas por histerese

menores perdas por correntes parasitas

Rolamentos

menor coeficiente de atrito

menores perdas rotacionais

(65)

Motores de Alto Rendimento [3]

Enrolamentos do Rotor e Estator

cobre a alumínio de menor resistividade

maior seção transversal

menores perdas joule

menores perdas por efeito pelicular

Ventilador

projetado para maior eficiência

(66)

Motores de Alto Rendimento [4]

Dimensões Principais

Diâmetro do rotor, comprimento axial, formato e

dimensões das ranhuras, etc projetadas tendo em

vista o rendimento

Processo de Fabricação

menores tolerâncias mecânicas

menores imperfeições e desbalanços

(67)

Motores de Alto Rendimento [5]

Outras Vantagens

menor temperatura de trabalho

maior vida útil

menor necessidade de manutenção

maior capacidade de sobrecarga

melhor rendimento em baixas cargas

(68)

Comprimento do rotor e

do estator maiores para

diminuir a densidade de

fluxo no entreferro

Comprimento do rotor e

do estator maiores para

diminuir a densidade de

fluxo no entreferro

Motores de Alto Rendimento [6]

volume de cobre maior

Chapas de baixas perdas elétricas e magnéticas

Entreferro menor e

mais uniforme

Mais aço utilizado no estator da máquina, permitindo maior troca de calor e menores perdas por

ventilação

Mais aço utilizado no estator da máquina, permitindo maior troca de calor e menores perdas por

ventilação

Rotor e estator

com lâminas

muito finas e

de alta

resistividade

Rotor e estator

com lâminas

muito finas e

de alta

resistividade

Barras do

rotor mas

espessas

(69)

Decreto no 4.508-2002

1

1.

5

2

3

4

5

6

7.

5 10

12

.5 15 20 25 30 40 50 60 75 100 125 150 175 200 250

75

80

85

90

95

100

Standard

Potência (cv)

R

e

n

d

im

e

n

to

(

%

)

(70)

Motores de Indução

(71)

[1]

Valores máximos são especificados pela

norma ABNT NBR 7094, em forma

de kVA / cv ou kVA / kW

cv

kW

kVA / cv

kVA / kW

> 0,54 <= 8,6

> 0,4 <= 6,3

9,6

13

> 8,56 <= 34

> 6,3 <= 25

8,8

12

> 34 <= 140 > 25 <= 100

8,1

11

> 140 <= 860 > 100 <= 630

7,4

10

3

3

kVA

cv

(cv) 10

p

I V

P

 

(72)

Potência e Corrente com rotor bloqueado

[2]

A norma NEMA classifica

em letra código

Cód.

KVA/cv

Cód.

KVA/cv

A

0 – 3,14

L

9,0 – 9,99

B

3,15 – 3,54

M

10,0 – 11,09

C

3,55 – 3,99

N

11,2 – 12,49

D

4,0 – 4,99

P

12,5 – 13,99

E

4,5 – 4,99

R

14,0 – 15,99

F

5,0 – 5,59

S

16,0 – 17,99

G

5,6 – 6,29

T

18,0 – 19,99

H

6,3 – 7,09

U

20,0 – 22,39

J

7,1 – 7,99

V

22,4 - MAIOR

K

8,0 – 8,99

kVA

cv

Ip In . 0,736

. cos

h

f

(73)
(74)
(75)
(76)

Motores de Indução

(77)

Controle de velocidade dos MITs

Variando o número de pólos

Método dos pólos conseqüentes (Dahlander)

Múltiplos enrolamentos

Variando a freqüência

Variando a tensão

Variando a resistência rotórica

sync

120 f

n

p

(78)
(79)
(80)
(81)
(82)

Múltiplos enrolamentos + Dahlander

[2]

(83)

freqüência [1]

Freqüências abaixo da nominal

 

 

cos

sen

p p

v t

V

t

V

t

t

N

V

k

f

f

 

3

cos

P

  

V I

a potência e o

torque no eixo

diminuem porque a

tensão cai

(84)

Controle de velocidade pela variação da

freqüência [2]

(85)

freqüência [3]

(86)

Controle de velocidade pela mudança da

tensão de linha

2

n

V

C k

V

  

(87)
(88)
(89)

Controladores de estado sólido para MITs [2]

120 V / 60 Hz

120 V / 60 Hz

120 V / 30 Hz

(90)

Controladores de estado sólido para MITs [3]

120 V / 60 Hz

120 V / 60 Hz

60 V / 60 Hz

(91)

120 V / 60 Hz

120 V / 60 Hz

60 V / 30 Hz

60 V / 30 Hz

40 V / 20 Hz

40 V / 20 Hz

(92)
(93)
(94)
(95)
(96)
(97)
(98)
(99)

Motores de Indução

Determinação dos parâmetros do modelo do

circuito

(100)
(101)
(102)

Ensaio CC para medição da resistência do

estator

1

2

DC

DC

V

R

I

(103)

Ensaio de rotor bloqueado

1 1 2 ' 1 2

3

3

L L T LR L LR rated LR LR test

V I

V

V

Z

I

I

R

R

R

f

X

X

X

X

f

f

 

(104)

Ensaio de rotor bloqueado

(105)
(106)

Ex 7-8

Os seguintes dados de ensaio foram obtidos em um motor de indução de 7,5

hp, IV pólos, 208 V, 60 Hz, design A, conectado em Y tendo uma corrente

nominal de 28 A.

Teste CC:

Teste a vazio:

Teste com rotor bloqueado:

Desenhe o circuito equivalente por fase. Encontre o escorregamento para o

torque máximo e o valor do torque máximo.

V

DC

= 13,6 V

I

DC

= 28,0 A

V

T

= 208 V

I

C

= 8,18 A

I

A

= 8,12 A

f = 60 Hz

I

B

= 8,20 A

P

in

= 420 W

V

T

= 25 V

I

C

= 27,6 A

I

A

= 28,1 A

f = 15 Hz

I

B

= 28,0 A

P

in

= 920 W

(107)
(108)

Motores de Indução

(109)
(110)

Vantagens e desvantagens

Devido a não ter um circuito de campo

separado, não é possível a regulação de

tensão

Sempre consome reativos

Sustentado por uma fonte externa conectada

ao sistema

Simplicidade

Ausência do circuito de campo

Não é necessário estar em uma velocidade

(111)
(112)

No ponto de intersecção:

 Demanda de reativos igual a

oferta

Tensão de circuito aberto

No ponto de intersecção:

 Demanda de reativos igual a

oferta

(113)
(114)

Referências

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