06_Motor trifásico de corrente alternada_Aluno

(1)

Eletricidade Industrial

FATEC MAUÁ

PROFESSOR: Ms VOLPIANO PROFESSOR: Ms VOLPIANO

MOTOR TRIFÁSICO DE CORRENTE

ALTERNADA

Mikhail

Mikhail DolivoDolivo--DobrovolskyDobrovolsky Nikola

(2)

Protótipo do Motor de Ferraris 1888

Motores de Corrente Alternada

1888

Motor Elétrico de Indução criado por Tesla em 1888

Motor Trifásico de Motor Trifásico de Dolivo

(3)

O motor de corrente alternada trifásico possui a função de converter de forma eficiente a energia elétrica em energia mecânica, é composto por uma peça fixa chamada estator onde são montados os três enrolamentos trifásicos, e uma peça móvel chamada rotor, que possui um conjunto de barras conectadas em curto-circuito.

(4)

Funcionamento do Motor Trifásico:

Ao alimentar o enrolamento do estator com três tensões trifásicas

defasadas em 120° graus cria-se nesses enrolamentos um campo

magnético girante que induz corrente no enrolamento do rotor, que

por sua vez cria um campo magnético induzido.

O campo magnético induzido no rotor tende a se alinhar com o campo

magnético girante produzido no estator e desta forma o rotor gira

transformando a energia elétrica em movimento mecânico.

Existe um atraso no acoplamento magnético entre o campo girante do

estator e o campo induzido no rotor. Este atraso faz com que a rotação

mecânica no eixo do rotor, esteja abaixo da rotação síncrona do

campo girante do estator. Em função desta característica este motor é

chamado de assíncrono porque não existe sincronismo entre a rotação

do campo girante e a rotação mecânica no rotor.

(5)

Geração do Campo Magnético Girante Produzido no Estator do Motor

Cada bobina é alimentada por uma corrente alternada que varia senoidalmente com o tempo. Sob condições trifásicas balanceadas as correntes instantâneas são:

) 3 2 t. ω ( sen . Imáx ) t ( Ic ) 3 2 t. ω ( sen . Imáx ) t ( Ib ) t. ω ( sen . Imáx ) t ( Ia

π

+ = − = =

(6)

Condições para realizar a análise do campo magnético girante

Os pontos e cruzes indicam as direções de referência para as correntes, o ponto indica corrente saindo da bobina e as cruzes indicam corrente entrando na bobina.

Utilizando a regra da mão direita é possível descobrir a posição espacial do fluxo magnético gerado em cada bobina.

Se a corrente que circula pela bobina for positiva, ela entra nas pontas (A,B,C) e sai nas pontas (-A,-B,-C), se for negativa a corrente pode entra nas pontas (-A,-B,-C) e sai nas pontas (A,B,C).

1° caso 2° caso 3° caso

(7)

Para os Três Casos

1° caso 2° caso

Fmáx

.

2

3 FR

=

1° caso 2° caso

(8)

Rotação Síncrona (Ns) em (rpm)

É a rotação do campo magnético girante, a qual depende do número

de pólos (np) do motor e da frequência (f) da rede.

A rotação síncrona de um motor de 2 pólos em 50Hz será:

)

rpm

(

np

f

.

120 Ns

=

→

rpm 3000 Ns 2 50 . 120 Ns np f . 120 Ns = → = → = rpm 3600 Ns 2 60 . 120 Ns np f . 120 Ns = → = → =

A rotação síncrona de um motor de 2 pólos em 60Hz será:

A rotação síncrona de um motor de 2 pólos em 50Hz será:

(9)

Número de pólos

Rotação síncrona Ns

Frequência em 60Hz

2 3600 rpm

4 1800 rpm

Para a frequência da rede igual a 60Hz as velocidades síncronas são:

4 1800 rpm

6 1200 rpm

(10)

NÚMERO DE PÓLOS

S N N S S N S N

(11)

Escorregamento (S)

O escorregamento mede a diferença entre a rotação síncrona do

campo girante (Ns) e a rotação mecânica do rotor (Nr), pode ser

expresso em rpm ou como fração da rotação síncrona, ou como

porcentagem desta

EXEMPLO:

Qual o escorregamento porcentual de um motor de 6 pólos, 60Hz, se a rotação mecânica no eixo do rotor for igual a 1150 rpm ?

Nr Ns

rpm

S = −

do rotor for igual a 1150 rpm ?

% 17 , 4 % S % 100 . 1200 1150 1200 % S % 100 . Ns Nr Ns % S rpm 1200 Ns 6 60 . 120 Ns np f . 120 Ns = →       − =       − = = → = → = % 100 . Ns Nr Ns % S Ns Nr Ns S       − = − =

(12)

Velocidade mecânica no rotor

Exemplo

A rotação síncrona de um motor é igual a 900 rpm, sabendo que o

escorregamento é igual a 3% calcule a rotação mecânica no rotor.

(

1 S

)

.

Ns

rpm

Nr

=

−

→

escorregamento é igual a 3% calcule a rotação mecânica no rotor.

(

)

(

1

0 ,

03

)

.

900 Nr

873 rpm

Nr

Ns

.

S

1 Nr

=

→

−

=

−

=

(13)

Tipos de ligação

LIGAÇÃO SÉRIE PARALELA

VL = 220V VL = 440V

Ligação Estrela / Dupla estrela

127V

(14)

Ligação Triângulo / Duplo triângulo

220V

VL = 220V VL = 440V

220V

(15)

Ligação Estrela Triângulo

220V _220V

(16)

Ligação em tripla tensão nominal

220V VL = 220V 220V _220V VL = 380V VL = 440V 220V _220V 220V

(17)

Curva do conjugado versus rotação

(18)

Categorias - valores mínimos normalizados

Categoria N

“Conjugado de partida normal, corrente de partida normal, e baixo escorregamento”. Weg

“Constituem a maioria dos motores encontrados no mercado para utilização em acionamento de cargas normais, como bombas, máquinas operatrizes e ventiladores”. Weg

Categoria H

“Conjugado de partida alto, corrente de partida normal; e baixo escorregamento”. Weg

escorregamento”. Weg

“Usados para cargas que exigem maior conjugado na partida, como peneiras, transportadores e carregadores, cargas de alta inércia, e britadores”.

Weg

Categoria D

“Conjugado de partida alto, corrente de partida normal, e alto escorregamento (mais de 5%). Usados em prensas excêntricas e máquinas semelhantes, onde a carga apresenta picos periódicos. Usados também em elevadores e cargas que necessitam de conjugados de partida muito altos e correntes de partida limitada”. Com base em Weg.

(19)

Curva do conjugado versus rotação para as diferentes categorias

(20)

Classes de isolação

“As classes de isolação utilizadas em máquinas elétricas e os respectivos limites de temperatura, conforme a (ABNT NBR 17094 e IEC 60034-1), são os seguintes:” Weg

• Classe A - 105ºC • Classe E - 120ºC • Classe B - 130ºC • Classe F – 155ºC • Classe H - 180ºC

Classes de isolação A E B F H Temperatura ambiente ° C 40 40 40 40 40 ∆t = elevação de temperatura ° C 60 75 80 100 125 Diferença entre o ponto mais quente e a

temperatura média ° C 5 5 10 15 15 Total: temperatura no ponto mais quente ° C 105 120 130 155 180

(21)

Graus de proteção (IP)

Segundo o manual de especificação de motores Weg, tem-se:

“Os invólucros dos equipamentos elétricos em função do local que serão instalados e sua acessibilidade devem oferecer um determinado grau de proteção. Por exemplo, se um equipamento tiver que ser instalado em um local que possui partículas em suspensão no ar como nas indústrias moveleiras ou em um local sujeito a jatos de água, este equipamento deve possuir um invólucro capaz de proteger as partes internas contra a entrada das partículas em suspensão ou contra a entrada de água”.

“A norma NBR 9884/IEC 60034-5 define os graus de proteção dos equipamentos

elétricos por meio das letras características IP seguida por dois algarismos segundo as tabelas:” Weg

“O primeiro algarismo do código indica o grau de proteção contra a penetração

de corpos sólidos e contato acidental”. Weg

“O segundo algarismo do código indica o grau de proteção contra a penetração

(22)

1° Algarismo

Algarismo Indicação

0 Sem proteção

1 Corpos estranhos com dimensão acima de 50mm 2 Corpos estranhos com dimensão acima de 12mm

Graus de proteção (IP) tabelas

2 Corpos estranhos com dimensão acima de 12mm 3 Corpos estranhos com dimensão acima de 2,5mm 4 Corpos estranhos com dimensão acima de 1mm

5 Proteção contra acumulo de poeiras prejudiciais ao motor 6 Totalmente protegido contra poeira

(23)

Graus de proteção (IP) tabelas

2° Algarismo

Algarismo Indicação

0 Sem proteção

1 Pingos de água na vertical

2 Pingos de água até a inclinação de 15° com a vertical 3 Água de chuva até a inclinação de 60° com a vertical 4 Respingos de todas as direções

5 Jatos de água de todas as direções

6 Água de vagalhões

7 Imersão temporária

8 Imersão permanente

(24)

Equações eletromecânicas do motor

Potência mecânica

( )

Tm

( )

.

₇₃₆

wrotor

(

)

Pmec

_cv

=

Nm rd/ s

Torque

( )

(

)

cv Nm

wrotor

736 .

Pmec

Tm

=

Corrente nominal

( )

(

motor

)

motor cv

cos

.

VL

.

3

736 .

Pmec

IL

Inm

ϕ

η

=

Conversão de unidades

(

)

Tm

( )

Tm

=

Nm

( )

(

rd / s

)

Nm

wrotor

Tm

=

Rendimento

( )

kW cv motor

P

736 .

Pmec

=

η

(

)

( )

(

)

NR

( )

.

₃₀

w

81 ,

9 Tm

Tm

rpm s / rd rotor Nm kgfm

π

=

(25)

( ) ( )

( )

₍

( )

₎

motor kW motor kVA motor motor cv kW motor cos P S aparente Potência 736 . Pmec P ativa Potência ϕ η = =

Triângulo das potências do motor

Q motor

(

)

( )

( ) ( )

(

)

motor motor sen . S Q motor do reativa Potência Fp acos carga da Ângulo cos Fp potência de Fator ϕ ϕ ϕ = = =

P motor

(26)

Exemplo de aplicação

Um motor de 15 CV seis pólos esta conectado em uma rede de alimentação trifásica de 220V com frequência de 60Hz, o motor possui as seguintes características nominais:

Rendimento igual a 83%

Fator de potência igual a 0,85 Escorregamento de 2%

De acordo com os valores calcule:

a-) O valor da rotação síncrona e da rotação mecânica no eixo do motor. a-) O valor da rotação síncrona e da rotação mecânica no eixo do motor. b-) O valor do torque do motor em (Nm) e em (Kgfm)

c-) O valor da corrente nominal do motor.

(27)

(

1 S

)

. Ns Nr

(

1 0,02

)

.1200 Nr 1176 rpm Nr rpm 1200 Ns 6 60 . 120 Ns Np f . 120 Ns ) a = → − = → − = = → = → =

Respostas

( ) Pmec( ) .

( )

736 Tm( ) 15 .

( )

736 Tm( ) 89,64 Nm Tm ) b cv = → = → = ( ) ( )

( )

( ) ( )

( )

_{( )} ( ) ( ) ( ) Tm( ) 9,14 Kgfm 81 , 9 64 , 89 Tm 81 , 9 Tm Tm Nm 64 , 89 Tm 30 . 1176 736 . 15 Tm wrotor 736 . Pmec Tm Kgfm Kgfm Nm Kgfm Nm Nm s / rd cv Nm = → = → = = →       = → =

π

(28)

( ) ( )

(

)

( )

A 07 41, Inm 5 0,8 . 3 0,8 . 220 . 3 736 . 15 Inm cos . η . VL . 3 736 . cv Pmec Inm ) c motor motor = = → =

ϕ

( ) ( )

( )

( ) aparente Potência kW 3 , 13 P 3 0,8 736 . 15 P η 736 . Pmec P ativa Potência ) d kW motor kW motor motor cv kW motor = → = → = ( )

₍

( )

₎

( ) ( )

( )

(

)

( ) ( )

(

)

( )

(

)

( ) 8,25 kvar Q 8 , 31 sen . kVA 65 , 15 Q sen . S Q motor do reativa Potência 8 , 31 5 0,8 acos Fp acos carga da Ângulo kVA 65 , 15 S 5 0,8 kW 3 , 13 S cos P S aparente Potência kvar motor kvar motor motor kVA motor kvar motor motor motor motor kVA motor kVA motor motor kW motor kVA motor = ° = → = ° = → = → = = → = → = ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ

(29)

Acoplamento mecânico

Redutores

Redutor é um equipamento mecânico que possui a função de

reduzir a rotação e aumentar o torque na carga .

motor carga redutor do relação redutor motor carga

N

)

.

T

(

T

=

η

(30)

Transmissão utilizando polias e correias

D1 → Diâmetro da polia 1

D2 → Diâmetro da polia 2

N1 → Rotação na polia 1

N2 → Rotação na polia 2

2 N

.

2 D

1 N

.

1 D

=

(31)

Transmissão do momento torsor ou torque

Por definição o torque é igual ao produto da força tangencial

pelo raio da polia

)

Nm

(

unidade

r

.

F

T

=

(32)

Exemplo de Fixação

Redutor

Dado o sistema mecânico abaixo calcule a potência mecânica do

motor e seu número de pólos

Rede Elétrica T carga = 960 Nm

N carga = 88 rpm ῃ redutor = 80%

relação do redutor = 1:20

Motor Elétrico Redutor Carga Mecânica

redução de relação motor carga redução de relação redutor motor carga

N

)

.

T

(

T

=

η

(33)

Isolando a rotação e o torque do motor

Nm

60 T

)

20 .

8 ,

0 (

960 T

.

η

T

motor motor redutor do relação redutor carga motor

=

→

=

rpm

1760

N

)

20 (

.

)

88 (

N

.

N

motor motor redutor do relação carga motor redutor do relação motor carga

=

→

=

→

=

( )

(

)

( )

60 .

(

₇₃₆

184 ,

31 )

Pmec

( )

15 cv

Pmec

736 )

30 .

1760

(

.

60 Pmec

736 wrotor

.

Tm

Pmec

cv cv cv s / rd Nm cv

=

→

=

→

=

π

pólos

4 de

Motor

(34)

Sabendo que a tensão de linha na rede de alimentação é igual a 220V trifásica com frequência igual a 60Hz, o rendimento e o fator de potência do motor são iguais a 88,5% e 0,83, sendo (Ip/In = 8,3).

De acordo com os dados calcule :

A corrente nominal do motor e a corrente de partida do motor

( )

(

)

( )

A

39,44

IL

Inm

0,83

.

0,885

.

220 .

3

736 .

15 IL

Inm

cos

.

η

.

VL

.

3

736 .

Pmec

IL

Inm

motor

do

Nominal

Corrente

motor motor cv

=

→

=

ϕ

A

39,44

IL

Inm

=

327,4A

Ip

39,44

.

8,3

Ip

In

.

8,3

Ip

8,3

In

Ip

Motor

do

Partida

de

Corrente

=

→

=

→

=

(35)

Exemplo de Fixação

Polias

Dado o sistema mecânico abaixo calcule a potência mecânica do

motor e seu número de pólos

Carga Mecânica Polia 2 D2 = 400mm TL = 25 Kgfm NL = 583 rpm Motor Rede Elétrica Polia 1 D1 = 200mm D2 = 400mm Ƞ polia = 80%

(36)

Resolução

Cálculo da força tangencial na polia 2

Cálculo da rotação na polia Polia 1

pólos

6 de

Motor

rpm

1166

1 N

2 ,

0 )

583 .

4 ,

0 (

1 N

1 D

)

2 N

.

2 D

(

1 N

2 N

.

2 D

1 N

.

1 D

→

=

→

=

→

=

→

=

N

1225

Fp

2 ,

0

245 Fp

r

TL

Fp

r

.

Fp

TL

2 Polia

na

Tangencial

Força

Nm

245 TL

81 ,

9 .

25 TL

81 ,

9 .

TL

) N ( 2 ) N ( 2 ) m ( 2 ) Nm ( ) N ( 2 ) m ( 2 ) N ( 2 ) Nm ( ) Nm ( ) Nm ( ) Kgfm ( ) Nm (

=

→

=

→

=

→

=

(37)

Cálculo da força tangencial na polia 1

N

1531

Fp

8 ,

0 1225

Fp

1 1 polia 2 1

=

→

=

→

=

η

Cálculo da potência mecânica do motor

Nm

1 ,

153

1 Tp

)

1 ,

0 (

.

)

1531

(

1 Tp

1 rp

.

1 Fp

1 Tp

1 =

Fp

1 .

rp

1 →

Tp

1 =

(

1531

)

.

(

0 ,

1 )

→

Tp

1 =

153 ,

1 Nm

Tp

=

→

=

→

=

CV

25 Pmec

736

30 .

1166

.

1 ,

153 Pmec

736 .

1 Tp

Pmec

) cv ( 1 p ) cv ( ) s / rd ( ) Nm (

=













=

→

=

π

ω

(38)

( )

(

)

3 .

380 .

( )

0,80

.

0,85

736 .

25 IL

Inm

cos

.

η

.

VL

.

3

736 .

Pmec

IL

Inm

motor

do

Nominal

Corrente

motor motor cv

_→

₌

=

ϕ

Sabendo que a tensão de linha na rede de alimentação é igual a 380V trifásica com frequência igual a 60Hz, o rendimento e o fator de potência do motor são iguais a 80% e 0,85, sendo (Ip/In = 7,9).

De acordo com os dados calcule :

A corrente nominal do motor e a corrente de partida do motor

O triângulo das potências e o fator de potência visto pela rede de alimentação

(

)

A

41,11

IL

Inm

0,85

.

0,80

.

380 .

3 cos

.

η

.

VL

.

3

_motor _motor

=

ϕ

A

8 ,

4

32 Ip

41,11

.

7,9

Ip

In

.

7,9

Ip

7,9

In

Ip

Motor

do

Partida

de

Corrente

=

→

=

→

=

(39)

( ) ( )

( )

( ) ( ) ( )

₍

( )

₎

( ) ( )

(

potência

)

de Fator kVA 06 , 27 S 85 , 0 kW 23 S cos P S aparente Potência kW 23 P 8 , 0 ) 736 ( . 25 P 736 . Pmec P ativa Potência kVA motor kVA motor motor kW motor kVA motor kW motor kW motor motor cv kW motor = → = → = = → = → = ϕ η

(

)

( )

( ) ( )

(

)

( )

(

)

( ) 14,26kvar Q 79 , 31 sen . kVA 06 , 27 Q sen . S Q motor do reativa Potência 79 , 31 85 , 0 acos Fp acos carga da Ângulo 85 , 0 Fp cos Fp kvar motor motor kVA motor kvar motor motor motor motor motor = ° = → = ° = → = → = = → = ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ

(40)

Exemplo de Aplicação

Polias

Dado o sistema mecânico abaixo calcule a potência mecânica do

motor e seu número de pólos

Carga Mecânica Polia 2 D2 = 100mm TL = 9,18 Kgfm NL = 1760 rpm Motor Rede Elétrica Polia 1 D1 = 200mm D2 = 100mm Ƞ polia = 75%

(41)

(42)

EXERCÍCIO DE APLICAÇÃO

O motor abaixo possui as seguintes características nominais:

Rendimento igual a 85% e fator de potência igual a 0,73, sabendo que a tensão de linha da rede é igual à 380V com freqüência igual à 60Hz.

Para o redutor tem-se:

Rendimento do redutor = 75%, Relação de redução do redutor = [1 : 15]. Torque na carga TL= 425 Nm, Rotação na carga NL = 174 RPM.

Com os valores calcule

a-) O número de pólos do motor

b-) O torque na ponta do eixo do motor em Nm e em Kgfm c-) A potência mecânica em CV do motor

d-) O valor de cada capacitor para elevar o fator de potência para 0,94 F2 F1 F3 Rede Trifásica potência para 0,94

e-) Dimensione os fusíveis F1, F2 e F3

Banco de capacitores Polia 1 Polia 2 D2 = 50 mm D1 = 150 mm Ƞ polia = 70% Motor Redutor Carga

(43)