CAPÍTULO 7MOTORES DE INDUÇÃO 7.1 INTRODUÇÃO ÀS MÁQUINAS ELÉTRICAS As máquinas elétricas podem ser classificadas em dois grupos: a) geradores, que transformam energia mecânica oriunda de uma fonte externa (como a energia potencial de uma queda d’água ou a energia cinética dos ventos) em energia elétrica (tensão); b) motores, que produzem energia mecânica (rotação de um eixo) quando alimentados por uma tensão (energia elétrica), como se vê na Figura 7.1. Figura 7.1 – Fluxo de energia em motores elétricos. Vê-se, então, que geradores e motores só se diferenciam quanto ao sentido de transformação da energia, possuindo ambos a mesma básica, formada por um elemento fixo, chamado estator, e outro móvel, capaz de girar (o rotor). Nesses elementos são fixados enrolamentos onde a corrente circula: um desses enrolamentos é capaz de gerar os campos magnéticos necessários ao funcionamento da máquina e é chamado enrolamento de campo; o outro é chamado enrolamento de armadura (ou induzido, no caso de geradores). Em algumas máquinas, a armadura está no estator e o enrolamento de campo no rotor; em outras ocorre o inverso. O tipo de corrente (CC ou CA) que circula nesses enrolamentos estabelece qual o tipo de máquina. A Figura 7.2 mostra os diversos tipos de máquinas disponíveis; dentre todas elas, destacam-se os motores assíncronos (ou de indução), utilizado na maior parte dos equipamentos que requerem acionamento elétrico. Por sua importância, resultado de sua confiabilidade, baixo custo e versatilidade, os motores de assíncronos terão maior destaque neste curso. De acordo com Filippo Filho (2002), aproximadamente 40% de toda a energia elétrica consumida no Brasil é usada para o acionamento de motores elétricos, sendo que no setor industrial cerca de 50% da energia consumida deve-se a este tipo de máquina elétrica. Segundo o mesmo autor, há estimativas de que exista grande número de instalações industriais no Brasil onde mais de 80% do consumo deva-se a motores elétricos. 61 Figura 7.2 – A “árvore” das máquinas elétricas 7.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Na região em torno de um ímã acontecem alguns fenômenos especiais, como a atração de pedacinhos de ferro ou o desvio da agulha de uma bússola. Diz-se que nesta região existe um campo magnético, o qual pode ser representado por linhas de indução (figura 7.3a). Também ao redor de um condutor percorrido por corrente elétrica existe um campo magnético, que pode ser intensificado se este condutor for enrolado, formando uma bobina ou enrolamento (Figura 7.3b). Nesses casos, a intensidade do campo magnético é diretamente proporcional à corrente. (a) (b) Figura 7.3 – Campo magnético: (a) de um ímã; (b) de um enrolamento (bobina) percorrido por corrente. 62 Campos magnéticos são mensurados através de uma grandeza chamada indução magnética (simbolizada pela letra B), cuja unidade no SI é o Tesla (T). O valor de B é maior nas regiões onde as linhas estão mais concentradas. Denomina-se fluxo magnético (símbolo o) ao número de linhas de indução que atravessa a superfície delimitada por um condutor (uma espira, por exemplo). Esta grandeza é medida em Webbers (Wb), no SI. Em 1831, Michael Faraday descobriu que quando o fluxo magnético em um enrolamento varia com o tempo, uma tensão u é induzida nos terminais da mesmo; o valor desta tensão é diretamente proporcional à rapidez com que o fluxo varia. Então, a Lei de Faraday (ou Lei da Indução Eletromagnética) pode ser expressa por dt d N u o = (7.1) onde N = número de espiras do enrolamento do/dt = velocidade de variação do fluxo magnético Se os pólos de um ímã forem postos a girar ao redor de uma espira, como representado na Figura 7.4, o fluxo nesta varia com o tempo, induzindo uma tensão entre seus terminais; se estes formarem um percurso fechado, haverá neles a circulação de uma corrente induzida i. Figura 7.4 – Ação de motor No estudo do Eletromagnetismo, aprende-se que se um condutor estiver imerso em um campo magnético e for percorrido por corrente elétrica, surge uma força de interação dada por B i F = (7.2) onde F = força de interação B = valor da indução magnética = comprimento dos lados da espira i = intensidade da corrente no condutor É esta força que produz um conjugado nos lados da espira, fazendo-a girar (ação de motor). A Figura 7.5 mostra os campos magnéticos formados pela alimentação trifásica em um motor, no qual os enrolamentos de campo estão localizados no estator. O campo magnético de cada fase é representado por um vetor e a soma vetorial dos mesmos dá o campo resultante. Observa-se que o efeito é o de um ímã girando ao redor do rotor, produzindo a ação de motor, tal como descrita no parágrafo anterior. A velocidade com que esse campo girante opera é chamada velocidade síncrona (n s ), dada por 63 P f 120 n s × = (rpm) (7.3) onde f = freqüência da rede de alimentação (em Hz) P = número de pólos do motor Figura 7.5 – Formação de campo girante num motor trifásico O número de pólos do motor é obtido através da forma de execução dos enrolamentos de campo; este número sempre é inteiro e par. Assim, pode-se construir motores com qualquer número de pólos, embora no comércio estejam disponíveis apenas motores de 2, 4, 6 ou 8 pólos. A velocidade de um motor de indução sempre será menor que a síncrona 1 , caso contrário não se conseguiria a variação de fluxo necessária para induzir corrente no enrolamento de armadura. Denomina-se escorregamento (s) à relação (%) 100 n n n s s s × ÷ = (7.4) onde n s = velocidade síncrona (em rpm) n = velocidade do motor (em rpm) 7.3 ESTRUTURA E CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS A Figura 7.6 mostra a estrutura de motor de indução, que compreende 1 Por isso esses motores são também chamados assíncronos. 64 Figura 7.6 – Estrutura de um motor de indução fechado - Estator É construído com chapas de material magnético e recebe o enrolamento de campo, cujas espiras são colocadas em ranhuras, como mostra a Figura 7.7. Aí se situa o enrolamento de campo, que pode ser mono ou trifásico. A maneira como esse enrolamento é construído determina o número de pólos do motor, entre outras características operacionais. Suas pontas (terminais) são estendidas até uma caixa de terminais, onde pode ser feita a conexão com a rede elétrica de alimentação. (a) (b) Figura 7.7 – Enrolamento de campo de um motor de indução: (a) execução dos enrolamentos; (b) núcleo com enrolamento completo. - Rotor O enrolamento de armadura é montado no rotor. No caso mais comum, ele é constituído de condutores retilíneos interligados nas duas extremidades por anéis de curto-circuito (Figura 7.8a), o que lhe dá a forma de uma gaiola. Existe um outro tipo de rotor, dito bobinado, onde os terminais das fases do 65 enrolamento de armadura são ligados a anéis deslizantes, permitindo a inserção de elementos que auxiliem na partida do motor. Na Figura 7.8b mostra-se o rotor completo, com o eixo posicionado, na ponta do qual há uma flange. (a) (b) Figura 7.8 – Enrolamento de armadura de um motor de indução: (a) rotor gaiola; (b) rotor montado (corte). Fazem parte do motor, ainda, as tampas dianteira e traseira, que servem de proteção, e o ventilador que auxilia no resfriamento dos enrolamentos. As principais dimensões dos motores são mostradas na Figura 7.9. Elas são normatizadas por duas entidades: - a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), a qual é filiada à International Eletrotechnical Comission (IEC) - a National Electrical Manufacturers Association (NEMA) Figura 7.9 - Dimensões dos motores de acordo com a ABNT/IEC (letras entre parênteses) e a NEMA. A Tabela 7.1 mostra as dimensões conforme especificações das duas entidades 2 . No caso das especificações da ABNT/IEC, as máquinas são designadas pela altura da ponta de eixo (H), seguida de uma letra, a qual pode ser S (de short = curta), M (de medium = média) ou L (de long = longa); essa letra designa a relação entre o comprimento da carcaça (B) e a altura da ponta de eixo (H). 2 Embora no Brasil valham somente as normas da ABNT, é importante ter conhecimento das especificações da NEMA, já que a importação de motores para os EUA é expressiva; além disso, alguns equipamentos importados são acionados por máquinas especificadas de acordo com as normas da NEMA. 66 Tabela 7.1 – Dimensões padronizadas das máquinas elétricas conforme a ABNT/IEC e a NEMA ABNT/IEC H A B C K D E ABNT/IEC H A B C K D E NEMA D 2E 2F BA H U N-W NEMA D 2E 2F BA H U N-W 90 S 90 140 100 56 10 24j6 50 200 L 200 318 305 133 19 55m6 110 143 T 88,9 139,6 101,6 57,15 8,7 22,2 57,15 326 T 203,2 317,6 304,8 133 16,7 54 133,4 90 L 90 140 125 56 10 24j6 50 225 S 225 356 286 149 20 60m6 140 145 T 88,9 139,6 127 57,15 8,7 22,2 57,15 364 T 228,6 355,6 285,6 149 16,7 60,3 149,2 112 S 112 190 114 70 12 28j6 60 225 M 225 356 311 149 20 60m6 140 182 T 114,3 190,4 114,4 70 10,7 18,6 69,9 365 T 228,5 355,6 311,2 149 16,7 60,3 149,2 112 M 112 190 114 70 12 28j6 60 250 S 250 406 311 168 25 65m6 140 184 T 114,3 190,4 136,4 70 10,7 28,6 69,9 404 T 254 406,4 311,2 168 20,6 73 184,2 132 S 132 216 140 89 12 38k6 80 250 M 250 406 349 168 25 65m6 140 213 T 133,4 216 139,6 89 10,7 34,9 85,7 405 T 254 406,4 349,2 198 20,6 73 184,2 132 M 132 216 178 89 12 38k6 80 280 S 280 457 368 190 25 75m6 140 215 T 133,4 216 177,6 89 10,7 34,9 85,7 444 T 279,4 457,2 368,4 190 20,6 85,7 215,9 160 M 160 254 210 108 15 42k6 110 280 M 280 457 419 190 25 75m6 140 254 T 158,8 254 209,6 108 13,5 41,3 101,8 445 T 279,4 457,2 419,2 190 20,6 85,7 215,9 160 L 160 254 254 108 15 42k6 110 315 S 315 508 406 216 30 80m6 170 256 T 158,8 254 254 108 13,5 41,3 101,6 504 Z 317,5 508 406,4 215,9 31,8 92,1 269,9 180 M 180 279 241 121 16 48k6 117,5 315 M 315 508 457 216 30 80m6 170 284 T 177,8 279,6 241,2 121 13,5 47,6 117,5 505 Z 317,5 508 457,2 215,9 31,8 92,1 269,9 180 L 180 279 279 121 15 48k6 110 335 M 355 610 560 254 30 100m6 210 286 T 177,8 279,6 279,6 121 13,5 47,6 117,5 586 368,3 584,2 558,8 254 30 96,4 295,3 200 M - - - - - - - 355 L 355 610 630 254 30 100m6 210 324 T 203,2 317,6 266,8 133 16,7 54 133,4 587 368,3 584,2 635 254 30 96,4 295,3 Além das dimensões, uma importante característica dos motores é seu índice de proteção, dado pelas letras IP seguindas de dois algarismos. O primeiro indica a proteção contra a penetração de corpos sólidos estranhos e contato acidental; o segundo refere-se à proteção contra a penetração de água. O significado dos algarismos é dado na Tabela 7.2. Tabela 7.2 – Índice de proteção dos motores 1 o ALGARISMO 2 o ALGARISMO 0 Sem proteção 0 Sem proteção 1 Corpos estranhos de dimensões maiores que 50 mm (toque acidental com a mão) 1 Pingos de água na vertical 2 Corpos estranhos de dimensões maiores que 12 mm (toque com os dedos) 2 Pingos de água até a inclinação de 15 o com a vertical 4 Corpos estranhos de dimensões maiores que 1 mm (ferramentas) 3 Pingos de água até a inclinação de 60 o com a vertical 4 Respingos em todas as direções 5 Jatos de água em todas as direções 6 Água em vagalhões 7 Imersão temporária 5 Proteção contra acúmulo de poeira prejudicial ao motor (proteção completa contra toques) 8 Imersão permanente Obviamente, não se podem encontrar motores com quaiquer combinações desses dois algarismos. Os índices de proteção mais comuns são: 12, 22, 23, 44, 54 e 55; os 3 primeiros são considerados motores abertos e os demais são motores fechados. Uma última característica construtiva dos motores é sua classe de isolamento, que diz respeito à máxima temperatura de trabalho de seus enrolamentos. As classes são A (105 o C), E (120 o C), B (130 o C), F (155 o C) e H (180 o C). A ultrapassagem desses valores produz a degradação do isolamento dos enrolamentos, reduzindo a vida útil do 67 motor e podendo provocar curtos-circuitos, caso em que a máquina precisará ser rebobinada. 7.4 MOTORES TRIFÁSICOS. CARACTERÍSTICAS NOMINAIS Quando comparados com os motores monofásicos de mesma potência e velocidade, os trifásicos só apresentam vantagens: - são menos volumosos e têm menor peso (em média 4 vezes); - têm preço menor; - podem ser encontrados em uma ampla faixa de potência (tipicapente de ¼ a 500 cv); - não necessitam de dispositivo de partida, o que diminui seu custo e a necessidade de manutenção; - apresentam rendimento maior e fator de potência mais elevado, o que se reflete em menor consumo (em média 20% menos) O único ponto desfavorável é que os motores trifásicos necessitam de rede trifásica para a alimentação, o que nem sempre está disponível nas instalações. As principais características dos motores de indução são indicadas na placa de identificação, semelhante à mostrada na Figura 7.10. As principais informações obtidas nesta placa são apresentadas a seguir. Figura 7.10 – Placa de identificação de um motor de indução (WEG Motores S.A.) 7.4.1 Potência Nominal Um motor elétrico recebe potência da rede elétrica (potência de entrada, P e ) e a transforma em potência mecânica (potência na saída, P s ) para o acionamento de uma carga acoplada ao eixo (Figura 7.11). A diferença entre as perdas na entrada e na saída constitui-se na perda do motor, e pode ser relacionada por seu rendimento (n), dado por 68 e s P P = n (7.5) Figura 7.11 – Fluxo da potência em um motor A potência nominal de um motor é a máxima potência que a máquina é capaz de disponibilizar continuamente em seu eixo quando alimentada com tensão e freqüência nominais. É a potência na saída do motor e, sendo do tipo mecânico, é normalmente expressa em cv ou hp. Os motores de indução abrangem uma ampla faixa de potência, tipicamente de ¼ até 500 cv; a Tabela 7.3 mostra a potência nominal (em cv e kW) de uma linha de motores com 2 pólos. Tabela 7.3 – Características de motores de indução trifásicos, 2 pólos, com alimentação de 220 V, 60 Hz (WEG Motores SA) CONVENÇÕES P = potência nominal C n = conjugado nominal cos m = fator de potência n = velocidade nominal C p = conjugado de partida FS = fator de serviço I n = corrente nominal C max = conjugado máximo J = momento de inércia (GD 2 ) I p = corrente de partida n = rendimento t p = tempo com rotor bloqueado a quente P cos % P n % P n (cv) (kW) Carcaça ABNT rpm I n * (A) I p /I n C n (kgf/m) C p /C n C max /C n 50 75 100 50 75 100 FS J (kgm 2 ) t p (s) Peso (kg) 0,16 0,12 63 3450 0,8 5,7 0,03 3,8 4,1 43 49 53 0,58 0,67 0,76 1,35 0,0003 9,0 6,0 0,25 0,18 63 3450 1,1 5,9 0,05 3,9 4,1 48 55 58 0,60 0,69 0,75 1,35 0,0003 8,0 6,5 0,33 0,25 63 3430 1,3 5,0 0,07 2,9 3,1 53 60 65 0,71 0,74 0,75 1,35 0,0004 8,0 6,5 0,5 0,37 63 3410 1,8 5,2 0,10 2,8 2,9 60 65 67 0,76 0,79 0,80 1,25 0,0004 8,5 6,5 0,75 0,55 71 3400 2,6 5,4 0,15 3,2 3,0 60 67 71 0,66 0,76 0,78 1,25 0,0005 7,5 7,5 1,0 0,75 71 3420 3,2 6,8 0,20 2,6 2,8 57 65 68 0,72 0,82 0,88 1,25 0,0006 6,0 9,9 1,5 1,1 80 3480 4,8 7,8 0,30 3,5 3,3 63 70 72 0,68 0,78 0,84 1,15 0,0016 6,0 15 2,0 1,5 80 3400 6,0 6,2 0,40 2,9 3,1 72 76 77 0,76 0,81 0,83 1,15 0,0016 6,0 16 3,0 2,2 90S 3460 9,0 7,0 0,60 3,3 3,1 72 76 78 0,75 0,80 0,82 1,15 0,0023 6,0 20 4,0 3 90L 3490 12,0 8,1 0,80 3,7 3,2 72 77 79 0,70 0,77 0,81 1,15 0,0026 6,0 23 5,0 3,7 100L 3500 14,0 9,0 1,00 2,7 3,4 65 71 75 0,76 0,85 0,91 1,15 0,0064 6,5 32 6,0 4,5 112M 3510 16,0 8,6 1,20 2,5 3,5 75 81 83 0,78 0,84 0,87 1,15 0,0088 6,0 41 7,5 5,5 112M 3490 20,0 7,8 1,50 2,6 3,4 74 80 81 0,78 0,85 0,89 1,15 0,0104 6,5 45 10 7,5 132S 3480 27,0 7,2 2,00 2,0 3,2 73 76 77 0,86 0,90 0,93 1,15 0,0179 6,0 59 12,5 9,2 132M 3510 33,0 8,4 2,50 2,4 2,7 74 78 79 0,84 0,89 0,93 1,15 0,0210 6,0 67 15 11 132M 3500 38,0 8,7 3,00 2,6 3,7 78 81 82 0,88 0,91 0,93 1,15 0,0229 6,0 73 20 15 160M 3520 52,0 8,8 4,00 2,5 3,5 74 80 81 0,85 0,89 0,92 1,15 0,0530 6,0 114 25 18,5 160M 3510 62,0 8,2 5,00 2,6 3,4 80 82 83 0,89 0,91 0,93 1,15 0,0620 6,0 123 30 22 160L 3490 74,0 7,9 6,00 2,5 3,4 76 82 83 0,87 0,91 0,94 1,15 0,0680 6,5 134 40 30 200M 3560 100 7,2 8,0 3,3 2,6 76 82 84 0,87 0,90 0,92 1,15 0,3200 11,0 232 50 37 200L 3570 125 8,0 10,0 3,4 3,0 77 83 85 0,87 0,90 0,91 1,00 0,3330 8,5 249 60 45 225S/M 3565 150 7,0 12,0 2,0 2,5 85 87 88 0,82 0,87 0,89 1,00 0,4000 12,0 347 75 55 225S/M 3560 180 8,0 15,0 2,8 3,0 80 88 90 0,87 0,89 0,89 1,00 0,4800 10,0 385 100 75 250S/M 3575 235 7,5 20,0 2,5 2,7 84 86 90 0,88 0,90 0,91 1,00 0,6100 7,0 475 125 90 280S/M 3575 300 7,6 25,0 1,3 2,8 82 86 88 0,89 0,90 0,91 1,00 1,2200 8,0 645 150 110 280S/M 3575 360 7,3 30,0 1,5 2,7 83 87 88 0,90 0,91 0,91 1,00 1,2700 25,0 676 175 132 315S/M 3565 420 7,5 35,0 1,9 2,6 81 86 88 0,90 0,91 0,91 1,00 1,4900 16,0 780 200 150 315S/M 3570 480 6,6 40,0 1,5 2,1 82 87 89 0,90 0,91 0,91 1,00 1,4900 27,0 807 250 185 315S/M 3570 580 7,0 50,0 1,5 2,4 88 90 91 0,89 0,91 0,91 1,00 2,0000 25,0 1076 300 220 355M/L 3565 730 6,0 60,0 1,1 2,0 82 86 89 0,88 0,89 0,89 1,00 3,1400 35,0 1126 350 260 355M/L 3570 800 6,6 70,0 1,2 2,1 90 91 92 0,89 0,90 0,91 1,00 3,6200 34,0 1300 400 300 355M/L 3570 930 6,6 80,0 1,3 2,4 90 91 92 0,89 0,90 0,91 1,00 3,9800 35,0 1380 450 330 355M/L 3570 1040 6,8 90,0 1,4 2,5 91 92 92 0,90 0,91 0,91 1,00 4,5900 30,0 1510 * Para obter a corrente em 380V multiplicar por 0,577. Em 440 multiplicar por 0,5. 69 É interessante lembrar que nem sempre um motor estará operando com potência nominal. O percentual de plena carga (k) expressa o quanto dessa potência nominal está sendo utilizada pelo motor, isto é n u P P = k (7.6) onde P u = potência que está sendo usada (cv, hp ou W) P n = potência nominal do motor (cv, hp ou W). O conhecimento de k é importante porque tanto o rendimento (n) como o fator de potência (cosm) variam com esta grandeza: os fabricantes de motores costumam forner estes valores para 3 situações de percentual de plena carga (50%, 75% e 100%), como se pode ver na Tabela 7.3. Observa-se ali que os maiores valores de n e de cosm ocorrem quando a máquina está operando a plena carga. Chama-se fator de serviço (FS) ao fator que, aplicado à potência nominal, indica a carga permissível que pode ser aplicada continuamente ao motor, sob condições especificadas 3 . Este valor está na faixa de 1,0 a 1,35 e, de maneira geral, pode-se dizer que motores menores têm maior FS (V. Tabela 7.3) 7.4.2 Freqüência Nominal Os motores são projetados para trabalhar com uma determinada freqüência, referente à rede de alimentação, admitida uma variação máxima de ±5% (NBR 7094/96). No Brasil, a freqüência padronizada é 60Hz; entretanto, existem muitos equipamentos importados de países onde a freqüência é 50Hz. A Tabela 7.4 mostra as alterações que acontecem a motores de indução bobinados para 50Hz quando ligados em rede de 60Hz. Tabela 7.4 – Alterações das características de motores de indução enrolados para 50Hz quando ligados em rede de 60Hz. Motor enrolado para 50Hz Ligação em 60Hz U (V) U (V) Rotação nominal Potência nominal Conjugado nominal Corrente nominal Conjugado de partida Conjugado máximo Corrente de partida 220 220 1,20 1,00 0,83 1,00 0,83 0,83 0,83 380 380 1,20 1,00 0,83 1,00 0,83 0,83 0,83 380 440 1,20 1,15 0,96 1,00 0,96 0,96 0,96 440 440 1,20 1,00 0,83 1,00 0,83 0,83 0,83 500 500 1,20 1,00 0,83 1,00 0,83 0,83 0,83 500 550 1,20 1,10 0,91 1,00 0,91 0,91 0,91 660 660 1,20 1,00 0,83 1,00 0,83 0,83 0,83 7.4.3 Velocidade Nominal É aquela desenvolvida pelo motor quando utilizando sua potência nominal, alimentado por tensão e freqüência nominais. Não deve ser confundida com a velocidade síncrona (n s ) , dada pela Equação 7.3 Já se viu que a velocidade de um motor sempre será menor que a síncrona; a diferença entre a velocidade nominal e a síncrona é dada pelo escorregamento nominal, 3 Todo o motor é capaz de fornecer potência superior à nominal a fim de atender a picos de exigências das cargas, porém só é capaz de fazê-lo por breves instantes sem correr o risco de danos. 70 conforme Equação 7.4. Para a maioria dos tipos de motores de indução, este escorregamento está na faixa de 3-5%. 7.4.4 Tensão Nominal. Ligação de Motores Trifásicos É a tensão ou grupo de tensões 4 de alimentação do motor, admitindo-se uma variação máxima de 10%. Os motores trifásicos sempre são ligados à tensão de linha da rede elétrica. Os valores de alimentação mais comuns são 220, 380, 440, 660 e 760V. Esses motores podem ser constituídos por 1 ou 2 grupos de enrolamentos trifásicos. No primeiro caso, como são 3 enrolamentos, cada qual com um início e um fim, haverá 6 terminais disponíveis (motor de 6 pontas); no outro caso, um dos grupos pode ou não estar conectado internamente, configurando motores de 9 ou 12 pontas. A identificação dos terminais não é padronizada: alguns fabricantes usam números, enquanto outros usam letras. Neste trabalho, a menos que expresso em contrário, usar- se-á a identificação de terminais mostrada na Figura 7.12. Figura 7.12 – Identificação de terminais de motores trifásicos: (a) de 6 pontas; (b) de 9 pontas, ligação em Y; (c) de 12 pontas. a) Motor de 6 pontas São fabricados para operar com 2 tensões relacionadas por 3 , usualmente 220-380 V ou 380-660 V. Na tensão mais baixa serão ligados em triângulo e na mais alta em estrela (Figura 7.13). Figura 7.13 – Motor de 6 pontas, tensão nominal 220/380V: (a) conexão a rede 220/127 V (b) conexão a rede de 380/220 V. 4 Quase todos os motores, sejam mono ou trifásicos, são fabricados para operação em mais de uma tensão. 71 b) Motor de 9 pontas Podem ser ligados em tensões relacionadas por 2, como 220-440 V ou 230-460 V. Na tensão mais baixa os enrolamentos são ligados em paralelo (em Y ou A, dependendo do tipo do motor) e na tensão mais alta são conectados em série, como se mostra na Figura 7.14 Figura 7.14 – Motor de 9 pontas, tensão nominal 220-440V: (a) conexão à tensão mais baixa, ligação Y paralelo; (b) conexão à tensão mais alta, ligação Y série. c) Motor de 12 pontas Havendo 12 terminais disponíveis, é possível a ligação em 4 tensões diferentes, usualmente 220-380-440-760 V. A configuração dos enrolamentos é, respectivamente, Δ paralelo, Y paralelo, Δ série e Y série, como mostra a Figura 7.15. Figura 7.15 - Motor de 12 pontas, tensão nominal 220-380-440-760V: (a) conexão a rede de 220/127V, ligação Δ paralelo; (b) conexão a rede de 380/220V, ligação Y paralelo; (c) conexão a rede de 440/254V, ligação Δ série; (d) conexão à tensão mais alta, ligação Δ série . 72 Para inverter o sentido de rotação de um motor trifásico, basta que se troquem duas fases da alimentação. 7.4.5 Corrente Nominal É a corrente solicitada pelo motor quando operando a plena carga, alimentado com tensão e freqüência nominais. Considerando as Equações 7.5 (fazendo P s = P n ) e 5.24, a corrente nominal de motores trifásicos é dada por: m n × = cos U 3 736 P I n n n (7.8) onde P n = potência nominal (cv) n = rendimento do motor a plena carga (k = 100%) U n = tensão nominal (V) cosm = fator de potência do motor a plena carga (k = 100%). Na Tabela 7.5 é dada a corrente nominal de motores trifásicos alimentados com a tensão de 220V; para alimentação com 380, divide-se o valor encontrado por 3 e em 440V divide-se este valor por 2. 7.4.6 Corrente de Partida Na partida dos motores de indução é solicitada uma corrente muitas vezes maior que a nominal. À medida que o motor acelerada, a corrente vai diminuindo até atingir valor próximo ao de regime. A corrente de partida é relacionada à corrente nominal (I n ) através dos valores de I p /I n dados na Tabela 7.3. Em certos motores, a corrente de partida é dada por uma letra código (COD), estabelecida pela relação P 1000 I U 3 ) cv ( al min no Potência ) kVA ( partida na aparente Potência COD n p L × = = (7.9) dada em kVA/cv. Os valores das letras código são dados na Tabela 7.5. Tabela 7.5 – Código de partida de motores de indução COD kVA/cv COD kVA/cv COD kVA/cv A 0,00-3,14 H 6,30-7,09 R 14,00-15,99 B 3,15-3,54 J 7,10-7,99 S 16,00-17,99 C 3,55-3,99 K 8,00-8,99 T 18,00-19,99 D 4,00-4,49 L 9,00-9,99 U 20,00-22,39 E 4,50-4,99 M 10,00-11,09 V 22,40 ou mais F 5,00-5,59 N 11,10-12,49 G 5,60-6,29 P 12,50-13,99 Alguns problemas decorrentes desta elevada corrente de partida são: • queda de tensão na rede de alimentação; • aumento da bitola dos condutores de alimentação e • necessidade de transformadores de maior potência. As concessionárias de energia elétrica limitam a potência nominal de motores para os quais pode ser dada a partida direta: no caso da CEEE (RS), é exigido algum dispositivo que reduza a corrente de partida de motores com potência superior a 5cv (alimentação em 220V) e 7,5cv (alimentação em 380V). 73 Os principais dispositivos de redução da corrente de partida são: • chave estrela-triângulo, para motores de 6 ou 12 pontas; • chave série paralelo, para motores de 9 ou 12 pontas; • chave compensadora, para qualquer tipo de motor; • soft-starter, que também pode ser utilizada em qualquer motor; • inserção de resistências ou reatâncias de partida. 7.5 MOTORES MONOFÁSICOS. CARACTERÍSTICAS NOMINAIS Precisam de um dispositivo que os auxilie na partida, já que uma só fase não possibilita a formação do campo girante discutido na Seção 4.2; geralmente este dispositivo é desconectado do motor após sua aceleração, através de uma chave centrífuga. É o dispositivo auxiliar que determina o tipo de motor, bem como muitas de suas características. Os principais tipos são: a) motor com capacitor de partida; b) motor com capacitor permanente; c) motor com 2 capacitores; d) motor de fase dividida (split phase); e) motor de pólos sombreados. Com a finalidade de permitir a ligação do motor em 2 tensões, o enrolamento principal é dividido em duas partes. A Figura 7.16 mostra os enrolamentos (principal e auxiliar) do motor de indução monofásico com capacitor de partida e a numeração dos terminais que será usada neste curso. (a) (b) Figura 7.16 – Motor de indução monofásico com capacitor de partida: (a) vista geral; (b) a numeração dos terminais (WEG Motores SA). 7.5.1 Potência Nominal Os motores de indução monofásicos são encontrados numa faixa típica de 1/8 – 10 cv, embora as indústrias de máqunas elétricas listem em catálogos potências bem superiores. A Tabela mostra parte do catálogo de motores monofásicos com capacitor de partida, os mais comuns entre os motores de indução monofásicos, de um fabricante nacional. Os aspectos relativos à potência dos motores monofásicos são os mesmos abordados nos motores trifásicos (Seção 7.4.1). 74 Tabela 7.6 – Características típicas de motores de indução monofásicos, 2 pólos, 60Hz, alimentado em 220V (WEG Motores S. A., catálogo parcial) CONVENÇÕES P = potência nominal C n = conjugado nominal cos m = fator de potência n = velocidade nominal C p = conjugado de partida FS = fator de serviço I n = corrente nominal C max = conjugado máximo J = momento de inércia (GD 2 ) I p = corrente de partida n = rendimento t p = tempo com rotor bloqueado a quente n cos m P % P n % P n (cv) (kW) Carcaça ABNT rpm I n * (A) I p /I n C n (kgf/m) C p /C n C max /C n 50 75 100 50 75 100 FS J (kgm 2 ) t p (s) Peso (kg) 2 pólos - 220 V/60Hz 0,16 0,12 63 3450 0,8 5,7 0,03 3,8 4,1 43 49 53 0,58 0,67 0,76 1,35 0,0003 9,0 6,0 0,25 0,18 63 3450 1,1 5,9 0,05 3,9 4,1 48 55 58 0,60 0,69 0,75 1,35 0,0003 8,0 6,5 0,33 0,25 63 3430 1,3 5,0 0,07 2,9 3,1 53 60 65 0,71 0,74 0,75 1,35 0,0004 8,0 6,5 0,5 0,37 63 3410 1,8 5,2 0,10 2,8 2,9 60 65 67 0,76 0,79 0,80 1,25 0,0004 8,5 6,5 0,75 0,55 71 3400 2,6 5,4 0,15 3,2 3,0 60 67 71 0,66 0,76 0,78 1,25 0,0005 7,5 7,5 1,0 0,75 71 3420 3,2 6,8 0,20 2,6 2,8 57 65 68 0,72 0,82 0,88 1,25 0,0006 6,0 9,9 1,5 1,1 80 3480 4,8 7,8 0,30 3,5 3,3 63 70 72 0,68 0,78 0,84 1,15 0,0016 6,0 15 2,0 1,5 80 3400 6,0 6,2 0,40 2,9 3,1 72 76 77 0,76 0,81 0,83 1,15 0,0016 6,0 16 3,0 2,2 90S 3460 9,0 7,0 0,60 3,3 3,1 72 76 78 0,75 0,80 0,82 1,15 0,0023 6,0 20 4,0 3 90L 3490 12,0 8,1 0,80 3,7 3,2 72 77 79 0,70 0,77 0,81 1,15 0,0026 6,0 23 5,0 3,7 100L 3500 14,0 9,0 1,00 2,7 3,4 65 71 75 0,76 0,85 0,91 1,15 0,0064 6,5 32 6,0 4,5 112M 3510 16,0 8,6 1,20 2,5 3,5 75 81 83 0,78 0,84 0,87 1,15 0,0088 6,0 41 7,5 5,5 112M 3490 20,0 7,8 1,50 2,6 3,4 74 80 81 0,78 0,85 0,89 1,15 0,0104 6,5 45 10 7,5 132S 3480 27,0 7,2 2,00 2,0 3,2 73 76 77 0,86 0,90 0,93 1,15 0,0179 6,0 59 12,5 9,2 132M 3510 33,0 8,4 2,50 2,4 2,7 74 78 79 0,84 0,89 0,93 1,15 0,0210 6,0 67 15 11 132M 3500 38,0 8,7 3,00 2,6 3,7 78 81 82 0,88 0,91 0,93 1,15 0,0229 6,0 73 20 15 160M 3520 52,0 8,8 4,00 2,5 3,5 74 80 81 0,85 0,89 0,92 1,15 0,0530 6,0 114 * Para obter a corrente em 380V multiplicar por 0,577. Em 440 multiplicar por 0,5. 7.5.2 Freqüência e Velocidade Nominais Conceitos idênticos aos de motores trifásicos (Seções 7.4.2 e 7.4.3). 7.5.3 Tensão Nominal. Ligação de Motores Monofásicos Os motores monofásicos devem ser ligados à tensão de fase da rede elétrica (ou, excepcionalmente, entre duas fases), sendo mais comuns os valores de 110 (127) e 220 V. Para tanto, o enrolamento principal é dividido em duas partes de forma que, contando com o enrolamento auxiliar de partida, existem 6 terminais disponíveis. Conforme mostra a Figura 7.17, para a tensão mais baixa, os enrolamentos são ligados em paralelo e para a mais alta o enrolamento auxiliar é ligado em paralelo com uma das partes do enrolamento principal e o conjunto é ligado em série com a parte restante. (a) (b) Figura 7.17 – Ligação de um motor de indução monofásico com capacitor de partida em duas tensões diferentes: (a) 127V; (b) 220V. 75 7.5.4 Corrente Nominal e Corrente de Partida Para o cálculo da corrente nominal de motores monofásicos, leva-se em consideração as Equações 2.12 e 4.5 (fazendo P s = P nom ), de onde se obtém m × = cos U 736 P I n n n (7.10) Com relação à corrente de partida, esta pode ser calculada a partir da relação I p /I n (V. Tabela A2.2). Considerando que a maioria dos motores monofásicos é de baixa potência, a corrente de partida usualmente não traz maiores problemas.