Comparativo das aplicações de Motores CC e Motores de Indução Trifásicos Rafael dos Santos Heckler Engenharia de Controle e Automação Universidade do Vale do Rio do Peixe – UNIARP.
[email protected] RESUMO (ABSTRACT): Este artigo faz uma breve introdução ao que vem a ser tecnicamente um motor elétrico, suas características construtivas básicas e as suas principais classificações. Porém o objeto de nosso estudo mais afundo será um comparativo da aplicação de um Motor de CC e um Motor de Indução Trifásico, citando quais são as vantagens e desvantagens entre eles.
I-
INTRODUÇÃO:
O motor elétrico é uma máquina que transforma a potência elétrica em potência mecânica, em trabalho, e em uma reduzida porcentagem de perdas. Quando o motor elétrico é ligado à rede elétrica, ele absorve certa quantidade de energia elétrica e a transforma em torque para acionar uma determinada carga, como por exemplo, um eixo de uma máquina. Este princípio de converter energia em trabalho é o mesmo de um motor de um automóvel, chamado de motor de combustão, a diferença é que ele é alimentado por um combustível (álcool, gasolina, etc) e o “combustível” do motor elétrico é a energia elétrica. Simplificadamente os motores elétricos são constituídos de duas partes: o rotor que é a parte móvel (girante) e o estator ou carcaça que é a parte fixa desta máquina. São classificados em dois grandes grupos, de acordo com o tipo de tensão que o alimenta: Motor de Corrente Contínua (Motor CC); Motor de Corrente Alternada (Motor CA): podendo ser monofásicos ou trifásicos. Tanto os Motores de Corrente Contínua quanto os Motores de Corrente Alternada podem possuir excitação única, sendo ela no seu estator ou no seu rotor ou excitação dupla, excitada no rotor e no estator, neste último caso, apresentam a grande vantagem de poderem trabalhar em regime de motor ou em regime de gerador elétrico.
Os motores de corrente alternada ainda se dividem em mais dois grandes grupos: Síncronos: é pouco utilizado nas indústrias, sua velocidade é constante, pois possui um induzido de campo constante pré-definido e, assim, aumenta a resposta ao processo de arraste criado pelo campo girante. girante. É empregado quando se faz necessárias velocidades estáveis mesmo submetidos a cargas variáveis, quando se requer grande potência com torque constante e também pode ser usado para correção de fator de potência. Assíncronos: geralmente trabalha em velocidade estável, que varia levemente com a carga mecânica aplicada ao seu eixo. É simples, robusto, de baixo custo, de reduzida necessidade de manutenção, sendo assim, é o motor mais utilizado industrialmente. Devido aos avanços da eletrônica é possível controlarmos a velocidade desses motores com o auxílio de inversores de frequência. Geralmente, motores de indução de pequena potência são monofásicos, que necessitam de dispositivos especiais para a partida, pois não possuem arranque próprio. Já os motores de maior potência são trifásicos de indução e tem arranque próprio e como exigem grande corrente da rede, no momento de sua partida, usam-se dispositivos especiais para diminuí-la. Existe uma grande variedade de tipos de motores, como servomotores, com aplicação em número razoável nas indústrias, motores universais que podem funcionar tanto com CC quanto com CA e são aplicados em equipamentos domésticos como furadeiras, máquinas de batedeiras, etc, que são de menores aplicações. II-
MOTOR DE CONTÍNUA
CORRENTE
Como já foi dito, o motor CC pode ser aplicado tanto como motor quanto como gerador, no caso de ser aplicado como
gerador, recebe o nome de Dínamo. Porém, atualmente, com os avanços tecnológicos atuais e assim, o uso de fontes retificadoras que permitem transformar tensão alternada, gerada por máquinas elétricas de corrente alternada (alternadores), em tensão contínua de maneira controlada, atualmente, a operação como gerador fica limitada aos momentos de frenagem e reversão de um motor. É também devido a avanços nos acionamentos dos motores CA, como SoftStarter e Inversores de Frequência, e a viabilidade econômica que, estes, têm substituído os motores CC. Porém quando se necessita manter o torque, mesmo com variação da carga e da velocidade do motor, os motores CC são a melhor escolha como em: máquinas de papel, bobinadeiras e desbobinadeiras, laminadores, máquinas de impressão, extrusoras, prensas, elevadores, etc. Da mesma forma são aplicados em sistemas de controle de velocidade onde o torque é um item indispensável, já que na maioria dos casos, ainda não se encontra um substituto tão eficiente, como o caso de pontes rolantes em indústrias siderúrgicas. Todavia para isso, são necessários sistemas eletrônicos de controle de velocidade, cujos, além do próprio motor CC, devem possuir um plano de manutenção específico, pois o desgaste de algumas peças pertencentes ao motor e a saturação de alguns componentes eletrônicos são evidentes e proporcionais à utilização dos sistemas. Como citado acima, a grande dificuldade dos motores CC é a sua manutenção, pois, suas peças como as escovas e o comutador, são muito complexas, exigindo conhecimento técnico apurado, habilidade e um programa de manutenção eficiente. É natural haver um desgaste do comutador e das escovas com o tempo. Por isso há um determinado período para a troca das escovas e do mesmo modo, uma periódica limpeza do comutador deve ser realizada a fim de se eliminar os resíduos nele depositados. Do contrário os resíduos acumulados no comutador podem aumentar a sua resistência de contato com as escovas e estes mesmo resíduos podem depositar-se entre as lâminas do comutador, causando um curto-circuito. Construtivamente ele é composto de duas estruturas magnéticas: Estator (enrolamento de campo ou ímã
permanente) e Rotor (enrolamento de armadura). O estator é composto de uma estrutura ferromagnética com pólos salientes aos quais são enroladas as bobinas que formam o campo, ou de um ímã permanente. O rotor é um eletroímã que possui um núcleo de ferro com bobinas de n espiras em sua superfície que são alimentados por um sistema mecânico de comutação, formado por um comutador, ligado ao eixo do rotor, que possui uma superfície cilíndrica com diversas lâminas às quais são conectados os enrolamentos do rotor; e por escovas fixas, que exercem pressão sobre o comutador e que são ligadas aos terminais de alimentação. A função do comutador é o de inverter a corrente na fase de rotação apropriada de forma a que o conjugado desenvolvido seja sempre na mesma direção. A inversão é necessária a cada 180º, dando continuidade ao movimento rotativo do motor. Os dois lados de cada bobina são inseridos em ranhuras com espaçamento igual ao da distância entre dois pólos do estator, para que quando os condutores de um lado estiverem sob o pólo norte, os condutores do outro devem estar sob o pólo sul. As bobinas são conectadas em série através das lâminas do comutador, com a finalidade da última ser conectada ao início da primeira, de modo que o enrolamento não tenha um ponto específico. A velocidade em um motor de corrente continua esta relacionada com a força eletromotriz (f.e.m.) aplicada a armadura e com a força contra-eletromotriz (f.c.e.m.) gerada na armadura pelo campo magnético do estator cortando a armadura. A f.e.m. é força resultante da tensão aplicada à armadura sendo responsável pela corrente que circula por ela. E sendo a f.c.e.m., a força que se opõe a f.e.m. devido à tensão induzida na armadura quando esta corta o campo magnético gerado no estator. Para que haja o funcionamento do motor CC é necessário que ambas as forças estejam nele presentes. Como a velocidade do motor depende da tensão aplicada na armadura, da corrente na bobina e do valor do fluxo magnético. Assim a velocidade do motor tende ao infinito quando o fluxo tende a zero. Consequentemente, não devemos
tirar de forma alguma, a corrente de campo, pois o motor “dispara”.
Com a aplicação dos motores de corrente contínua para o acionamento de máquinas com controle preciso de velocidade, são adotados os seguintes métodos com esta finalidade: Ajuste da tensão aplicada na armadura do motor; Ajuste da corrente nas bobinas de campo, ou seja, controle do fluxo magnético do motor; Ou ambos. Este controle de velocidade pode ser realizado através de um conversor estático CC ou por meio de um reostato. Para inverter o sentido de rotação de qualquer motor CC é necessário inverter a corrente de armadura em relação a corrente de campo. Deve-se inverter somente um deles, pois a inversão em ambos os circuitos manterá o mesmo sentido de rotação. No momento da inversão, o motor que está girando num sentido, entra num processo de frenagem até alcançar a velocidade zero e depois começa a girar no sentido contrário. Esse processo de frenagem é muito importante para trens, elevadores, guindastes, que necessitam de Força de Frenagem. A excitação do motor CC pode ser do tipo: Série: o induzido e o campo são ligados em série, portanto toda a corrente do induzido circula também pelo campo. Este motor possui um grande conjugado inicial, por isso, são usados onde se exige grande torque inicial como tração elétrica, gruas, pontes rolantes, guinchos, etc. Para este tipo de motor deve-se ter o cuidado de não deixar a carga baixar excessivamente, pois sendo o fluxo muito pequeno, há o perigo de a máquina disparar com desastrosas consequências para os mancais e o induzido; Paralelo: o campo e o induzido são ligados em paralelo, a corrente de alimentação divide-se passando parte pelo campo e o restante pelo induzido. São usados onde se requer pequeno torque inicial e uma velocidade praticamente constante, como nos ventiladores, bombas centrífugas, máquinas ferramentas, etc.
Composto: Este tipo de motor possui dois campos: um em série e o outro em paralelo com o induzido. Possui tanto as características do motor em série, quanto às características do motor em paralelo, assim possui grande conjugado de partida e velocidade aproximadamente constante com cargas variadas. Quando se necessita controlar a velocidade age-se sobre o campo paralelo através de um reostato. Os motores mistos são usados em máquinas que necessita um conjugado inicial moderado. Por exemplo: guindastes. O motor excitado em série tem excelente torque de partida, mas uma regulação de velocidade ruim, se comparado com o motor excitado em paralelo, pois todo aumento de carga resulta em aumento da corrente e consequente queda de velocidade. Isso é devido, ao fato de seus enrolamentos estarem em série, porque quando a corrente aumenta, o comportamento do campo nesses enrolamentos é extremamente afetado. Essa alegação se explica, pois quanto maior a corrente, mais atuante é a f.c.e.m. e assim, menor a velocidade. A velocidade no motor série está intimamente ligada a corrente sob carga. Com a finalidade de combinar o melhor da ligação paralela com o melhor da ligação série, é que existe a ligação composta. Conseguimos a excelente regulação de velocidade do motor paralelo com o excelente torque de partida do motor série. Os motores com excitação composta são utilizados onde há necessidade de velocidade constante com variações extremas de carga. A ideia do motor composto é tornar possível o aproveitamento do alto torque da ligação série, sem disparos de velocidade com cargas reduzidas ou nenhuma carga, em seguida usar a baixa variação de velocidade do motor paralelo sob diferentes situações de carga. Temos agora um motor com torque alto na partida, mas com velocidade limitada, e conseguimos também que ele tenha baixa variação de velocidade, mesmo variando a carga. Resumidamente podemos dizer que dependendo da aplicação, os acionamentos em corrente contínua são geralmente os que apresentam os maiores
benefícios, também em termos de confiabilidade, operação amigável e dinâmica de controle, tais quais: operação em quatro quadrantes com custos relativamente mais baixos; ciclo contínuo mesmo em baixas rotações; alto torque na partida e em baixas rotações; ampla variação de velocidade; facilidade em controlar a velocidade; os conversores CA/CC requerem menos espaço;; flexibilidade (diferentes tipos de excitação); relativa simplicidade dos modernos conversores CA/CC. Porém apresentam também algumas desvantagens: os motores de corrente contínua são maiores e mais caros que os motores de indução, para uma mesma potência; maior necessidade de manutenção (devido aos comutadores e escovas); arcos e faíscas devido à comutação de corrente por elemento mecânico (não pode ser aplicado em ambientes perigosos); tensão entre lâminas não pode exceder 20V, ou seja, não podem ser alimentados com tensão superior a 900V, enquanto que motores de corrente alternada podem ter milhares de volts aplicados aos seus terminais; necessidade de medidas especiais de partida, mesmo em máquinas pequenas. III-
MOTOR DE TRIFÁSICO
INDUÇÃO
Neste tipo de máquina elétrica o fluxo magnético do estator é gerado nas bobinas de campo pela corrente alternada trifásica da fonte de alimentação, assim, a intensidade do campo magnético varia continuamente e sua polaridade é invertida periodicamente. Os motores elétricos de corrente alternada, em especial os Motores de Indução Trifásicos, são construtivamente muitos mais simples e robustas do que os motores de corrente contínua. Se compararmos um motor CC e um motor CA de indução trifásico (também mencionado com a sigla MIT), ambos com a mesma potência, o motor CA terá tamanho menor, com 20 a 40% a menos de massa que o motor CC. Isto justifica o fato de esta máquina ter um custo de aquisição e manutenção menor do que o motor CC. Porém se considerarmos o custo global levando em consideração a aplicação de acionamentos controlados, os conversores (também chamados de inversores) e que os sistemas de controle necessários para o motor CA são mais sofisticados do que os
utilizados para as máquinas CC, este custo global é maior para a máquina CA do que para a máquina CC. Entretanto ainda, o custo desses conversores e circuitos eletrônicos tem diminuído mais significativamente do que o custo da produção dos motores, assim o custo global da máquina CA tem diminuído e reduzindo também essa vantagem da máquina CC. Além da diminuição de seu custo global, os avanços da eletrônica tem feito com que o motor CA apresente muitas vezes um comportamento similar ao motor CC. Assim como o motor CC, o motor de indução monofásico tem potência limitada, são maiores e mais pesados se comparados com o MIT de mesma potência, além de necessitarem de um circuito de partida auxiliar. Construtivamente o motor assíncrono, de indução trifásico, é basicamente constituído por: Estator: assim como no motor CC, é a parte estática da máquina, composta por três grupos de enrolamentos, defasados de 120º elétricos entre si, fixados nas ranhuras do estator nos quais é aplicada a tensão de alimentação CA trifásica. Rotor: neste tipo de máquina pode ser de dois tipos: rotor gaiola de esquilo (também chamado de rotor em curto-circuito) ou rotor bobinado. O rotor gaiola de esquilo dispõe de um conjunto de barras de condutores paralelas entre si, colocadas geralmente com certa inclinação para evitar trepidações e ruídos que resultam da ação eletromagnética entre as ranhuras do rotor e estator e unidades nas suas extremidades por dois anéis condutores que curto-circuitam os condutores. Já o rotor bobinado possui um enrolamento, cujos extremos são levados a anéis coletores eletricamente isolados do eixo e entre si e sobre os quais se apoiam escovas de carvão, fixas ao estator, que nos permitem ligar o motor a um circuito externo. Este rotor foi projetado para diminuir a corrente de partida do motor trifásico, pois possui maior impedância que o rotor de gaiola de esquilo, por ser constituído de enrolamento de fio de cobre e permite inserir resistências em série com o enrolamento trifásico do rotor, controlando a sua velocidade e corrente de
partida, sendo esta a sua principal vantagem perante o rotor gaiola de esquilo porque este último apresenta conjugado de partida pequeno em relação à corrente absorvida da rede pelo estator. Assim sendo os motores de indução trifásicos com rotor bobinado são aplicados quando se necessita de arranque e paradas frequentes (serviço intermitente) que exige maior conjugado inicial e, além disso, permite regular a velocidade com reostatos. Os motores trifásicos de indução com rotor tipo gaiola de esquilo tem maior aplicação que os motores de rotor bobinado por ser construtivamente mais simples, de rápida ligação à rede e mais baratos, pois, o coletor presente no rotor bobinado é sensível e caro. Este tipo de máquina é aplicada em todos os locais em que haja perigo de explosão, pois não produz faíscas. O MIT apresenta como desvantagem o fator de potência abaixo de um, sendo geralmente ainda mais baixos nos motores de pequena potência. A tensão trifásica do motor podem ter suas fases ligadas em triângulo (Δ) ou estrela (Y) para que as suas bobinas produzam um campo magnético no estator e consequentemente surge no rotor uma força eletromotriz induzida devido ao fluxo magnético variável que atravessa o rotor. Esta f.e.m. induzida dá origem a uma corrente induzida no rotor que tende a opor-se à causa que lhe deu origem (Lei de Faraday e Lei de Lenz) criando assim um movimento giratório no rotor Geralmente, os motores de indução trifásicos projetados no Brasil apresentam seis terminais de ligação, dois para cada enrolamento e com a tensão destas bobinas para 220 V. Para alimentá-lo em 220/127 V – 60 Hz esta máquina deve ser ligada em delta e para o sistema de 380/220 V – 60 Hz deve ser ligada em estrela. O rotor gira com uma velocidade (n) um pouco menor que a velocidade da corrente do campo, denominado assim de motor assíncrono, ou seja, sem sincronia. A velocidade de síncrona (ns) deste tipo de motor é dada pela eq. 1:
(1)
Onde: f = frequência da rede p = número de pólos magnéticos do motor
O número de pólos do motor é o número de enrolamentos, distribuídos simetricamente e intercalados no estator, que são alimentados pela mesma tensão de fase. Sendo que cada enrolamento possui dois pólos, um norte e outro sul. A diferença percentual entre a velocidade síncrona e a velocidade do motor de indução, denomina-se escorregamento, simbolizada pela letra s. Este valor varia de acordo com a carga acionada pelo motor, ou seja, é mínimo a vazio e máximo com a carga nominal e é expresso pela eq. 2:
(2)
Com base nas duas equações apresentadas é possível perceber que podemos controlar a velocidade dos motores assíncronos através da variação do valor da frequência da corrente nas bobinas do estator, sendo esta variação realizada pelos já mencionados conversores estáticos de frequência, porém esses equipamentos poluem a rede gerando uma onda de tensão ou corrente deformada, chamada de harmônicas, dizemos assim que há poluição na rede e que há diminuição da sua qualidade de energia. Atualmente estes equipamentos trazem embutidos ou como opcionais, filtros de harmônicas e talvez no futuro este problema dos conversores estáticos de frequência sejam resolvidos. É possível inverter o sentido de rotação destas máquinas invertendo duas das conexões do motor com as fontes de alimentação. O motor de indução trifásico tem como grande inconveniente o fato de que na sua partida direta o valor da corrente é elevado, da ordem de até dez vezes a sua corrente nominal. O motivo para essa alta corrente é o baixo valor da sua impedância equivalente na partida que é algumas vezes menor do que na sua velocidade nominal. Quando se quer apenas suavizar a partida, sem variar a sua velocidade, usase o dispositivo eletrônico soft-starter com a finalidade de se controlar a corrente para que seja a mínima possível durante o instante de partida. Partindo com pequena carga no eixo, ou seja, trabalhando a vazio, a potência mecânica fornecida pelo motor é pequena, o suficiente apenas para vencer o atrito nos mancais e da ventilação. O torque nesta circunstância é praticamente zero, a
corrente é mínima e a velocidade do rotor é máxima, próxima à velocidade síncrona. Ao acionar a carga nominal em seu eixo a corrente do motor aumenta até o seu valor nominal e a velocidade diminui, aumentado o escorregamento e a frequência da corrente induzida no rotor. O aumento da corrente do rotor também aumenta a corrente do estator, que apesar de estarmos solicitando maior potência da rede, estaremos produzindo mais potência mecânica e com fator de potência melhor. O motor possui ainda um fator de serviço, um número que multiplicado pela potência nominal do motor a fim de se obter a carga permitida que o mesmo possa acionar em regime contínuo. É possível aumentar a carga no eixo do motor (torque de carga) além da carga nominal do fator de serviço, porém, este procedimento compromete a vida útil da máquina, até o ponto onde o torque do motor é máximo e, a velocidade do motor irá diminuir e a corrente irá aumentar. Não se deve sobrecarregar o motor, pois ele sobreaquece podendo comprometer a sua isolação e o curto-circuitar e também se o sobrecarregarmos de modo que o escorregamento seja, aproximadamente, da ordem de 15% ≤ s ≤ 20%, haverá o travamento do motor. Recentemente, os fabricantes de motores elétricos vêm lançando motores com rendimento melhor. Estas máquinas, chamadas de motores de alto rendimento, utilizam materiais de melhor qualidade, consumindo menos energia, em períodos iguais de serviço, para a mesma potência se comparados com os motores convencionais. Eles utilizam chapas magnéticas de aço silício de qualidade superior, o que reduz a corrente de magnetização; os enrolamentos possuem maior quantidade de cobre, reduzindo as perdas Joule; o fator de preenchimento das ranhuras é alto, dissipando melhor o calor gerado pelas perdas internas; o rotor é tratado termicamente, reduzindo as perdas suplementares; as ranhuras do rotor e anéis de curto-circuito são dimensionadas mais adequadamente, reduzindo também as perdas Joule. Assim, os motores de alto rendimento trabalham com temperaturas inferiores ás dos motores convencionais, se ambos forem de mesma potência e permitem maior capacidade de sobrecarga. Apesar de serem mais caros, devido a melhor
qualidade de seus materiais, se aplicados principalmente em regimes contínuos, estes motores recuperam o investimento adicional em um tempo muito menor do que a sua vida útil, devido a sua economia energética. IV-
CONCLUSÃO
Como vimos o motor de indução trifásico, em especial, o de rotor tipo gaiola de esquilo é mais viável economicamente e o mais empregados nas indústrias em geral por possuir dimensões menos e mais leves que um motor CC de mesma potência e a necessidade de manutenção da máquina CA é menor do que da máquina CC. Contudo, com a grande necessidade de se ter controle da velocidade e da automação dos processos é necessário à utilização de inversores de frequência para este fim no motor de indução trifásico e assim, apesar de os preços destes dispositivos eletrônicos estarem diminuído com o decorrer do tempo, eles são mais sofisticados e mais caro que um conversor CA-CC, utilizado para acionar a máquina CC, o que faz desta última, mais barata se analisarmos o custo global. Apesar dos avanços tecnológicos que estão fazendo com que a máquina CA muita das vezes possa substituir a máquina CC, ela ainda apresenta inconvenientes como na maioria dos casos o seu fator de potência está abaixo do que determina a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) atualmente, e seus conversores estáticos geram harmônicas que poluem a rede elétrica e para corrigi-los é necessário o uso de banco de capacitores e de filtros de harmônicas, respectivamente. Ainda quando se necessita manter o torque, mesmo com variação da carga e da velocidade do motor, os motores CC são a melhor escolha, más, este tipo de motor não pode ser aplicado em locais onde há risco de explosão devido ao fato de o seu comutador e escovas provocarem arcos e faísca e também a sua potência é mais limitada do que o motor de indução trifásico. V-
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