Enrolamentos de Motores Eletricos

Características Especiais dos Motores Elétricos

Prof. Lauro Rattes

PLACA DE IDENTIFICAÇÃO DE MOTORES ELÉTRICOS

Todos os motores são obrigados pela norma (NBR-7094), a possuírem uma placa de identificação com todas as informações técnicas necessárias para a sua instalação.

Linha 1:

Marca do Motor Alto Rendimento ( ) – Motor de Alto Rendimento CE – C. Europeu NBR 7094 – Norma Brasileira que Determina as Condições Técnicas dos Motores Elétricos WEG –

Linha 2:

~ - Tensão Alternada

3 – Tensão Trifásica

132S – Tipo da Carcaça 25MAR04 – Data de Fabricação BM20035 – Número de Fabricação Linha 3:

Motor de Indução (Gaiola) – Motor de Indução com Rotor Tipo Gaiola de Esquilo Hz 60 – Freqüência de Funcionamento CAT N – Categoria de Conjugado ( vide lição sobre categoria de conjugado) Linha 4:

kW(cv) 7,5(10), 7.5kW (10cv) – Potência Nominal RPM 1760 – Rotação Nominal Linha 5:

FS 1.15 – Fator de Serviço (vide lição sobre FS) ISOL B – Tipo de isolação interna das bobinas (vide lição sobre Isolação)

∆t K – Variação de Temperatura Ip/In 7,8 – Relação entre a corrente de partida e a corrente nominal IP55 – Índice de Proteção (vide lição sobre IP) Linha 6:

220/380/440 V – Tensões Nominais 26,4/15,3/13,2 A – Correntes Nominais Linha 7:

REG S1 – Regime de Serviço (vide lição sobre RS) MAX AMB 40°C – Temperatura Máxima do Ambiente de Trabalho ALT m – Altitude Máxima de Funcionamento Linha 8:

REND.% - Rendimento dado em Porcentagem Cosφ – Fator de Potência SFA – Corrente do Fator de Serviço Linha 9:

- Ligação Duplo Triângulo 220V

- Ligação Dupla Estrela 380V

- Ligação Triângulo 440V

- Ligação Estrela Linha 10:

6308-ZZ – Tipo de Rolamento do Mancal Dianteiro (zz rolamento blindado dois lados) 6207-ZZ – Tipo de Rolamento do Mancal Traseiro (zz rolamento blindado dois lados) 64 Kg – Peso Total do Motor MOBIL POLYREX EM – Tipo de Graxa Utilizada Para Lubrificação Linha 11: -  Produto Inscrito no Sistema de Eficientização de Energia

(produto econômico)

- Rendimento e Fator de Potência Aprovados pelo  INMETRO

O que são as categorias dos motores elétricos? E quais as categorias existentes? Pelo Prof. Lauro Rattes

Conforme as características de conjugado em relação à velocidade e corrente de partida, os motores de indução trifásicos com rotor de gaiola são classificados em categorias, cada ma adequada a um tipo de carga. De acordo com a norma NBR 7094, (NEMA MG!) definem-se as seguintes categorias: Categoria N –  Conjugado de partida normal, corrente de partida normal,

baixo escorregamento. Constituem a maioria dos motores encontrados no mercado e prestam-se ao acionamento de cargas normais, como: bombas, máquinas operatrizes e ventiladores etc. Categoria H – Conjugado de partida alto, corrente de partida normal, baixo

escorregamento. Usados para cargas que exigem maior conjugado de partida, como peneiras, transportadores carregadores, cargas de alta inércia, britadores, etc. Categoria D –  Conjugado de partida alto, corrente de partida normal, alto

escorregamento (+ de 5%). Usados em prensas excêntricas e máquinas semelhantes, onde a carga apresenta picos periódicos. Usados também em elevadores e cargas que necessitam de conjugado de partida muito alto e corrente de partida limitada.

Índice de Proteção IP (Ingress Protection) Os invólucros dos equipamentos elétricos, conforme as características do local em que serão instalados e de sua acessibilidade devem oferecer um determinado grau de proteção. Por exemplo, um equipamento a ser instalado num local sujeito a jatos de água deve possuir um invólucro capaz de suportar tais jatos sob determinados valores de pressão e ângulo de inclinação sem que haja penetração de água. As normas IEC e ABNT – NBR 6146 definem os graus de proteção dos equipamentos elétricos por meio das letras características IP seguidas por dois algarismos. 1° Algarismo – indica o grau de proteção contra penetração de corpos sólidos

estranhos e contato acidental. 0 – Sem proteção;

1 – Corpos estranhos com dimensões acima de 50 mm; 2 – Corpos estranhos com dimensões acima de 12 mm; 4 – Corpos estranhos com dimensões acima de 1 mm; 5 – Proteção contra acúmulo de poeiras prejudiciais ao gerador; 2° Algarismo – Indica o grau de proteção contra penetração de água no

interior do gerador. 0 – Sem proteção;

1 – Pingos de água na vertical; 2 – Pingos de água na inclinação de 15° com a vertical; 3 – Água da chuva na inclinação de 60° com a vertical; 4 – Respingos de água em todas as direções; 5 – Jatos de água em todas as direções;

6 – Água de vagalhões (BALDE); 7 – Imersão temporária; 8 – Imersão permanente. As combinações entre dois algarismos, isto é, entre os dois critérios de proteção é indicada pelo IP da máquina. Estas combinações podem ser de muitas maneiras, mas os mais usuais para geradores abertos são IP 21 e IP 23, para aplicações mais rigorosas como ambientes empoeirados temos IP 54, e nos casos onde os equipamentos são lavados periodicamente com mangueiras (fábrica de papel, indústrias alimentícias, indústrias de tinturaria, etc.) temos o IP 55.

132-S diz respeito as características de construção:

RENDIMENTO

O motor elétrico absorve energia elétrica da linha e a transforma em energia mecânica disponível no eixo. O rendimento define a eficiência com que é feita esta transformação. Chamado potência útil (Pu), a potência mecânica disponível no eixo e, potência absorvida (Pa), a potência elétrica que o motor retira da rede, o rendimento será a relação entre as duas. É importante que o motor tenha um rendimento alto, por dois motivos:





Primeiro, porque, um rendimento alto significa perdas baixas e, portanto, um menor aquecimento do motor; Segundo, porque, quanto maior o rendimento, menor a potência absorvida da linha, e portanto, menor o custo da energia elétrica paga nas contas mensais. O rendimento varia com a carga do motor. Os catálogos dos motores WEG, indicam os valores típicos do rendimento em função da carga.

Classes de Isolamento

O limite de temperatura depende do tipo de material empregado. Para fins de normalização, os materiais isolantes e os sistemas de isolamento (cada um formado pela combinação de vários materiais) são agrupados em CLASSES DE ISOLAMENTO, cada qual definida pelo respectivo limite de temperatura, ou seja, pela maior temperatura que o material pode suportar continuamente sem que seja afetada sua vida útil. As classes de isolamento utilizadas em máquinas elétricas e os respectivos limites de temperatura conforme NBR 7094, são as seguintes.       

Classe Y (O) (90°C – algodão, seda e papel sem impregnação) Classe A (105°C – algodão, seda e papel sem impregnação) Classe E (120°C – alguns vernizes, esmaltes e fibras); Classe B (130°C – mica, asbestos com aglutinantes, EPR); Classe F (155°C – mica, fibra de vidro com aglutinante); Classe H (180°C – elastômeros de silicato); Classe C > (180°C – porcelana, vidro, quartzo, cerâmicas).

As classes B e F são as comumente utilizadas em motores normais. CORRENTE DE PARTIDA

É um termo técnico utilizado para designar a corrente elétrica demandada por uma máquina elétrica (motor) no intervalo de tempo

denominado de partida, que vai desde o instante inicial em que a energia elétrica é conectada aos terminais da máquina elétrica e então o seu rotor principia o movimento a partir da velocidade zero, até o instante final em que a plena velocidade correspondente é atingida pelo rotor. A corrente de partida comporta-se normalmente como um surto de valor elevado, mas que ao longo do intervalo de tempo da partida varia, reduzindo ao final para um valor menor denominado corrente nominal. A corrente de partida pode atingir um valor de pico que é várias vezes maior do que o valor da corrente nominal e isso se torna um problema tanto do ponto de vista do custo da instalação elétrica quanto do ponto de vista da qualidade e da eficiência energética. O emprego de técnicas que fazem uso de chaves de partida eletromecânicas e eletromagnéticas ou das modernas chaves de partida suave baseadas em eletrônica de potência (soft-starters) modificam o comportamento da corrente de partida reduzindo-o consideravelmente ou fazendo com que o mesmo se ajuste a real necessidade da carga. FATOR DE SERVIÇO

O fator de serviço é um índice que, aplicado à potência nominal, indica a carga permissível que pode ser aplicada ao motor. Esse fator refere-se a uma capacidade de sobrecarga contínua, ou seja, uma reserva de potência que dá ao motor uma capacidade de suportar melhor o funcionamento em condições mais pode vir a ocorrer, acarretando um aumento de corrente e de temperatura, que dependendo da duração e da intensidade da sobrecarga, pode levar à redução da vida útil do motor ou até mesmo a sua queima. usados, pois desfavoráveis. Dentre os diversos tipos existentes, os motores elétricos são os combinam as vantagens da utilização da energia elétrica com uma construção relativamente simples, custo reduzido e grande adaptabilidade às mais diversas cargas. Em princípio, nenhum motor deve ser instalado para fornecer uma potência superior à nominal. No entanto, sob determinadas condições, isso Portanto, é definido o fator de serviço de um motor como sendo o fator que aplicado à potência nominal, indica a sobrecarga admissível que pode ser

utilizada continuamente. Assim, por exemplo, um motor de 50 cv e fator de serviço 1,1 pode fornecer continuamente a uma carga, a potência de 55 cv.

Alternadores: Os alternadores são os geradores de C.A. e podem ser de: a) Campo Fixo b) Campo Móvel O alternador de campo fixo tem basicamente a mesma constituição de um dínamo, ou seja, alimenta-se o campo através de uma excitação e faz-se girar o induzido no sentido de que se tenha nos seus terminais a corrente desejada.

O tipo de campo móvel tem o enrolamento do induzido na carcaça, e portanto estacionário, sendo então o enrolamento do campo giratório. A maioria dos tipos de alternadores possui campo móvel e induzido fixo. Podemos ter alternadores monofásicos, bifásicos e trifásicos.

Alternador Monofásico

Gerador bifásico Gerador trifásico

O primeiro tipo (1ª), é um alternador funcionando como motor, onde se aplica C.A. ao estator e C.C. ao rotor. Vale neste caso, a mesma figura 1 b, apenas que se imagina a corrente entrando pelos pontos A e B para caracterizar um motor. O segundo tipo já difere bastante, pois não tem o seu rotor ligado a nenhuma fonte de C.C. funcionando pelo princípio de geração de um campo induzido no rotor, pela ação do campo gerado no estator através da C.A. que percorre os enrolamentos desse estator, fazendo assim com que os dois campos (no rotor e estator) estejam sempre em movimento, permitindo assim o acionamento do motor.

Número de Ranhuras por Pólo e por Fase Os enrolamentos dos alternadores e o dos motores síncronos é praticamente igual. Cada fase do enrolamento usado nessas máquinas possui normalmente dois terminais. Nos motores de indução, ao contrário, o enrolamento é muitas vezes, conforme já aprendemos, curto-circuitado entre si. Como ponto chave para estudo dos enrolamentos das máquinas de C.A., temos que o n° de ranhuras que, em cada fase, corresponde a cada pólo magnético, é o que se chama de n° de ranhuras por pólo e por fase. A fórmula que representa essa grandeza vale: q= Q m.p q = n° de ranhuras por pólo e por fase

.

Q = n° de ranhuras do estator m = n° de fases p = n° de pólos Ex.: ’

a) Um motor monofásico tem 36 ranhuras em seu estator e 4 pólos. Calcular o n° de ranhuras por pólo e por fase.

Q = n° de ranhuras do estator = 36 m = n° de fases = 1 p = n° de pólos = 4

q = Q = 36 = 36 = 9 ranhuras por pólo e por fase m . p 1.4 4 b) Sejam as mesmas características do motor anterior, apenas que, ao invés de monofásico, seja trifásico. Calcular o n° de ranhuras por pólo e por fase.

Temos:

Q = 36;

m = 3;

p=4

q = 36 = 36 = 3 ranhuras por pólo e pop fase 3.4 12 Enrolamento das Máquinas Elétricas São três os tipos de enrolamentos de motores elétricos: a) Enrolamento espiralado (pouco usado) b) Enrolamento imbricado c) Enrolamento ondulado No enrolamento espiralado o elemento da ranhura de n°1 de um pólo é ligado ao n°4 do pólo seguinte; este por sua vez é ligado ao elemento da ranhura n°2 do pólo anterior, e assim sucessivamente.

Enrolamento Espiralado

O enrolamento imbricado já apresenta o elemento da ranhura de n°1 de um pólo ligado ao elemento da ranhura de n°1 do pólo adjacente, e este por sua vez, é ligado ao elemento da ranhura de n°2 do pólo anterior, e assim sucessivamente, até se completar a ligação de todos os elementos.

Enrolamento Imbricado

O enrolamento ondulado tem uma particularidade diferente, pois, como se pode ver na fig., o elemento da ranhura de n°1 liga-se ao elemento da ranhura de n°1 do pólo seguinte, e este, por sua vez, liga-se ao elemento da ranhura, também, de n°1, só que agora do pólo seguinte a este último. Apenas o primeiro elemento n°1 do último pólo é ligado ao segundo elemento (n°2) do primeiro pólo, o segundo elemento do último pólo é ligado ao terceiro elemento do primeiro pólo, e o terceiro elemento do último pólo é ligado ao quarto elemento do primeiro pólo. Com essas ligações, sobram os terminais n°1 do primeiro pólo e o n°4 do último pólo, que são os terminais acessíveis do estator.

Enrolamento Ondulado

Graus Elétricos O termo “graus elétricos” tem grande significado para as máquinas elétricas, e está associado de certo modo com os graus geométricos usados para as medidas de ângulos. O n° de graus elétricos é definido pela seguinte fómula: N° de graus elétricos = n° de graus geométrico vezes n° de pólos 2

Na figura, entre os condutores A e B, tem 30° geométricos e 6 pólos.

O n° de graus elétricos entre A e B = 30 x 6 x 180 = 90° elétricos 2 2 Entre os condutores A e C temos 60° geométricos: N° de GE = 60 x 6 = 360 = 180° 2 2

Cálculo de Potência da f.e.m Para Acionar uma Bomba D’água Um dos casos mais freqüentes do emprego dos motores elétricos é na instalação de bomba d’água. Para a instalação de uma bomba devemos ter dois dados: 1°) Quantos litros de água, por minuto, a bomba tem que fornecer? 2°) Para quantos metros de altura tem de ser jogada a água?

Tendo esses dados, devemos proceder como segue: Sabemos que a potência de 1 cv é definido pelo trabalho necessário para levantar 75 kG à altura de 1 m, no tempo de 1 seg. Também é natural que nenhum trabalho pode ser feito sem desperdício de energia. Perde-se energia no enrolamento do motor, devido ao aquecimento das bobinas, nos mancais, na bomba e também na tubulação, devido ao atrito da água contra as paredes dos mesmos. Esta última é tanto maior quanto mais comprido forem os tubos, e depende muito do estado da superfície interna do que, quando bem lisa, oferece pouca resistência, mas quando o tubo é áspero internamente, oferece uma resistência bem apreciável à passagem da água. Também não devemos nos

esquecer de que a oxidação, com o tempo, vai causar o mesmo efeito. Todos estes fatores motivam para que a energia do motor deva ser bem maior do que a energia realmente aproveitada para jogar a água para uma determinada altura. Podemos estimar, aproximadamente, que apenas 60% da energia do motor é aproveitada efetivamente para que a água seja jogada para o alto. Assim, se temos que jogar “A” litros de água por minuto, para uma altura de “B” metros, precisamos de um motor de:

Ex.: Temos que jogar 500 litros de água por minuto, de um poço de 15m de profundidade para uma caixa que está a 8m de altura do solo. A = 500 L B = 15+8 = 23m

P = 500 x 23 = 4,26 2700

Assim teremos que utilizar um motor de 4,5 cv

Ligação de Motores Monofásicos

Obs.: Para inverter a rotação basta trocar as ligações dos terminais 5 e 6.

Ligação de Motores Trifásicos Motor Trifásico com 12 Terminais – 220, 380, 440 e 760v (duplo triângulo, dupla estrela, triângulo e estrela): R S T

∆ 440v

R S T

 YY 760v

Motor Trifásico com 9 Terminais – Dupla estrela e estrela: R S T

 YY 380v

 Y 760v

Motor Elétrico com 6 Terminais – 380 e 660v (triângulo e estrela): R

S T

∆ 380v

R

S T

 Y 660v

Motor Trifásico com 6 Terminais – 220 e 380v:

R

S T

∆ 220v

R

S T

 Y 380v

Motor Trifásico com Dobrador e 2 Velocidades – 220v (Dhalander)

R

S T

Baixa Velocidade

R S T

Alta Velocidade

Obs.: Para inverter a rotação basta trocar as ligações entre duas fases.

Fator de Potência Pela lei de Ohm, temos que a potência desenvolvida em um circuito é: R x I² = W (watts) Por outro lado, se substituirmos, na expressão acima, a resistência pela reatância total, teremos: XL x I² = Var Que é a expressão da potência reativa desenvolvida no circuito e que depende das reatâncias existentes. Ao produto Z x I² = VA chamamos de potência aparente, que é a soma vetorial das duas potências. Assim temos:

P = R x I² = W a) W b) Var c) Va

Pr = X x I² = Var  Potência ativa Potência reativa  Potência aparente

→ → →

Triangulo das Potências

PA = Z x I² = Va

Kva² = Kw²+Kvar² ’

Cosφ = kW kva

Kva = √ Kva² + Kvar²

Senφ = Kvar Kva

Kva = Kw Cosφ

tg = Kvar 

Kw

Kva = Kvar Senφ

.

Fórmulas para Cálculos Potência de entrada:

P = Potência de entrada (w) U = Tensão (V) I = Intensidade da corrente (A) Potência de saída:

P1 = U x I

P2 = 2 x T x n 60 π

P2 = Potência de saída (w) T = Torque (Nm) n = Rotação (RPM) Rendimento:

η = P2 P1

.

Torque:

= F x P2 2 n

.

π

Corrente nominal:

I = HP (W) U xφ x η

ou

CV (W) U xφ x η

.

U = Tensão entre fases φ = Fator de potência

η = Rendimento

Obs.: Se o motor for trifásico, multiplica-se o denominador pela raiz de (√ 3 )

3

Motor c.c. No estator é produzido um campo magnético constante. Quando uma corrente circula através da bobina do rotor, se produz uma força que tende a movimentar os condutores da bobina do rotor. Esta força, segundo as leis do magnetismo, é o produto vetorial F = L x i x B. F = É a força sobe cada segmento do condutor; L = É o comprimento do condutor; i = É a corrente circulante; B = É o campo magnético criado pelo estator. Tipos:

O campo magnético gerado pelo estator pode ser produto de duas maneiras, ou com um ímã permanente, ou com eletroímã, ou bobinado através do qual circula uma corrente constante. No segundo caso, a fonte que alimenta o estator pode ser a mesma que alimenta o bobinado do rotor, e estes dois bobinados podem ser conectados de diferentes maneiras, produzindo motores com diferentes características.

Motor Série

Os motores que têm as duas bobinas, o estator e a armadura ligados em série, é chamado de motor universal, pois podem ser ligados tanto em cc quanto em Ca.

Motores Paralelos

Outra maneira de conectar a bobina do estator é em paralelo com a bobina do rotor. Vemos na fig. abaixo um esquema da conexão do motor em paralelo.

Motores Compostos ou Compound

Este tipo de motor está baseado numa combinação entre os motores série e paralelo. O campo magnético do estator é produzido por duas bobinas separadas, uma ao redor do pólo norte e a outra ao redor do pólo sul. Uma dessas bobinas é conectada em paralelo com a bobina do rotor e a outra em série.

Características Técnicas

Em todos os motores de cc acontece que a força, que é gerada sobre cada segmento do condutor da armadura, é proporcional à corrente elétrica que circula, tal como foi formulada anteriormente. Portanto para um mesmo motor e supondo o fluxo magnético gerado pelo estator constante, pode-se afirmar que: = Km.Ia = Torqque do motor;

Km = Constante que depende das características construtivas do motor; Ia = Corrente da armadura. A tensão induzida no bobinado, produto do movimento do condutor, é chamado de f.c.e.m. (força contraeletromotriz), e é proporcional à velocidade de rotação da armadura. eb = Kb x ω eb = tensão induzida ou f.c.e.m Kb = è uma constante de tensão do motor ω = Velocidade angular Se forem desprezados os efeitos indutivos da armadura, e esta for considerada como resistiva pura, do ponto de vista elétrico, sabe-se que, pela lei de Ohm, a corrente que circula é igual à tensão total aplicada dividido por essa resistência de armadura, isto é: Ia = Ven – eb Ra Ven = Tensão de entrada aplicada; Ra = Resistência do bobinado da armadura.

Sabe-se também, pela segunda lei de Newton, que existe uma relação entre o torque e a aceleração angular У em todo corpo rígido que tem um movimento de rotação. = J x У

J = Momento de inércia do corpo que gira. Motores de Passo

Em robótica, mecatrônica e em outras aplicações que envolvem o controle de movimento, encontramos um outro tipo de motor que, pelas suas características, é o ideal para os casos onde precisão seja um requisito importante do projeto. Trata-se do motor de passo ou stepper motor, que não só é usado para transmitir movimento, mas também para posicionar de forma precisa as partes de um equipamento. Como funciona esses motores e de que modo usá-los em projetos de Mecatrônica é o nosso assunto agora. O princípio básico de funcionamento de um motor de passo não difere muito dos outros tipos de motores: conjunto de bobinas criam campos magnéticos pela passagem de uma corrente elétrica. Estes campos interagem estabelecendo forças, que movimentam as partes móveis do motor. A diferença básica entre um motor de passo e um motor comum está no modo como suas bobinas são energizadas. Isso ocorre porque os motores de passo não devem apenas girar, mas também ter sues eixos posicionados de forma precisa, conforme a aplicação a que se destinam. Os motores de passo, ao contrário dos motores comuns, são utilizados em aplicações onde o mais importante do que a força, é a precisão de posicionamento do seu eixo. Na verdade, os motores de passo são lentos e pouco potentes, devendo ser usados em aplicações em que essas características não sejam tão fundamentais quanto a precisão.

Funcionamento

Os motores de passo convertem informação digital em movimento ou posição. Eles são diferentes dos motores comuns neste ponto, porque, enquanto os motores comuns são controlados pela corrente que atravessa os seus enrolamentos, os motores de passo são controlados digitalmente. É o nível lógico dos sinais aplicados aos seus enrolamentos que determinam o movimento ou posicionamento de seus eixos. Existem três tipos básicos de motores de passo:   

Ímã permanente Relutância variável Híbrido