Apostila_DispEletrico2

8/14/2019 Apostila_DispEletrico2

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A P O S T I L A

COMANDO E MOTORES

ELTRICOS

Curso Tcnico em PlsticosProfessor Jorge Eduardo Uliana

E-mail [email protected]


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Comando e Motores Eltricos

1 - Introduo Geral

1.1 - Eletromagnetismo

Sempre que uma corrente eltrica percorre um condutor, um campo magntico gerado ao redor domesmo. Os princpios do magnetismo so uma parte importante da eletricidade, pois alm dosmotores, eletroms so utilizados em vrios componentes eltricos.

1.2 - Motor Eltrico

uma mquina que converte a energia eltrica e energia mecnica (movimento rotativo), possuiconstruo simples e custo reduzido, alm de ser muito verstil e no poluente. O motor eltricotornou-se um dos mais notrios inventos do homem ao longo de seu desenvolvimento tecnolgico. Afinalidade bsica dos motores o acionamento de mquinas, equipamentos mecnicos,eletrodomsticos, entre outros, no menos importantes. Seu princpio de funcionamento, construoe mtodos de partida, sero conhecidos ao longo desta disciplina.

1.3 - Mtodos de Partida

Os motores so comandados atravs de chaves de partida, sendo que as mais empregadas so:

Partida Direta/ Reversora;Acionamento de pequenos motores;

Partida Estrela Tringulo;Acionamento de grandes motores sem carga;

Partida Compensadora;Acionamento de grandes motores com carga;

Partida com Soft-Starter;Acionamento de grandes motores com carga;

Partida com Inversor de Freqncia.Acionamento de pequenos e grandes motores;

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1.4 - Tipos de Circuitos

Todas as chaves de partida mencionadas anteriormente possuem um circuito principal e um circuitode comando. O circuito principal ou de fora com tambm conhecido, o responsvel pelaalimentao do motor, ou seja, ele o responsvel pela conexo dos terminas/fios do motor a redeeltrica. O circuito de comando, como o prprio nome diz responsvel por comandar o circuito de

fora, determinando quando o motor ser ligado ou desligado.1.5 - Componentes das Chaves de Partida

As chaves de partida so compostas pelos seguintes dispositivos:

Dispositivos de Proteo:Fusvel, Rele Trmico, Disjuntor Motor;

Dispositivos de Comando:Boto, Contator, Temporizador;

Dispositivos de Sinalizao:

Sinaleiro, Voltmetro, Ampermetro;


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2 - ELETROMAGNETISMO

2.1 - Cargas Positivas e Negativas

Os eltrons na faixa exterior de um tomo so deslocados facilmente pela aplicao de alguma foraexterna. Os eltrons que so forados para fora de suas rbitas podem resultar na falta de eltrons

no tomo de onde saem e em um excesso no tomo para onde vo. A falta dos eltrons cria umacarga positiva porque h mais prtons do que eltrons e o excesso dos eltrons cria uma carganegativa.

2.2 - Atrao e Repulso

Em eletricidade, o velho ditado os opostos se atraem verdadeiro. Todos os corpos carregados

eletricamente possuem um campo invisvel ao seu redor. Quando dois corpos carregados com cargasiguais so colocados juntos, seus campos eltricos trabalharam para repel-los e quando dois corposcarregados com cargas contrrias so colocados juntos, seus campos eltricos trabalharam paraatra-los. O campo eltrico em torno de um corpo carregado representado por linhas invisveis defora e estas linhas representam um campo eltrico invisvel que causa a atrao e a repulso.

2.3 - Magnetismo

Denominamos de magnetismo, as linhas invisveis de fora criadas pelos ms naturais e peloseletroms. Os trs tipos mais comuns de ims naturais so a ferradura, a barra e a agulha debssola. Os ms possuem duas caractersticas principais, atraem e se prendem ao ferro e se livrespara se moverem como a agulha da bssola, apontam para os plos norte e sul.

2.4 - Linhas do Fluxo Magntico

Cada m possui dois plos, um plo norte e um plo sul. As linhas invisveis do fluxo magnticosaem do plo norte e entram no plo sul. Mesmo que as linhas do fluxo sejam invisveis, os efeitos docampo magntico gerado pelas mesmas, pode se tornar visvel. Se colocarmos uma folha de papelsobre um m natural ou sobre um eletrom, e despejarmos limalha de ferro sobre essa folha, aslimalhas de ferro arranjar-se-o ao longo das linhas invisveis do fluxo.


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Extraindo as linhas na maneira como as limalhas de ferro se arranjaram, teremos a seguinte imagem:

As linhas tracejadas indicam o trajeto das linhas do fluxo magntico. As linhas do campo existemdentro e fora do m e formam sempre laos fechados. As linhas magnticas do fluxo saem do plonorte e entram no plo sul, retornando ao plo norte atravs do m.

2.5 - Interao entre dois ms

Quando dois ms so aproximados, o fluxo magntico em torno destes ir causar uma interaoentre os mesmos. Se os ms forem aproximados com os plos contrrios, os mesmos iram se atraire se forem com os plos iguais iram se repelirem.

2.6 - Eletrom

Uma bobina de fio condutor, percorrida por uma corrente eltrica age como um m. Os laosindividuais da bobina agem como pequenos ms. Os campos individuais se somam formando ocampo principal. A fora do campo pode ser aumentada adicionando mais voltas bobina ou ainda,se ainda se aumentarmos a corrente que circula pela mesma.


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3 - MOTORES ELTRICOS

Motor eltrico a mquina destinada a transformar energia eltrica em energia mecnica. O motor deinduo o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da utilizao deenergia eltrica, baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando com suaconstruo simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptao s cargas dos mais diversos

tipos e melhores rendimentos. Os tipos mais comuns de motores eltricos so:

3.1 - Motores de Corrente Contnua

So motores de custo mais elevado e, alm disso, precisam de uma fonte de corrente contnua, ou deum dispositivo que converta a corrente alternada comum em contnua. Podem funcionar comvelocidade ajustvel entre amplos limites e se prestam a controles de grande flexibilidade e preciso.Por isso, seu uso restrito a casos especiais em que estas exigncias compensam o custo muitomais alto da instalao.

3.2 - Motores de Corrente Alternada

So os mais utilizados, porque a distribuio de energia eltrica feita normalmente em corrente

alternada. Os principais tipos so:Motor sncrono: Funciona com velocidade fixa, utilizado somente para grandes potncias (devido aoseu alto custo em tamanhos menores) ou quando se necessita de velocidade invarivel.Motor de induo: Funciona normalmente com velocidade constante, que varia ligeiramente com acarga mecnica aplicada ao eixo. Devido a sua grande simplicidade, robustez e baixo custo o motormais utilizado de todos, sendo adequado para quase todos os tipos de mquinas acionadas,encontradas na prtica. Atualmente possvel controlarmos a velocidade dos motores de induocom o auxlio de inversores de freqncia.


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3.3 - Constituio do Motor de Induo

O motor assncrono constitudo basicamente pelos seguintes elementos: um circuito magnticoesttico, constitudo por chapas ferromagnticas empilhadas e isoladas entre si, ao qual se d onome de estator; por bobinas localizadas em cavidades abertas no estator e alimentadas pela redede corrente alternada; por um rotor constitudo por um ncleo ferromagntico, tambm laminado,sobre o qual se encontra um enrolamento ou um conjunto de condutores paralelos, nos quais so

induzidas correntes provocadas pela corrente alternada das bobinas do estator.O rotor apoiado num veio, que por sua vez transmite carga a energia mecnica produzida. Oentreferro (distncia entre o rotor e o estator) bastante reduzido, de forma a reduzir a corrente emvazio e, portanto as perdas, mas tambm para aumentar o fator de potncia em vazio.Como exemplo apresentamos a "projeo" dos diversos elementos o motor assncrono de rotor emgaiola de esquilo.


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3.4 - Funcionamento de um Motor Assncrono

A partir do momento que os enrolamentos localizados nascavidades do estator so sujeitos a uma corrente alternada,gera-se um campo magntico no estator, consequentemente,no rotor surge uma fora eletromotriz induzida devido ao fluxo

magntico varivel que atravessa o rotor. A f.e.m. induzida dorigem a uma corrente induzida no rotor que tende a opor-se causa que lhe deu origem, criando assim um movimentogiratrio no rotor.

Como podemos constatar o princpio de funcionamento domotor de induo baseia-se em duas leis doEletromagnetismo, a Lei de Lenz e a Lei de Faraday.

Faraday: "Sempre que atravs da superfcie abraada por um circuito tiver lugar uma variao defluxo, gera-se nesse circuito uma fora eletromotriz induzida. Se o circuito fechado ser percorridopor uma corrente induzida".Lenz: "O sentido da corrente induzida tal que esta pelas suas aes magnticas tende sempre a

opor-se causa que lhe deu origem".

3.5 - Explicao Terica

O motor eltrico transforma a potncia eltrica fornecida em potncia mecnica e uma reduzidapercentagem em perdas.

As perdas, que so inerentes ao processo de transformao, so quantificadas atravs dorendimento (mais frente analisamos melhor os vrios tipos de perdas nos motores).

A Potncia Mecnica traduz-se basicamente no torque que o motor gera no eixo do rotor. O torque conseqncia direta do efeito originado pela induo magntica do estator em interao com a dorotor.

T = K . Best. Brot. sen T = TorqueK - ConstanteB

Best - Induo magntica criada pelo estatorBBrot - Induo magntica criada pelo rotor - ngulo entre Best e Brot

A velocidade de um motor de induo essencialmente determinada pela frequncia da energiafornecida ao motor e pelo numero de pares de plos existentes no estator.

No motor assncrono ou de induo o campo girante roda a velocidade sncrona, como nos motoressncronos. A velocidade do campo girante obtm-se pela seguinte expresso:


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Vg = velocidade do campo girantef = frequncian = numero de pares de plos

Uma caracterstica fundamental dos motores de induo o escorregamento, da tratarem-se demotores assncronos, o seu valor dado pela seguinte expresso:

s escorregamentoV - velocidade do rotorA velocidade sofre um ligeiro decrscimo quando o motor passa de um funcionamento em vazio (semcarga) para um funcionamento em carga mxima.

3.6 - Motores de Induo Monofsicos

Os motores monofsicos so assim chamados porque os seus enrolamentos de campo so ligadosdiretamente a uma fonte monofsica. Os motores de induo monofsicos so a alternativa naturalaos motores de induo trifsicos, nos locais onde no se dispe de alimentao trifsica, comoresidncias, escritrios, oficinas e em zonas rurais. Apenas se justifica a sua utilizao para baixaspotncias (1 a 2 KW).Entre os vrios tipos de motores eltricos monofsicos, os motores com rotor tipo gaiola destacam-sepela simplicidade de fabricao e, principalmente, pela robustez e manuteno reduzida. Por teremsomente uma fase de alimentao, no possuem um campo girante como os motores trifsicos, massim um campo magntico pulsante. Isto impede que tenham torque de arranque, tendo em conta queno rotor se induzem campos magnticos alinhados com o campo do estator. Para solucionar oproblema de arranque utilizam-se enrolamentos auxiliares, que so dimensionados e posicionados deforma a criar uma segunda fase fictcia, permitindo a formao do campo girante necessrio para oarranque.

Tipos de Motores de induo monofsicos: Motor de Plos Sombreados; Motor de Fase Dividida; Motor de Condensador de Partida; Motor de Condensador Permanente; Motor com dois Condensadores.

3.6.1 - Motor de Plos Sombreados

O motor de plos sombreados, tambm chamado de motor de campodistorcido (ou shaded pole), graas ao seu processo de arranque, o maissimples, fivel e econmico dos motores de induo monofsicos.

Construtivamente existem diversos tipos, sendo que uma das formas maiscomuns a de plos salientes. Cada plo vai ter uma parte (em geral 25%a 35% do mesmo) abraada por uma espira de cobre em curto-circuito. Acorrente induzida nesta espira faz com que o fluxo que a atravessa sofraum atraso em relao ao fluxo da parte no abraada pela mesma.O resultado disto semelhante a um campo girante que se move na direoda parte no abraada para a parte abraada do plo, produzindo o torquetingir a rotao nominal.que far o motor partir e a

O sentido de rotao, portanto, depende do lado em que se situa a parte abraada do plo.Consequentemente, o motor de campo distorcido apresenta um nico sentido de rotao. Estegeralmente pode ser invertido, mudando-se a posio da ponta de eixo do rotor em relao aoestator. Existem outros mtodos para se obter inverso de rotao, mas muito mais dispendiosos.Quanto ao desempenho, os motores de campo distorcido apresentam baixo torque de arranque (15%

a 50% do nominal), baixo rendimento e baixo fator de potncia. Devido a esse fato, eles sonormalmente fabricados para pequenas potncias, que vo de alguns milsimos de cv a 1/4 cv.


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Pela sua simplicidade, robustez e baixo custo so ideais em aplicaes tais como: movimentao dear (ventiladores, exaustores, purificadores de ambiente, unidades de refrigerao, secadores deroupa e de cabelo), pequenas bombas e compressores, projetores de slides, gira-discos e aplicaesdomsticas.Apesar de sua aparente simplicidade, o projeto deste tipo de motor de extrema complexidade,envolvendo conceitos de duplo campo girante, campos cruzados e complexa teoria eletromagntica.

3.6.2 - Motor de Fase Dividida

Este motor possui um enrolamento principal e um auxiliar (para oarranque), ambos defasados de 90 graus. O enrolamento auxiliarcria um deslocamento de fase que produz o torque necessrio paraa rotao inicial e a acelerao. Quando o motor atinge umarotao predeterminada, o enrolamento auxiliar desligado darede atravs de uma chave que normalmente atuada por umafora centrfuga (chave ou disjuntor centrfugo) ou em casosespecficos, por rel de corrente, chave manual ou outrosdispositivos especiais. Como o enrolamento auxiliar

dimensionado para atuar apenas no arranque, se no for desligadologo aps o arranque danifica-se.O ngulo de defasagem que se pode obter entre as correntes do enrolamento principal e doenrolamento auxiliar pequeno e, por isso, estes motores tm torque de arranque igual ou poucosuperior ao nominal, o que limita a sua aplicao a potncias fracionrias e a cargas que exigempouco torque de arranque, tais como mquinas de escritrios, ventiladores e exaustores, pequenospolidores, compressores hermticos, bombas centrfugas, etc.

3.6.3 - Motor de Condensador de Partida

um motor semelhante ao de fase dividida. A principal diferenareside na incluso de um condensador eletroltico em srie com oenrolamento auxiliar de arranque. O condensador permite um

maior ngulo de defasagem entre as correntes dos enrolamentosprincipal e auxiliar, proporcionando assim, elevados torques dearranque. Como no motor de fase dividida, o circuito auxiliar desligado quando o motor atinge entre 75% a 80% da velocidadesncrona. Neste intervalo de velocidades, o enrolamento principalsozinho desenvolve quase o mesmo torque que os enrolamentoscombinados. Para velocidades maiores, entre 80% e 90% davelocidade sncrona, a curva do torque com os enrolamentos

combinados cruza a curva de torque do enrolamento principal de maneira que, para velocidadesacima deste ponto, o motor desenvolve menor torque, para qualquer escorregamento, com o circuitoauxiliar ligado do que sem ele.Devido ao fato de o cruzamento das curvas no ocorrer sempre no mesmo ponto e, ainda, o disjuntorcentrfugo no abrir sempre exatamente na mesma velocidade, prtica comum fazer com que a

abertura acontea, na mdia, um pouco antes do cruzamento das curvas. Aps a abertura do circuitoauxiliar, o seu funcionamento idntico ao do motor de fase dividida.Com o seu elevado torque de arranque (entre 200% e 350% do torque nominal), o motor decondensador de partida pode ser utilizado numa grande variedade de aplicaes e fabricado parapotncias que vo de cv a 15 cv.

3.6.4 - Motor de Condensador Permanente

Neste tipo de motor, o enrolamento auxiliar e o condensador ficam permanentemente ligados, sendoo condensador do tipo eletrosttico. O efeito deste condensador o de criar condies de fluxo muitosemelhantes s encontradas nos motores polifsicos, aumentando, com isso, o torque mximo, orendimento e o fator de potncia, alm de reduzir sensivelmente o rudo.Construtivamente so menores e isentos de manuteno, pois no utilizam contactos e partes

mveis, como nos motores anteriores. Porm o seu torque de arranque inferior ao do motor de fasedividida (50% a 100% do conjugado nominal), o que limita sua aplicao a equipamentos que no


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requerem elevado torque de arranque, tais como: mquinas de escritrio, ventiladores, exaustores,sopradores, bombas centrifugas, esmeris, pequenas serras, furadeiras, condicionadores de ar,pulverizadores, etc. So fabricados normalmente para potncias de 1/50 a 1,5 cv.

3.6.5 - Motor com Dois Condensadores

um motor que utiliza as vantagens dos dois anteriores:arranque como o do motor de condensador de partida efuncionamento em regime idntico ao do motor decondensador permanente. Porm, devido ao seu altocusto, normalmente so fabricados apenas para potnciassuperiores a 1 cv.

3.7 - Motores Trifsicos

O motor de induo trifsico o tipo mais utilizado, tanto na indstria como no ambiente domstico,devido maioria dos sistemas atuais de distribuio de energia eltrica serem trifsicos de correntealternada.A utilizao de motores de induo trifsicos aconselhvel a partir dos 2 KW, Para potnciasinferiores justifica-se o uso de monofsicos.O motor de induo trifsico apresenta vantagens ao monofsico, como o arranque mais fcil, menornvel de rudo e menor preo para potncias superiores a 2KW.

3.7.1 - Gaiola de Esquilo

Este o motor mais utilizado na indstria atualmente. Tem avantagem de ser mais econmico em relao aos motoresmonofsicos tanto na sua construo como na sua utilizao.

Alm disso, escolhendo o mtodo de arranque ideal, tem umleque muito maior de aplicaes.O rotor em gaiola de esquilo constitudo por um ncleo dechapas ferromagnticas, isoladas entre si, sobre o qual socolocadas barras de alumnio (condutores), dispostosparalelamente entre si e unidas nas suas extremidades pordois anis condutores, tambm em alumnio, que curto-circuitam os condutores.O estator do motor tambm constitudo por um ncleoferromagntico laminado, que nas cavidades do qual socolocados os enrolamentos alimentados pela rede decorrente alternada trifsica.A vantagem deste rotor relativamente ao rotor bobinado

que resulta numa construo do induzido mais rpida, mais prtico e mais barato.

As barras condutoras da gaiola so colocadas geralmente comcerta inclinao, para evitar as trepidaes e rudos que resultamda ao eletromagntica entre os dentes das cavidades doestator e do rotor.A principal desvantagem refere-se ao fato de o torque dearranque ser reduzido em relao corrente absorvida peloestator.

Trata-se essencialmente de um motor de velocidade constante.


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3.7.2 - Princpio de Funcionamento - campo girante

Quando uma bobina percorrida por uma corrente eltrica, criado um campo magntico dirigidoconforme o eixo da bobina e de valor proporcional corrente.

Na figura ao lado mostrado um enrolamento monofsicoatravessado por uma corrente I, e o campo H criado por ela;o enrolamento constitudo de um par de plos (um plonorte e um plo sul), cujos efeitos se somam paraestabelecer o campo H. O fluxo magntico atravessa o rotorentre os dois plos e se fecha atravs do ncleo do estator.Se a corrente I alternada, o campo H tambm , e inverte seusentido em cada meio ciclo.O campo H pulsante, pois sua intensidade variaproporcionalmente corrente, sempre na mesma direonorte--sul.

Na figura ao lado mostrado um enrolamento trifsico, que composto por trs monofsicos espaados entre si de 120graus. Se este enrolamento for alimentado por um sistematrifsico, as correntes I1, I2 e I3 criaro, do mesmo modo, osseus prprios campos magnticos H1, H2 e H3. Estes camposso espaados entre si de 120 graus. O campo total Hresultante, a cada instante, ser igual soma dos trs camposH1, H2 e H3 naquele instante.


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Fusveis

So os elementos mais tradicionais para proteo contra curto-circuito de sistemas eltricos. Suaoperao baseada na fuso do elemento fusvel, contido no seu interior. O elemento fusvel umcondutor de pequena seo transversal, que sofre, devido a sua alta resistncia, um aquecimentomaior que o dos outros condutores, passagem da corrente.

O elemento fusvel um fio ou uma lmina, geralmente, prata, estanho, chumbo ou liga, colocadono interior de um corpo, em geral de porcelana, hermeticamente fechado. Possuem um indicador, quepermite verificar se operou ou no; ele um fio ligado em paralelo com o elemento fusvel e quelibera uma mola que atua sobre uma plaqueta ou boto, ou mesmo um parafuso, preso na tampa docorpo. Os fusveis contm em seu interior, envolvendo por completo o elemento, material granuladoextintor; para isso utiliza-se, em geral, areia de quartzo de granulometria conveniente. A figura abaixomostra a composio de um fusvel (no caso mais geral).

O elemento fusvel pode ter diversas formas. Em funo da corrente nominal do fusvel, ele compe-se de um ou mais fios ou lminas em paralelo, com trecho(s) de seo reduzida. Nele existe aindaum ponto de solda, cuja temperatura de fuso bem menor que a do elemento e que atua porsobrecargas de longa durao.

Rel bimetlico de sobrecarga

So dispositivos baseados no princpio da dilatao de partes termoeltricas (bimetlicos). Aoperao de um rel est baseado nas diferentes dilataes que os metais apresentam, quandosubmetidos a uma variao de temperatura.Rels de sobrecarga so usados para proteger INDIRETAMENTE equipamentos eltricos, comomotores e transformadores, de um possvel superaquecimento.


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O superaquecimento de um motor pode, por exemplo, ser causado por:

Sobrecarga mecnica na ponta do eixo; Tempo de partida muito alto; Rotor bloqueado; Falta de uma fase; Desvios excessivos de tenso e freqncia da rede.

Em todos estes casos citados acima, o incremento de corrente (sobre-corrente) no motor monitorado em todas as fases pelo rel de sobrecarga.Os terminais do circuito principal dos rels de sobrecarga so marcados da mesma forma que osterminais de potncia dos contatores.Os terminais dos circuitos auxiliares do rel so marcados da mesma forma que os de contatores,com funes especficas, conforme exemplos a seguir.O nmero de seqncia deve ser `9' (nove) e, se uma segunda seqncia existir, ser identificadacom o zero.


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