maquinas eletricas (7)

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MÁQUINAS ELÉTRICAS
UNIDADE I 
PARTE A
Princípio de Funcionamento do Motor de Indução
O dispositivo apresentado na figura 1 será utilizado para demonstrar o princípio de funcionamento de um motor de indução. Este dispositivo consiste de um imã suspenso por um fio. Sob o imã um disco de cobre ou alumínio está apoiado sob um mancal que está por sua vez apoiado em uma placa de ferro. Neste dispositivo o campo do imã permanente completa-se através do conjunto disco-placa de ferro.
 
Figura 1 - Princípio de Funcionamento do Motor de Indução
A medida que o imã girar o disco irá acompanhá-lo. Este fato se deve às correntes parasitas que aparecerão no disco devido a seu movimento relativo em relação ao campo magnético. Lei de Lenz explica o sentido contrário da tensão induzida (e conseqüentes correntes parasitas) que irá produzir o campo que tenderá a se opor a força, ou seja, ao movimento que produziu a tensão induzida. Estas correntes parasitas tenderão a criar sob o polo N do imã um polo S no disco e sob o polo S do imã um polo N no disco. Enquanto durar o movimento, que produz as correntes parasitas, estes pólos serão criados no disco. O disco desta maneira irá girar no mesmo sentido do imã pela atração existente entre estes pares de pólos que tenderão a alinhar-se.
Um fato extremamente importante é que o disco irá girar a uma velocidade menor que a do imã, pois caso contrário não existiria movimento relativo entre o imã e o disco e como conseqüência não existiriam as correntes parasitas nem os pólos, nem o movimento do disco e nem o torque. Desta forma, o disco deve escorregar em velocidade para que se produza torque. 
A diferença de velocidade que existe entre a velocidade síncrona do campo magnético girante e a velocidade um pouco menor na qual gira o disco é chamada de escorregamento (s), e é normalmente expressa em porcentagem.
Motores de Indução Trifásicos (MIT)
Um motor de indução é composto basicamente de duas partes: um Estator e um Rotor. O estator constitui a parte estática de um motor e o rotor sua parte móvel. 
O estator é composto de chapas finas de aço magnético tratadas termicamente para reduzir ao mínimo as perdas por correntes parasitas e histerese. Estas chapas têm o formato de um anel com ranhuras internas (vista frontal) de tal maneira que possam ser alojados enrolamentos que deverão criar um campo magnético no estator.
O rotor, composto de chapas finas de aço magnético tratadas termicamente como o estator, tem também o formato de um anel (vista frontal), com os enrolamentos alojados longitudinalmente.
O motor de indução é o motor de construção mais simples. Estator e rotor são montados solidários, com um eixo comum aos “anéis” que os compõem. A aplicação de uma tensão nos enrolamentos do estator irá fazer com que apareça uma tensão nos enrolamentos do rotor. Assim o estator pode ser considerado como o primário de um transformador e o rotor como seu secundário. O espaço entre o estator e o rotor é denominado entreferro. A figura 2 apresenta esquematicamente um MIT.
Figura 2 – Máquina de indução
Conforme se pode observar na figura 2, no estator de uma MIT os enrolamentos, ou bobinas, são em número de três. Estas bobinas, alojadas nas ranhuras do estator, podem ser ligadas em estrela ou triângulo.
No rotor os enrolamentos, enrolados longitudinalmente a seu eixo, podem ser realizados de duas maneiras, o que dá origem a dois tipos de rotor:
Rotor Gaiola de Esquilo: tipo mais comum, tem no rotor os condutores da bobinas curto-circuitados em cada terminal por anéis terminais contínuos (figura 3a).
Rotor Bobinado: neste tipo de rotor, condutores de cobre que formam uma bobina são colocados em diversas ranhuras (usualmente isolados do núcleo) e podem, no caso de existirem três bobinas, ser ligado em estrela ou triângulo. Neste caso, cada terminal do enrolamento trifásico é ligado a anéis coletores que são isolados do eixo do rotor. Usualmente um resistor trifásico equilibrado variável é ligado aos anéis coletores através de escovas a fim de variar a corrente na partida (figura 3b). 
 (a) (b)
 
Figura 3 – Rotor gaiola de esquilo e bobinado 
Algumas vezes a máquina tipo gaiola é chamada de máquina sem escovas e a máquina com rotor bobinado é chamada de máquina de anéis.
Rotor em gaiola de esquilo
Rotor de gaiola simples.
Os condutores são colocados em cavas paralelamente ao veio da máquina. Estes condutores encontram-se curto-circuitados em cada extremidade por um anel condutor. O conjunto do material condutor tem o aspecto de uma gaiola de esquilo, donde deriva o nome dado a este tipo de rotor. Em certos tipos de rotores a gaiola é inteiramente moldada, constituindo o conjunto um dispositivo extraordinariamente robusto. Os condutores podem ser de cobre ou de alumínio. O alumínio sob pressão é frequentemente utilizado. Junto os anéis que os curto-circuitam.
Como será visto mais à frente, estes motores podem ter um binário de arranque de fraca intensidade. A corrente absorvida nesta situação é várias vezes superior à corrente nominal.
Rotor de gaiola dupla.
Este tipo de rotor comporta duas gaiolas concêntricas. A gaiola exterior é construída para ter uma resistência suficientemente elevada de modo a permitir um bom binário de arranque, enquanto que a gaiola interior é constituída por uma resistência baixa de modo a garantir um bom rendimento em funcionamento nominal. Como será visto mais à frente, no arranque funcionará essencialmente a gaiola exterior, enquanto que na situação normal será a gaiola interior a funcionar. O grande benefício que se obtém da utilização de motores deste tipo consiste no aumento do binário de arranque. Consegue-se também uma ligeira diminuição do valor da corrente de arranque.
Rotor de gaiola de barras profundas.
Este tipo de rotor tem o aspecto da gaiola simples, embora as barras que constituem o seu enrolamento sejam de considerável profundidade. As suas características de arranque são análogas às do rotor de gaiola dupla.
Enrolamentos do rotor em gaiola.
A construção mais simples consiste em montar os condutores do rotor nas respectivas cavas e curto-circuitá-las por intermédio de dois anéis, um em cada topo. Frequentemente este enrolamento é obtido vazando alumínio no núcleo do rotor, montado num molde, moldando-se ao mesmo tempo as alhetas destinadas à ventilação.
Como os condutores estão curto-circuitados permanentemente, não há necessidade de os isolar.
 
Figura 6 - Várias formas possíveis para as barras das gaiolas.
A figura 6 apresenta algumas formas dos condutores (definidos pela forma da respectiva cava) tanto para máquinas de gaiola simples como de gaiola dupla, bem ainda como de barras profundas.
 Motor de rotor bobinado
O motor de rotor bobinado difere do motor de rotor em gaiola de esquilo apenas no que se refere ao rotor. O rotor é constituído por um núcleo ferromagnético laminado sobre o qual são alojadas as espiras que constituem o enrolamento trifásico, geralmente dispostas em forma estrela. Os 3 terminais livres de cada uma das bobinas do enrolamento trifásico são ligados a 3 anéis coletores. Esses 3 anéis coletores são ligados externamente a um reostato de arranque formado por 3 resistências variáveis, ligadas também em estrela. Deste modo os enrolamentos do rotor também ficam em circuito fechado.
A função do reostato de arranque, é de reduzir as correntes de arranque elevadas, no caso de motores de elevada potência.
A medida que o motor vai ganhando velocidade, as resistências vão sendo progressivamente retiradas do circuito até ficarem curto-circuitadas, quando o motor passa a funcionar no seu regime nominal. Dessa forma, o motor de rotor bobinado também funciona com os elementos do rotor em curto-circuito( tal como o motor com rotor em gaiola de esquilo ).
O motor de indução de rotor bobinado substitui o de rotor em gaiola de esquilo em potências muito elevadas devido ao abaixamento da corrente de arranque permitida pela configuração do rotor.
Apesar de ser utilizado em casos onde as velocidades de serviço são constantes, é preferencialmente aplicado em velocidades de serviço variáveis.
Enrolamentos de Campo
Motores Monofásicos
	Os motores monofáscos de fase auxiliar podem ser construídos com dois, quatro ou seis terminais de saída. Os motores de dois terminais funcionam em uma tensão (110V ou 220V) e em um sentido de rotação.
	Os de quatro terminais são construídos para uma tensão(110V ou 220V), e em dois sentidos de rotação, os quais são determinados conforme a ligação efetuada entre o enrolamento principal e o auxiliar. De um modo geral, os terminais do enrolamento principal são designados pelos números 1 e 2 e os do auxiliar por 3 e 4. Para inverter o sentido de rotação, é necessário inverter o sentido da corrente do enrolamento auxiliar, isto é, trocar o 3 pelo 4.
	Os motores de seis terminais são construídos para duas tensões(110V ou 220V) e para dois sentidos de rotação. Para inversão do sentido de rotação, inverte-se o sentido da corrente do enrolamento auxiliar. O enrolamento principal é designado pelos números 1,2,3 e 4 e o auxiliar por 5 e 6. Para inversão do sentido de rotação, troca-se o terminal 5 pelo 6. As bobinas do enrolamento principal são ligadas emparalelo quando a tensão é 110V e em série, quando a tensão é de 220V.
Motores trifásicos
	O motor trifásico tem as bobinas distribuídas no estator e ligadas de modo a formar três circuitos simétricos distintos, chamados de fase de enrolamento. Essas fases são interligadas, formando as seguintes ligações:
Ligação em triângulo ou delta (220V)
Ligação em estrela (380V)
	
A ligação de motores trifásicos com três terminais á rede é feita conectando-se os terminais 1,2 e 3 aos terminais de rede RST em qualquer ordem.
OBS: Para inverter o sentido de rotação do motor trifasico, basta inverter duas fases R com S, R com T ou S com T.
	Os motores trifásicos com seis terminais só tem condição de ligação em 2 tensões: 220/380V ou 440/760V. Esses motores são ligados em triângulo na menor tensão e em estrela, na maior tensão. É comum encontrarmos as marcações U,V,W,X,Y,Z, ao invés de 1,2,3,4,5 e 6.
	Os motores com nove terminais tem possibilidade de ligação em três tensões: 220/380/440V
	Os motores com doze terminais tem possibilidade de ligação em quatro tensões: 220/380/440/760V.
	Os motores elétricos possuem uma placa de identificação, colocada pelo fabricante.
	Para se instalar adequadamente o motor é imprescindível que o profissional saiba interpretar os dados de placa.
MOTORES ASSÍNCRONOS
 
Alguns motores de corrente alternada têm rotores que não são quer imãs permanentes quer eletroímãs convencionais. Estes rotores são feitos de metais não-magnéticos, como o alumínio, e não têm nenhuma conexão elétrica. Todavia, o isolamento elétrico deles não os impede de ficarem 'magnetizados' ou 'imantados'. Quando um rotor feito de alumínio é exposto a campos magnéticos alternados, correntes elétricas começam a fluir por ele e estas correntes induzidas tornam o rotor magnético. Esse é um fenômeno básico do eletromagnetismo denominado indução eletromagnética. Tais motores, que usam desse fenômeno para tornarem seus rotores magnetizados, são chamados de 'motores A.C de indução'.Os motores de indução são provavelmente o tipo o mais comum de motor de C. A., comparecendo em muitos eletrodomésticos (ventiladores, motores de toca-discos etc.) e aplicações industriais. Fornecem bom torque, começam facilmente a girar, e são baratos. Um motor de indução trabalha ' movendo' um campo magnético em torno do rotor --- o denominado 'campo magnético girante'. O estator que cerca o rotor contem eletroímãs sofisticado. O estator não se movimenta, mas sim o campo magnético que ele produz! Com um uso inteligente de vários recursos eletromagnéticos (espiras de curto circuito, capacitores etc.), o estator pode criar pólos magnéticos de que se deslocam em um círculo e se movimenta em torno do rotor. Na ilustração abaixo, o pólo norte do estator 'gira' no sentido anti-horário em torno do rotor. 
Nos motores CA podemos distinguir três velocidades importantes que influem no funcionamento e características dos motores, a saber:
	Velocidade síncrona ( Ns) = é a velocidade do campo magnético rotativo existente no campo indutor.
	Velocidade do rotor (Nr) = é a velocidade desenvolvida pelo rotor e pelo eixo do motor, pois este está preso ao rotor.
	Velocidade de escorregamento (N) = é a diferença entre as velocidades síncrona e a que o rotor está girando.
	As velocidades dos motores na prática são medidas em RPM ( rotações por minuto ).
 - Motores Assíncronos são aqueles cuja velocidade do rotor não é síncrona com a freqüência da rede CA.
Nr < Ns Ns= 120f / P N= Ns - Nr S = ((Ns-Nr)/Ns) x 100
Ex: um motor de 2 pólos ligado a uma rede 60Hz tem em seu rotor girando a 3550 rpm, teremos:
 Nr = 3550 rpm, Ns= 120x60/2= 3600 rpm logo,
 S = (3600-3550)/3600 = 0,0138 x 100= 1,38 % de escorregamento percentual.
Quando um motor assíncrono está em vazio o escorregamento é baixo, porque Nr se aproxima de Ns. Quando se aplica carga no eixo do motor o escorregamento aumenta.
À primeira vista, as máquinas de indução podem ser também consideradas como máquinas de excitação única, porque são aplicadas a seu estator apenas tensões alternadas polifásicas. Mostraremos, contudo, que uma tensão alternada de freqüência variável é induzida no seu rotor, da mesma maneira que se induz uma tensão alternada, por ação transformadora, num secundário de um transformador . A máquina de indução, conseqüentemente, é uma máquina de dupla excitação, na qual uma tensão alternada CA é aplicada a ambos os enrolamentos, ao do estator (armadura) e ao do rotor . A tensão aplicada ao enrolamento da armadura é uma tensão de excitação de freqüência (normalmente) constante e de potencial também (normalmente) constante, suprida por um barramento polifásico ou monofásico, da mesma maneira que nas máquinas síncronas. A tensão aplicada ao rotor é uma tensão induzida de freqüência e potencial variáveis, produzida como conseqüência da velocidade do rotor com relação à velocidade síncrona.
De todos os tipos de motores estudados até agora (motores CC e motores polifásicos CA síncronos), o motor de indução de gaiola de esquilo é o mais simples no aspecto construtivo. Não tem comutador, nem anéis coletores, nem quaisquer contatos móveis entre o rotor e o estator. Este tipo de construção leva a muitas vantagens, inclusive a uma operação isenta de manutenção, indicando-se sua aplicação em localizações remotas, e sua operação em situações severas de trabalho onde a poeira e outros materiais abrasivos sejam fatores a serem considerados. Por esta razão, é correntemente o motor de CA polifásico mais largamente utilizado.
Enquanto o motor de indução é talvez o mais simples de todos os motores, sob o ponto de vista de operação e trabalho, a teoria de sua operação é bastante sofisticada. 
É devido à ação geradora que ocorre, produzindo correntes e um resultante campo magnético oposto, que o motor de indução pode ser classificado como uma máquina duplamente excitada. Além disso, como em todas as máquinas, enquanto o torque eletromagnético é o resultado da interação entre os campos magnéticos produzidos pelas duas correntes de excitação, ocorre simultaneamente uma ação geradora. No motor síncrono CA, ocorriam a ação-motor e a ação geradora à velocidade síncrona do campo magnético girante. No motor de indução CA, nem a ação-motor nem a ação-gerador poderãoocorrer à velocidade síncrona. Por isso, as máquinas que funcionam sob o princípio de indução são classificadas como assíncronas ou não síncronas.
O torque desenvolvido na situação de motor parado para cada um dos condutores individuais no rotor pode ser expresso em função do fluxo ou corrente (que produz o fluxo), no estator e no rotor, respectivamente, como:
 T= k t x Φ x Ir x cos Φr 
Como um princípio unificante, o torque desenvolvido em cada condutor de ums máquina duplamente excitada é proporcional a Φ1 Φ2 cos Φ, onde Φ1 Φ2 representam os fluxos resultantes produzidos pelas duas tensões de excitação, e Φ é o ângulo entre os fluxos. Assim, o torque é produzido pela repulsão ou atração de dois campos magnéticos. Este princípio, portanto, é igualmente verdadeiros para instrumentos eletrodinamométricos e para alto-falantes dinâmicos. 
 onde Kt é uma constante de torque para o número de pólos, o enrolamento, 
 as unidades empregadas, etc.
 Φ é o fluxo produzido por cada pólo unitário do campo magnético 
 girante que concatena o condutor do rotor.
 Ir cos Φr é a componente da corrente do rotor em fase com Φ. 
CORRENTE NOMINAL
	Quanto a corrente nominal no motor podemos determinar como sendo:
Para motores monofásicos
 I = P(cv) x 736 (A)
 V x η x cos θ
Para motores trifásicos
I = P(cv) x 736 .(A)
 1,73 x V x η x cos θ
onde:
P(cv) – potência do motor em CV, sendo convertida para W
V – tensão nominal, Volts
η - rendimento do motor
cos θ - fator de potência do motor
MOTOR SÍNCRONO
O motor síncrono não tem inerentemente torque de partida, isto é, não parte por si mesmo sem um enrolamento de compensação.
Como os motores de indução, os motores síncronos possuem enrolamentos no estator que produzem o campo magnético girante, mas, o circuito do rotor de um motor síncrono é excitado por uma fonte de corrente contínua proveniente de uma excitatriz, que é um pequeno gerador de corrente contínua.
O motor síncrono não tem partida própria, necessitando, portanto, que o rotor seja arrastado até a velocidade síncrona por um meio auxiliar. Existem motores em que a partida é dada por condutores em gaiolas embutidos na face dos polos do rotor. Inicia-se a partida como motor de indução e no momento certo excita-se os polos do rotor e o motor entra em sincronismo.
Entre as vantagens dos motores síncronos, em relação aos de indução, está o fato de que o entreferro nas máquinas síncronas é maior. O enrolamento de indução do rotor desenvolve, portanto, durante a partida uma relação razoavelmente grande de sua reatância para sua para sua resistência. Embora isso possa resultar em maiores correntes de partida e menores fatores de potência para o desenvolvimento do mesmo torque, ou mesmo de um torque menor, o fato resulta em melhor velocidade de escorregamento a vazio do motor síncrono.
O motor síncrono parte e funciona à velocidade síncrona ou a uma velocidade próxima dela, através dos enrolamentos amortecedores que propiciam uma partida como a de um motor de indução.
 
Operação: Durante o período transitório, quando se acelera um motor síncrono, como se ele fosse motor de indução, teremos uma corrente de armadura circulando no enrolamento do estator. Está corrente que estará sendo limitada essencialmente pela tenção induzida e pela corrente circulante nas barras de enrolamento amortecedor do rotor, por ação-transformador. Quando se energiza o campo cc(e o rotor entra em sincronismo), por outro lado, o fluxo do motor induz nos condutores do estator uma tensão CA. Uma vez que o motor síncrono está em paralelo com o barramento, a corrente que o motor solicita da rede, como resultado da ação-motor, é uma corrente sincronizante, requerendo-se, portanto, uma potencia sincronizante para manter o seu motor em sincronismo com a frequência de rotaçao do fluxo do estator.
	
O motor síncrono AC usa eletroímãs como estatores para fazer
girar o rotor que é um ímã permanente. O rotor gira com fre- 
qüência igual ou múltipla daquela da AC aplicada.
Este motor é essencialmente idêntico a um gerador elétrico; realmente, geradores e motores têm configuração bastante próximas. Um gerador usa do trabalho mecânico para produzir a energia elétrica enquanto que um motor usa a energia elétrica para produzir trabalho mecânico. O rotor, na ilustração acima, é um ímã permanente que gira entre dois eletroímãs estacionários. Como os eletroímãs são alimentados por corrente alternada, seus pólos invertem suas polaridades conforme o sentido da corrente inverte. O rotor gira enquanto seu pólo norte é 'puxado' primeiramente para o eletroímã esquerdo e 'empurrado' pelo eletroímã direito. Cada vez que o pólo norte do rotor está a ponto de alcançar o pólo sul de um eletroímã estacionário, a corrente inverte e esse pólo sul transforma-se um pólo norte. O rotor gira continuamente, terminando uma volta para cada ciclo da corrente alternada. Como sua rotação é perfeitamente sincronizada com as reversões da C.A, este motor é denominado 'motor elétrico síncrono da C. A.'. O motor da bomba d'água de máquinas de lavar roupa, por exemplo, são desse tipo. Os motores de C.A síncronos são usados somente quando uma velocidade angular constante é essencial para o projeto.
Entretanto, os motores síncronos ilustram um ponto importante sobre motores e geradores:  são, essencialmente, os mesmos dispositivos. Se você conectar um motor C.A síncrono à rede elétrica domiciliar e o deixar girar, extrairá energia do circuito elétrico e fornecerá trabalho mecânico. Mas, se você ligar uma lâmpada incandescente no cordão de força que sai desse mesmo motor e girar bem rapidamente seu rotor (com um sistema de rodas acopladas e manivela), gerará 'eletricidade' e a lâmpada acenderá.