DI MENSI ONAMENTO DE MOTORES ELTRI COS Responsvel Prof. Ms. - - PowerPoint PPT Presentation

Curso

DI MENSI ONAMENTO DE MOTORES ELÉTRI COS

Responsável Prof. Ms. Leandro Momenté Almada – Engenheiro Elétrico (UNESP), Mestre em Engenharia Elétrica (UNESP) e Docente

Proposta

O curso contempla noções sobre eletromecânica, conversão de energia elétrica em energia mecânica, funcionamento de motores elétricos de indução, partida de motores elétricos, solicitações mecânicas, classificação de motores elétricos e cargas mecânicas, curvas características e dimensionamento de motores elétricos.

NOÇÕES FUNDAMENTAI S

W = F . D = Força x deslocamento [ Nm ]

[W] Trabalho F D P Tempo t   ⋅   = =        

J] kWh, [Wh, t P E

• =

CONJUGADO: ENERGIA E POTÊNCIA MECÂNICA:

Também chamado de Momento, Torque ou Binário. C = F . d = Força x distância [ Nm ]

TRABALHO:

Equivalência entre movimento retilíneo e movimento circular (rotativo): [ ] [ ] [ ]

2

_ ; _ ; _ ; _ _ ; _[ ] F força N m massa g m a aceleração s m V velocidade s t tempo s d distância m − −   −       −     − − Grandezas do movimento retilíneo Grandezas do movimento circular

[ ] [ ] [ ]

2

_ . ; _ _ _ ; _ _ ; _ _ ; _ _[ ] C conjugado N m J momento de inercia g rad aceleração angular s rad W velocidade angular s t tempo s deslocamento angular rad α θ − −   −       −     − −

Equivalência entre movimento retilíneo e movimento circular (rotativo):

Equações do movimento retilíneo Equações do movimento circular

F a m = 

w w t α − =

C J α =

d v t = 

v v t a − =  

2 f w t π =

Lei de Faraday / Lens

e t ϕ ∂ = − ∂ B dA ϕ = ⋅

∫



MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO:

ESTATOR

1

PARTES:



Carcaça;



Núcleo de Chapas;



Enrolamento Trifásico.

2



Eixo;



Núcleo de Chapas;



Barras e anéis de curto.

ROTOR

MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO: PARTES:

3

OUTRAS PARTES



Tampas;



Ventilador;



Caixa de ligação;



Rolamentos;



Placa de Identificação;



Defletora, etc. MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO: PARTES:

O motor de indução tem conjugado igual a zero à velocidade síncrona. Relação entre Conjugado e Potência

Categoria N: Conjugado de partida normal, corrente de partida normal; baixo escorregamento. Categoria H: Conjugado de partida alto, corrente de partida normal; baixo escorregamento. Categoria D: Conjugado de partida alto, corrente de partida normal; alto escorregamento ( mais de 5%).

Valores de conjugados Categorias N

Valores de conjugados Categorias H

Conjugado de aceleração

É o conjugado necessário para acelerar a maquina a velocidade nominal

R

C J α =

R MOTOR CARGA

C C C = − t ω ω α = + ⋅

Categoria N: Conjugado de partida normal, corrente de partida normal; baixo escorregamento. Categoria H: Conjugado de partida alto, corrente de partida normal; baixo escorregamento. Categoria D: Conjugado de partida alto, corrente de partida normal; alto escorregamento ( mais de 5%).

De acordo com a norma NBR 7094/96, as regiões de tolerâncias da tensão e frequência são classificadas como zona “A” e zona “B”.

0,95 “B” 1,10 1,05 1,02 1,03 0,95 0,90 0,98 “A”

TENSÃO ( p.u. ) FREQUÊNCIA ( p.u. )

NOMINAL ZONA “ A ” ZONA “ B ”

 Desempenhar sua função principal continuamente (assegurar o seu conjugado nominal);  Desvios em suas características de desempenho à tensão e frequências nominais (rendimento, fator de potência, etc.);  Elevações de temperatura superiores àquelas a tensão e frequência nominais (podem exceder em aproximadamente 10K os limites especificados pela norma); Zona “A”

0,95 “B” 1,10 1,02 1,03 0,95 0,90 0,98 “A”

TENSÃO ( p.u. ) FREQUÊNCIA ( p.u. )

Zona “B”  Desempenhar sua função principal (assegurar o seu conjugado nominal);  Desvios em suas características de desempenho, à tensão e frequência nominais, superiores àqueles da zona A  Elevações de temperatura superiores àquelas a tensão e frequência nominais e superiores às da zona “A”;

0,95 “B” 1,10 1,02 1,03 0,95 0,90 0,98 “A”

TENSÃO ( p.u. ) FREQUÊNCIA ( p.u. )

TENSÕES USUAIS:

Baixa Tensão: 220, 380, 440, 660 V Média Tensão: 2.300, 3.300, 4.160, 6.600, 13.800 V

Tripla Tensão Nominal Tensões: 220/380/440/760 V Cabos: 12 ( doze ) LIGAÇÕES: Série - Paralela Cada fase é dividida em 2 partes; Segunda tensão é o dobro da primeira; Tensões: 220/440 V e 230/460 V Cabos: 9 ( nove ) Estrela – Triângulo Segunda tensão √3 vezes maior que a primeira; Tensões: 220/380 V, 380/660 V, 440/760 V

• Cabos: 6 ( seis )

REGIMES DE SERVIÇO MAIS IMPORTANTES:

 Regime S1: Regime contínuo

tn Carga Perdas Elétricas Temperatura Tempo θ máx

REGIMES DE SERVIÇO MAIS IMPORTANTES:

 Regime S2: Funcionamento a carga constante durante um período inferior ao tempo necessário para atingir o equilíbrio térmico.

tn Tempo θ máx Carga Perdas Elétricas Temperatura

S2 60 min S2 30 min

REGIMES DE SERVIÇO MAIS IMPORTANTES:

 Regime S3: Sequência de ciclos idênticos, sendo um período a carga constante e um período de repouso. O ciclo é tal que a corrente de partida não afeta significativamente a elevação de temperatura. S3 25% ED S3 40% ED

Carga Perdas Elétricas Temperatura θ máx Tempo tn tr Duração do ciclo

REGIMES DE SERVIÇO MAIS IMPORTANTES:

 Regime S4: Sequência de ciclos idênticos, sendo um período de partida, um período a carga constante e um período de repouso. O calor gerado na partida é suficientemente grande para afetar o ciclo seguinte. S4 40% ED

Carga Perdas Elétricas Temperatura Tempo Duração do ciclo θ máx td tn tr

POTÊNCIA EQUIVALENTE PARA CARGAS DE “ PEQUENA INÉRCIA “:

P1 P2 P3 P4 Pn t1 t2 t3 t4 tn t (s) P (cv)

n 1 n 2 n 1 2 1

t ...... . .. t t . P ......... t . P Peq + + + + =

Tolerâncias de Norma ( NBR 7094/1996 )

RENDIMENTO:

Tolerâncias no Rendimento ( η )

Rendimento Tolerância η ≥ 0,851

• 0,20 ( 1 - η )

η < 0,851

• 0,15 ( 1 - η )

Conforme Portaria do DNAEE (1569 - 23 de dezembro de 1993)  cos ϕ ≥ 0,92;  medição hora-sazonal;  Faturamento da energia reativa capacitiva excedente;

FATOR DE POTÊNCIA: VELOCIDADE NOMINAL:

É a velocidade (rpm) do motor funcionando à potência nominal, sob tensão e frequência nominais ( depende do escorregamento ) Correção: Utilização de Bancos de Capacitores

É o fator que aplicado à potência nominal, indica a carga permissível que pode ser aplicada continuamente ao motor, sob condições especificadas. OBS.: Por norma, um motor trabalhando no fator de serviço, terá o limite de temperatura da classe do isolante acrescido de até 10ºC.

CORRENTE NOMINAL:

É a corrente que o motor absorve da rede quando funcionando à potência nominal, sob tensão e frequência nominais.

FATOR DE SERVIÇO (FS):

CONDIÇÕES NORMAIS DE OPERAÇÃO:

De acordo com a norma NBR 7094:  Altitude ≤ 1000 m;  Temperatura ≤ 40 ºC;  Atmosfera limpa

INFLUÊNCIA DA ALTITUDE:

A potência útil fornecida pelo motor reduz com o aumento da altitude.

AR + RAREFEITO

Classe de Isolação

As normas nacionais e internacionais classificam os materiais em cinco classes de isolação: A, E, B, F e H,

FATOR DE MULTIPLICAÇÃO DA POTÊNCIA ÚTIL EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA AMBIENTE ( T ) EM “ ºC ” E DA ALTITUDE (H ) EM “m” : 10

• 1,05

15

• 1,05

0,99 20

• 1,05

0,99 0,93 25

• 1,05

0,98 0,93 0,88 30

• 1,04

0,97 0,92 0,87 0,82 35

• 1,02

0,96 0,91 0,86 0,81 0,77 40 1,00 0,94 0,89 0,85 0,80 0,76 0,72 45 0,92 0,87 0,83 0,78 0,74 0,70 0,67 50 0,85 0,80 0,76 0,72 0,68 0,65 0,62 55 0,77 0,74 0,70 0,66 0,63 0,60 0,57 60 0,71 0,67 0,64 0,60 0,57 0,55 0,52

T/ H 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

1º ALGARISMO ( indica o grau de proteção contra penetração de corpos sólidos e contato acidental) Sem proteção 1 Corpos estranhos de dimensões acima de 50mm - Toque acidental com a mão 2 Corpos estranhos de dimensões acima de 12mm - Toque com os dedos 3 Corpos estranhos de dimensões acima de 2,5mm - Toque com os dedos 4 Corpos estranhos de dimensões acima de 1,0mm - Toque com ferramentas 5 Proteção contra acúmulo de poeiras prejudiciais ao motor - Completa contra toques 6 Totalmente protegido contra a poeira - Completa contra toques 2º ALGARISMO ( indica o grau de proteção contra penetração de água no interior do motor) Sem proteção 1 Pingos de água na vertical 2 Pingos de água até a inclinação de 15° com a vertical 3 Água da chuva até a inclinação de 60° com a vertical 4 Respingos em todas as direções 5 Jatos d’água de todas as direções 6 Água de vagalhões 7 Imersão temporária 8 Imersão permanente

GRAUS DE PROTEÇÃO

A letra (W) entre as letras IP e os algarismos, indica que o motor é protegido contra intempéries

Uma atmosfera é explosiva quando a proporção de gás, vapor ou pó na atmosfera é tal que uma faísca proveniente de um circuito elétrico ou o aquecimento de um aparelho pode provocar uma explosão

ATMOSFERA EXPLOSIVA: CONDIÇÕES PARA OCORRÊNCIA DA EXPLOSÃO: SUBSTÂNCIAS INFLAMÁVEIS (Gás, vapor, poeira, fibras) AR (Oxigênio) FONTE DE IGNIÇÃO (Faísca, temperatura superficial excessiva)

CLASSIFICAÇÃO DE ÁREAS DE RISCO - IEC/ ABNT/ CENELEC

Presença permanente da atmosfera 1 Presença frequente da atmosfera 2 Presença rara da atmosfera 10 Presença permanente da atmosfera (pó e fibra) 11 Presença ocasional da atmosfera (pó e fibra) ZONA DESCRIÇÃO I Gases de minas - Grisú II A Propano, benzeno, acetona II B Etileno, éter dietílico II C Hidrogênio, acetileno GRUPO DESCRIÇÃO

CLASSIFICAÇÃO ÁREAS DE RISCO - NEC 1 Presença permanente da atmosfera 2 Presença acidental da atmosfera DIVISÃO DESCRIÇÃO I Presença de gases e vapores inflamáveis II Presença de poeiras inflamáveis III Presença de fibras inflamáveis CLASSE DESCRIÇÃO GASES: MINAS Grisú A Acetileno B Butadieno, hidrogênio C Etileno, ciclopropano D Propano, butano E Pó de alumínio, magnésio (alta condutividade) F Pó de carbono, coque (leve condutividade) G Grãos e cereais (não condutivo) GRUPO DESCRIÇÃO

CLASSES DE TEMPERATURA - NEC / IEC T1 450 °C T1 450 °C T2 300 °C T2 300 °C T2A 280 °C T2B 260 °C T2C 230 °C T2D 215 °C T3 200 °C T3 200 °C T3A 180 °C T3B 165 °C T3C 160 °C T4 135 °C T4 135 °C T4A 120 °C T5 100 °C T5 100 °C T6 85 °C T6 85 °C

IEC NEC Classe

• Temp. máx.

Classe

• Temp. máx.

COMPARATIVO ENTRE ABNT/IEC E NEC/API IEC Zona 0 Zona 1 Zona 2 NEC/API Divisão 1 Divisão 2

Normas Ocorrência de mistura inflável contínua condição normal condição anormal

IEC Gr II C Gr II C Gr II B Gr II A NEC/API Classe I Classe I Classe I Classe I Gr A Gr B Gr C Gr D

Grupo de Grupo de Grupo de Grupo de Acetileno Hidrogênio Eteno Propano

Gases Normas

Segurança Ex (e) Em condições normais de Zonas aumentada

• peração não produzem arco,

1 e 2 centelha ou alta temperatura. Não Ex (n) Em condições normais de Zona acendível

• peração não possuem energia

2 suficiente para inflamar a atmosfera explosiva A prova de Ex (d) Suportam explosão interna sem Zonas explosão permitir que se propague para 1 e 2

• meio externo.

Tipo de Simbologia Definição Área de Proteção IEC/ABNT Aplicação

EQUIPAMENTOS PARA ÁREA DE RISCO

 Ensaio com rotor bloqueado;  Ensaio de partida;  Ensaio de sobrevelocidade;  Ensaio de nível de ruído;  Ensaio de tensão no eixo;  Ensaio de vibração.  Ensaio de resistência elétrica, a frio;  Ensaio em vazio;  Ensaio com rotor bloqueado;  Ensaio de tensão secundária para motores com rotor enrolado;  Ensaio de tensão suportável.

ENSAIOS DE ROTINA: ENSAIOS DE TIPO:

 Todos os ensaios de rotina;  Ensaio de elevação de temperatura;  Ensaio de resistência elétrica, a quente;  Ensaios relativos a potência fornecida;  Ensaio de conjugado máximo em tensão nominal ou reduzida;

ENSAIOS ESPECIAIS

POTENCIA NOMINAL

Escolha do motor para acionar determinada carga: Deve-se conhecer:  Conjugado requerido pela carga;  Rotação da carga;  Condições de operação;  Acoplamento utilizado.

A potência nominal do motor é dada pela equação:

0,10472. .

n n

P n C =

• 2. . .

n n

P f C π =

• u
• 2. . .

60

n n

n C P π =

n

P

n

C n

potência nominal do motor em Watts; conjugado nominal do motor em Nm; rotação nominal do motor em rpm Onde:

POTENCIA NOMINAL

Considerando o acoplamento do motor tem-se:

1

c n cn ac m

n C C n η = ⋅ ⋅

c

n

cn

C

m

n

rotação da carga conjugado nominal da carga rendimento do acoplamento

ac

η

rotação do motor Onde:

POTENCIA NOMINAL

O rendimento do acoplamento é definido por:

c a

P P η =

c

P

a

P

potência transmitida à carga Potência total fornecida pelo motor Onde:

POTENCIA NOMINAL

Tipos de acoplamento x Faixa de rendimento (%)

POTENCIA NOMINAL

DEFINIÇÃO

É o conjugado referido pela carga, e portanto, depende do tipo de carga a ser acionada pelo motor.

DEFINIÇÃO

Pode ser definido pela expressão geral a seguir

x c c

C C k n = + ⋅

c

C C

Conjugado resistente da carga em Nm Conjugado da carga para rotação zero ( conjugado de partida) em Nm Onde:

c

k n

Constante que depende da carga Rotação nominal do motor em r.p.m.

x

Parâmetro que depende da carga, assumindo valores inteiros de -1 a 2.

CONJUGADO CONSTANTE

Para este tipo de carga o parâmetro x é zero (x=0)

c c

C C k = +

Nas máquinas desse tipo, o conjugado resistente permanece constante durante a variação de velocidade e a potência consumida pela carga aumenta proporcionalmente com a velocidade

CONJUGADO CONSTANTE

( )

c c

P C k n = + ⋅

A potência consumida aumenta com o aumento da velocidade segundo a relação a seguir:

CONJUGADO CONSTANTE

• Compressores a pistão;
• Bombas a pistão;
• Guindastes;
• Transportes contínuos (esteiras).

Exemplos de cargas com conjugados constantes:

CONJUGADO LINEAR

Para este tipo de carga o parâmetro x é igual a 1 (x=1)

c c

C C k n = + ⋅

Nas máquinas desse tipo,

• conjugado

resistente varia linearmente com a rotação.

2 c c

P C n k n = ⋅ + ⋅

A potência consumida varia com o quadrado da rotação como segue:

CONJUGADO LINEAR

• Cargas com atrito viscoso (calandra de papel);
• Centrífugas;
• Bombas de vácuo.

Exemplos de cargas com conjugados lineares:

CONJUGADO LINEAR

CONJUGADO QUADRATICO

Para este tipo de carga o parâmetro x é igual a 2 (x=2)

2 c c

C C k n = + ⋅

Nas máquinas desse tipo, o conjugado resistente varia com o quadrado da rotação

3 c c

P C n k n = ⋅ + ⋅

A potência consumida varia com o cubo da rotação como segue:

CONJUGADO QUADRATICO

• Bomba centrífuga;
• Ventiladores;
• Compressores centrífugos;
• Misturadores centrífugos.

Exemplos de cargas com conjugados quadráticos:

CONJUGADO QUADRATICO

CONJUGADO HIPERBÓLICO

Para este tipo de carga o parâmetro x é igual a -1 (x=-1)

;

c c

k C C n = =

Neste tipo de carga a constante C0 pode ser considerada nula. Para n=0 o conjugado é infinito ( não acontece na prática pois n varia dentro de um intervalo de rotação).

c c

P k =

A potência consumida neste caso permanece constante, não variando com a rotação:

CONJUGADO HIPERBÓLICO

• Bobinadeiras de papel;
• Bobinadeiras de pano;
• Descascador de toras ;
• Bobinadeira de fio.

Exemplos de cargas com conjugados hiperbólicos:

CONJUGADO HIPERBÓLICO

CONJUGADO NÃO DEFINIDO

Neste caso não se aplica a equação completa do conjugado por ser impossível determinar sua equação São utilizadas técnicas de integração gráfica para determinar seu conjugado. Na prática são consideradas como cargas de conjugado constante, adotando o máximo valor de torque

• ferecido.

CONJUGADO NÃO DEFINIDO

Nada se pode afirmar a respeito da potência consumida.

• Bomba cavalo de pau;
• Mesa alimentadora de

cana Exemplos de cargas com conjugados hiperbólicos:

CONJUGADO NÃO DEFINIDO

O momento de inércia da carga (J) é fundamental para se

• motor

consegue acionar a carga dentro das condições propostas em projeto. É a medida da resistência que um corpo oferece a mudança em seu movimento de rotação. Depende do eixo em torno do qual está girando e da forma como a massa do corpo girante está distribuída.

DEFINIÇÃO

Unidade no SI: O momento de inércia total do sistema é a soma dos momentos de inércia da carga e do motor

DEFINIÇÃO

2

kgm

T M C

J J J = +

No caso de acoplamentos, a inércia da carga deve ser referida ao eixo do motor

DEFINIÇÃO

2 c CE C m

n J J n   = ⋅   

DEFINIÇÃO

2 c CE C m

n J J n   = ⋅   

CE

J

C

J

Momento de inércia da carga referido ao eixo do motor; Momento de inércia da carga; Onde:

c

n

m

n

Rotação da carga; Rotação do motor. Unidade no SI:

2

kgm

DEFINIÇÃO

O conjugado médio da carga pode ser obtido graficamente, encontrando o ponto onde se traça uma reta que faça com que as áreas B1 e B2 sejam iguais.

É a medida da resistência que um corpo oferece a uma mudança em seu movimento de rotação. O momento de inércia deve ser referido ao eixo do motor:

MOMENTO DE INÉRCIA:

Quando se deseja escolher um motor para acionar uma carga, é necessário conhecer o conjugado requerido pela carga e também sua velocidade de rotação. O acoplamento da carga ao motor pode ser direto ou com redutor.

] s [ C C J J . n . 2 t

rmed mmed ce m a

        − + π = Tempo que o motor leva para acionar a carga desde a rotação zero até a rotação

• nominal. É dado pela seguinte equação:
• nde:

n

• Rotação em [ rps ];

Jm

• Momento de inércia do motor [ Kgm² ];

Jce

• Momento de inércia da carga referido ao eixo do motor [ Kgm² ];

Cmmed - Conjugado motor médio em [ Nm ]; Crmed

• Conjugado resistente médio em [ Nm ].

TEMPO DE ACELERAÇÃO:

F F m a a m V V V a t V t a = × → = = + × → = ⇒ =

Valores máximos são especificados pela norma NBR 7094, em forma de kVA / cv ou kVA / kW

1000 . cv P V . Ip . 3 cv kVA ) ( =

CORRENTE DE PARTIDA: POTÊNCIA APARENTE C/ ROTOR BLOQUEADO ( Sp / Pn ) > 0,54 ≤ 8,6 > 0,4 ≤ 6,3 9,6 13 > 8,6 ≤ 34 > 6,3 ≤ 25 8,8 12 > 34 ≤ 140 > 25 ≤ 100 8,1 11 > 140 ≤ 860 > 100 ≤ 630 7,4 10

cv kW kVA / cv kVA / kW

A NORMA NEMA CLASSIFICA EM LETRA CÓDIGO:

ϕ η cos . 0,736 . In Ip cv kVA =

CÓDIGO DE PARTIDA:

A

• 3,14

L 9,0

• 9,99

B 3,15 - 3,54 M 10,0

• 11,09

C 3,55 - 3,99 N 11,2 - 12,49 D 4,0 - 4,49 P 12,5

• 13,99

E 4,5 - 4,99 R 14,0

• 15,99

F 5,0 - 5,59 S 16,0

• 17,99

G 5,6 - 6,29 T 18,0

• 19,99

H 6,3

• 7,09

U 20,0

• 22,39

J 7,1

• 7,99

V 22,4

• MAIOR

K 8,0

• 8,99

COD. kVA / cv COD. kVA / cv

ROTAÇÃO SÍNCRONA E ROTAÇÃO NOMINAL :

2p f . 120 ) s 1 ( n − =

2p f . 120 ns =

FORMAS DE VARIAÇÃO DA VELOCIDADE:

VARIANDO O ESCORREGAMENTO VARIANDO A FREQUÊNCIA VARIANDO O NÚMERO DE PÓLOS

2

3

1

VARIAÇÃO DA FREQUÊNCIA:

UTILIZAÇÃO DE INVERSORES DE FREQUÊNCIA Variação :  6 a 30 Hz - Perda de ventilação; 30 a 60 Hz - Motores standard; 6 a 60 Hz - Depende da carga acionada.  Acima de 60 Hz - Enfraquecimento de campo.

 Utilização de motores DAHLANDER;  Utilização de motores de ENROLAMENTOS INDEPENDENTES.  Variação da resistência rotórica ( MOTORES DE ANÉIS );  Variação da tensão no estator.

VARIAÇÃO DO NÚMERO DE PÓLOS: VARIAÇÃO DO ESCORREGAMENTO:

Um MIT de 100cv, 4 Pólos, gaiola de esquilo, possui Cp/Cn = 2,3 (Cat. H), Cmax/Cn= 2,5 e Jm = 1,5 kgm2. O motor deve acionar um ventilador a 1.780 rpm, com Jc = 40 kgm2 e Co = 0. Calcule o tempo de partida desse motor:

• Em vazio (0,33s).
• Em carga (10,7s).

Qual o motor a ser especificado para o seguinte acionamento? Bomba: Cc = 500Nm nc = 1.750 rpm Jc = 16 kgm2 Co = 0,12 Cc Rede: 60Hz Ambiente: Poeira