Aula 17 - Máquinas Especiais

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SEL404-Eletricidade II Máquinas especiais

Motor de indução monofásico • Pequenos motores usados em geladeiras, lavadoras de roupa, ventiladores, condicionadores de ar, etc., são monofásicos;

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Em geral a potência desses pequenos motores é fracionária, ou seja, menor do que 1 hp (1/2hp, 1/3 hp, 1/20hp, 1/30hp);

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Os motores monofásicos mais comuns são do tipo:  Motor de indução monofásico – mais utilizado  Motor síncrono monofásico – p/ aplicações com velocidade cte  Motor universal (motor série CA ou CC) – aplicações que demandem alto torque de partida ou alta velocidade (bastante usado em pequenos eletrodomésticos: liquidificador, batedeira, processadores (mixers), etc.)

Partida de motor de indução monofásico • Campo girante produzido por enrolamento bifásico • Enrolamento auxiliar (de partida) - Capacitor de partida - Capacitor permanente (de operação contínua)

- Estator ranhurado (pólos sombreados)

Torque de partida •Motores de indução monofásicos não possuem torque de partida, devido ao alinhamento no espaço e no tempo entre o campo produzido pelo enrolamento do estator e o campo produzido pelas correntes induzidas no enrolamento do rotor; •Não havendo defasagem angular entre os dois fluxos pulsantes não há produção de torque;

Torque em MI monofásico • Se o motor estiver girando, através da aplicação de um torque externo ou de circuitos auxiliares, o motor de indução monofásico produz torque, pois cria-se uma defasagem entre os dois fluxos pulsantes visto que o campo do rotor estará atrasado em relação ao campo do estator no tempo devido à tensão induzida de velocidade;

Campo girante produzido por um campo bifásico de enrolamentos • Um estator com dois enrolamentos idênticos, defasados de 90 graus mecânicos, alimentados por correntes defasadas de 90 graus elétricos produz um campo girante com magnitude constante; • Se as condições acima não são atendidas o campo girante terá magnitude variável; • Portanto, as principais formas empregadas para partir um motor de indução são baseadas no uso de enrolamentos auxiliares que criam dois campos defasados.

Motor de indução de indução monofásico – produção de torque de partida • Usa-se um enrolamento auxiliar durante a partida; O enrolamento auxiliar é defasado de 90 graus em relação ao principal, de maneira que surge um campo girante no entreferro; •

As impedâncias 𝑍𝑚 e 𝑍𝑎 são projetadas de forma a fornecer uma defasagem entre as correntes dos dois enrolamentos:

𝑖𝑚 = 2𝐼𝑚 cos 𝜔𝑡 𝑖𝑎 = 2𝐼𝑎 cos 𝜔t + 𝜃𝑎 • A defasagem a produzida pelos enrolamentos é fundamental para o funcionamento da máquina, uma vez que a tensão de alimentação é a mesma (sistema monofásico);

Motor de indução de indução monofásico – produção de torque de partida • Portanto, durante a partida a máquina é “bifásica”; •

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Se projetados adequadamente, os enrolamentos principal e auxiliar criam um campo girante no entreferro, produzindo assim, torque de partida; 𝑁𝑚 𝜃 = 𝑁𝑚 cos 𝜃 𝑁𝑎 (𝜃) = 𝑁𝑎 cos(𝜃 + 90∘ ) Força magnetomotriz total, produzida pelos dois enrolamentos: 𝐹 𝜃, 𝑡 = 𝐹𝑚 𝜃, 𝑡 + 𝐹𝑎 𝜃, 𝑡 = 𝑁𝑚 𝜃 × 𝑖𝑚 𝑡 + 𝑁𝑎 𝜃 × 𝑖𝑎 𝑡 = 𝑁𝑚 𝑐𝑜𝑠𝜃 × 2𝐼𝑚 cos 𝜔𝑡 + 𝑁𝑎 cos 𝜃 + 90∘ × 2𝐼𝑎 cos 𝜔𝑡 + 𝜃𝑎 = 2𝑁𝑚 𝐼𝑚 cos 𝜃 × cos 𝜔𝑡 − 2𝑁𝑎 𝐼𝑎 𝑠𝑒𝑛𝜃 × cos(𝜔𝑡 + 𝜃𝑎 )

Decomposição do campo pulsante •Força magnetomotriz total, produzida pelos dois enrolamentos: 𝐹 𝜃, 𝑡 = 𝐹𝑚 𝜃, 𝑡 + 𝐹𝑎 𝜃, 𝑡 2 𝑁𝑚 𝐼𝑚 − 𝑁𝑎 𝐼𝑎 𝑠𝑒𝑛 𝜃𝑎 cos 𝜔𝑡 + 𝜃 − 𝑁𝑎 𝐼𝑎 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑎 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 + 𝜃 2 2 + [ 𝑁𝑚 𝐼𝑚 + 𝑁𝑎 𝐼𝑎 𝑠𝑒𝑛 𝜃𝑎 cos 𝜔𝑡 − 𝜃 + 𝑁𝑎 𝐼𝑎 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑎 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 − 𝜃 ] 2

=

•Os termos com (−𝜃) formam o campo direto; •Os termos com (+𝜃) formam o campo reverso; 𝐹 𝜃, 𝑡 = 𝐹𝑟𝑒𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 + 𝐹 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑡𝑜

Decomposição do campo pulsante

Motor de indução de indução monofásico – produção de torque de partida •

Força magnetomotriz total, produzida pelos dois enrolamentos: 𝐹 𝜃, 𝑡 = 𝐹𝑚 𝜃, 𝑡 + 𝐹𝑎 𝜃, 𝑡 2 𝑁𝑚 𝐼𝑚 − 𝑁𝑎 𝐼𝑎 𝑠𝑒𝑛 𝜃𝑎 cos 𝜔𝑡 + 𝜃 − 𝑁𝑎 𝐼𝑎 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑎 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 + 𝜃 2 2 + [ 𝑁𝑚 𝐼𝑚 + 𝑁𝑎 𝐼𝑎 𝑠𝑒𝑛 𝜃𝑎 cos 𝜔𝑡 − 𝜃 + 𝑁𝑎 𝐼𝑎 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑎 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 − 𝜃 ] 2

=

•

Se 𝑁𝑚𝐼𝑚 = 𝑁𝑎𝐼𝑎 e 𝜃𝑎 = 90∘ as componentes de campo reverso desaparecem, resultando em um campo direto, girante, à velocidade síncrona e amplitude constante : 𝐹 𝜃, 𝑡 = 𝐹𝑚 𝜃, 𝑡 + 𝐹𝑎 𝜃, 𝑡 = 2𝑁𝑚 𝐼𝑚 cos(𝜔𝑡 − 𝜃)

Motor de indução de indução monofásico - partida

• Partida à resistência

• Partida à capacitor • Motor com capacitor permanente

• Motor com capacitor duplo • Pólos sombreados

Motor de indução monofásico de fase dividida – partida à resistência •Um enrolamento auxiliar é usado para proporcionar uma defasagem inicial entre os campos principal e auxiliar de forma a criar um campo girante; • O enrolamento auxiliar tem alta taxa R/X (resistência elevada: fio fino e baixa reatância: poucas espiras) de forma a aumentar a defasagem; • O enrolamento principal tem baixa taxa R/X de forma a garantir melhor rendimento em regime permanente e magnetização suficiente para a máquina (baixo R e X elevada/muitas espiras);

Motor de indução monofásico de fase dividida – partida à resistência •A defasagem será sempre menor que 90 graus (tipicamente em torno de 25o), fornecendo torque de partida moderado, para baixa corrente de partida;

• Uma chave centrífuga desliga o enrolamento auxiliar a 75% da velocidade nominal; • Para inverter o sentido de rotação é necessário inverter a ligação do enrolamento auxiliar com a máquina parada (não reversível), visto que o torque produzido com o enrolamento auxiliar (operação bifásica) é menor que o torque produzido pelo enrolamento principal (operação monofásica);

Motor de indução monofásico de fase dividida – partida à resistência •Bifásica desequilibrada até a abertura da chave centrífuga (correntes diferentes nos dois enrolamentos); • Monofásica a partir do desligamento do enrolamento auxiliar; • Usada em potências entre 50 e 500W em ventiladores, bombas e compressores;

• São de baixo custo; • A falha da chave centrífuga pode queimar os enrolamentos;

Motor de indução monofásico de fase dividida – partida por capacitor •Usa-se um capacitor em série com o enrolamento auxiliar, para aumentar a defasagem inicial entre os campos do enrolamento principal e auxiliar; • Resulta em maior torque de partida;  Através do capacitor é possível aproximar a defasagem de 90 graus (tipicamente em torno de 82o); • Produz torque de partida 2,35 maior que o motor com partida à resistência (sen82o/sen25o)

Motor de indução monofásico de fase dividida – partida por capacitor •Tende a reduzir a corrente de partida, pois melhora o fator de potência; • Capacitor eletrolítico do tipo seco p/ operação intermitente (1min/1h); • É reversível (mudança do sentido de rotação com a máquina em movimento), pois a alta defasagem (82 graus) faz com que o torque em operação bifásica seja maior do que o torque monofásico (para isso é necessário um chave reversora – não representada abaixo – e a fonte é brevemente desconectada durante esta operação);

Curva torque x velocidade – partida por capacitor • Usada em potências até 7,5 hp, para cargas de difícil partida (alto torque de partida), ou onde seja necessária a inversão do motor; • São usados para acionar bombas, compressores, unidades refrigeradoras, condicionadores de ar, e máquinas de lavar de maior porte;

Motor de indução monofásico de fase dividida – capacitor permanente •Os enrolamentos principal e auxiliar são idênticos (mesma bitola e mesmo número de espiras);

• Usa-se um capacitor em série com o enrolamento auxiliar para proporcionar a defasagem entre as duas correntes; • Não requer chave centrífuga; Através do capacitor é possível aproximar a defasagem de 90 graus (tipicamente em torno de 80o); 

Motor de indução monofásico de fase dividida – capacitor permanente •Capacitor a óleo para operação contínua; No instante da partida a corrente no ramo capacitivo é muito baixa, assim o torque de partida é baixo, da ordem de 50 a 100% do torque nominal; 

Através de uma chave reversora (mudando o capacitor de um enrolamento para o outro), pode-se inverter facilmente o sentido de rotação, uma vez que o torque de operação é baixo; 

Curva torque x velocidade – capacitor permanente •O fator de potência, nível de vibração e o rendimento melhoram, uma vez que a máquina passa a operar como bifásica continuamente; • O dimensionamento do capacitor deve minimizar o desequilíbrio das correntes na operação contínua (p/ melhorar a operação bifásica), prejudicando assim, o torque de partida;

MI monofásico de pólo ranhurado • Para motores pequenos, até 1/10 hp; •

A maior vantagem é a simplicidade: enrolamento monofásico, rotor em gaiola e peças polares especiais;

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Não utiliza chaves centrífugas, capacitores ou enrolamentos auxiliares;

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Apresenta torque de partida apenas com um enrolamento monofásico;

• A corrente induzida no anel de cobre do polo ranhurado, produz um fluxo atrasado, em relação ao fluxo do estator, fornecendo a defasagem necessária para a partida da máquina;

MI monofásico de pólo ranhurado •Máquina barata; • O torque de partida é limitado; • Não reversível, seria necessário desmontar o motor e inverter a posição do polo ranhurado; • Pode-se projetar um motor com dupla ranhura, uma para cada sentido de rotação da máquina;

MI monofásica – Aplicações típicas

Motores especiais • MOTOR DE RELUTÂNCIA VARIÁVEL (MRV)

• MOTOR DE PASSO • MOTOR DE HISTERESE • MOTOR DC SEM ESCOVAS (BLDC) • MOTOR SÍNCRONO LINEAR (LSM) • ALTERNADOR DE AUTOMÓVEL

• MOTOR DE ARRANQUE

Motor de relutância •A velocidade do rotor é constante e igual a velocidade do campo girante (denominação motor síncrono de relutância) independentemente do conjugado mecânico • O motor síncrono não possui conjugado de partida (visto que no instante de partida o conjugado médio é nulo)

•Em máquinas comerciais usualmente há uma gaiola de esquilo no rotor para permitir a partida • Consome potência reativa da rede (a corrente de magnetização tem que ser fornecida pela rede)

Motor de relutância - características • Simples, baixo custo de fabricação e manutenção (menor quantidade de material ferro magnético no rotor, rotor não é energizado por fonte externa) •

Adequados para aplicações que requeiram fluxo ou transporte constante e em processos automatizados de baixa velocidade, que precisem de sincronização precisa com outros motores ou operações temporizadas no sistema. • Aplicações típicas: acionamentos de guindastes em elevadores marinhos. Cada guindaste operará na mesma velocidade e juntos eles podem dar aos navios uma elevação suave. Outras aplicações incluem acionamentos para bombas e transportadores. • Eles também são aplicados como acionamentos para impressão, máquinas ferramentas, empacotadoras, posicionamento de hastes de controle em reatores nucleares e acionamentos para indústria têxtil. • Existe variações deste motor: motor de relutância variável chaveado (motor de passo)

Motor de Relutância variável 4/2 Rotor saliente; Estator saliente; Aumenta a diferença entre a indutância mínima e máxima (aumenta a saliência), aumentando a capacidade de produzir torque

Motor de Relutância variável 6/4

Cada fase é alimentada com corrente constante  As fases são chaveadas quando dL/dm>0

Motor de passo • MRV com as fases alimentadas sequencialmente, passo a passo; • O rotor irá girar por um ângulo específico; • São projetadas para produzir um grande número de passos por volta, 50, 100 ou 200 passos (7,2o, 3,6o, 1,8o por passo); • Controle digital da alimentação das bobinas; • Útil para posicionamento preciso de braços mecânicos, robótica, impressoras, etc.

Motor de passo - aplicações

Motor de passo – rotor de ímã permanente • Limita o número de pólos do rotor; • Aumenta o torque; • O passo será de 90o se as bobinas forem alimentadas uma a uma com correntes positivas; • O passo poderá ser de 45o caso a lógica de controle alimente duas bobinas de cada vez; • O número de passos por volta depende do número de pólos do estator, do número de pólos do rotor, e da lógica de alimentação das bobinas;

Motor de passo – rotor de ímã permanente • Este motor tem passo de 120o, com o rotor de ímã permanente; • O mesmo motor teria passo de 60o, caso o rotor seja de relutância variável; • O motor de passo de relutância variável proporciona o dobro de passos por volta comparado ao motor de ímã permanente;

Motor de passo – rotor de relutância variável • Quatro bobinas no estator, alimentadas sequencialmente; • 25 pólos no rotor; • O deslocamento será 1,8o, ou 200 passos por volta;

Alternador de automóvel com escovas • O enrolamento do rotor é alimentado via bateria, através de escovas (CC); • Com o giro do motor, o campo girante do rotor irá atravessar o enrolamento do estator, induzindo tensão alternada;

• Um retificador converte a tensão CA para CC; • Um regulador automático de tensão é necessário, para manter a tensão em uma faixa adequada com velocidade variável do automóvel;

Alternador de automóvel com escovas

Alternador de automóvel com escovas

Motor de arranque de automóvel • É um motor de corrente contínua, alimentado por escovas e anéis comutadores; • A chave magnética, ou solenóide, engrena o motor de arranque ao motor de explosão;

Motor de arranque de automóvel • A corrente de partida pode chegar a 400A, por isso, o motor deve funcionar por curto período de tempo;

Outros motores • MOTOR DE HISTERESE - Teoria: Histerese e alinhamento entre dois campos:

– Aplicações: acionamento de girobússolas (bússola baseada em giroscópio), de fitas magnéticas em gravadores, de discos rígidos em computadores, relógios e equipamentos de precisão. • MOTOR DC SEM ESCOVAS (BLDC) : Rotor de ímã permanente e controle eletrônico das fases do estator • MOTOR SÍNCRONO LINEAR - Campo deslizante (linear ou translacional)

• MOTOR SÍNCRONO SEM ESCOVAS - Maquina auxiliar com retificador agregado ao eixo

Aterramento Esquemas elétricos previstos pela ABNT NBR5410 • Primeira letra – Situação da alimentação em relação à terra: – T = Um ponto diretamente aterrado; – I = Isolada da terra;

• Segunda letra – Situação das massas da instalação elétrica em relação à terra: – T = Massas aterradas com terra própria; – N = Massas ligadas diretamente ao ponto aterrado da fonte (em corrente alternada, o ponto aterrado é normalmente o ponto neutro); – I = Isolada da terra;

• Outras letras (eventuais) – Disposição do condutor neutro e do condutor de proteção: – S = Funções de neutro e de proteção asseguradas por condutores distintos (separados); – C = Funções de neutro e de proteção comuns;

Esquema TN (TN-C e TN-S, principais) • Esquemas TN possuem um ponto de alimentação diretamente aterrado, sendo as massas ligadas a este ponto por meio de condutores de proteção.

Esquema TN-C – o mais utilizado

Principais características da ligação TN-C 1)

Em instalações longas (verticais ou horizontais), o potencial do condutor de neutro difere do potencial zero (de terra, entrada) por conta da passagem de correntes de carga pelo condutor. Essa elevação de potencial pode ser prejudicial para o funcionamento de Equipamentos Eletrônicos Sensíveis (EES); 2) O rompimento acidental do neutro possibilita acidentes como a potencialização de massas de equipamentos pela fase; 3) O esquema induz à prática de se adaptar o fio de terra de equipamentos ao pino de tomada-macho que vai ao neutro da tomada-fêmea. O perigo de energizar a massa do equipamento, por inversão da tomada, é eminente; 4) Supostamente, os custos são reduzidos, devido a não utilização de um condutor somente para aterrar as massas (condutor de terra ou PE, do inglês Protective Earth). 5) Equipamentos ruidosos inserem no condutor de neutro ruídos que vão atingir equipamentos sensíveis.

Esquema TN-S • O condutor neutro serve apenas para o retorno da corrente

Embora não haja corrente de carga (retorno) circulando pelo condutor de terra, a elevação de seu potencial também ocorre ainda que em menor grau. Isso é causado pelo acoplamento eletromagnético devido à distância (relativamente curta) entre condutores de fase e de neutro.

Esquema TN-S • Solução para minimizar a tensão induzida entre os condutores – Aterrar o condutor PE em vários pontos

Esquema TT • um aterramento em separado (ou isolado) é utilizado somente para aterrar a massa metálica de cada um dos equipamentos,

Problemas do esquema TT • Dificuldade em se garantir baixa impedância em aterramentos individuais • Possibilidade de existência de potenciais diferentes entre os aterramentos quando são interligadas

Outros esquemas de aterramento • TN-C-S

Outros esquemas de aterramento • IT