Controle e Funcionamento de Motores Elétricos de Indução

1.1) Funções principais do controle

As funções principais do controle de um motor são: partida, parada, direção de rotação, regulação da velocidade, limitação da corrente de partida, proteção mecânica, proteção elétrica, mostra um motor de indução trifásico típico.

1.2) Partida

Um motor só começa a girar quando o momento de carga a ser vencido, quando parado, for menor do que seu conjugado de partida.

1.3) Parada

Em determinadas aplicações há necessidade de uma rápida desaceleração do motor e da carga. Ao ser desligado o motor da linha de alimentação utiliza-se um dispositivo de inversão de rotação com o motor ainda rodando. A parada ou desligamento do motor da rede efetua-se através de um relé impedindo-o de partir na direção contrária. No caso de motores síncronos emprega-se frenagem dinâmica.

1.4) Sentido de rotação

A maior parte dos motores (exceto alguns, por exemplo: motores monofásicos, como o de pólo sombreado e o de repulsão) podem ser empregados nos dois sentidos de rotação dependendo apenas de um controle adequado.

1.5) Regulação da velocidade

Os motores de C.A., exceto os universais, são máquinas de velocidade constante. Há, entretanto, possibilidade de serem religadas as bobinas do estator de um motor de indução, de tal maneira a duplicar o número de pólos e, desta forma, reduzir a velocidade à metade, onde os estatores podem ser construídos com dois enrolamentos independentes, calculados para o número de pólos que se deseja, conseguindo-se por meio de pólos reversíveis (variação de pólos) e com reduzido número de conexões variar a velocidade síncrona do motor.

Cada um destes bobinados pode então ser ligado de forma a possibilitar duas velocidades, na razão de 2:1, obtendo-se assim quatro velocidades síncronas independentes; contudo, não poderão proporcionar quaisquer velocidades intermediárias.

Com motores de indução de rotor bobinado é possível obter-se qualquer velocidade desde zero até aproximadamente a velocidade de sincronismo, mediante a variação de uma simples resistência ligada ao bobinado do rotor, e que não implica em aquecimento do mesmo, pois, as perdas na resistência são externas ao motor.

Um outro método de regulação da velocidade dos motores de C.A., que permite obter no eixo uma velocidade que pode ir desde zero até o dobro da velocidade síncrona, é pelo conhecido sistema do rotor com comutador, através de decalagem das escovas.

Outra possibilidade de alteração de velocidade nos motores de indução é através do inversor de frequência, o qual possibilita o controle do motor CA variando a frequência, mas também realiza a variação da tensão de saída para que seja respeitada a característica V/F (Tensão / Frequência) do motor.

Nos motores de corrente contínua, a velocidade pode ser regulada pela inserção de um reostato no circuito de campo, para proporcionar ajustes no fluxo.

1.6) Limitação da corrente de partida

A ligação dos motores a uma rede elétrica pública deve observar as prescrições para este fim, estabelecido por norma.

Normalmente, procura-se arrancar um motor a plena tensão a fim de se aproveitar ao máximo o binário de partida. Quando o arranque a plena tensão de um motor elétrico provoca uma queda de tensão superior à máxima admissível, deve-se recorrer a um artifício de partida com tensão reduzida, tendo porém o cuidado de verificar se o torque é suficiente para acionar a carga.

Há dois métodos para reduzir a tensão na partida:

a) Fornecer corrente à tensão normal, fazendo-se com que o motor, temporariamente, seja conectado à rede, com o enrolamento para uma tensão superior, empregando-se o sistema de partida em estrela-triângulo;

b) Fornecer corrente em tensão abaixo da normal por meio de resistências, indutâncias ou autotransformador.

Todos os sistemas de partida com tensão reduzida apresentam (em oposição à vantagem da redução da corrente) a desvantagem de que o momento ou conjugado de arranque reduz-se na proporção do quadrado da redução da tensão fornecida ao motor.

1.7) Proteção Mecânica

Os motores devem ser protegidos tanto para a proteção do pessoal de serviço como contra influências prejudiciais externas para o próprio motor, devendo satisfazer aos requisitos de segurança, prevenção de acidentes e incêndios.

A carcaça do motor serve para fixá-lo no local de trabalho e protegê-lo conforme o ambiente onde será instalado. É construída de maneira a englobar as diversas modalidades de proteção mecânica para satisfazer às exigências das normas, referentes às instalações e máquinas para as quais serão destinados os motores.

Basicamente, entretanto, as proteções mecânicas classificam-se em três categorias: à prova de pingos e respingos, totalmente fechados e à prova de explosão.

Motor à prova de pingos e respingos – todas as partes rotativas, ou sob tensão, são protegidas contra água gotejante de todas as direções, não permitindo a entrada direta ou indireta de gotas ou partículas de líquidos ou objetos sólidos que se derramem ou incidam sobre o motor.

Motor totalmente fechado – Este tipo de motor é de tal forma encerrado que não há troca do meio refrigerante entre o exterior e o interior do invólucro, não sendo necessariamente estanque. Dependendo das características requeridas, tais motores podem dispor ou não de ventilador para refrigeração.

Motor à prova de explosão – São motores construídos para serviço em ambientes saturados de gases e poeira, suscetíveis ao perigo de inflamação rápida, não podendo provocar a mesma, quer por meio de faísca ou pelo alto aquecimento.

Seu invólucro resiste a explosões de gases ou misturas explosivas especificadas no seu interior, e impede que uma atmosfera inflamável circundante sofra ignição por isso.

1.8) Proteção elétrica

Como todo motor está sujeito a sofrer variações do ponto de vista elétrico, há, portanto, conveniência em protegê-lo. Em geral, as proteções principais necessárias são contra: curto-circuito, sobrecargas, baixa tensão, fase aberta, reversão de fase, defeitos internos etc.

Os dispositivos de proteção fazem operar os mecanismos de desligamento no caso de existir uma predeterminada condição.

2) Sobre os motores elétricos de indução de rotor em curto-circuito.

Neste curso utilizaremos os motores de indução trifásicos com rotor do tipo gaiola de esquilo (como o visto na figura 1.1 acima) por serem os mais comuns na indústria. Este nome é dado devido ao tipo de rotor utilizado (rotor em curto-circuito). Um estudo completo sobre este tipo de máquina elétrica é tema de um curso de máquinas elétricas. Apesar disso, algumas características básicas são interessantes ao estudo dos comandos elétricos.

Basicamente, o motor de indução com rotor do tipo gaiola de esquilo é composto por duas partes:

→ Estator: Circuito magnético do motor elétrico, geralmente do tipo ranhurado, onde ficam alojadas as bobinas que mediante ligação apropriada, produzem o campo magnético girante.

→ Rotor: enrolamento constituído por barras (de cobre ou alumínio) curto-circuitadas nas extremidades. A corrente no circuito do rotor é induzida pela ação do campo girante do estator. O motor de indução em funcionamento significa que o campo magnético formado no circuito do rotor irá então perseguir o campo girante do estator.

Quando o motor é energizado, ele funciona como um transformador com o secundário em curto-circuito, portanto exige da rede elétrica uma corrente muito maior que a nominal, podendo atingir cerca de 8 vezes o valor da mesma.

As altas correntes de partida causam inconvenientes, pois, exige dimensionamento de cabos com diâmetros bem maiores do que o necessário. Além disso, pode ocorrer quedas momentâneas do fator de potência, que é monitorado pela concessionária de energia elétrica, causando elevação das contas de energia.

Para evitar estas altas correntes na partida, existem métodos de acionamentos de motores elétricos que proporcionam uma redução no valor da corrente de partida dessas máquinas, tais como:

→ Partida estrela-triângulo;

→ Partida série-paralela;

→ Partida por autocompensador.

Os motores de indução podem ser adquiridos com 3, 6, 9 ou 12 terminais externos. No caso do motor de 6 terminais existem dois tipos de ligação:

1→ Triângulo: Com a tensão nominal do enrolamento de fase igual a 220 V (ver figura 2.1a);

→ Estrela: Com o enrolamento conectado em estrela a tensão de linha passa a ser √3 vezes a tensão do enrolamento em Δ (√3 . 220 = 380V) (ver figura 2.1b);

2→ Triângulo: Com a tensão nominal do enrolamento de fase igual a 380 V;

→ Estrela: Com o enrolamento conectado em estrela a tensão de linha passa a ser √3vezes a tensão do enrolamento em Δ (√3 . 380 = 660V).

Fig. 2.1 – Ligações triângulo e estrela de um motor 6 terminais

No caso do motor de 12 terminais, existem quatro tipos possíveis de ligação:

→ Triângulo em paralelo: a tensão nominal é 220 V (ver figura 2.2)

→ Estrela em paralelo: a tensão nominal é 380 V (ver figura 2.2)

→ Triângulo em série: a tensão nominal é 440 V (ver figura 2.2)

→ Estrela em série: a tensão nominal é 760 V (ver figura 2.2)

A união dos terminais segue uma determinada ordem padrão. Existe uma regra prática para fazê-lo: numera-se sempre os terminais de fora com 1, 2 e 3 e ligam-se os terminais restantes. No caso do motor de 12 terminais deve-se ainda associar as séries e os paralelos com as bobinas correspondentes, como por exemplo (1-4 com 7-10).

Fig. 2.2 – Ligações estrela – triângulo em um motor de 12 terminais

Uma última característica importante do motor de indução a ser citada é a sua placa de identificação (Fig. 2.3), que traz informações importantes e, algumas estão listadas a seguir:

→ CV: Potência mecânica do motor em cv. É a potência que o motor pode fornecer, dentro de suas características nominais.

→ Ip/In: Relação entre as correntes de partida e nominal;

→ Hz: Frequência da tensão de operação do motor;

→ RPM: Velocidade do motor na frequência nominal de operação

→ V: Tensão de alimentação

→ A: Corrente que o motor absorve da rede quando funciona à potência nominal, sob tensão e frequência nominais.

→ F.S: Fator de serviço: Fator que aplicado à potência nominal, indica a carga permissível que pode ser aplicada continuamente ao motor, sob condições especificadas.

Fig. 2.3 – Placa de Identificação do Motor Elétrico