Guia Técnico: Motores de Indução e Métodos de Partida

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Categorias de Motores de Indução


CATEGORIA N:

Conjugado de partida normal, Ip normal, baixo escorregamento. Indicado para o acionamento de cargas normais, como bombas, máquinas operatrizes e ventiladores.


CATEGORIA H:

Conjugado de partida alto, Ip normal, baixo escorregamento. Indicado para cargas que exigem maior conjugado de partida. Exemplo: peneiras, transportadores carregados, cargas de alta inércia e britadores.


CATEGORIA D:

Conjugado de partida alto, Ip normal, alto escorregamento (maior de 5%). Usados em prensas excêntricas e máquinas semelhantes (cargas com picos periódicos).


Chave Compensadora

É composta por um autotransformador com várias derivações para variar o processo de partida.
  • Este tipo de partida é aplicado em motores com elevada potência, acionando cargas com alto índice de inércia;
  • Custo mais elevado que a partida estrela-triângulo;
  • Dimensões superiores à estrela-triângulo;
  • Baixo número de manobras;
  • O motor parte com carga.
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Chave Estática (Soft Starter)

Um circuito eletrônico acoplado a um microprocessador que controla um conjunto de tiristores, os quais fazem o ajuste da tensão aplicada aos terminais do motor.
  • Usada em qualquer Motor de Indução Trifásico (MIT);
  • Motor sempre energizado;
  • IP de 42% a 100% da In;
  • Motor parte com carga;
  • O conjugado resistente de partida da carga deve ser inferior à metade do conjugado.
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Diferença entre Soft Starter e Inversor

A Soft Starter funciona segundo a redução de tensão da partida; sua função é apenas controlar o motor no instante da partida e, após isto, a rede é conectada diretamente ao motor, e o processo todo acontece em 60 Hz de frequência.


No Inversor de Frequência, a rede é retificada, filtrada e aplicada a uma ponte de IGBTs que são chaveados em diferentes frequências. O equipamento controla não somente a partida do motor, mas é capaz de controlar a velocidade de modo a manter o torque constante.


Influências no Motor de Indução Trifásico (MIT)

a) Influência da rede elétrica na operação do MIT

A operação eficiente dos MITs depende:
  1. Da qualidade da rede elétrica de alimentação:
    • Rede equilibrada;
    • Tensões apresentando amplitude e frequências constantes.
  2. A eficiência e o Fator de Potência (FP) dos MITs variam segundo o valor da tensão de alimentação:
    • São projetados para suportarem ± 10% da tensão (V) nominal;
    • Devem suportar variações de frequência de -5% a 3%;
    • A variação simultânea da tensão e da frequência pode ser prejudicial ao motor.
  3. Uma tensão de alimentação abaixo da nominal do motor provoca aumento da corrente e da temperatura, além da redução dos torques.
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Vida Útil de um Motor de Indução

Os principais fatores que influenciam a vida útil são:
  • Temperatura do enrolamento;
  • Temperatura do ambiente;
  • Eventuais sobrecargas;
  • Variação da tensão da rede (subtensões e sobretensões, desbalanços, harmônicos).
O principal fator que afeta a vida útil de um motor é a temperatura.
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Principais Alterações de um Motor de Alto Rendimento

  • Chapas do rotor e estator de melhor qualidade, com menores perdas por histerese e correntes induzidas;
  • Enrolamentos do rotor e estator (cobre no estator e alumínio no rotor) com resistência menor, reduzindo perdas por efeito Joule;
  • Ventiladores otimizados de forma a ter maior eficiência, reduzindo perdas por ventilação;
  • Rolamentos com menor coeficiente de atrito e vida útil maior;
  • O diâmetro do rotor, as ranhuras e o comprimento do motor são dimensionados para proporcionar rendimento elevado;
  • Tolerâncias mecânicas melhores e ferramentas de alta precisão na produção, o que diminui ruídos e vibrações.


Inversores de Frequência

Método eletrônico de controle de velocidade. Equipamento desenvolvido para variar a velocidade de MIT, composto de três etapas distintas: RETIFICAÇÃO, FILTRAGEM E INVERSÃO.


Esquema:
ALIMENTAÇÃO ➔ RETIFICADOR ➔ FILTRO ➔ INVERSOR ➔ MIT
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Etapa de Entrada - Retificadora

Pontes trifásicas de diodos que transformam Corrente Alternada (CA) em Corrente Contínua (CC), retificando tensão e frequência.
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Etapa de Filtragem

Composta de capacitores para troca de potência reativa com o motor nos momentos em que o mesmo opera como motor ou gerador, além de diminuir as ondulações na tensão que foi retificada.
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Etapa de Potência

Com o sinal CC, os semicondutores que compõem o inversor chaveiam o sinal controlando o tempo de ligação e desligamento, fazendo o valor médio variar e gerando uma nova onda senoidal com frequência variável.
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Principais Funções

  • Variação de velocidade;
  • Aceleração e arranque controlados;
  • Desaceleração e paradas controladas;
  • Inversão do sentido de marcha;
  • Proteção integrada, sendo:
    • a) Proteção térmica;
    • b) Sobretensões e quedas de tensão;
    • c) Desequilíbrios de fase;
    • d) Curto-circuitos: Fase-Fase (FF) e Fase-Terra (FT).
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Tipos de Inversores de Frequência

Controle Escalar

A velocidade pode variar em estreitas faixas por conta do escorregamento. É utilizado em aplicações que não necessitam de controle de conjugado.
Aplicações: Partidas suaves, operação acima da velocidade nominal do motor, operação com constantes reversões.
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Controle Vetorial

Faz o motor operar com elevada precisão de velocidade e rapidez na mudança de velocidade e conjugado. É usado em máquinas que necessitam de um rígido controle de velocidade.
Aplicações: Torque elevado com baixa rotação ou rotação zero, controle preciso de velocidade, torque regulável.
Nota: Sempre um inversor vetorial pode substituir um escalar, mas nem sempre o contrário é possível.
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Tensão Nominal: Deve-se utilizar o inversor de frequência com a mesma tensão nominal do motor.
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Corrente Nominal: A corrente nominal (In) do inversor deve ser igual ou maior que a In do motor.
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Funcionamento dos Motores de Indução

O motor de indução funciona normalmente com velocidade constante por conta do campo girante. Essa velocidade é denominada velocidade síncrona e depende apenas de dois fatores: polos magnéticos gerados em função de sua construção e frequência da rede elétrica instalada.
  • A velocidade em regime permanente é próxima da síncrona;
  • Se o torque aumenta, a velocidade diminui;
  • Várias aplicações industriais precisam de velocidades variáveis ou continuamente ajustáveis.


Comparativo: Motor de Indução vs. Motor CC

  • Motor CC: Caros, exigem manutenção de escovas e comutadores, proibidos em ambientes agressivos.
  • Motores de Indução: Baratos, não requerem manutenção constante, disponíveis para velocidades elevadas, aptos para ambientes agressivos.


Controle de Velocidade por Variação de Frequência

REDE ➔ INVERSOR DE FREQUÊNCIA ➔ MOTOR DE INDUÇÃO


Conceito:
Velocidade = 120 . f . (1 - s) / P


Para variar a rotação, deve-se variar a frequência, o escorregamento ou o número de polos.
a) Variação do número de polos:
  • Enrolamentos separados do estator;
  • Um enrolamento com comutação de polos;
  • Combinação das duas anteriores.
b) Variação do escorregamento:
  • Com a variação da resistência do rotor, teremos variação de tensão no estator;
  • Inviável, pois aumenta as perdas.
c) Variação de frequência:
  • Exemplo: MIT, 4 polos, escorregamento 2,78%. Determinar Nr:
  • F = 60 Hz
  • Ns = (120 . 60) / 4 = 1800 RPM
  • Nr = 1800 . (1 - 0,0278)
  • Nr = 1750 RPM


Motores Monofásicos

  • Potência fracionada: 3/4 a 0,75 HP;
  • Potências inteiras: 1, 1.5, 2, 3, 5 HP (redes 230 V);
  • Potências 7,5 a 10 HP (rede 440 V).
O motor de indução monofásico não tem torque de partida próprio, pois não possui o verdadeiro campo magnético girante inicial.


Tipos de Motores Monofásicos:

  1. Motor com partida a resistência;
  2. Motor com capacitor de partida;
  3. Motor com capacitor permanente;
  4. Motor com duplo capacitor.


Comparação com o MIT:

  • Podem ser ligados à tensão de fase;
  • Não partem sem a ajuda de um circuito auxiliar;
  • Apresentam maior volume e peso para potências e velocidades iguais;
  • Necessitam de manutenção mais apurada;
  • Apresentam menor rendimento (η) e fator de potência (FP) para a mesma potência;
  • Apresentam maior consumo;
  • Possuem menor conjugado de partida;
  • Comércio difícil para potências elevadas.


Motor com Capacitor de Partida

Consegue conjugados de partida bem mais elevados que o nominal. O circuito auxiliar deve ser desligado após a partida. Faixa de potência: 1/4 a 15 CV.
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Motor com Capacitor Permanente

Facilita a manutenção. O conjugado máximo, rendimento e FP são melhores que os outros tipos, próximos aos do MIT. O conjugado de partida é menor, entre 50% e 100% do nominal.
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Motor com Dois Capacitores

Custo elevado. Indicado para potências acima de 1 CV. Possui alto conjugado de partida, alta eficiência e elevado fator de potência.



Partida de Motores Elétricos de Indução

A corrente de partida (Ip) costuma ser de 6 a 10 vezes a corrente nominal (In).
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Principais Dispositivos de Redução da Ip:

  • Chave estrela-triângulo;
  • Chave série-paralelo;
  • Chave compensadora;
  • Soft-starters;
  • Inserção de resistências ou reatâncias de partida.
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Critérios para Seleção do Método de Partida Adequado:

  • Capacidade da instalação;
  • Cargas a serem consideradas;
  • Capacidade do sistema gerador.
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Partida Direta

  • A In da rede é tão elevada que a Ip do motor não é relevante;
  • A Ip do motor é de baixo valor porque sua potência é pequena;
  • Partida sem carga reduz o tempo da Ip;
  • Atenua os efeitos sobre o sistema de alimentação.


Fatores que impedem o uso:
  • Potência maior que 5 CV para baixa tensão;
  • A carga a ser movimentada necessita de acionamento lento e progressivo.


Condições de utilização:
  • Mínimo de 6 terminais acessíveis;
  • Tensão nominal da rede deve ser igual à tensão nominal da ligação triângulo;
  • Motor deve partir vazio, preferencialmente;
  • Motor deve dispor de dupla tensão nominal (Vn): 220/380, 380/660, 440/760.


Vantagens:
  • Custo reduzido;
  • Elevado número de manobras;
  • Ip reduzida a 1/3 da Ipn (em métodos de alívio);
  • Dimensões relativamente reduzidas.


Desvantagens:
  • Necessidade de os motores terem dupla tensão nominal e seis terminais acessíveis;
  • Conjugado de partida reduzido a 1/3 do nominal;
  • A tensão da rede deve coincidir com a ligação estrela do motor;
  • O motor deve alcançar pelo menos 90% da sua velocidade de regime.
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