Acionamentos Elétricos - Parte 01
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ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Acionamentos Elétricos
Sistema de Acionamento com Velocidade Variável Os chamados acionamentos de velocidade variável permitem o ajuste de
velocidade, de posição ou de conjugado, dentro de certas faixas de variação.
As máquinas elétricas são utilizadas em sistemas controlados de velocidade variável em conjunto com conversores estáticos de potência para o processamento da energia elétrica da alimentação.
Os acionamentos elétricos com velocidade variável são utilizados em máquinas-ferramenta, laminadores, moinho de rolos, maquinaria têxtil e depapel, sistemas de bombeamento, ventiladores, tração, movimentação vertical e horizontal de cargas, sistemas de robótica, eletrodomésticos,
equipamentos de informática e bioengenharia.
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ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Acionamentos Elétricos
Na década de 80, com o desenvolvimento de semicondutores de potência com excelentes características de desempenho e confiabilidade, foi possível a implementação de sistemas de variação de velocidade eletrônicos.
Um acionamento com velocidade variável é constituído por :
- Fonte de energia elétrica,
- Conversor de potência,
- Máquina elétrica,
- Sistema mecânico ( carga ),
- Unidades de controle e comando do conversor.
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Acionamentos Elétricos
Estrutura básica de um Sistema de Acionamento Elétrico:
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Acionamentos Elétricos
Classificação dos Acionamentos Elétricos
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Conversão Eletromecânica de Energia
A função principal de uma máquina elétrica rotativa é a transmissão de energia ou conversão de uma forma de energia para outra.
Princípio da Conservação de Energia
Motores e geradores elétricos de qualquer tipo podem ser classificados como
conversores eletromecânicos de energia.
MÁQUINA ELÉTRICA
MÁQUINA ELÉTRICA
Fluxo de Energia
MOTOR
GERADOR
SISTEMA MECÂNICOSISTEMA ELÉTRICO
T , ne , i
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Conversão Eletromecânica de Energia
Formas de energia envolvidas no processo de conversão eletromecânica:
Energia elétrica recebida (ou fornecida) pelo conversor eletromecânico;
Energia mecânica restituída (ou absorvida);
Energia magnética armazenada no campo de acoplamento;
Energia térmica devida às perdas e dissipação na forma de calor:
- perdas ôhmicas (efeito joule),
- perdas mecânicas, devidas aos atritos e ventilação,
- perdas por histerese e correntes parasitas (correntes de Foucault)
associadas ao campo magnético.
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Conversão Eletromecânica de Energia
Representação da conversão eletromecânica de energia para um motor
elétrico:
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Conceitos Básicos / Definições
Conjugado (ou Torque): esforço necessário que o motor desenvolve para
girar o seu eixo.
T = F.r
onde:
T= Conjugado ou torque [Nm] ou [kgfm]F = Força [N]
R = Raio [m]
Nota: 1kgfm = 9,8Nm.
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Conceitos Básicos / Definições
Trabalho: ao deslocar-se um objeto qualquer de uma distância d, aplicando-
se sobre o mesmo uma força F, realiza-se um trabalho W.
W = F.d
onde:W = Trabalho [Nm] ou [J]F = Força [N]d = Distância de deslocamento [m]
Um trabalho é sempre acompanhado de um movimento ou deslocamento
onde a força e a distância estão no mesmo sentido. O torque é simplesmente
um esforço girante, obtido pela ação de uma força aplicada a uma certa distância do eixo de rotação.
Um torque pode existir mesmo quando não resulta em nenhum movimento, ao passo que um trabalho é sempre acompanhado de um deslocamento.
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Conceitos Básicos / Definições
Potência Mecânica: É a relação entre o trabalho realizado e o tempo transcorrido. Ou seja, apotência mede qual a capacidade de trabalho no tempo.
P = W / t [Watts] onde 1 W = 1 J/s
Relação entre unidades de potência1 cv = 736 W 1 hp = 746 W
Cavalo Vapor (cv): Equivale à potência necessária para elevar verticalmente 75kg com velocidade de 1m/s. Em unidades do Sistema Internacional temos: 1 cv = 75kg.m/s = 736 W.
Horse Power (hp): Equivale à potência necessária para elevar verticalmente 550lb (libras) com velocidade de 1ft/s (pés por segundo). Em unidades do Sistema Internacional temos: 1 hp = 550lbs.ft/s = 33.000 lbs.ft/min = 745,69 W ≈ 746 W.
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Quando a energia mecânica é aplicada sob a forma de movimento rotativo, a potência mecânica desenvolvida Pm [Watts] depende do conjugado ou torque T [N.m] e da velocidade angular w [ rad/s] :
mm w. T P
Conceitos Básicos / Definições
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Conceitos Básicos / Definições
Potência Elétrica: Potência ativa (P): é a taxa de variação da energia energia elétrica. Realiza
trabalho. Unidade: Watts (W)
Potência reativa (Q): está associada as energias armazenadas em campos elétricos ou magnéticos. Não realiza trabalho. Unidade: Volt-Ampére reativo
(Var).
Potência aparente (S): é o efeito combinado da circulação de potência ativa e reativa em um circuito elétrico. Unidade: Volt Ampère (VA).
Fator de Potência (cos ö): é a relação entre a potência real (ativa) P e a
potência aparente S, onde ö é o ângulo de defasagem da tensão em relação à corrente. Assim:
Carga Resistiva: cos ö = 1
Carga Indutiva: cos ö atrasado
Carga Capacitiva: cos ö adiantado
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Conceitos Básicos / Definições
Sistemas Trifásicos:
FP = cos = P3 / S3
S3 = 3.VL.IL [VA]S3 = 3.VF.IF [VA]
Q3 = 3.VL.IL.sen [VAr]Q3 = 3.VF.IF.sen [VAr]
P3 = 3.VL.IL.cos [W]P3 = 3.VF.IF.cos [W]
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Conceitos Básicos / Definições
Energia:
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Conceitos Básicos / Definições
Momento de Inércia (J)
Todo corpo que se põe em movimento acumula uma certa quantidade de
energia chamada energia cinética. Esta energia acumulada resulta da reação que o corpo oferece à força externa aplicada para tirá-lo do seu estado de
repouso. Esta propriedade dos corpos de acumular energia cinética estáassociada à sua massa e é chamada de inércia.
Quando um corpo gira ao redor de um eixo, sua massa, sob o ponto de vista
dinâmico, se comporta como se ela tivesse se deslocado e se concentrado numa coroa circular de espessura infinitesimal, a uma determinada distância do eixo de rotação, denominada raio de giro representado por R.
rotação
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Conceitos Básicos / Definições
Princípio de Conservação de Energia Cinética:
temos:
onde:
Ec - energia cinética acumulada (joules),
m - massa do corpo (kg),
v - velocidade de deslocamento (m/s),
R - raio de giro (m),
- velocidade do motor (rad/s),
J - momento de inércia (kg.m2)
222
2222 JmRmvEc
2mRJ
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Conceitos Básicos / Definições
Momento de Impulso (GD2):
D = 2.R
(1 kgf = 9,81 N)
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Motores Elétricos
Tipos de Motores:
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Motor de Corrente Contínua
Características que o tornam de grande aplicação em automação de processos.
> facilidade e precisão no controle de sua velocidade de rotação,
> proporcionalidade direta entre torque e corrente,
> Possibilidade de acionamento por conversores estáticos.
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Motor de Corrente Contínua
Aspectos construtivos:
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Motor de Corrente Contínua
Funcionamento:
Ação Motora- Baseada na lei de Ampère;
- As forças produzidas da interação entre o campo magnético e a corrente de armadura no rotor, tendem a mover o condutor , e assim, produzir energia mecânica rotação;
- Regra da mão esquerda:
BiF
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Motor de Corrente Contínua
Equações:Tensão de Armadura
onde:Ea = tensão induzida no enrolamento de armadura [V]; = fluxo magnético por pólo [Wb];wm = velocidade mecânica [rad/s];k = constante que depende da construção da máquina [V / rad/s*Wb]
Conjugado Eletromagnético
onde:Td = conjugado eletromagnético desenvolvido [N.m];Ia = corrente de armadura [A] = fluxo magnético por pólo [Wb];k = constante que depende da construção da máquina [V / rad/s*Wb]
Potência Desenvolvida
ad IkT ..
ma kE ..
mdamaa TIkIE
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Motor de Corrente Contínua
Tipos de Conexão:
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Motor de Corrente Alternada
Motor de Indução ( Motor Assíncrono)O motor de indução é o tipo do motor de corrente alternada mais utilizado
em aplicações industriais, em função de suas características:
> robustez,
> custo reduzido,
> manutenção simples e barata,
> boas características de funcionamento, com facilidade de adaptação a diferentes tipos de cargas.
Os motores de indução tanto podem ser monofásicos quanto trifásicos.
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Motor de Corrente Alternada
Motor de Indução Trifásico
Aspectos construtivos:
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Motor de Indução Trifásico
Estator
Rotor Gaiola de Esquilo
Rotor Bobinado
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Motor de Indução Trifásico
Funcionamento
Em operação normal aplica-se uma tensão trifásica aos enrolamento do estator. As correntes trifásicas alternadas senoidais que percorrem em cada
fase dos enrolamentos do estator criam um campo magnético girante no
estator de valor e velocidade constante num determinado sentido. No rotor são induzidas correntes, as quais criam também um campo magnético no
rotor. A busca de alinhamento entre os dois campos (estator e rotor), colocaráo eixo do motor em movimento de rotação. Desenvolve-se, então, no rotor (no eixo) um torque mecânico.
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
)cos(
)cos(
)cos(
120
120
o
o
tIi
tIi
tIi
emc
emb
ema
Motor de Indução Trifásico
)cos(,
,
-è2
3è
è
tFtF
FFFtF
e
cba
máxmm
mmmmmmmm
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Velocidade síncrona
ns = velocidade síncrona (velocidade de rotação do campo girante) [rpm]
f = freqüência do estator (da rede) [Hz]
p = número de pólos
p
120.fn s
s
Motor de Indução Trifásico
Escorregamento
ns = velocidade síncrona [rpm]
nr = velocidade do rotor [rpm]
s = escorregamento [%] : 0 < s 1
s
rs% n
nns
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Velocidade do rotor
A velocidade relativa entre o campo girante e o rotor (ns � nr) determina a
freqüência da corrente induzida no rotor (freqüência de escorregamento).
sr n.s)1(n [rpm]
sr f.sf
fr = freqüência da corrente rotórica [Hz]
fs = freqüência da corrente estatórica [Hz]
Motor de Indução Trifásico
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Potência
Quando a energia mecânica é aplicada sob a forma de movimento rotativo, a potência mecânica desenvolvida Pm [Watts] depende do conjugado ou torque T
[N.m] e da velocidade angular w [ rad/s] :
mm w. T P
O motor elétrico absorve energia elétrica da linha e a transforma em energia
mecânica disponível no eixo.
[W] P
[W] P se
= rendimento [%]
Ps = potência de saída é a potência mecânicadisponível no eixo do motor, que é a potência nominal, geralmente expressa em cv, kW ou HP;
Pe = potência de entrada é a potência elétrica ativa que o motor retira da rede.
Motor de Indução Trifásico
[W]
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Corrente Nominal
A corrente nominal ou corrente de plena carga de um motor, é a corrente consumida pelo motor quando ele fornece a potência nominal a uma carga,
sob tensão e freqüência nominal.
. cos V..3
[W] P I s
Motor de Indução Trifásico
[A]
Conjugado (Torque)
É o conjugado desenvolvido pelo motor à potência nominal, sob tensão e frequência nominal, para mover a carga em condições de funcionamento à velocidade específica.
602ðrpm].[n
W][PN.m][T
r
mecn [N.m]
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Curva Conjugado x Velocidade
Motor de Indução Trifásico
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Conjugado de Partida ou Conjugado de Rotor Bloqueado - É o conjugado que o motor desenvolve no momento em que ele é ligado a
uma rede de tensão e freqüência nominais, com o rotor parado. - O torque de partida do motor deve ser sempre superior ao da carga, para
vencer a inércia inicial da carga e acelerá-la rapidamente.
Conjugado Mínimo- É o menor conjugado desenvolvido pelo motor ao acelerar desde a
velocidade zero até a velocidade correspondente ao conjugado máximo.
- A curva não deve apresentar uma depressão acentuada na aceleração, para que a partida não seja demorada, sobreaquecendo motor, especialmente nos
casos de cargas com alta inércia ou partida com tensão reduzida.
Motor de Indução Trifásico
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Conjugado Máximo- É o maior conjugado desenvolvido pelo motor, sob tensão e frequência
nominais, sem queda brusca de velocidade.
- Duas razões para que o conjugado máx. seja o mais alto possível:
> o motor deve ser capaz de vencer, sem grandes dificuldades, eventuais
picos de carga como pode acontecer em certas aplicações, como britadores, misturadores e outras.
> o motor não deve arriar, ou seja, perder bruscamente a velocidade
quando ocorrem quedas de tensão, momentaneamente, excessivas.
Motor de Indução Trifásico
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
O ponto de operação do motor ocorre onde a curva do conjugado do motor encontra com a curva do conjugado resistente da carga, e esta será a velocidade
nominal, com o escorregamento nominal do motor.
Conjugado de aceleraçãoResponsável pela aceleração do motor na fase da partida e ele é igual a
diferença entre o conjugado do motor e o conjugado da carga. No ponto de
operação, o conjugado de aceleração é nulo, pois o conjugado do motor e da carga são iguais, ou seja, é atingido o ponto de equilíbrio a partir do qual a
velocidade permanece constante.
Motor de Indução Trifásico
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Tm > Tc => em todos os pontos entre zero e a rotação nominal.
Motor de Indução Trifásico
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Categorias (ABNT - NBR 7094):
Os motores de indução são classificados em categorias conforme as suas características torque-velocidade e corrente de partida, cada uma adequada a
um tipo de carga. Categoria N : torque de partida normal, corrente de partida normal e baixo escorregamento.Ex. Bombas, ventiladores e máquinas
operatrizes.
Categoria H : torque de partida alto, corrente de partida normal e baixo escorregamento.Ex. Correias transportadoras, peneiras,
britadores, cargas de alta inércia.
Categoria D : torque de partida alto, corrente de partida normal e alto escorregamento (>5%).Ex. elevadores, prensas excêntricas (picos
periódicos de carga).
Categoria NY : similar a categoria N, porém prevista para partida Y-
Categoria HY : similar a categoria H, porém prevista para partida Y-
Motor de Indução Trifásico
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Torque Médio do MotorEm muitos problemas de acionamento é necessário conhecer o valor médio do conjugado desenvolvido pelo motor de indução durante o período de partida,
até ele atingir a sua condição nominal.
Motor de Indução Trifásico
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Para que o torque médio do motor (Tmm) seja considerado o valor médio dos
conjugados durante o período de aceleração, as áreas formadas devem
guardar a seguinte relação: A1 + A2 = A3
a) Motores categoria N e H:
b) Motores categoria D:
Motor de Indução Trifásico
max.45,0 TTT pmm
pmm TT .60,0
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Motor de Indução Trifásico
Tempo de Rotor Bloqueado:É o tempo necessário para que o enrolamento do motor, quando percorrido
pela sua corrente de partida, atinja a sua temperatura limite sem danificar o rotor ou o isolamento do estator, partindo da temperatura atingida em
condições nominais de serviço e considerando a temperatura ambiente no
seu valor máximo.
Ao selecionar um motor para fazer um determinado acionamento, este pode
ter sido escolhido corretamente para acionar a sua carga nas condições nominais de operação, mas se o tempo de aceleração for maior do que o tempo de rotor bloqueado, isto pode significar que o calor produzido pela
corrente de partida é maior do que o calor produzido pela corrente de rotor bloqueado, o que poderia destruir o motor ou reduzir sua expectativa de vida
útil. Neste caso, o motor não poderia ser utilizado.
rba TT .8,0
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Modos de Operação
0 < s ≤ 1 Motor
s < 0 Gerador
s > 1 Freio
Motor de Indução Trifásico
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Motor de Indução Trifásico
Aspectos importantes para especificação do motor:
Características da rede de alimentação tensão e frequência de alimentação do motor.
método de partida � decorrente da alta corrente de partida, busca-se prover
ao seu acionamento métodos de partida que minimizem este problema.
Características do ambiente o local onde o motor irá desempenhar suas funções influência no seu desempenho. A potência especificada para um dado motor deve ser garantida
até até uma temperatura 40oC e altitude até 1.000m acima do nivel do mar. Para condições acima desses valores, a potência nominal especificada deve ser corrigida.
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Motor de Indução Trifásico
Características construtivas forma construtiva,
potência em kW e velocidade em rpm,
categoria do motor � tipo D, H ou N. Comportamento do motor (torque x
velocidade) em função da carga.
índice de proteção (IP) � indicam o grau de proteção do motor contra a entrada de sólidos e líquidos em seu interior.
fator de serviço (FS) � fator que aplicado à potência nominal, indica a sobrecarga permissível que pode ser aplicada continuamente ao motor sob condições específicas.
ventilação � processo pelo qual é realizada a troca de calor entre o interior
do motor e o meio externo (ex: motor aberto, motor totalmente fechado)
sentido de rotação.
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Motor de Indução Trifásico
Características construtivas
regime de serviço: definido como a regularidade de carga a que o motor ésubmetido. A NBR 7094 padroniza dez diferentes tipos de regime de serviço. Normalmente, os motores são projetados para um regime contínuo (S1), isto é,
carga constante atuando por um tempo indefinido, igual à potência nominal do motor.
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Motor de Indução Trifásico
Demais regimes de serviço:
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Motor de Indução Trifásico
Características da carga momento de inércia da máquina acionada e a que rotação está referida.
curva de conjugado resistente,
dados de transmissão / acoplamento
regime de funcionamento da carga (no de partidas/hora)
O conjunto de acionamento de uma determinada carga
depende muito da seleção correta do motor