acionamentos eletricos

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CEFET-MG Campus III - Leopoldina 05 Prof. Carlos Henrique S. de Vasconcelos Acionamentos Elétricos Introdução: 44% 27% 14% 15% 49% 51% Consumo de energia elétrica no Brasil: Consumo de energia elétrica por segmento (%) Industrial Comercial Residencial Outros Outros Motores 37% 63% Outros Motores Os motores elétricos representam 30% do total da energia produzida

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Page 1: Acionamentos Eletricos

CEFET-MGCampus III - Leopoldina

05

Prof. Carlos Henrique S. de Vasconcelos

Acionamentos Elétricos

Introdução:

44%

27%

14%

15%

49%51%

Consumo de energia elétrica no Brasil:

Consumo de energia elétrica por segmento (%)

IndustrialComercial

Residencial

Outros

Outros Motores

37%

63%

Outros

Motores

Os motores elétricos representam 30% do total da energia produzida

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Acionamentos Elétricos

Motores Elétricos:

Corrente Alternada

MotorUniversal

MotoresElétricos

•Imã permanente•Campo Série•Campo Shunt

•Campo Composto

CorrenteContínua

Monofásicos Trifásicos

Síncrono• Histerese

• Imã Permanente• Relutância

Indução• Gaiola

• Bobinado

Indução• Gaiola

• Bobinado

Síncrono• Bobinado

• Imã Permanente• Relutância

Família dos motores elétricos

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Acionamentos Elétricos

Faixa de Utilização:

3600 1200 450 300

200

800

1000

RPM

CV

Síncronos

Síncronosou

Indução

Indução

Quadro sinótipo de aplicação de motores

Motores de indução x motores síncronos

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Acionamentos Elétricos

“A Potência nominal do motor que vem indicada na sua placa de identificação se refere à potência

mecânica útil disponível no eixo”

Especificação de Motores:

Características para a escolha de motores:

• Potência;• Velocidade;• Categoria ou Classe;• Regime de operação;• Classe térmica.

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Acionamentos Elétricos

Características dos Conjugados:

Cm

Cp

Cmin

n

Con

juga

do

Cn

velocidadeCurva típica de motores de indução (categoria N)

máximo Conjugado =mC

partida Conjugado =pC

mínimo Conjugado =mimC

nominal Conjugado =nC

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Acionamentos Elétricos

Categoria N

Categoria H

Categoria D

Tor

que

[%]

Velocidade [%]0 50

100

100

200

300

Curvas de Torque – velocidade típicas para cada categoria de motor (NBR-7094)

Características dos Conjugados:

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A1

A2A3

Cm

Cmm

Cn

Cp

n0

Conjugado Médio Motor:

Conjugado médio motor.

321 AAA =+

pmm CC 60,0=

)(45,0 mpmm CCC +=

Categoria D

Categoria N e H

Motor Médio Conjugado =mmC

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Acionamentos Elétricos

Equação Fundamental do Acionamento:

our CCC +=

dtdJCCCC rirω

+=+=

dtdJCiω

=

resistente Conjugado =rC

inercial Conjugado =iC

útil Conjugado =uC

atrito de Conjugado =oC

Conjugado resistente uniforme:

Conjugado resistente não uniforme:

dodesenvolvi Conjugado =C

Considerando a máquina acionada girando a mesma velocidade do motor

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motor máquina

acoplamentodireto

J

Equação Fundamental do Acionamento:

dtdJCC rω

=−

Conjunto motor-máquina com acoplamento direto.

rCC >

rCC <

rCC =

aumenta) e(velocidad positiva é dtdω

diminui) e(velocidad negativa é dtdω

constante) e(velocidad nula é dtdω

(C = Ca ) Conjugado de aceleração

(C = Cd ) Conjugado de desaceleração

Condição de regime estável

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Acionamentos Elétricos

Momento de Inércia:

“A energia acumulada em um corpo para permanecer em repouso quando submetido a uma força externa é chamado energia cinética “

2

2mvEc =22

222 ωω JmREc ==

R

mmCoroa com espessura

infinitesimal

Raio de rotação

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Acionamentos Elétricos

Momento de Impulsão (GD2):

2mRJ =

gGDmRJ4

22 ==

4

2GDJ =

Momento de inércia

[N] corpo do Peso =G

][9,81m/s gravidade da Aceleração 2=g

[m] rotação de Diâmetro =D

Peso do corpo dado em kgf:

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Acionamentos Elétricos

Cálculo do Diâmetro de Rotação dos Volumes:

a) Cilindro maciço, diâmetro d, comprimento h eixo de rotação XY passando pelo seu centro.

b) Esfera maciça, diâmetro d, eixo de rotação XY passando pelo seu centro.

d

h

X Y

dX Y

2

22 dD =

22 4,0 dD =

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Acionamentos Elétricos

c) Cone maciço, diâmetro d, comprimento h eixo de rotação XY passando pelo seu centro.

d) Cilindro oco, diâmetro interno d1 e externo d2, comprimento h, eixo de rotação XY passando pelo seu centro.

d

h

X Y

d2

X Y2

22

212 ddD +

=

22 3,0 dD =

Cálculo do Diâmetro de Rotação dos Volumes:

h

d1

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Acionamentos Elétricos

Cálculo do Diâmetro de Rotação dos Volumes:

e) Esfera oca, diâmetro interno d1 e externo d2, eixo de rotação XY passando pelo seu centro.

f) Cone maciço, diâmetro d1 e d2, comprimento h, eixo de rotação XY passando pelo seu centro.

h

X Y

X Y

31

32

51

522 4,0

ddddD

−−

=d2d1

d2d1

31

32

51

522 3,0

ddddD

−−

=

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Acionamentos Elétricos

motor

máquina

Momento de Inércia Referido ao Eixo do Motor:

222,1

222,0

22

21

221

222 ωωωωωω mmmmmmmmm JJJJJJ+=++=

2

112,1

+=

mm JJJ

ωω

Motor e máquina giram a velocidade diferentes.

A A

B B

Jm

J1

ωm

ω1

Energia armazenada

Simplificando

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Acionamentos Elétricos

Momento de Inércia Referido ao Eixo do Motor:

22

22

2

11 .....2,1

++

+

+=

m

nn

mmm JJJJJ

ωω

ωω

ωω

Se o conjunto for mais complexo e possuir outras máquinas interligadas, girando a velocidades diferentes ω1, ω2, ω3, ..., ωn, com seus respectivos momentos de inércia J1, J2, J3, ..., Jn o momento de

inércia equivalente será dado por:

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Acionamentos Elétricos

Momento de Inércia Referido ao Eixo do Motor:

motor

Tambor

A A

B B

Jm

J1

ωm

ω1

G

F

V (m/s)

Guincho ou talha simples para levantamento de cargas

22

122

122

2,1222

2,12

+

+=∴++=

mmtbm

tbmmm vmJJJmvJJJωω

ωωωω

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Acionamentos Elétricos

Conjugado Resistente Referido ao Eixo do Motor:

ωω

PCCP =∴=

][][716][

rpmcvPkgfmC

ω=

][][973][

rpmkWPkgfmC

ω=

][][9550][

rpmkWPNmC

ω=

Potência desenvolvida no eixo:

[rad/s][Nm] C[W]

ω

P

Outras formas:

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Acionamentos Elétricos

m

rrrmr

CCCCηω

ωωηω 11

11 =∴=

mrmr

FvCFvCηω

ηω =∴=

Conjugado Resistente Referido ao Eixo do Motor:

Guincho ou talha simples para levantamento de cargas

Motor e máquina giram a velocidade diferentes.

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Acionamentos Elétricos

Características mecânicas típicas das máquinas industriais:

xrur KCCCC ω+=+= 00

xn

rnr

xnrrn

CCKKCCω

ω 00

−=∴+=

máquina da Constante =rK

Característica mecânica das máquinas em função da velocidade

ω representa a velocidade do eixo principal da máquina, x um coeficiente exponencial que caracteriza a variação do Cr com a velocidade.

Para as condições nominais:

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Característica mecânica constante com a velocidade

rnrr CKCC =+= 0Para x =0:

d = 2r

F

v(m/s)G

Tambor

Guincho ou talha simples Característica mecânica

ω

C0 + Kr

Cr

C0

Características Mecânicas Típicas das Máquinas Industriais:

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Acionamentos Elétricos

Características Mecânicas Típicas das Máquinas Industriais:

Característica mecânica linear constante com a velocidade

ωrr KCC += 0Para x =1:

Cargas típicas:• Calandras• Moinhos de rolos• Plainas (alguns tipos)

Característica mecânica

ω

Cr

C0

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Acionamentos Elétricos

Característica mecânica parabólica com a velocidade

Características Mecânicas Típicas das Máquinas Industriais:

20 ωrr KCC +=Para x =2:

Cargas típicas:• bombas centrífugas• Compressores centrífugos• Ventiladores

Característica mecânica

ω

Cr

C0

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Acionamentos Elétricos

Característica mecânica hiperbólica com a velocidade

Características Mecânicas Típicas das Máquinas Industriais:

ωω r

rrKCKCC +=+= −

01

0Para x =-1:

Cargas típicas:• Bobinas de papel• Fitas de vídeo

Característica mecânica

ω

Cr

C0

ω2ω1

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Acionamentos Elétricos

Valores médios das característica mecânica:

Características Mecânicas Típicas das Máquinas Industriais:

( )12

02

1

ωω

ωωω

ω

+=

∫ dKCC

xr

rmConjugado Resistente Médio:

12

1

0

2

11

ωω

ωω

ω

ω

+

+

=

+

xKC

C

xr

rm

11

12

11

12

0 +

−−

+=++

xKCC

xx

rrm ωωωω

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Acionamentos Elétricos

Valores médios das característica mecânica:

Características Mecânicas Típicas das Máquinas Industriais:

30

02

0CCCKCC rn

rrm−

+=+= ω

1

2

1212

ln

2

1

ωω

ωωωω

ωω

ω

ω

−=

−=

∫r

r

rmKdK

C

rnrrm CKCC =+= 0

20

00rn

rrmCCCKCC +

+=+= ω

x = 0

x = -1

x = 2

x = 1

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Acionamentos Elétricos

Característica de potência requerida pela máquina:

Características Mecânicas Típicas das Máquinas Industriais:

x = 0 (a)

x = -1 (d)

x = 2 (c)

x = 1 (b)

( )ωrr KCP += 0

( )ωωrr KCP += 0

( )ωω 20 rr KCP +=

ωω

+= r

rKCP 0

a bc

dPr

ωCaracterística de potência requeridas pelas

máquinas

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Potência requerida de uma bomba centrífuga:

Características Mecânicas Típicas das Máquinas Industriais:

ηγQHPr =

]/[m bomba da Vazão 3 sQ =

[W] requerida potência =rP

][N/m bombeado líquido do Densidade 3=γ

][m amanométric Altura =H

bomba da endimento R=η

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Acionamentos Elétricos

dtdJCCC raω

=−=

aCdJdt ω

=

∫∫ =−

=2

1

2

1

ω

ω

ω

ω

ωω

ara C

dJCC

dJt

Tempo de Partida ou Aceleração:

aceleração de Conjugado =aC

resistente Conjugado =rC

motor Conjugado =C

inércia de Momento =J

inicial Velocidade 1 =ω

final Velocidade 2 =ω

Conjugado de aceleração

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Tempo de Partida ou Aceleração:

Método da integração gráfica:

∑∆=n

na tt0

am

nn C

Jt ω∆=∆

médio aceleração de Conjugado =amC

C

Cr

Ca

Nm

ωIntegração gráfica da função Ca

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Acionamentos Elétricos

Tempo de Partida ou Aceleração:

Método dos conjugados médios:

Nm

Conjugado de aceleração médio

rmmmam CCC −=

ama C

Jt 12 ωω −=

ama C

nnGDt375

122 −=

Cam

ωωn

motor médio Conjugado =mmC

médio resistente Conjugado =rmC

Crm

Cmm

impulsão de Momento D2 =G

ou

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Tempo Máximo de Aceleração:

O tempo máximo de aceleração é limitado pela temperatura do rotor, porém há motores em que a limitação da temperatura na

partida é do enrolamento do estator.

bloqueadorotor aceleraçãott >

Para motores trifásicos até200 CV, 220 a 480 Volts: seg 15 a 6 =blt

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Tempo de Desaceleração e Frenagem:

rmd C

Jt 12 ωω −=

fmrmf CC

Jt+−

= 12 ωω

Plugueamento

Tempo de frenagemTempo de desaceleração

Frenagem MecânicaFrenagem Dinâmica

Técnicas:

sn

nns −=+

= 2'1

1

Troca de duas das fases da alimentação

Aplica-se tensão contínua no estator

Lonas de freio

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Acionamentos Elétricos

MOTOR

CHAVE

C1

ABC

Chaves de Partida:

V

V’

Ip’

Ipm

V

VIp’ Ip’

V’

V’

Ipm IpmCorrentes e tensões nas

chaves de partida

partida de Corrente =pI

chave da através partida de Corrente ' =pI

motor no partida de Corrente =pmI

rede da Tensão =Vchave pela reduzida Tensão ' =V

Nomenclatura:

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Acionamentos Elétricos

Relações das chaves de partida:

VVII ppm

'=

2''

=

VVCC pp

2''

=

VVCC mm

Corrente de partida

Conjugado de partida

Conjugado máximo

Chaves de Partida:

partida de Conjugado p =C

chave a com partida de Conjugado 'p =C

máximo Conjugado m =C

chave a com máximo Conjugado 'm =C

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Chaves Autotransformadora:

50% e 65 80, :Relações)'( ' vvKvv >=

ppm Z

vI3

'= 22'

33' KIK

ZvK

ZvKII p

pppmp ====

Características de corrente de partida r conjugado em função da velocidade

I

Ip

ω

I’p

C

ω’ ωωn

C

C’ Cr

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Acionamentos Elétricos

Chaves Estrela-Triângulo:

pp Z

vI 3=pp

p Zv

ZvI

3'' ==

3' pp

II =

Corrente em triângulo Corrente em estrela

Redução na corrente

A corrente de partida reduz para 1/3 e o conjugado e reduzido a 3 vezes, pois ele é proporcional ao quadrado

da tensão aplicada

I

Ip

ω

I’p

C

ω’ ωωn

C

C’ Cr

Características de corrente de partida r conjugado em função da velocidade

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Acionamentos Elétricos

Chaves com Impedâncias Primárias:

'3' pa IZvv −=

Xp

Zp

Rp

Z’p

Ra

Diagrama fasorial de impedância

pppa RXZR −−= 22'''

'

' p

p

p

p

p

p

CC

vv

II

ZZ

===

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Acionamentos Elétricos

Chaves Estáticas (Soft Starters):

Motor

A

B

CLigação anti-paralela dos tiristores

Funções:

• Partida Suave• Limitação de corrente• Partida de bombas hidráulicas• Parada Suave• Freio

O uso de chaves estáticas sempre acarreta algum tipo de impacto sobre os motores devido aos harmônicos introduzidos por ela.