Escolhendo o motor certo: etapas e princípios

23 de maio de 2024 Roberto Magalhães

I. Tipo de carga acionada

Isto deve ser indicado na ordem inversa, começando pelos tipos de motores.

O motor pode ser classificado em duas categorias principais: motor DC e motor AC. O motor CA pode ainda ser dividido em dois tipos: motor síncrono e motor assíncrono.

1. Motor CC

A vantagem de um motor CC é sua capacidade de ajustar facilmente a velocidade alterando a tensão, proporcionando um torque maior e tornando-o adequado para cargas que exigem ajustes frequentes de velocidade, como moinhos em siderúrgicas e guinchos em minas.

No entanto, com o desenvolvimento da tecnologia de conversão de frequência, os motores CA agora também podem ajustar a velocidade alterando a frequência. Embora o custo de um motor de frequência variável não seja significativamente maior do que um motor tradicional, ele ainda representa uma parcela significativa do custo total do equipamento, dando aos motores CC uma vantagem por serem econômicos.

A principal desvantagem de um motor DC reside na sua estrutura complexa, o que aumenta a probabilidade de falhas. Os motores CC possuem enrolamentos complexos, como enrolamento de excitação, enrolamento de pólo de comutação, enrolamento de compensação e enrolamento de armadura, bem como componentes adicionais como anéis coletores, escovas e comutadores. Isso resulta em altos requisitos de fabricação e custos de manutenção relativamente altos.

Como resultado, os motores CC estão em declínio nas aplicações industriais, mas ainda têm um lugar na fase de transição. Caso o usuário possua recursos suficientes, recomenda-se optar pelo esquema de motor CA com conversor de frequência, pois traz muitos benefícios.

2. Motor assíncrono

As vantagens dos motores assíncronos incluem estrutura simples, desempenho estável, facilidade de manutenção e baixo custo.

Além disso, o processo de fabricação é simples. Segundo um antigo técnico de uma oficina, as horas de trabalho necessárias para montar um motor CC podem completar a montagem de dois motores síncronos ou quatro motores assíncronos de potência semelhante. É por isso que os motores assíncronos são amplamente utilizados na indústria.

Os motores assíncronos são divididos em motores de gaiola de esquilo e motores enrolados, sendo que a principal diferença está no rotor. O rotor de um motor de gaiola de esquilo é feito de tiras de metal, como cobre ou alumínio.

O alumínio é relativamente barato e amplamente utilizado em aplicações de baixa demanda porque a China é um grande país minerador de alumínio.

O cobre, por outro lado, possui melhores propriedades mecânicas e elétricas e é mais comumente utilizado em rotores. Depois de abordar a questão da quebra de linha na tecnologia, a confiabilidade dos motores de gaiola de esquilo melhorou muito e agora é melhor do que a dos motores de rotor enrolado.

No entanto, os motores de gaiola de esquilo têm uma saída de baixo torque e uma grande corrente de partida, tornando-os inadequados para cargas que exigem alto torque de partida. Aumentar o comprimento do núcleo do motor pode aumentar o torque, mas o aumento é limitado.

Por outro lado, os motores enrolados energizam o enrolamento do rotor através de anéis coletores para formar um campo magnético do rotor que se move em relação ao campo magnético giratório do estator, resultando em uma maior saída de torque.

A resistência à água é conectada em série para reduzir a corrente de partida durante o processo de partida, e o valor da resistência é controlado por um dispositivo de controle elétrico. Os motores bobinados são adequados para aplicações como laminadores e talhas.

Em comparação com os motores de gaiola de esquilo, os motores assíncronos enrolados possuem componentes adicionais, como anéis coletores, resistência à água e resistência elétrica, levando a um custo geral mais alto do equipamento. Os motores assíncronos também possuem uma faixa de regulação de velocidade relativamente estreita e baixo torque em comparação com os motores CC.

No entanto, eles têm um impacto significativo na rede elétrica porque requerem energia reativa da rede para energizar o enrolamento do estator, que é um elemento indutivo. Isto pode ser visto como uma queda na tensão da rede e uma diminuição no brilho da luz quando aparelhos indutivos de alta potência são conectados à rede.

Para mitigar este impacto, as agências de fornecimento de energia podem restringir o uso de motores assíncronos. Alguns grandes utilizadores de energia, tais como fábricas de aço e alumínio, têm as suas próprias centrais eléctricas para formar as suas próprias redes eléctricas independentes e reduzir as restrições à utilização de motores assíncronos.

Os motores assíncronos precisam de dispositivos de compensação de potência reativa para atender aos requisitos de cargas de alta potência, enquanto os motores síncronos podem fornecer potência reativa à rede por meio de dispositivos de excitação. Quanto maior a potência, mais pronunciadas são as vantagens dos motores síncronos, levando a uma mudança para o uso de motores síncronos.

3. Motor síncrono

As vantagens dos motores síncronos incluem a capacidade de compensar a potência reativa em estados de sobreexcitação, bem como o seguinte:

Controle preciso de velocidade, pois a velocidade de um motor síncrono está em estrita conformidade com n = 60f/p.
Alta estabilidade de operação. No caso de uma queda repentina na tensão da rede, o sistema de excitação do motor síncrono geralmente forçará a excitação para manter a estabilidade, enquanto o torque de um motor assíncrono (proporcional ao quadrado da tensão) cairia significativamente.
Maior capacidade de sobrecarga em comparação com motores assíncronos correspondentes.
Alta eficiência, especialmente para motores síncronos de baixa velocidade.

No entanto, os motores síncronos não podem ser iniciados diretamente e requerem métodos de partida assíncronos ou de frequência variável. A partida assíncrona envolve a instalação de um enrolamento de partida semelhante a um enrolamento de gaiola de um motor assíncrono no rotor de um motor síncrono e a conexão de resistência adicional (cerca de 10 vezes o valor da resistência do enrolamento de excitação) no circuito de excitação para formar um circuito fechado. Quando a velocidade atinge a velocidade subsíncrona (95%), a resistência adicional é cortada. A partida com frequência variável não é detalhada.

Os motores síncronos necessitam de corrente de excitação para funcionar e, sem ela, o motor torna-se assíncrono. A excitação é um sistema DC adicionado ao rotor e sua velocidade de rotação e polaridade estão sincronizadas com o estator. Se houver um problema com a excitação, o motor ficará descompassado e não poderá ser ajustado, resultando em um disparo de proteção de “falha de excitação”.

Adicionar dispositivos de excitação é a segunda desvantagem dos motores síncronos. No passado, a excitação era fornecida diretamente por máquinas DC, mas agora é fornecida principalmente por retificadores controlados por silício. Quanto mais complexa a estrutura e o equipamento, mais pontos de falha e maior a taxa de falhas.

Os motores síncronos são usados principalmente em aplicações como talhas, moinhos, ventiladores, compressores, laminadores e bombas de água. O princípio da seleção de motores é priorizar motores com estruturas simples, preços baixos, operação confiável e manutenção conveniente, desde que o desempenho do motor atenda aos requisitos das máquinas de produção.

Nesse sentido, os motores CA são melhores que os motores CC, os motores assíncronos CA são melhores que os motores síncronos CA e os motores assíncronos de gaiola de esquilo são melhores que os motores assíncronos enrolados. Os motores assíncronos de gaiola de esquilo são preferidos para máquinas de produção de operação contínua com cargas estáveis e sem requisitos especiais para partida e frenagem, e são amplamente utilizados em máquinas, bombas de água e ventiladores. Os motores assíncronos enrolados são recomendados para máquinas de produção com partidas e frenagens frequentes e que exigem grandes torques de partida e frenagem, como pontes rolantes, guinchos de minas, compressores de ar e laminadores irreversíveis.

Os motores síncronos são ideais para aplicações sem necessidade de regulação de velocidade, velocidade constante ou melhoria do fator de potência, como bombas de água de média a grande capacidade, compressores de ar, guinchos e moinhos.

Para máquinas de produção com faixa de regulação de velocidade superior a 1:3 e que exigem regulação de velocidade contínua, estável e suave, recomenda-se o uso de motores CC excitados separadamente, motores assíncronos de gaiola de esquilo ou motores síncronos com regulação de velocidade de frequência variável, como como grandes máquinas-ferramentas de precisão, plainas de pórtico, laminadores de aço e talhas.

Máquinas de produção que exigem grande torque de partida e características mecânicas suaves devem usar motores CC de excitação em série ou composta, como bondes, locomotivas elétricas e guindastes pesados.

II. Potência nominal

A potência nominal de um motor refere-se à sua potência de saída, também conhecida como potência ou capacidade do eixo. É o parâmetro chave que quantifica a capacidade de carga de acionamento do motor e deve ser fornecido ao selecionar um motor. Outros fatores importantes na seleção do motor incluem tensão nominal, corrente nominal, fator de potência (cos θ) e eficiência (η).

O objetivo de selecionar corretamente a capacidade do motor é determinar a potência do motor de forma econômica e razoável, garantindo que ele atenda aos requisitos de carga do maquinário de produção. Se a potência for muito grande, o investimento no equipamento aumenta, levando ao desperdício e à baixa eficiência e fator de potência do motor CA. Por outro lado, se a potência for muito pequena, o motor superaquecerá e sofrerá danos prematuros.

Os principais fatores que determinam a potência do motor incluem:

O aquecimento do motor e o aumento da temperatura,
A capacidade permitida de sobrecarga de curto prazo e
A capacidade de partida de motores assíncronos de gaiola de esquilo.

Para selecionar a potência nominal, a potência de carga é primeiro calculada com base no aquecimento do maquinário, aumento de temperatura e requisitos de carga. Em seguida, a potência nominal é pré-selecionada com base na potência da carga, no sistema de trabalho e nos requisitos de sobrecarga. O aquecimento, a capacidade de sobrecarga e a capacidade de partida devem ser verificados para garantir que sejam qualificados.

Caso contrário, o motor deverá ser selecionado novamente até que todos os critérios sejam atendidos. O sistema de funcionamento também é um fator obrigatório, sendo o sistema de funcionamento convencional S1 adotado por padrão caso não seja especificado. Motores com requisitos de sobrecarga também devem fornecer um múltiplo de sobrecarga e tempo de operação correspondente.

Quando um motor assíncrono de gaiola de esquilo aciona um ventilador ou outra carga de alto momento de inércia, o momento de inércia da carga e a curva do momento de resistência de partida devem ser fornecidos para verificar a capacidade de partida.

A seleção de potência nominal pressupõe uma temperatura ambiente padrão de 40 ℃. Se a temperatura ambiente mudar, a potência nominal deverá ser corrigida. A temperatura ambiente deve ser verificada em áreas com condições climáticas extremas, como a Índia, onde a temperatura ambiente pode atingir 50 ℃.

A altitude elevada também pode afetar a potência do motor, com uma altitude mais elevada resultando em um maior aumento da temperatura do motor e menor potência de saída. O fenômeno corona também deve ser considerado para motores utilizados em grandes altitudes.

Para referência, a seguir estão alguns exemplos de faixas de potência de motores no mercado atual:

Motor DC: ZD9350 (moinho) 9350kW
Motor assíncrono: Gaiola de esquilo YGF1120-4 (ventilador de alto forno) 28000kW
Tipo de enrolamento yrkk1000-6 (moinho bruto) 7400kw
Motor síncrono: TWS36000-4 (ventilador de alto forno) 36.000 kW (unidade de teste atinge 40.000 kW)

III. Tensão nominal

A tensão nominal de um motor refere-se à tensão da linha sob suas condições nominais de operação.

A escolha da tensão nominal do motor depende da tensão de alimentação do sistema de potência e da capacidade do motor.

A seleção do nível de tensão para um motor CA depende principalmente do nível de tensão da fonte de alimentação no local de uso.

Normalmente, a rede de baixa tensão opera a 380 V, portanto a tensão nominal pode ser 380 V (conexão Y ou Δ), 220/380 V (conexão Δ/Y) ou 380/660 V (conexão Δ/Y).

Quando a potência de um motor de baixa tensão atinge um determinado nível (como 300KW/380V), torna-se difícil aumentar a corrente devido a limitações na capacidade de carga do condutor, ou seria muito caro fazê-lo.

Maior potência de saída é obtida aumentando a tensão.

A tensão de alimentação das redes elétricas de alta tensão é normalmente 6.000 V ou 10.000 V, embora também existam níveis de tensão de 3.300 V, 6.600 V e 11.000 V usados em outros países.

Os motores de alta tensão têm a vantagem de alta potência e forte resistência ao impacto, mas a desvantagem é que possuem grande inércia e são difíceis de iniciar e parar.

A tensão nominal de um motor CC também deve corresponder à tensão da fonte de alimentação.

Os níveis de tensão comuns para motores CC são 110V, 220V e 440V.

220V é o nível de tensão mais comumente usado e motores de alta potência podem ser aumentados para 600 a 1000V.

Quando a tensão da fonte de alimentação CA é 380 V e um circuito retificador controlado por silício de ponte trifásica é usado para fonte de alimentação, a tensão nominal do motor CC deve ser 440 V.

Quando uma fonte de alimentação retificadora trifásica controlada por silício de meia onda é usada para alimentação, a tensão nominal do motor CC deve ser 220V.

4. Velocidade nominal

A velocidade nominal do motor refere-se à velocidade na qual ele opera em condições normais. Tanto o motor quanto o maquinário que ele aciona têm uma velocidade nominal.

Na hora de escolher a velocidade do motor, é importante ter em mente que ela não deve ser muito baixa, pois isso resultará em um motor maior, com mais estágios e com preço mais elevado. Por outro lado, a velocidade não deve ser muito elevada, pois pode tornar o mecanismo de transmissão complicado e difícil de manter.

Também é importante observar que quando a potência é constante, o torque do motor é inversamente proporcional à velocidade. Como resultado, aqueles com baixos requisitos de partida e frenagem podem comparar diferentes velocidades nominais em termos de investimento inicial, área ocupada pelo equipamento e custo de manutenção antes de determinar a velocidade nominal ideal.

Para aplicações que exigem partida, frenagem e reversão frequentes, a relação de velocidade e a velocidade nominal do motor devem ser selecionadas com base na minimização das perdas durante o processo de transição, em vez de considerar apenas o investimento inicial. Por exemplo, motores de elevador requerem rotação frequente para frente e para trás com alto torque, por isso têm baixa velocidade e são volumosos e caros.

Quando a velocidade do motor é alta, é crucial considerar a velocidade crítica do motor. Durante a operação, o rotor pode vibrar e sua amplitude aumentará com a velocidade. A uma determinada velocidade, a amplitude atinge um valor máximo (conhecido como ressonância), e a amplitude diminuirá e estabilizará em uma determinada faixa quando a velocidade aumentar ainda mais.

Essa velocidade com amplitude máxima é chamada de velocidade crítica do rotor e é igual à sua frequência natural. Se o rotor operar em sua velocidade crítica, isso poderá resultar em vibrações violentas e flexão significativa do eixo, levando à deformação a longo prazo ou mesmo à fratura.

Geralmente, a velocidade crítica de primeira ordem do motor está acima de 1.500 RPM, portanto não é uma preocupação para motores convencionais de baixa velocidade. Entretanto, para motores de 2 pólos de alta velocidade, se a velocidade nominal estiver próxima de 3.000 RPM, o impacto da velocidade crítica deve ser considerado e o motor não deve operar em sua velocidade crítica por longos períodos.

Embrulhe isso

Geralmente, as especificações de um motor podem ser estimadas fornecendo informações sobre o tipo de carga que ele irá acionar, sua potência nominal, tensão e velocidade. No entanto, estes parâmetros básicos não são suficientes para satisfazer plenamente os requisitos de carga.

Parâmetros adicionais que precisam ser considerados incluem frequência, sistema operacional, requisitos de sobrecarga, graus de isolamento e proteção, momento de inércia, curva de momento de resistência de carga, método de instalação, temperatura ambiente, altitude e requisitos externos, entre outros. Esses parâmetros devem ser especificados com base na aplicação específica.

V. Princípios para Seleção de Motores

Os principais critérios para seleção do motor incluem:

Tipo de motor, tensão e velocidade;
A variedade de tipos de motores;
Escolha do tipo de proteção do motor;
Tensão e velocidade do motor.

A seleção do motor deve ser baseada nas seguintes condições:

O tipo de fonte de alimentação do motor, como monofásica, trifásica, corrente contínua, etc.
O ambiente operacional do motor. Se existem particularidades no ambiente operacional, como umidade, baixa temperatura, corrosão química, poeira, etc.
O método de operação do motor. Quer opere continuamente, intermitentemente ou por algum outro método.
O método de montagem do motor, como montagem vertical, montagem horizontal, etc.
A potência e a velocidade do motor. A potência e a velocidade devem atender aos requisitos de carga.
Outros fatores, como se é necessária regulação de velocidade, se existem requisitos especiais de controle, o tipo de carga, etc.

1. Escolha do tipo, tensão e velocidade do motor

Ao selecionar o tipo de motor, tensão e velocidade, os requisitos de transmissão de potência da máquina de produção, como a frequência de partida e parada, se a regulação de velocidade é necessária, etc., devem ser considerados primeiro. Isto determinará o tipo de corrente do motor, ou seja, se deve escolher um motor de corrente alternada ou um motor de corrente contínua.

Em seguida, o tamanho da tensão nominal do motor deve ser selecionado com base no ambiente da fonte de alimentação. Em seguida, sua velocidade nominal deve ser selecionada com base na velocidade exigida pela máquina de produção e nos requisitos do equipamento de transmissão.

Depois disso, a estrutura e o tipo de proteção do motor devem ser determinados com base no local de montagem do motor e no ambiente circundante.

Finalmente, a potência nominal (capacidade) do motor deve ser determinada pela potência exigida pela máquina de produção.

Depois de considerar todos esses fatores, selecione um motor no catálogo de produtos que atenda a esses requisitos. Se os motores listados no catálogo não atenderem aos requisitos especiais da máquina de produção, você poderá fazer um pedido personalizado ao fabricante do motor.

2. Escolha do tipo de motor

A escolha do motor é considerada a partir dos aspectos de CA e CC, características da máquina, regulação de velocidade e capacidade de partida, proteção e preço. Portanto, as seguintes orientações devem ser observadas na escolha:

(1) Primeiro, considere selecionar um motor de indução trifásico em gaiola de esquilo.

Isso se deve à sua simplicidade, durabilidade, confiabilidade, baixo custo e fácil manutenção. No entanto, suas desvantagens são a difícil regulação da velocidade, baixo fator de potência, alta corrente de partida e pequeno torque de partida. Portanto, é principalmente adequado para máquinas e acionamentos de produção geral com características de máquina relativamente rígidas e sem requisitos especiais de regulação de velocidade, como máquinas-ferramentas em geral e máquinas de produção, como bombas de água ou ventiladores com potência inferior a 100KW.

(2) O preço dos motores de rotor enrolado é superior ao dos motores de gaiola.

No entanto, as características da sua máquina podem ser ajustadas adicionando resistência ao rotor, limitando assim a corrente de partida e aumentando o torque de partida. Portanto, é adequado para situações onde a capacidade de fornecimento de energia é pequena, a potência do motor é grande ou é necessária regulação de velocidade, como certos equipamentos de elevação, elevadores de elevação, prensas de forjamento e movimentação da viga transversal de máquinas-ferramentas pesadas.

(3) Quando a faixa de regulação de velocidade for inferior a 1:10 e for necessária uma regulação de velocidade suave, um motor de deslizamento pode ser selecionado primeiro.

Este motor pode ser dividido em tipo horizontal e vertical de acordo com sua posição de montagem. O eixo de um motor horizontal é montado horizontalmente, enquanto o eixo de um motor vertical é montado verticalmente em grandes altitudes, portanto os dois tipos de motores não podem ser usados de forma intercambiável. Em circunstâncias normais, um motor horizontal deve ser escolhido sempre que possível, e um motor vertical só deve ser considerado quando a operação vertical for necessária (como bombas verticais de poços profundos e plataformas de perfuração) para simplificar a montagem da transmissão (porque é mais caro).

3. Seleção dos tipos de proteção do motor

Existem vários tipos de proteção para motores e o tipo apropriado deve ser selecionado com base nos diferentes ambientes operacionais. Os tipos de proteção para motores incluem aberto, protetor, fechado, à prova de explosão, submersível e vários outros. Um tipo aberto é normalmente escolhido para ambientes do dia a dia devido ao seu preço acessível, mas só é adequado para condições secas e limpas.

Para ambientes úmidos, propensos à corrosão, empoeirados, inflamáveis ou corrosivos, um tipo fechado deve ser selecionado. Se o ambiente for empoeirado e prejudicial ao isolamento do motor, mas puder ser limpo com ar comprimido, um tipo de proteção poderá ser escolhido. Para motores de bombas submersíveis, um tipo totalmente vedado deve ser escolhido para garantir que a umidade não entre durante a operação debaixo d'água. Em ambientes com riscos de incêndio ou explosão, deve ser selecionado um tipo à prova de explosão.

4. Seleção da tensão e velocidade do motor

Ao escolher um motor para máquinas de produção existentes num ambiente industrial, a tensão nominal do motor deve ser equivalente à tensão de distribuição de fábrica. Para fábricas novas, a seleção da tensão do motor deve ser considerada de acordo com a tensão de distribuição escolhida.

A decisão deve ser tomada com base na opção economicamente mais viável após comparação de diferentes níveis de tensão. O padrão de baixa tensão em nosso país é 220/380V, enquanto a alta tensão é principalmente 10KV. A maioria dos motores com capacidades menores são de alta tensão, com tensões nominais de 220/380V (método de conexão D/Y) e 380/660V (método de conexão D/Y). Quando a capacidade do motor excede aproximadamente 200KW, recomenda-se escolher motores de alta tensão de 3KV, 6KV ou 10KV.

A seleção da velocidade (nominal) do motor deve ser considerada com base nos requisitos do maquinário de produção acionado e nas condições do conjunto da transmissão. O número de rotações do motor por minuto geralmente inclui 3.000, 1.500, 1.000, 750 e 600.

A velocidade nominal de um motor assíncrono é normalmente 2% a 5% menor que essas velocidades devido à taxa de escorregamento. Do ponto de vista da fabricação, se um motor de mesma potência tiver velocidade nominal maior, sua forma de torque eletromagnético será menor, diminuindo assim seu custo e peso.

Além disso, os motores de alta velocidade têm fatores de potência e eficiência mais elevados do que os motores de baixa velocidade.

Escolher um motor com velocidade maior é mais econômico. No entanto, se isto resultar numa diferença significativa de velocidade entre o motor e a máquina acionada, serão necessários mais estágios de transmissão que aumentem a velocidade, aumentando os custos do equipamento e o consumo de energia. A escolha ideal deve ser feita após uma comparação cuidadosa.

A maioria dos motores que normalmente usamos são motores de 4 polos de 1.500 r/min porque esses motores têm uma ampla gama de aplicações e fatores de potência e eficiência operacional superiores.