Você já se perguntou como escolher o motor perfeito para o seu projeto? O segredo está em entender os tipos de motores - CC, assíncrono e síncrono - e suas vantagens exclusivas. Este artigo detalha os princípios da seleção de motores, incluindo o tipo de carga, a potência nominal e o ambiente operacional. Ao final, você estará equipado com o conhecimento necessário para escolher o motor mais eficiente e econômico para qualquer aplicação, garantindo desempenho e longevidade ideais. Continue lendo para descobrir como fazer a melhor escolha para seu maquinário.
Isso deve ser declarado na ordem inversa, começando pelos tipos de motores.
O motor pode ser classificado em duas categorias principais: Motor CC e motor CA. O motor CA pode ainda ser dividido em dois tipos: motor síncrono e motor assíncrono.
A vantagem de um motor CC é sua capacidade de ajustar facilmente a velocidade alterando a tensão, fornecendo um torque maior e tornando-o adequado para cargas que exigem ajustes frequentes de velocidade, como moinhos em siderúrgicas e guinchos em minas.
Entretanto, 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 o de um motor tradicional, ele ainda é responsável por uma parte significativa do custo geral do equipamento, o que dá aos motores CC a vantagem de serem econômicos.
A principal desvantagem de um motor CC está em sua estrutura complexa, que aumenta a probabilidade de falhas. Os motores CC têm enrolamentos complexos, como enrolamento de excitação, enrolamento do polo de comutação, enrolamento de compensação e enrolamento da armadura, além de componentes adicionais como anéis deslizantes, escovas e comutadores. Isso resulta em altos requisitos de fabricação e custos de manutenção relativamente altos.
Como resultado, os motores CC estão em um estado de declínio nas aplicações industriais, mas ainda têm um lugar no estágio de transição. Se o usuário tiver recursos suficientes, é recomendável escolher o esquema de um motor CA com um conversor de frequênciapois ela traz muitos benefícios.
As vantagens dos motores assíncronos incluem sua estrutura simples, desempenho estável, facilidade de manutenção e baixo custo.
Além disso, o processo de fabricação é simples. De acordo com um técnico antigo em uma oficina, as horas-homem necessárias para montar um motor CC podem concluir a montagem de dois motores síncronos ou quatro motores assíncronos com potência semelhante. É por isso que os motores assíncronos são amplamente usados no setor.
Os motores assíncronos são divididos em motores de gaiola de esquilo e motores de enrolamento, 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, tem melhores propriedades mecânicas e elétricas e é mais comumente usado em rotores. Depois de resolver o problema 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 bobinado.
No entanto, os motores de gaiola de esquilo têm baixa saída de torque e uma grande corrente de partida, o que os torna inadequados para cargas que exigem alto torque de partida. O aumento do comprimento do núcleo do motor pode aumentar o torque, mas esse aumento é limitado.
Por outro lado, os motores de enrolamento energizam o enrolamento do rotor por meio de anéis deslizantes para formar um campo magnético do rotor que se move em relação ao campo magnético do estator rotativo, resultando em uma saída de torque maior.
A resistência de 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 guinchos.
Em comparação com os motores de gaiola de esquilo, os motores assíncronos enrolados têm componentes adicionais, como anéis deslizantes, resistência à água e resistência elétrica, o que resulta em um custo geral mais alto do equipamento. Os motores assíncronos também têm uma faixa de regulagem de velocidade relativamente estreita e baixo torque em comparação com os motores CC.
No entanto, eles têm um impacto significativo na rede elétrica porque exigem energia reativa da rede para energizar o enrolamento do estator, que é um elemento indutivo. Isso 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 atenuar esse impacto, as agências de fornecimento de energia podem restringir o uso de motores assíncronos. Alguns grandes usuários de energia, como fábricas de aço e alumínio, têm suas próprias usinas de energia para formar suas próprias redes de energia independentes e reduzir as restrições ao uso 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 acentuadas são as vantagens dos motores síncronos, o que leva a uma mudança para o uso de motores síncronos.
As vantagens dos motores síncronos incluem sua capacidade de compensar a potência reativa em estados de superexcitação, bem como as seguintes:
Entretanto, os motores síncronos não podem ser iniciados diretamente e exigem 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 de frequência variável não é detalhada.
Os motores síncronos precisam de corrente de excitação para operar e, sem ela, o motor se torna assíncrono. A excitação é um sistema CC adicionado ao rotor e sua velocidade de rotação e polaridade estão em sincronia com o estator. Se houver um problema com a excitação, o motor ficará defasado e não poderá ser ajustado, resultando em um disparo da proteção de "falha de excitação".
A adição de dispositivos de excitação é a segunda desvantagem dos motores síncronos. No passado, a excitação era fornecida diretamente por máquinas de CC, mas agora é fornecida principalmente por retificadores controlados por silício. Quanto mais complexos forem a estrutura e o equipamento, maior será o número de pontos de falha e maior será a taxa de falha.
Os motores síncronos são usados principalmente em aplicações como guinchos, moinhos, ventiladores, compressores, laminadores e bombas de água. O princípio da seleção de motores é priorizar os 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 do que os motores CC, os motores assíncronos CA são melhores do que os motores síncronos CA e os motores assíncronos tipo gaiola de esquilo são melhores do que os motores assíncronos enrolados. Os motores assíncronos tipo 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 usados em máquinas, bombas de água e ventiladores. Os motores assíncronos bobinados são recomendados para máquinas de produção com partida e frenagem 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 regulagem 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 regulagem de velocidade superior a 1:3 e que exigem regulagem de velocidade contínua, estável e suave, recomenda-se o uso de motores CC com excitação separada, motores assíncronos de gaiola de esquilo ou motores síncronos com regulagem de velocidade de frequência variável, como máquinas-ferramenta de precisão de grande porte, plainas de pórtico, laminadores de aço e guinchos.
As 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.
A potência nominal de um motor refere-se à sua potência de saída, também conhecida como potência ou capacidade do eixo. É o principal parâmetro 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 a tensão nominal, a corrente nominal, o fator de potência (cos θ) e a 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 possa atender aos requisitos de carga do maquinário de produção. Se a potência for muito grande, o investimento no equipamento aumentará, levando a desperdícios e a uma 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:
Para selecionar a potência nominal, a potência de carga é calculada primeiro com base no aquecimento do maquinário, no aumento da temperatura e nos requisitos de carga. Em seguida, a potência nominal é pré-selecionada com base na potência de 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 deve ser selecionado novamente até que todos os critérios sejam atendidos. O sistema de trabalho também é um fator obrigatório, com o sistema de trabalho S1 convencional sendo adotado por padrão se não for especificado. Os motores com requisitos de sobrecarga também devem fornecer um múltiplo de sobrecarga e o 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 da 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 chegar a 50 ℃.
A altitude elevada também pode afetar a potência do motor, com uma altitude maior resultando em uma potência maior. aumento da temperatura do motor e menor potência de saída. O fenômeno corona também deve ser considerado para motores usados em grandes altitudes.
Como referência, veja a seguir alguns exemplos de faixas de potência de motores no mercado atual:
A tensão nominal de um motor refere-se à tensão da linha sob suas condições operacionais nominais.
A escolha da tensão nominal do motor depende da tensão da fonte de alimentação do sistema de energia 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 em 380 V, de modo que 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 suporte do condutor, ou isso se tornaria muito caro.
Uma maior potência de saída é obtida com o aumento da tensão.
A tensão de alimentação das redes elétricas de alta tensão é normalmente de 6.000 V ou 10.000 V, embora também haja 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 da alta potência e da forte resistência ao impacto, mas sua desvantagem é que eles têm grande inércia e são difíceis de dar partida 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 os motores de alta potência podem ser aumentados para 600 a 1000V.
Quando a tensão da fonte de alimentação CA é de 380 V e um circuito retificador controlado por silício em ponte trifásica é usado para a fonte de alimentação, a tensão nominal do motor CC deve ser de 440 V.
Quando uma fonte de alimentação trifásica com retificador controlado por silício de meia onda é usada para a alimentação, a tensão nominal do motor CC deve ser de 220V.
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.
Ao 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 um preço mais alto. Por outro lado, a velocidade não deve ser muito alta, pois isso pode tornar o mecanismo de transmissão complicado e de difícil manutenção.
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 da perda durante o processo de transição, em vez de considerar apenas o investimento inicial. Por exemplo, os motores de elevador exigem rotação frequente para frente e para trás com alto torque, portanto, têm baixa velocidade e são volumosos e caros.
Quando a velocidade do motor é alta, é fundamental considerar a velocidade crítica do motor. Durante a operação, o rotor pode vibrar e sua amplitude aumentará com a velocidade. Em uma determinada velocidade, a amplitude atinge um valor máximo (conhecido como ressonância), e a amplitude diminui e se estabiliza em uma determinada faixa quando a velocidade aumenta ainda mais.
Essa velocidade com a 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 pode resultar em vibrações violentas e flexão significativa do eixo, levando a deformações de longo prazo ou até mesmo a fraturas.
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. No entanto, para motores de 2 polos de alta velocidade, se a velocidade nominal estiver próxima de 3000 RPM, o impacto da velocidade crítica deve ser considerado e o motor não deve operar em sua velocidade crítica por períodos prolongados.
Embrulhe tudo
Em geral, as especificações de um motor podem ser estimadas com o fornecimento de informações sobre o tipo de carga que ele acionará, sua potência nominal, tensão e velocidade. Entretanto, esses parâmetros básicos não são suficientes para atender totalmente aos requisitos da carga.
Os 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.
Os principais critérios para a seleção do motor incluem:
A seleção do motor deve se basear nas seguintes condições:
Ao selecionar o tipo, a tensão e a velocidade do motor, os requisitos do transmissão de energia da máquina de produção, como a frequência de partida e parada, se a regulagem de velocidade é necessária, etc., deve ser considerada primeiro. Isso determinará o tipo de corrente para o motor, ou seja, se deve ser escolhido 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 ao redor.
Por fim, 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 do catálogo de produtos que atenda a esses requisitos. Se os motores listados no catálogo não puderem atender aos requisitos especiais da máquina de produção, você poderá fazer um pedido personalizado ao fabricante do motor.
A escolha do motor é considerada sob os aspectos de CA e CC, características da máquina, regulagem de velocidade e recursos de partida, proteção e preço. Portanto, as seguintes diretrizes devem ser observadas na escolha:
(1) Primeiro, considere a seleção de um motor de indução trifásico com gaiola de esquilo.
Isso se deve à sua simplicidade, durabilidade, confiabilidade, baixo custo e fácil manutenção. No entanto, suas desvantagens são a dificuldade de regular a velocidade, o baixo fator de potência, a alta corrente de partida e o pequeno torque de partida. Portanto, ele é adequado principalmente para máquinas de produção em geral e acionamentos com características de máquina relativamente rígidas e sem requisitos especiais de regulagem de velocidade, como máquinas-ferramenta em geral e máquinas de produção, como bombas de água ou ventiladores com potência inferior a 100 kW.
(2) O preço dos motores de rotor bobinado é mais alto do que o dos motores de gaiola.
No entanto, suas características de máquina podem ser ajustadas adicionando-se resistência ao rotor, limitando assim a corrente de partida e aumentando o torque de partida. Portanto, ele é adequado para situações em que a capacidade da fonte de alimentação é pequena, a potência do motor é grande ou a regulagem da velocidade é necessária, como determinados equipamentos de elevação e elevadores de elevação, prensas de forjamentoe mover a viga transversal de máquinas-ferramentas pesadas.
(3) Quando a faixa de regulagem de velocidade for menor que 1:10 e for necessária uma regulagem de velocidade suave, um motor deslizante pode ser selecionado primeiro.
Esse motor pode ser dividido em tipos 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 altitudes elevadas, 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 perfuração rigs) para simplificar a montagem da transmissão (porque ela é mais cara).
Há vários tipos de proteção para motores, e o tipo apropriado deve ser selecionado com base em diferentes ambientes operacionais. Os tipos de proteção para motores incluem aberto, protetor, fechado, à prova de explosão, submersível e vários outros. O tipo aberto é normalmente escolhido para ambientes cotidianos devido ao seu preço acessível, mas é adequado apenas 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 pode 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 risco de incêndio ou explosão, deve ser escolhido um tipo à prova de explosão.
Ao escolher um motor para máquinas de produção existentes em um ambiente industrial, a tensão nominal do motor deve ser equivalente à tensão de distribuição da fábrica. Para fábricas novas, a seleção de tensão para o 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 a comparação de diferentes níveis de tensão. O padrão de baixa tensão em nosso país é 220/380V, enquanto a alta tensão é, em sua maioria, 10KV. A maioria dos motores com capacidades menores é 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 exceder aproximadamente 200 kW, é recomendável 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 que está sendo acionado e nas condições do conjunto de transmissão. O número de rotações do motor por minuto geralmente inclui 3000, 1500, 1000, 750 e 600.
A velocidade nominal de um motor assíncrono é normalmente de 2% a 5% menor do que essas velocidades devido à taxa de escorregamento. Do ponto de vista da fabricação, se um motor da mesma potência tiver uma velocidade nominal mais alta, sua forma de torque eletromagnético será menor, reduzindo, assim, seu custo e peso.
Além disso, os motores de alta velocidade têm fatores de potência e eficiência mais altos do que os motores de baixa velocidade.
A escolha de um motor com velocidade mais alta é mais econômica. No entanto, se isso resultar em uma diferença de velocidade significativa entre o motor e o maquinário acionado, serão necessários mais estágios de transmissão de aumento de 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 usamos normalmente são motores de 4 polos de 1500r/min, porque esses motores têm uma ampla gama de aplicações e fatores de potência e eficiência operacional superiores.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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