Sebenta UC02951 — Máquinas Elétricas Rotativas

1. Motores de Corrente Contínua (DC)

1.1 Fundamentos e Construção

O motor DC converte energia eléctrica contínua em energia mecânica de rotação. O princípio de funcionamento baseia-se na força de Lorentz: F = B × I × L (força sobre um condutor transportando corrente I num campo magnético B, de comprimento L).

Equação fundamental do motor DC: $$V = E + I_a \times R_a$$ Onde V é a tensão de alimentação, E é a força contra-electromotriz (FCEM), I_a é a corrente de armadura e R_a é a resistência de armadura.

FCEM: $$E = K \times \phi \times n \quad \text{(proporcional ao fluxo e à velocidade)}$$

Regulação de velocidade do motor DC shunt: - Variar a tensão de armadura: n diminui/aumenta proporcionalmente - Variar o fluxo de campo (resistência de campo): n aumenta ao enfraquecer o campo (acima da velocidade base)

1.2 Manutenção de Motores DC

Inspecção das escovas (trimestral): 1. Parar o motor e bloquear (LOTO) 2. Remover as tampas laterais 3. Medir a altura das escovas (paquímetro): altura mínima = 50% do original; substituir se abaixo 4. Verificar o estado das superfícies de contacto: devem estar lisas e com polimento "espelhado" 5. Verificar que a escova desliza livremente no porta-escova (sem emperramento) 6. Medir a força das molas com dinamómetro: 20–30 kPa (1,5–3,5 N por cm² de área) 7. Verificar os cabos de conexão das escovas (não devem estar fundidos ou oxidados)

Inspecção do comutador: - Verificar circularidade com apalpador + relógio comparador (oval máx.: 0,05 mm) - Verificar profundidade dos espaços entre lâminas: 0,5–1,0 mm (escovar com espátula de madeira) - Cor ideal: cobre brilhante com camada fina de pátina castanho-chocolate (indicador de boa lubrificação pelas escovas de grafite) - Cor preta → faíscas excessivas → verificar força das molas e posição dos porta-escovas - Queimadas (riscos): tornear (se disponível lathe attachment) ou substituir o comutador

2. Motores de Indução Trifásicos

2.1 Campo Magnético Girante

O campo girante é criado pelos três enrolamentos de estator desfasados 120° no espaço e alimentados com correntes trifásicas desfasadas 120° no tempo. O resultado é um campo magnético que roda a velocidade síncrona:

$$n_s = \frac{60 \times f}{p} \quad [rpm]$$

Onde p = número de pares de polos (não o número total de polos).

Exemplo: Motor de 4 polos (2 pares) a 50 Hz: n_s = 60×50/2 = 1 500 rpm

2.2 Equações Fundamentais

Escorregamento: $$s = \frac{n_s - n_r}{n_s}$$

Frequência das correntes no rotor: $$f_r = s \times f$$

Binário eletromagnético: $$T = k \times \frac{s \times R_2 \times V_1^2}{R_2^2 + (s \times X_2)^2}$$

Para s pequeno (operação normal): T ≈ k × s × V₁²/R₂ → linear com o escorregamento

Escorregamento no ponto de binário máximo: $$s_{max_T} = \frac{R_2}{X_2}$$

2.3 Arranques e Protecções

Métodos de arranque: 1. DOL (Direct On Line): I_arr ≈ 5–7× I_nom; adequado para motores ≤ 15 kW ou redes robustas 2. Estrela-Triângulo: I_arr_YΔ = I_arr_DOL/3; binário_arr_YΔ = T_arr_DOL/3; requer 6 terminais acessíveis 3. Variador VFD: I_arr ≈ 1,5× I_nom; rampa de frequência suave; mais eficiente energeticamente 4. Autotransformador: tensão reduzida no arranque; mais caro e volumoso; raro em novos projetos 5. Resistência de rotor (motor de rotor enrolado): I_arr reduzido; T_arr elevado; manutenção das escovas

Protecções obrigatórias: - Sobrecarga térmica (relé térmico ou PTC no enrolamento) - Curto-circuito (fusível ou disjuntor de motor) - Falta de fase (relé de desequilíbrio ou relé de falta de fase) - Sobretemperatura (termistor PTC nos enrolamentos, sensor KTY84 ou Pt100)

3. Classes de Isolamento e Vida Útil

3.1 Classes de Isolamento IEC 60034-1

Temperatura de ponto quente = temperatura ambiente (40°C) + elevação de temperatura + margem de segurança (10°C)

Regra dos 10°C (Montsinger): por cada 10°C de aumento de temperatura acima do limite da classe, a vida útil do isolamento reduz-se para metade.

3.2 Resistência de Isolamento vs. Temperatura

A resistência de isolamento diminui exponencialmente com a temperatura. Para comparação de medições feitas a temperaturas diferentes, usar o factor de correcção:

$$R_{40} = R_{T} \times K_T$$

Onde K_T é o factor de correcção para 40°C (tabelado no IEEE 43).

4. Rebobinagem Básica

4.1 Quando Rebobinar vs. Substituir

Critérios para rebobinagem:

Rebobinar quando: - Motor de grande potência (> 30 kW): custo de rebobinagem < 50% do custo novo - Motor especial (framestardard não disponível, tensão especial, frequência especial) - Análise económica favorável

Substituir quando: - Motor danificado mecanicamente (estator deformado) - Rendimento do motor antigo inferior a IE3 → substituição economicamente justificada - Custo de rebobinagem > 60% do custo de motor novo IE3 equivalente

4.2 Procedimento de Rebobinagem (visão geral)

Fase 1 — Desmontagem e registo: 1. Desmontagem completa do motor 2. Registar: número de espiras por bobine, secção do fio, ligação (estrela/triângulo), grupo de bobines, passo 3. Remover os enrolamentos antigos (fornos de queima a 350°C ou extracção mecânica) 4. Limpar os sulcos do estator

Fase 2 — Reconstrução: 5. Cortar isolamento de sulco novo (filme de poliéster Nomex) 6. Enrolar as bobines com novo fio (secção e número de espiras conforme registo) 7. Introduzir as bobines nos sulcos 8. Ligar os enrolamentos conforme o esquema original (estrela ou triângulo) 9. Barnizar (impregnação em verniz poliester ou epóxi, por imersão ou VPI) 10. Curar no forno (130–165°C conforme classe)

Fase 3 — Ensaios: 11. Verificar continuidade dos 3 enrolamentos 12. Medir resistência (desequilíbrio < 2%) 13. Medir isolamento (Megger 1kV: ≥ 100 MΩ após rebobinagem — muito superior ao mínimo) 14. Teste de tensão de impulso (surge test): verifica isolamento entre espiras 15. Ensaio em vazio e em carga: corrente, temperatura, vibração

5. Diagnóstico de Motores Eléctricos

5.1 Diagnóstico por Sintomas

5.2 Análise Espectral da Corrente (MCSA)

O MCSA (Motor Current Signature Analysis) analisa o espectro da corrente do motor para detectar: - Barras partidas do rotor: frequências em f_linha ± 2s×f_linha (onde s é o escorregamento) - Desequilíbrio de tensão: componente de sequência negativa a 2× f_linha na corrente - Excentricidade do rotor: frequências f_linha ± f_rot

Sebenta elaborada para a UC02951 do curso TMIM — Aulify Platform Versão 1.0 — 2026