Fabio soares marcelo carvalho da rosa renato zelak agottani



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Simulação no EFCAD

1.9Desenho - EFD


O programa EFD é um aplicativo do programa principal EFCAD, em que podem ser feitos diversos desenhos para posteriormente serem utilizados por outros aplicativos do EFCAD, onde, por sua vez, serão feitas as simulações.

No caso em estudo foi desenhado um corte transversal do estator e o rotor do motor de indução. Primeiramente o projeto fornecido pela Eletromotores WEG SA de um dos seus motores da linha W22 foi desenhado no software AutoCad, para que fosse possível obter todos os pontos cartesianos com a exatidão necessária, assim, foi elaborada uma tabela com os pontos cartesianos dos principais componentes, como ranhura do rotor e do estator. A tabela de pontos não poderá ser divulgada neste trabalho para não violar os direitos autorais do projeto, pertencentes a Eletromotores WEG SA. Em seguida, levando em conta como centro de toda a figura o ponto cartesiano (x,y) = 0,0, foi utilizado a ferramenta “Arc” e depois “Circle” do EFD para criar os círculos delimitando diâmetros internos e externos do rotor e estator, entrando com os valores dos raios de cada um. Também foi utilizada a mesma técnica para criar a circunferência que delimita a parte interna da ranhura do estator, mas utilizando como centro outros valores.

Outra ferramenta muito importante do EFD é a “Replic”, através dela foi possível criar apenas uma ranhura e repeti-la ao longo da circunferência quantas vezes fosse necessário. No caso do rotor, a ranhura unicamente desenhada foi repetida 27 vezes, com espaçamento angular adequado entre elas. Já no estator, a ranhura foi repetida 35 vezes com espaçamento angular igual ao projeto.


A figura 30 ilustra o motor desenhado no programa EFD, mostrada em maior detalhe na figura 31:





Figura 30 - Desenho do motor no programa EFD.

Fonte: (autoria própria).


Figura 31 - Detalhe do desenho do motor no programa EFD.

Fonte: (autoria própria).

O desenho exato do motor, com todas as suas dimensões conforme o projeto original não puderam ser mantidas. Para que o programa EFCAD pudesse fazer os cálculos corretamente, foram feitas duas mudanças e aproximações sutis, tomando o devido cuidado para que não interferissem no resultado da simulação, sendo o mais próximo possível do caso real. Foi criada uma circunferência interna ao estator, para que as ranhuras ficassem fechadas no programa, o que não acontece na realidade; as ranhuras do rotor ficam originalmente espaçadas em alguns milímetros da circunferência externa, distancia que foi aproximada para 0,0mm, pois os resultados com este espaçamento iriam interferir erroneamente na simulação devido a pequenas falhas no programa EFCAD. Tais mudanças podem ser observadas nas áreas circuladas da figura 32.




Figura 32 - Detalhe das alterações feitas no motor.

Fonte: (autoria própria).

1.10Calculo de elementos finitos – EFM


Após fazer o desenho no EFD, o mesmo foi utilizado por outro aplicativo, o EFM, onde foi determinado os materiais de cada região. No estator e rotor foi utilizado um material ferromagnético, designado pelo numero “8” do software. As ranhuras do rotor são de alumínio, numero “3” do EFM, e também foi designado a ordem das bobinas de fase do estator. Foi então gerado o cálculo de elementos finitos do motor, que pode ser visto na figura 33.




Figura 33 - Malha de elementos finitos.

Fonte: (autoria própria).


1.10.1Bobinamento


Também se fez necessária a inserção dos dados de bobinamento do motor, com a ordem e posição das fases em cada ranhura. Como o motor de indução em estudo é um trifásico, as bobinas serão distribuídas conforme sugere o projeto original, demonstrado na figura 34.




Figura 34 - Esquema de bobinamento do motor.

Fonte: adaptado de WEG

1.11Calculo aplicação – EFCT


No EFCT foram determinadas todas as características relevantes do motor e as necessárias para as futuras simulações, como número de iterações, tempo de ensaio, tensões em cada fase, dentre outras características construtivas apresentadas na figura 35. Nesta figura foram inseridos os dados para ligar o motor da forma errada, com amplitudes de tensão iguais a 180 V em duas fases e 360 V na terceira fase. A fim de proteger dados confidencias do projeto pertencentes à Eletromotores WEG SA, algumas informações, como o número de espiras e algumas dimensões não poderão ser explicitadas.




Figura 35 - Características do motor para ensaio.

Fonte: (autoria própria).

1.12Curva b X h


Como o estudo baseia-se em um material ferro-magnético não linear, se faz de extrema importância o conhecimento da curva B x H, onde B = densidade de fluxo magnético e H = intensidade de campo magnético. A curva, apresentada na figura 36, foi inserida no programa para viabilizar as simulações com precisão adequada.




Figura 36 - Curva B x H

Fonte: (autoria própria).
Observando a curva é possível perceber que o núcleo ferro magnético só irá saturar para valores de B maiores de 1.8 T. Nos capítulos seguintes serão apresentados os valores obtidos para B com alimentação trifásica e monofásica.

analise de resultados

1.13Simulação com ligação trifásica


Conforme descrito no capitulo inicial do trabalho, primeiramente foi feita a simulação do motor com alimentação correta (220 V defasados em 120º em cada fase). As simulações geram resultados com a condição de rotor bloqueado, pois o software não tem capacidade de processamento para elementos girantes. A figura 37 apresenta os dados construtivos do motor inseridos no programa, assim como na figura 35, alguns dados foram omitidos.




Figura 37 - Características do motor para ensaio

Fonte: (autoria própria).
Apenas para verificar a conformidade da simulação, as figuras 38 e 39 apresentam um gráfico de tensão e corrente respectivamente na fase 1.


Figura 38 - Forma de onda da tensão alternada de 220 V.

Fonte: (autoria própria).


Figura 39 - Forma de onda da corrente e seus valores no tempo.

Fonte: (autoria própria).
Inicialmente foram obtidos dados de torque para o motor, para que posteriormente seja comparado com os valores de torque do motor alimentado erroneamente. A figura 40 mostra um gráfico do torque ao longo do comprimento do entreferro (289,65mm). É perceptível que o torque é muito maior em quatro regiões especificas e simétricas, as regiões dos pólos. Assim como a corrente, o torque é demasiadamente grande por se tratar do torque de partida. Foi elaborado também um compilado dos valores de torque ao longo dos primeiros 16ms de funcionamento, como pode ser observado na tabela 2. Esses valores são correspondentes ao somatório de todos os valores de torque ao longo do entreferro.



Figura 40 - Valores de torque ao longo do entreferro.

Fonte: (autoria própria).



Tempo (ms)

Torque

2

14,21

4

47,25

6

8,73

8

-48,92

10

-11,74

12

58,7

14

34,05

16

-42,55


Tabela 2 - Valores de torque ao longo do tempo

Fonte: (autoria própria).

Além dos valores de tensão, torque e corrente, também foram capturadas imagens da densidade de fluxo magnético B. Fazendo uma analise, é facilmente visível o efeito de campo girante, pois a densidade do fluxo B se desloca ao longo do tempo pela circunferência do estator. O fenômeno é demonstrado nas figuras 41 à 48, com imagens capturadas a cada 2ms.





Figura 41 - Densidade de fluxo magnético em 2ms.

Fonte: (autoria própria).


Figura 42 - Densidade de fluxo magnético em 4ms.

Fonte: (autoria própria).



Figura 43 - Densidade de fluxo magnético em 6ms.

Fonte: (autoria própria).



Figura 44 - Densidade de fluxo magnético em 8ms.

Fonte: (autoria própria).


Figura 45 - Densidade de fluxo magnético em 10ms.

Fonte: (autoria própria).



Figura 46 - Densidade de fluxo magnético em 12ms.

Fonte: (autoria própria).


Figura 47 - Densidade de fluxo magnético em 14ms.

Fonte: (autoria própria).



Figura 48 - Densidade de fluxo magnético em 16ms.

Fonte: (autoria própria).

1.14Simulação com ligação monofásica


Finalmente foram realizados os mesmos ensaios para o motor alimentado erroneamente, com dados de entrada já mostrados na figura 5.6. Como o valor de tensão é diferente em uma das fases, as figuras 49 e 50 demonstram o formato de onda da fase 1 e fase 3 respectivamente, com valores de pico de 180 V e 360 V (127 V e 254 V eficaz).




Figura 49 - Formato de onda da tensão na fase 1.

Fonte: (autoria própria).


Figura 50 - Formato de onda da tensão na fase 3.

Fonte: (autoria própria).

Por ter uma fase com alimentação superior, a corrente se mostrou muito desbalanceada, sendo que para os enrolamentos alimentados com 127 V, atingiu valor máximo de pico de 49 A. Já o enrolamento alimentado com 254 V a corrente chegou a 95 A (70 A eficaz), como pode ser observado nas figuras 51 e 52 respectivamente.




Figura 51 - Formato de onda da corrente na fase 1.

Fonte: (autoria própria).


Figura 52 - Formato de onda da corrente na fase 3.

Fonte: (autoria própria).
Assim como no caso da alimentação trifásica, foi capturada a curva de torque ao longo do entreferro, gerando a imagem da figura 53 e na tabela 3, com os valores totais do torque no tempo.


Figura 53 - Valores de torque ao longo do entreferro.

Fonte: (autoria própria).



Tempo (ms)

 Torque

2

3,032

4

24,64

6

43,91

8

30,93

10

2,67

12

9,45

14

34,57

16

31,89


Tabela 3 - Valores de torque no tempo.

Fonte: (autoria própria).
Finalizando, as figuras de 54 à 61 mostram a densidade de fluxo magnético B em um ciclo completo, de 2 ms à 16 ms respectivamente. Fazendo uma análise dos valores máximos de fluxo magnético mostrados nas imagens e comparando com os valores da curva B x H (figura 36) é possível concluir que o núcleo ferro magnético não sofre saturação, pois o valor de B não ultrapassa 1.7 T.



Figura 54 - Densidade de fluxo magnético em 2ms.

Fonte: (autoria própria).



Figura 55 - Densidade de fluxo magnético em 4ms.

Fonte: (autoria própria).


Figura 56 - Densidade de fluxo magnético em 6ms.

Fonte: (autoria própria).



Figura 57 - Densidade de fluxo magnético em 8ms.

Fonte: (autoria própria).


Figura 58 - Densidade de fluxo magnético em 10ms.

Fonte: (autoria própria).



Figura 59 - Densidade de fluxo magnético em 12ms.

Fonte: (autoria própria).


Figura 60 - Densidade de fluxo magnético em 14ms.

Fonte: (autoria própria).



Figura 61 - Densidade de fluxo magnético em 16ms.

Fonte: (autoria própria).


Conclusão


Confome o esperado, foi constatado com a realização do trabalho que ao menos uma das três fases do motor é danificada por conta de dois fatores principais:



  • sobrecorrente: a figura 52 deixa claro que a corrente na fase alimentada com maior tensão atinge valores de até 95 A, o que seria equivalente a quase 70 A eficazes em uma das bobinas. Levando em conta que a corrente de partida do motor equivale a 53 A eficazes e a máxima corrente suportada (levando em conta o fator de serviço) é de 9,4 A, passa a ser facilmente perceptível que a alta corrente irá danificar o enrolamento da bobina.

  • Temperatura elevada: como foi provado através das imagens 54 à 61 que o motor não gira por estar submetido a um campo pulsante e não a um campo girante, o rotor irá ficar travado. Sem essa rotação, não haverá ventilação das partes internas do motor e o mesmo irá super aquecer, o que levará a queima das três fases, iniciando com a fase submetida a sobrecorrente.

Ou seja, a sobrecorrente de uma das fases somada ao super aquecimento geral das partes internas do motor irá danificá-la em pouco tempo. Já as outras fases, como não estão submetidas a altos valores de corrente (35 A eficaz) não irão queimar instantaneamente, mas sim se o motor permanecer ligado por mais tempo.

Já os valores de indução B, conforme os dados obtidos nas simulações descritas no capitulo 6, não atingiram os correspondentes à área de saturação magnética do material, então é possível concluir que o material ferromagnético mantém suas propriedades magnéticas e a causa principal da queima dos enrolamentos é a falta de arrefecimento.

De forma mais abrangente, o trabalho possibilitou agregar e aprofundar conhecimentos principalmente nas áreas de software de desenvolvimento e simulação e máquinas elétricas. Foram enfrentadas muitas dificuldades, principalmente no software EFCAD, que era desconhecido pelos integrantes da equipe, porém, graças ao auxilio dado pelo professor co-orientador Antonio Carlos Pinho foi possível aprender e desenvolver as simulações no programa.

Outra dificuldade foi a obtenção de dados construtivos do motor. Por se tratar de um trabalho baseado em simulações, esses dados eram extremamente necessários, sendo a matéria prima para realizar as simulações. Como a universidade não possuía um motor especifico para desmanche e medição, foi solicitado a colaboração do professor orientador Antonio Ivan Bastos Sobrinho, que forneceu dados precisos e importantes de um motor comercial da linha W22 da empresa Eletromotores WEG SA.




1.15Sugestões para trabalhos futuros


Como sugestão para trabalho futuro indica-se:




  • analise termográfica a fim de verificar se o núcleo atingirá uma temperatura muito excessiva e esse fator irá danificar os enrolamentos ou estator (engenharia mecânica).

REFERÊNCIA BIBLIOGRAFICA:


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VIEIRA, Luciano. Motores trifásicos – Aspectos Gerais. Maringá, 2009.
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