Para a especificação de motores elétricos, na maioria dos casos, não é necessário o conhecimento da distribuição de temperatura. Portanto, o modelo de parâmetros concentrados pode ser utilizado para representar os pontos críticos, sendo utilizado para uma adequada avaliação do comportamento térmico de um motor acionando uma determinada carga. Para justificar a escolha desse modelo, faz-se necessário uma análise do fluxo de calor em um motor elétrico, nas principais condições de operação, como apresentado a seguir.
Segundo a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), o motor opera em regime permanente ou regime contínuo, quando seu tempo de operação é suficientemente grande, de modo que a distribuição de temperaturas atinge o equilíbrio térmico (COBEI, 1986). Nessa condição, o motor aciona uma carga constante com perdas e dissipação também constantes. Portanto, cada parte constituinte do motor estará na sua temperatura de regime, e por razões econômicas essa temperatura deverá ser igual ou muito próxima aos limites da temperatura de projeto ou temperatura de operação. Com relação ao fluxo de calor de um motor de indução totalmente fechado e com ventilador externo montado no próprio eixo do motor, vários autores, como Eliasen (1980) e Sá (1989), admitem as seguintes considerações:
Pelas características de projeto dos motores elétricos, os pontos de temperatura mais elevados se localizam nos enrolamentos do estator.
O calor resultante das perdas na resistência nos enrolamentos do estator é transferido por condução, através do isolamento próprio dos condutores, do isolamento dos condutores e do isolamento das ranhuras para o núcleo do estator. O calor devido às perdas magnéticas do núcleo do estator mais o calor recebido do estator são dissipados por condução para a carcaça do motor, e daí para o meio externo com a ajuda da ventilação.
A maior parte das perdas nos enrolamentos e no núcleo é dissipada por condução, através do próprio núcleo do rotor e do eixo do motor. Com base nessas considerações e recorrendo à analogia entre o circuito elétrico e o térmico, o circuito térmico equivalente para o estator pode ser representado pelo circuito mostrado na Figura 49, a seguir (ELIASEN, 1980).
Figura 49 – Circuito térmico equivalente para o estator
Fonte: Elaborada pelo autor (2016), com base em Sá (1989).
As setas da Figura 49 indicam a direção normal do fluxo de calor, sendo:
E
T = temperatura do ponto mais quente do estator.
1
C
P = perdas no cobre do estator. IC
R = resistência à condução de calor do isolamento próprio dos condutores. IR
R = resistência à condução de calor do isolamento entre as bobinas e a ranhura. MR
P = perdas magnéticas nos dentes do núcleo. N
R = resistência do núcleo do estator à condução de calor. M
P = perdas magnéticas no núcleo do estator. LN
R = resistência térmica devido às laminações do núcleo do estator. C
R = resistência térmica total da carcaça. C
T = temperatura da superfície externa da carcaça. A
T = temperatura do meio ambiente. EF
R = resistência térmica à condução de calor do entreferro.
2 C P = perdas do rotor. I T = temperatura do ar interno. SC
R = resistência térmica à condução de calor dos suportes (alojamento dos
enrolamentos) do rotor e tampas da carcaça.
O fluxo de calor através do entreferro é muito pequeno, e na maioria dos casos pode ser desprezado. Essa afirmativa se justifica pela elevada resistência térmica do ar à condução de calor, e a relativa diferença de temperatura entre os enrolamentos do estator e rotor. Dessa
forma, pode-se adotar um circuito térmico equivalente desacoplado para o estator, ou seja, desprezando o fluxo de calor através do entreferro. As fontes de calor do estator e rotor não se interagem. Assim, o circuito térmico equivalente para o estator mostrado na Figura 49, é reduzido ao circuito mostrado na Figura 50, na sequência.
Figura 50 – Circuito térmico equivalente para o estator (reduzido)
Fonte: Elaborada pelo autor (2016), com base em Sá (1989).
Na operação em regime permanente, o ponto crítico em relação à temperatura de trabalho se restringe à temperatura dos enrolamentos do estator, pois, caso essa temperatura atinja valores superiores à temperatura da classe de isolamento dos enrolamentos do estator, a vida útil do motor é reduzida drasticamente. Observando o circuito equivalente térmico mostrado na Figura 50, conclui-se que o fluxo de calor possui uma direção principal, do ponto mais quente do enrolamento para o meio externo. Considerando que as perdas no enrolamento do estator, normalmente, correspondem à maior parte das perdas totais do motor, tipicamente em torno de 30 a 40% das perdas totais do motor (ANDREAS, 1982), para a especificação térmica de um motor de indução de rotor tipo gaiola, é fundamental uma adequada avaliação da temperatura de operação dos enrolamentos do estator.
O aquecimento de um motor de indução, durante a partida sob tensão nominal, pode ser considerado um processo adiabático (ZOCHOLL; SCHWEITZER, 1984), pois uma quantidade de calor muito pequena é perdida quando comparada com o calor gerado. Além disso, na partida, os enrolamentos do estator aquecem centenas de vezes mais rápido do que quando o motor está operando a plena carga e com velocidade nominal. O isolamento, o cobre e o núcleo, sob essa rápida razão diferencial de expansão térmica, são submetidos a um elevado risco de danos mecânicos. Por outro lado, a alta temperatura pode destruir termicamente o isolamento elétrico, se persistir por muito tempo (NAILEN, 1971).
É necessário observar que o limite de temperatura na condição de rotor bloqueado pode ser definido pelo limite de sobrelevação da temperatura no rotor ou no estator. Para informar os usuários sobre as limitações do motor na condição de rotor bloqueado, os fabricantes são obrigados a fornecer o tempo máximo de rotor bloqueado. Contudo, esse termo é alvo de grande controvérsia, visto que, em alguns casos, sua definição está
relacionada com a instalação em ambientes sujeitos a gases explosivos em suspensão no ar. Em outra situação, sua definição é função dos limites térmicos do motor (LOBOSCO; DIAS, 1988).
A ABNT, segundo Cobei (1986), define o tempo máximo de rotor bloqueado, como o tempo necessário para que um enrolamento de corrente alternada, quando percorrido pela sua corrente de partida, atinja sua temperatura limite, partindo da temperatura atingida em serviço nominal e considerando a temperatura ambiente. Semelhantemente, Nailen (1971) define o tempo de rotor bloqueado como o máximo tempo que o motor pode ser bloqueado, quando alimentada a tensão nominal, sem perda significativa da sua vida útil. O tempo de rotor bloqueado, tipicamente, se situa na faixa de 5 a 50 segundos, e de acordo com as definições transcritas, pode-se concluir que é um parâmetro muito útil para a especificação da proteção de motores que acionam cargas de alta inércia (NAILEN, 1971; ELIASEN, 1980). Portanto, de acordo com o desempenho do motor elétrico de indução em regime permanente e na partida, como descrito anteriormente, e para o objetivo deste trabalho, o modelo térmico de parâmetros concentrados permite estimar a temperatura média dos enrolamentos do estator para qualquer condição de operação.