INTRODUÇÃO Na natureza a energia se encontra distribuída sob diversas formas, mecânica, térmica, luminosa e outras formas; no entanto a energia mecânica é a mais conhecida forma de energia e na qual o homem tem mais domínio. A energia mecânica, tal como ela está disponível na natureza é de difícil utilização prática. Então, converte-se a energia mecânica em energia elétrica através das máquinas elétricas conhecidas como geradores. A energia elétrica possui as vantagens de ser uma energia limpa, de fácil transporte e de fácil manuseio, podendo ser reconvertida em vários outros tipos de energia. Os motores são as máquinas responsáveis por transformar de volta a energia elétrica obtida nos geradores em trabalho, trataremos dessas máquinas neste texto. MOTORES DE CORRENTE ALTERNADA Neste tipo de motor, o fluxo magnético do estator é gerado nas bobinas de campo pela corrente alternada da fonte de alimentação monofásica monofásica ou trifásica, portanto trata-se trata -se de um campo magnético cuja intensidade varia continuamente e a polaridade é invertida periodicamente. periodicamente. Estes motores são divididos em síncronos e assíncronos. Motores síncronos No motor síncrono, o rotor é constituído por um imã permanente ou bobinas alimentadas em corrente contínua mediante anéis coletores. Neste caso, o rotor gira com uma velocidade diretamente proporcional a frequência da corrente no estator e inversamente proporcional ao número de pólos magnéticos do motor. São motores de velocidade constante e constitui-se a sua principal aplicação. São utilizados somente para grandes potências devido ao seu alto custo de fabricação. A seguinte equação define a velocidade síncrona ns deste tipo de motor: ns = 120 f / p Onde: ns: velocidade síncrono (rpm ) f: frequência da corrente do rotor ( Hz) p: número de pólos magnéticos do motor Motores assíncronos No motor assíncrono ou de indução, o rotor possui vários condutores conectados em curtocircuito no formato de uma "gaiola de esquilo”, conforme mostra a figura 2.
O campo magnético variável no estator induz correntes senoidais nos condutores da gaiola do rotor, figura 2. Estas correntes induzidas, por sua vez, criam um campo magnético no rotor que se opõe ao campo indutor do estator ( Lei de Lenz ). Como os pólos iguais se repelem, então há uma força no sentido de giro no rotor. O rotor gira com uma velocidade n um pouco inferior à velocidade síncrona, isto é, a velocidade da corrente do campo. Como é um pouco inferior, diz que este motor é assíncrono, isto é, sem sincronia. Observe que este motor não consegue partir, isto é, acelerar desde a velocidade zero até a nominal. As forças que atuam nas barras curto-circuitas se opõem uma à outra, impedindo o giro. Então, na partida, utiliza-se uma bobina de campo auxiliar, defasada de 90 graus das bobinas de campo principais, que cria um campo magnético auxiliar na partida. Assim, o fluxo resultante inicial está defasado em relação ao eixo das abscissas, e produz um torque de giro ( par binário). Após a partida, não há mais a necessidade do enrolamento auxiliar, pois a própria inércia do rotor compõe forças tais que mantém o giro. A diferença em valores percentuais entre a velocidade síncrona e a velocidade do motor de indução, chamamos de escorregamento, simbolizada pela letra S. O escorregamento dos motores de indução é variável em função da carga a ser acionada pelo motor, ou seja, é mínimo a vazio ( sem carga ) e máximo com a carga nominal. O escorregamento S dos motores de indução é expresso através da seguinte equação: S= 100x (ns –n) / ns Onde: n: velocidade do eixo do motor (rpm )
Nota-se através das duas últimas equações que a velocidade dos motores síncronos e assíncronos pode ser controlada através do ajuste do valor da frequência da corrente nas bobinas do estator. Este tipo de acionamento é realizado através de um conversor estático de frequência. Ao contrário dos motores síncronos e de corrente contínua; o motor assíncrono ou de indução é largamente utilizado nas indústrias pela sua simplicidade construtiva, pouca manutenção e baixo custo. Os motores assíncronos ou de indução podem ser monofásicos ou trifásicos. Motor de Indução Monofásico É um motor elétrico de pequena ou média potência, geralmente menores que 5 CV. Para a produção do conjugado de partida omotor de indução monofásico necessita de um segundo enrolamento de partida auxiliar ( Ea ) defasado de 90° construtivamente do enrolamento de trabalho ( Et). O resultado da ação das correntes nos enrolamentos de trabalho e auxiliar é um campo magnético girante no estator, que faz o motor partir. Após a partida enrolamento auxiliar é desligado através de uma chave centrífuga que opera a cerca de 75% da velocidade síncrona. O conjugado de partida, neste caso, é moderado. Para aumentar o conjugado de partida é usado um capacitor ligado em série com o enrolamento auxiliar e a chave centrífuga. Esta técnica é utilizada para cargas de partida difícil, tais como: compressores, bombas, equipamentos de refrigeração, etc. O motor de indução monofásico comumente usados no Brasil apresenta seis terminais acessíveis, sendo quatro para os dois enrolamentos de trabalho Et (1,2,3 e 4), bobinas projetadas para tensão de 127 V, e dois para o circuito auxiliar de partida ( 5 e 6 ), também projetado para a tensão de 127 V. A f igura 5 mostra o esquema de ligação do motor de indução monofásico para as tensões de alimentação de 127 e 220 V fase-neutro.
Em alguns motores de baixa potência, o circuito auxiliar de partida é substituído por espiras curto-circuitadas, chamadas de bobinas de arraste. Neste caso, a máquina apresenta dois ou quatro terminais para as bobinas de trabalho. Para a inversão do sentido de rotação no motor de indução monofásico basta inverter as conexões do circuito auxiliar, ou seja, trocar o terminal 5 pelo 6. No motor com bobina de arraste não é possível inverter o sentido de rotação. Motor de Indução Trifásico O motor de indução trifásico é a máquina elétrica de corrente alternada mais utilizada no acionamento de cargas mecânicas. Devido às suas qualidades, robustez e simplicidade de manutenção, tem vindo a substituir os motores elétricos de coletor de lâminas nas suas aplicações típicas, e devido a um aumento do conhecimento do seu princípio de funcionamento foi possível desenvolver novas estratégias de controle que permitem uma boa adaptação de suas características de funcionamento às necessidades da carga mecânica acionada. Aspectos Construtivos O motor de indução trifásico é uma máquina elétrica rotativa de corrente alternada, assíncrona, cuja construção respeita o estabelecido nas normas e é condicionada pelos meios de produção do fabricante. Esta máquina elétrica pode ser construída para valores de potência nominal que se estendem por uma gama muito ampla. Um motor de indução trifásico tem as seguintes partes construtivas: Estator O estator do motor de indução trifásico é constituído por um empacotamento de chapa de ferro magnético silicioso, com baixa densidade de perdas magnéticas (p. exp: e= 0.5 mm ; 3 W/kg a 1 T) que forma o circuito magnético estatórico. As chapas têm uma forma de coroa circular ranhurada (p. exp: 36 ou 48 ou 54 ranhuras) na periferia interior; as chapas estão revestidas de um verniz isolante. As ranhuras são semifechadas e destinamse a conter os condutores do circuito elétrico estatórico. Entre conjuntos de chapas magnéticas podem existir canais de ventilação, que servirão para a passagem do ar de refrigeração. O circuito elétrico estatórico é formado por um enrolamento com três bobinas afastadas no espaço de 2 /3 rad. elect., e destinadas a serem alimentadas por cada uma das fases de um sistema trifásico. Os condutores elétricos que formam as diversas espiras das bobinas são isolados a esmalte, estão dispostos a duas
camadas na ranhura, encontram-se isolados do material magnético por um material isolante plástico, que forra a parte inferior da ranhura, e estão travados na ranhura por regletes plásticas. Nas máquinas de maior potência os enrolamentos estatóricos são formados por bobinas rígidas, construídas por barra de cobre isolado por materiais sintéticos polimerizados. Rotor O núcleo magnético rotórico é, também, folheado e construído com o mesmo tipo de chapa magnética utilizada no núcleo estatórico. As chapas magnéticas têm uma forma de coroa circular que possui ranhuras fechadas perto da periferia exterior. O número de ranhuras rotóricas (por exemplo: 34) está relacionado com o número de ranhuras estatóricas para evitar o aparecimento de ruído no funcionamento do motor. O enrolamento rotórico pode ser do tipo "gaiola de esquilo" ou pode ser bobinado. O enrolamento rotórico em gaiola é constituído por uma gaiola de alumínio, dopado com uma pequena percentagem de impurezas, que é obtida por injeção. Trata-se de um circuito elétrico polifásico em curtocircuito permanente, constituído com um material com muito menor resistividade (pAl = 32 . 10-8 Ωm) do que o material ferromagnético em que está envolvido ( Fe = 100 . 10-8 Ωm); por isso os condutores da gaiola não estão envolvidos por qualquer tipo de material isolante. Quando o circuito rotórico é em cobre as barras de cobre ( Cu = 1,72 . 10-8 Ωm) são colocadas manualmente nas ranhuras e os anéis de topo são ligados às barras por soldadura a alta frequência. As barras são travadas nas ranhuras para evitar vibrações durante o funcionamento do motor de indução trifásico. O circuito elétrico de um motor de indução trifásico com rotor bobinado contata com a parte fixa da máquina através de um sistema coletor de anéis escovas. Desta forma é possível alterar o valor dos parâmetros (resistência rotórica) durante o funcionamento da máquina. Estrutura Mecânica Para um bom funcionamento do motor de indução trifásico é necessário que as diferentes partes sejam montadas e permaneçam nas respectivas posições, que as partes móveis possam rodar à velocidade conveniente, e que todas as partes estejam protegidas das agressões ambientais, ou que não constituam perigo dentro da zona circundante da máquina. Para assegurar essas diversas necessidades de funcionamento de uma máquina elétrica existe um conjunto de órgãos mecânicos.
O veio da máquina é fabricado em aço, por torneamento. Sobre este veio é, normalmente, montado a quente, e eventualmente enchavetado, o núcleo rotórico da máquina. No caso das máquinas de potência elevada sobre o veio estão posicionados vários braços (4 a 6) que suportam a restante parte do rotor. O veio apoia-se em mancais de rolamento (eventualmente de escorregamento) colocados nas tampas da carcaça. O motor de indução trifásico pode ser construído para funcionar com o eixo em posição horizontal ou em posição vertical, ou inclinado. O motor de indução trifásico pode estar montado com patas, ou sobre flange (de
furos lisos ou de furos roscados). A parte rotórica e a parte estatórica da máquina encontram-se protegidas do meio exterior por uma carcaça, que pode ser de alumínio (com uma razoável percentagem de impurezas) injetado a baixa ou a alta pressão, de ferro fundido ou em chapa de aço soldada. Apesar do motor de indução trifásico ser um motor robusto pode suceder, com uma pequena probabilidade, que haja necessidade de substituir uma peça. O fabricante pode fornecer um catálogo em que estão descriminadas as peças de reserva para motores. Muitas das dimensões dos diferentes órgãos do motor de indução trifásico estão normalizadas. O motor tem um conjunto de dimensões que o fabricante costuma apresentar no catálogo e que se destinam a permitir a integração do motor de indução trifásico no projeto total da máquina acionada. Atualmente, existe a tendência para que estes dados possam ser fornecidos diretamente em ficheiros de programas de CAD. Princípio de Funcionamento O motor de indução trifásico é uma máquina elétrica de corrente alternada, com o circuito elétrico de uma parte (a parte estatórica) formado por três bobinas de f ase afastadas de / rad. elect. e ligado a um sistema de alimentação trifásico, e com o circuito elétrico da outra parte (a parte rotórica) formado por uma bobina polifásica com os condutores curtocircuitados, submetido a fenômenos de indução magnética.
O princípio de funcionamento do motor de indução trifásico pode ser enunciado da seguinte forma: - o circuito elétrico estatórico é alimentado por um sistema de tensões trifásico, que provocam a circulação de corrente elétrica nos condutores das bobinas das fases que formam o enrolamento; da passagem das correntes elétricas nas espiras das bobinas de fase do enrolamento resulta um campo girante de força magnetomotriz, que roda no espaço do entreferro à velocidade de sincronismo n s = f/p (rot/s ; Hz); - o campo girante de força magnetomotriz cria no circuito magnético principal da máquina um campo magnético girante (com um fluxo magnético s), que se desloca no espaço do entreferro à velocidade de sincronismo, n s; - o movimento do campo magnético girante dá origem a dois fenômenos de indução magnética: - nos condutores elétricos das bobinas de fase estatóricas (indutoras) induzem-se forças eletromotrizes alternadas, e sa, esb, esc; - nos condutores do circuito elétrico rotórico (gaiola) induzem-se forças electromotrizes alternadas, eri, com uma amplitude e uma frequência que dependem da velocidade relativa entre o campo girante (n s) e os condutores do rotor (nr): ns-nr ; - como o circuito elétrico rotórico está curto-circuitado, as forças electromotrizes alternadas rotóricas dão origem a correntes elétricas que circulam nos condutores do enrolamento rotórico; - estas correntes elétricas rotóricas encontram-se a circular no interior de um campo magnético, o que provoca o aparecimento de forças mecânicas que se exercem sobre os condutores retóricos, dispostos no interior das ranhuras rotóricas; as forças mecânicas combinando-se criam um binário (electromagnético) T el que faz rodar o rotor (o valor do binário é proporcional ao fluxo magnético indutor e à corrente elétrica rotórica T el s . ir ); - o movimento do rotor tende a contrariar a causa que lhe deu origem — a velocidade relativa entre o campo magnético e os condutores rotóricos (responsável pela indução das forças eletromotrizes no circuito rotórico) — por isso, o rotor, por ação do binário electromagnético, tende a atingir a velocidade do campo girante: que nunca chega a atingir devido aos atritos, n r < ns = f/p.
Durante o funcionamento do motor de indução trifásico o rotor roda com uma velocidade ligeiramente inferior à velocidade do campo magnético girante, e com uma diferença que depende dos binários de carga (binário resistente) no veio do motor. Assim o motor de indução trifásico é uma Máquina Elétrica Assíncrona – porque não existe relação constante entre a velocidade de rotação máquina n r e a frequência das grandezas elétricas de alimentação f. Um observador colocado no campo magnético girante veria o rotor rodar em sentido contrário com uma velocidade muito reduzida: o rotor desliza em relação ao campo magnético. Por isso, chama-se deslizamento (s) a uma grandeza que dá uma razão entre a diferença de velocidade do rotor relativamente ao campo magnético e a velocidade do campo magnético,
Utilizando o conceito de deslizamento na análise do funcionamento do motor de indução trifásico surgem as situações e os pontos principais:
REFERÊNCIAS Acesso em: 17/042013.
