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| Figura 01 - Motor de indução polifásico de Nicolas Tesla |
A maioria dos motores em corrente alternada são motores de indução. Os motores de indução são muito utilizados devido à sua robustez e simplicidade. Cerca de 90% dos motores industriais são motores de indução.
Nikola Tesla concebeu os princípios básicos do motor de indução polifásico em 1883 e tinha um modelo de meio cavalo-vapor (400 watts) em 1888. Tesla vendeu os direitos de fabricação para George Westinghouse por US$ 65.000.
A maioria dos motores industriais grandes (> 1 HP ou 1 kW) são motores de indução polifásicos . Por polifásico, queremos dizer que o estator contém múltiplos enrolamentos distintos por pólo do motor, acionados por ondas senoidais correspondentes deslocadas no tempo.
Na prática, são duas ou três fases. Grandes motores industriais são trifásicos. Embora incluamos inúmeras ilustrações de motores bifásicos para simplificar, devemos enfatizar que quase todos os motores polifásicos são trifásicos.
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| Figura 02 - Motor de indução polifásico de Tesla |
Construção de motor de indução CA
Um motor de indução é composto por um rotor, conhecido como armadura, e um estator contendo enrolamentos conectados a uma fonte de energia polifásica conforme mostrado na figura abaixo. O motor de indução bifásico simples abaixo é semelhante ao motor de 1/2 cavalo-vapor que Nikolas Tesla introduziu em 1888.
O estator da figura 02, é enrolado com pares de bobinas correspondentes às fases da energia elétrica disponível. O estator do motor de indução bifásico acima possui 2 pares de bobinas, um par para cada uma das duas fases da CA.
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| Figura 03 - Estrutura do estator mostrando ranhuras para enrolamentos |
Este par de bobinas é conectado à CA deslocada no tempo em 90° no caso de um motor bifásico. Na época de Tesla, a fonte das duas fases da CA era um alternador bifásico.
O estator na figura 2, tem polos salientes e óbvios, como usado no primeiro motor de indução de Tesla. Este projeto é usado até hoje para motores de potência subfracionária (<50 watts). No entanto, para motores maiores, menos pulsação de torque e maior eficiência resultam se as bobinas forem embutidas em ranhuras cortadas nas laminações do estator da figura 03.
As laminações do estator são anéis finos isolados com ranhuras perfuradas em chapas de aço elétrico. Uma pilha destes é fixada por parafusos finais, que também podem segurar os alojamentos finais.
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| Figura 04 - Estator com (a) enrolamentos bifásicos 2-φ e trifásicos (b) 3-φ |
Na figura 04, os enrolamentos de um motor bifásico e de um motor trifásico foram instalados nas ranhuras do estator. As bobinas são enroladas em um acessório externo e depois inseridas nas ranhuras. O isolamento preso entre a periferia da bobina e a ranhura protege contra abrasão.
Os enrolamentos reais do estator são mais complexos do que os enrolamentos individuais por pólo na figura acima. Comparando o motor 2-φ com o motor 2-φ de Tesla com pólos salientes, o número de bobinas é o mesmo. Em motores reais grandes, um enrolamento de pólo é dividido em bobinas idênticas inseridas em muitas ranhuras menores que as acima.
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| Figura 05 - Sobreposição de bobinas de fase |
As ranhuras na borda do poste podem ter menos voltas que as outras ranhuras. Os slots de borda podem conter enrolamentos de duas fases. Ou seja, as bobinas de fase se sobrepõem.
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| Figura 06 - Rotor laminado com (a) gaiola de esquilo embutida, (b) gaiola condutora removida do rotor |
Em comparação com a armadura de um motor DC, não há comutador. Isso elimina escovas, arcos, faíscas, pó de grafite, ajuste e substituição de escovas e reusinagem do comutador.
Os condutores em gaiola de esquilo podem estar distorcidos, torcidos em relação ao eixo. O desalinhamento com as ranhuras do estator reduz as pulsações de torque.
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| Figura 07 - Campo magnético giratório de ondas senoidais em fase de 90° |
Um par de ondas senoidais fora de fase de 90° produz deve ser capaz de produzir um campo magnético giratório circular. Este é o caso de um motor bifásico. Por analogia, três enrolamentos colocados a 120° de distância no espaço e alimentados com correntes correspondentes em fase de 120° também produzirão um campo magnético rotativo.
À medida que as ondas senoidais em fase de 90°, na figura 7, progridem dos pontos (a) até (d), o campo magnético gira no sentido anti-horário (figuras ad) da seguinte forma:
- (a) φ-1 máximo, φ-2 zero
- (a') φ-1 70%, φ-2 70%
- (b) φ-1 zero, φ-2 máximo
- (c) φ-1 máximo negativo, φ-2 zero
- (d) φ-1 zero, φ-2 máximo negativo
Velocidade total do motor assíncrono e velocidade do motor síncrono
A taxa de rotação de um campo magnético rotativo do estator está relacionada ao número de pares de polos por fase do estator. A figura de “velocidade máxima” abaixo tem um total de seis polos ou três pares de polos e três fases. No entanto, existe apenas um par de polos por fase.
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| Figura 08 - Duplicar os polos do estator reduz pela metade a velocidade síncrona |
Embora o rotor de um motor de indução nunca atinja esta velocidade, certamente é um limite superior. Se dobrarmos o número de polos do motor, a velocidade síncrona será reduzida pela metade porque o campo magnético gira 180° no espaço durante 360° da onda senoidal elétrica.
- A velocidade síncrona é dada por: N s = 120 · f / PN ;
- Sendo: s = velocidade síncrona em rpm; f = frequência da potência aplicada em Hz; P = número total de pólos por fase, múltiplo de 2.
Exemplo: A figura 08 de “meia velocidade” acima possui quatro pólos por fase (trifásico). A velocidade síncrona para potência de 50 Hz é: S = 120·50/4 = 1500 rpm
A breve explicação do motor de indução é que o campo magnético rotativo produzido pelo estator arrasta consigo o rotor.
A explicação mais correta é que o campo magnético do estator induz uma corrente alternada nos condutores da gaiola de esquilo do rotor, que constitui um transformador secundário. Esta corrente induzida do rotor, por sua vez, cria um campo magnético.
O campo magnético rotativo do estator interage com este campo do rotor. O campo do rotor tenta se alinhar com o campo giratório do estator. O resultado é a rotação do rotor em gaiola de esquilo. Se não houvesse carga mecânica de torque do motor, nenhum rolamento, vento ou outras perdas, o rotor giraria na velocidade síncrona.
No entanto, o escorregamento entre o rotor e o campo do estator de velocidade síncrona desenvolve torque. É o fluxo magnético que corta os condutores do rotor à medida que ele desliza que desenvolve torque. Assim, um motor carregado escorregará proporcionalmente à carga mecânica.
Se o rotor funcionasse em velocidade síncrona, não haveria fluxo estatórico cortando o rotor, nenhuma corrente induzida no rotor, nenhum torque.
Torque em motores de indução
Quando a potência é aplicada pela primeira vez ao motor, o rotor está em repouso, enquanto o campo magnético do estator gira à velocidade síncrona Ns . O campo do estator está cortando o rotor na velocidade síncrona N s . A corrente induzida nas espiras do rotor em curto é máxima, assim como a frequência da corrente, a frequência da linha.
À medida que o rotor acelera, a taxa na qual o fluxo do estator corta o rotor é a diferença entre a velocidade síncrona N s e a velocidade real do rotor N, ou (N s - N). A relação entre o fluxo real que corta o rotor e a velocidade síncrona é definida como escorregamento :
- s = (N s - N) / N s ; onde: N s = velocidade síncrona, N = velocidade do rotor.
A frequência da corrente induzida nos condutores do rotor é tão alta quanto a frequência da linha na partida do motor, diminuindo à medida que o rotor se aproxima da velocidade síncrona. A frequência do rotor é dada por:
- f r = s · f ; onde: s = escorregamento, f = frequência da linha de energia do estator
O deslizamento a 100% do torque é normalmente de 5% ou menos em motores de indução. Assim, para frequência de linha f = 50 Hz, a frequência da corrente induzida no rotor fr = 0,05·50 = 2,5 Hz. Por que é tão baixo? O campo magnético do estator gira a 50 Hz. A velocidade do rotor é 5% menor.
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| Figura 09 - Torque x velocidade e escorregamento x velocidade síncrona |
O campo magnético rotativo corta o rotor apenas a 2,5 Hz. Os 2,5 Hz são a diferença entre a velocidade síncrona e a velocidade real do rotor. Se o rotor girar um pouco mais rápido, na velocidade síncrona, nenhum fluxo cortará o rotor, f r = 0.
Torque e velocidade vs% escorregamento.
Torque e velocidade vs% escorregamento. %N s =%Velocidade Síncrona
O gráfico da figura acima mostra que o torque de partida conhecido como torque de rotor bloqueado (LRT) é superior a 100% do torque de plena carga (FLT), a classificação segura de torque contínuo. O torque do rotor travado é de cerca de 175% do FLT para o motor de exemplo representado no gráfico acima.
A corrente de partida conhecida como corrente de rotor bloqueado (LRC) é 500% da corrente de carga total (FLC), a corrente de operação segura. A corrente é alta porque é análoga a um secundário em curto em um transformador. À medida que o rotor começa a girar, o torque pode diminuir um pouco para certas classes de motores, até um valor conhecido como torque de pull-up .
Este é o menor valor de torque já encontrado pelo motor de partida. À medida que o rotor ganha 80% da velocidade síncrona, o torque aumenta de 175% até 300% do torque em plena carga. Este torque de ruptura é devido ao escorregamento maior que o normal de 20%.
A corrente diminuiu apenas ligeiramente neste ponto, mas diminuirá rapidamente além deste ponto. À medida que o rotor acelera até algumas porcentagens da velocidade síncrona, tanto o torque quanto a corrente diminuirão substancialmente. O deslizamento será de apenas algumas porcentagens durante a operação normal.
Para um motor em funcionamento, qualquer parte da curva de torque abaixo de 100% do torque nominal é normal. A carga do motor determina o ponto operacional na curva de torque. Embora o torque e a corrente do motor possam exceder 100% por alguns segundos durante a partida, a operação contínua acima de 100% pode danificar o motor.
Qualquer carga de torque do motor acima do torque de ruptura irá parar o motor. O torque, escorregamento e corrente se aproximarão de zero para uma condição de carga “sem torque mecânico”. Esta condição é análoga a um transformador secundário aberto.
Existem vários projetos básicos de motores de indução que mostram variações consideráveis da curva de torque acima. Os diferentes designs são otimizados para iniciar e operar diferentes tipos de cargas. O torque do rotor bloqueado (LRT) para vários projetos e tamanhos de motores varia de 60% a 350% do torque de plena carga (FLT).
A corrente de partida ou corrente de rotor bloqueado (LRC) pode variar de 500% a 1400% da corrente de plena carga (FLC). Este consumo de corrente pode representar um problema de partida para grandes motores de indução.
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| Figura 10 - O motor 3-φ funciona com a potência 1-φ, mas não dá partida. |
Um motor trifásico pode funcionar a partir de uma fonte de energia monofásica, mostrado na figura 01. No entanto, ele não será iniciado automaticamente. Pode ser acionado manualmente em qualquer direção, ganhando velocidade em poucos segundos. Ele desenvolverá apenas 2/3 da potência nominal de 3-φ porque um enrolamento não é usado.
Bobina única de um motor monofásico
A bobina única de um motor de indução monofásico não produz um campo magnético rotativo, mas sim um campo pulsante atingindo intensidade máxima em 0° e 180° elétricos.
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| Figura 11 - O estator monofásico produz um campo magnético pulsante e não rotativo |
Outra visão é que a bobina única excitada por uma corrente monofásica produz dois fasores de campo magnético em contra-rotação, coincidindo duas vezes por revolução a 0° (figura 02-a) e 180° (figura 02-e). Quando os fasores giram para 90° e -90° eles se cancelam na figura c.
A 45° e -45° (figura 02 b) eles são parcialmente aditivos ao longo do eixo +x e se cancelam ao longo do eixo y. Uma situação análoga existe na figura d. A soma desses dois fasores é um fasor estacionário no espaço, mas com polaridade alternada no tempo. Assim, nenhum torque de partida é desenvolvido.
No entanto, se o rotor for girado para frente a um pouco menos que a velocidade síncrona, ele desenvolverá torque máximo com escorregamento de 10% em relação ao fasor giratório para frente. Menos torque será desenvolvido acima ou abaixo de 10% de escorregamento.
O rotor apresentará um deslizamento de 200% - 10% em relação ao fasor do campo magnético em contra-rotação. Pouco torque (ver curva de torque vs escorregamento), além de uma ondulação de frequência dupla, é desenvolvido a partir do fasor em contra-rotação. Assim, a bobina monofásica desenvolverá torque, assim que o rotor for acionado.
Se o rotor for iniciado na direção reversa, ele desenvolverá um torque igualmente grande à medida que se aproxima da velocidade do fasor girando para trás.
Os motores de indução monofásicos possuem uma gaiola de esquilo de cobre ou alumínio embutida em um cilindro de laminações de aço, típico dos motores de indução polifásicos.
Traduzido de : << https://www.allaboutcircuits.com/textbook/alternating-current/chpt-13/tesla-polyphase-induction-motors/ >>
© Direitos de autor. 2023: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 21/06/2023.
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