Aula 21 - Energização de Motores Monofásicos

Figura 01 - Motores monofásicos.

Os motores monofásicos são assim chamados porque os seus enrolamentos de campo (estator) são ligados diretamente a uma fonte monofásica. Entre os vários tipos de motores elétricos monofásicos, os motores com rotor gaiola destacam-se pela simplicidade de fabricação e, principalmente, pela robustez, confiabilidade e manutenção reduzida. Por terem somente uma fase de alimentação, não possuem um campo girante como os motores polifásicos, mas um campo magnético pulsante.
Isso impede que tenham torque de partida, tendo em conta que no rotor se induzem campos magnéticos alinhados ao campo do estator.
Para solucionar o problema de partida, utilizam-se enrolamentos auxiliares, que são dimensionados e posicionados de forma a criar uma segunda fase fictícia, permitindo a formação do campo girante necessário para a partida. Assim, teremos um enrolamento de armadura com duas partes: um enrolamento principal, que é conectado diretamente à rede de alimentação. 
A outra parte é o enrolamento secundário que pode ser ligado em série com um capacitor e esse circuito é ligado em paralelo com o circuito principal. Desta maneira, a corrente elétrica que circula pelo enrolamento auxiliar está adiantada em aproximadamente 90° da corrente do enrolamento principal.

01 - Motor Monofásico com Imã Permanente
No motor monofásico de Imã Permanente o rotor é um ímã permanente que gira entre dois eletroímãs estacionários. Como os eletroímãs são alimentados por corrente alternada, seus pólos invertem suas polaridades conforme o sentido da corrente inverte. O rotor gira enquanto seu pólo norte é 'puxado' primeiramente para o eletroímã esquerdo e 'empurrado' pelo eletroímã direito.

Figura 02 - Esquema de Motor de imã permanente

Cada vez que o pólo norte do rotor está a ponto de alcançar o pólo sul de um eletroímã estacionário, a corrente inverte e esse pólo sul transforma-se um pólo norte. O rotor gira continuamente, terminando uma volta para cada ciclo da corrente alternada. Como sua rotação é perfeitamente sincronizada com as reversões da C.A, este motor é denominado 'motor elétrico síncrono da C. A.'. O motor da bomba d'água de máquinas de lavar roupa, por exemplo, são desse tipo. Os motores de C.A síncronos são usados somente quando uma velocidade angular constante é essencial para o projeto.
Veja dados técnico de motores com polo distorcido no link: <<  16_03_001 Motor Monofásico –  Imã Permanente e Shaded-Pole  >>

Figura 03 - Motor Polo Distorcido.

02 - Motor Monofásico com Campo Distorcido Motor de indução monofásico com campo distorcido ou pólos sombreados (Shaded–Pole) apresenta um enrolamento auxiliar curto-circuitado.

O motor de campo distorcido se destaca entre os motores de indução monofásicos, por seu método de partida, que é o mais simples, confiável e econômico. 

Uma das formas construtivas mais comuns é a de pólos salientes, sendo que cerca de 25 a 35% de cada pólo é enlaçado por uma espira de cobre em curto circuito. A corrente induzida nesta espira faz com que o fluxo que a atravessa sofra um atraso em relação ao fluxo da parte não enlaçada pela mesma. 

O resultado disto é semelhante a um campo girante que se move na direção da parte não enlaçada para a parte enlaçada do pólo, produzindo conjugado que fará o motor partir e atingir a rotação nominal. 

Figura 04 - Esquema de Motor de imã permanente 
e Gráfico de Torque x Velocidade

O sentido de rotação depende do lado que se situa a parte enlaçada do pólo, conseqüentemente o motor de campo distorcido apresenta um único sentido de rotação. Este geralmente pode ser invertido, mudando a posição da ponta de eixo do rotor em relação ao estator. 
Os motores de campo distorcido apresentam baixo conjugado de partida (15 a 50% do nominal), baixo rendimento (35%) e baixo fator de potência (0,45). Normalmente são fabricados para pequenas potências, que vão de alguns milésimos de cv até o limite de 1/4cv. Pela sua simplicidade, robustez e baixo custo, são ideais em aplicações tais como: ventiladores, exaustores, purificadores de ambiente, unidades de refrigeração, secadores de roupa e de cabelo, pequenas bombas e compressores, projetores de slides, toca discos e aplicações domésticas.

Veja dados técnico de motores para micro ventiladores no link: <<  16_03_002 Motor Monofásico – Micro ventiladores  >>.

03 - Motor Monofásico com Capacitor Permanente

Figura 05 - Esquema de Motor de capacitor permanente

No Motor Monofásico com Capacitor Permanente  (Permanent-Split Capacitor) o enrolamento auxiliar e o capacitor ficam permanentemente energizados. O efeito deste capacitor é o adiantamento da corrente no enrolamento auxiliar aumentando, com isso, o conjugado máximo, o rendimento e o fator de potência, além de reduzir sensivelmente o ruído. 

Construtivamente são menores e isentos de manutenção pois não utilizam contatos e partes móveis, como nos motores anteriores. Porém, seu conjugado de partida normalmente é inferior ao do motor de fase dividida (50% a 100% do conjugado nominal), o que limita sua aplicação a equipamentos que não requeiram elevado conjugado de partida, tais como: máquinas de escritório, ventiladores, exaustores, sopradores, bombas centrífugas, esmeris, pequenas serras, furadeiras, condicionadores de ar, pulverizadores, etc. São fabricados normalmente para potências de 1/50 a 1,5 cv.

Figura 06 - Torque x Velocidade em
Motor de capacitor permanente

No gráfico há características do conjugado x velocidade. O baixo torque de partida ocorre pois o capacitor não está dimensionado para proporcionar o equilíbrio na partida, mas para condições de rotação nominal.

Eliminando o interruptor centrífugo pode reduzir significativamente o custo de fabricação.
Veja dados técnico de motores com polo distorcido no link: <<  16_03_004 Motor Monofásico com Capacitor Permanente >>.

04 - Motor monofásico com fase dividida com dois terminais

O Motor Monofásico de Fase Dividida (Split-phase) possui um enrolamento principal e um auxiliar (para a partida), ambos defasados no espaço de 90 graus elétricos. O enrolamento auxiliar cria um deslocamento de fase que produz o conjugado necessário para a rotação inicial e a aceleração.

Figura 07 - Esquema de Motor de fase dividida

Quando o motor atinge uma rotação de cerca de 75% da velocidade nominal  o enrolamento auxiliar é desconectado da rede através de uma chave que normalmente é atuada por uma força centrífuga. Após desligamento do enrolamento auxiliar o motor continua a rodar através de em um único campo oscilante, o que em conjunto com a rotação do rotor, resulta em um efeito de campo rotativo. Como o enrolamento auxiliar é dimensionado para atuação somente na partida, seu não desligamento provocará a sua queima. 

O ângulo de defasagem que se pode obter entre as correntes do enrolamento principal e do enrolamento auxiliar é pequeno e, por isso, esses motores têm conjugado de partida igual ou pouco superior ao nominal, o que limita a sua aplicação a potências fracionárias e a cargas que exigem reduzido ou moderado conjugado de partida, tais como máquinas de escritórios, ventiladores e exaustores, pequenos polidores, compressores herméticos, bombas centrífugas, etc. Normalmente são construídos em potências fracionárias que não excedem ¾ de CV.

Figura 08 - Gráfico de Torque x Velocidade

Um motor de fase dividida não tem nenhuma capacitância no circuito auxiliar. A mudança de fase em relação à corrente principal é conseguida por utilização de condutores muito finos para alcançar uma elevada resistência à relação de reatância. O aumento da resistência do enrolamento auxiliar traz como consequência o fato dele só poder ser utilizada durante a partida.
Um motor de fase dividida tem o torque significativamente menores devido à redução do ângulo de fase entre as correntes do enrolamento principal e auxiliar.

05 - Motor monofásico com fase dividida com 4 terminais

Figura 09 - Ligação de Motor de fase dividida

O Motor monofásico com fase dividida pode ser construído com dois ou quatro terminais. Quando construído com dois terminais é destinado apenas a um valor de tensão, e não pode ser adaptado a diferentes valores de tensão. Assim, a tensão aplicada na placa deve ser igual à tensão da rede de alimentação. Outro inconveniente é o fato de não ser possível a inversão do seu sentido de rotação, pois ele tem somente dois terminais em que são ligados os condutores de fase (L) e neutro (N). A inversão dos cabos de alimentação fase e neutro não provoca a inversão do sentido de giro.

Figura 10 - Esquema de Motor de capacitor de partida

No caso de ter acesso ás 4 pontas dos enrolamentos ou a 3 ( uma delas é a comum ), pode,os medir a resistência Ohmica dos dois enrolamentos, o enrolamento auxiliar ( enrolamento de arranque ) tem aproximadamente o dobro da resistência do enrolamento de trabalho, o interruptor é ligado durante o arranque. Caso encontre dois enrolamentos com a mesma resistência, então é um motor que trabalha com capacitor permanente, devemos ligá-lo exatamente do mesmo modo mas tendo atenção que a chave de partida que abre após o arranque não é montada.

Diagrama elétrico disponível em:
15_02 _002 Motor Monofasico Polo Distorcido.pdf

No Motor monofásico com quatro terminais o enrolamento é dividido em duas partes iguais. Torna-se possível a instalação do motor a dois valores de tensão, que são chamados de tensão maior e tensão menor.
O valor de tensão maior é sempre igual a duas vezes o valor de tensão menor, sendo que os valores mais utilizados são 220V para o de maior tensão e 110V para o de menor tensão. Não é possível inverter o sentido de rotação desse motor. Pelo diagrama a seguir, os terminais 1 e 2 são conectados a uma metade e os terminais 3 e 4 à segunda metade do enrolamento. As duas partes do enrolamento devem ser ligadas em série se a tensão de alimentação for de 220V. Se a tensão de alimentação for 110V, as duas partes do enrolamento devem ser ligadas em paralelo, como mostra a figura ao lado.
Veja dados técnico de motores com polo distorcido no link:  <<  16_03_004 Motor Monofásico com duas tensões  >>.

06 - Motor monofásico com fase dividida e capacitor de partida

Figura 11 - Esquema de Motor de capacitor de partida
 e Gráfico de Torque x Velocidade

O Motor Monofásico com Capacitor de Partida é semelhante ao de fase dividida. A principal diferença reside na inclusão de um capacitor eletrolítico em série com o enrolamento auxiliar de partida.

O capacitor permite um maior ângulo de defasagem entre as correntes dos enrolamentos principal e auxiliar, proporcionando assim elevados conjugados de partida.

Como no motor de fase dividida, o circuito auxiliar é desconectado quando o motor atinge entre 75% a 80% da velocidade síncrona. Neste intervalo de velocidades, o enrolamento principal sozinho desenvolve quase o mesmo conjugado que os enrolamentos combinados.

Diagrama elétrico disponível em:
15_02 _002 Motor Monofasico Capacitor de Partida.pdf

Para velocidades maiores, entre 80% e 90% da velocidade síncrona, a curva de conjugado com os enrolamentos combinados cruza a curva de conjugado do enrolamento principal de maneira que, para velocidades acima deste ponto, o motor desenvolve menor conjugado, para qualquer escorregamento, com o circuito auxiliar ligado do que sem ele.
Devido ao fato de o cruzamento das curvas não ocorrer sempre no mesmo ponto e, ainda, o disjuntor centrífugo não abrir sempre na mesma velocidade, é prática comum fazer com que a abertura aconteça, na média, um pouco antes do cruzamento das curvas. Após a desconexão do circuito auxiliar, o seu funcionamento é idêntico ao do motor de fase dividida.

Com o seu elevado conjugado de partida (entre 200% e 350% do conjugado nominal), o motor de capacitor de partida pode ser utilizado em uma grande variedade de aplicações e é fabricado em potências que vão de 1/4 cv a 1,5 cv.

07 - Motor Monofásico com Dois Capacitores

Figura 12 - Esquema de Motor de dois capacitores 
e Gráfico de Torque x Velocidade

O Motor monofásico com dois Capacitores é uma "mistura" dos 2 anteriores: possui um capacitor de partida, desligado através de chave centrífuga quando o motor atinge cerca de 80% de sua rotação síncrona, e um outro que se encontra permanente mente ligado. 

Com isso, possui todas as vantagens daqueles motores: alto conjugado de partida, alta eficiência e fator de potência elevado. No entanto seu custo é elevado e só é fabricado para potências superiores a 1 cv.
O motor com dois capacitores (Two Value Capacitor) é um motor que utiliza as vantagens dos dois anteriores: arranque como o do motor de capacitor de partida e funcionamento em regime idêntico ao do motor de condensador permanente.

08 - Motor Monofásico de Pólos Salientes

Figura 13 - Esquema de Motor de polo saliente 
e Gráfico de Torque x Velocidade

O motor Monofásico de pólos salientes é uma variação do motor de campo distorcido, que se destaca entre os motores de indução monofásicos por seu processo de partida, que é o mais simples, confiável e econômico. Uma das formas mais comuns de motores de indução monofásicos é a de polos salientes, ilustrada esquematicamente na figura. 

Observa-se que uma parte de cada polo (em geral 25% a 35% do mesmo) é abraçada por uma espira de cobre em curto-circuito. A corrente induzida nesta espira faz com que o fluxo que a atravessa sofra um atraso em relação ao fluxo da parte não abraçada pela mesma. O resultado disto é semelhante a um campo girante que se move na direção da parte não abraçada para a parte abraçada do polo, produzindo conjugado que fará o motor partir e atingir a rotação nominal.

Diagrama elétrico disponível em:
15_02 _001 Motor Monofasico Capacitor Permanente.pdf

O sentido de rotação, portanto, depende do lado em que se situa a parte abraçada do polo. Consequentemente, o motor de campo distorcido apresenta um único sentido de rotação. Este geralmente pode ser invertido, mudando-se a posição da ponta de eixo do rotor em relação ao estator. 

Quanto ao desempenho dos motores de campo distorcido, apresentam baixo conjugado de partida (15% a 50% do nominal), baixo rendimento e baixo fator de potência. Devido a esse fato, eles são normalmente fabricados para pequenas potências, que vão de alguns milésimos de cv até 1/4 cv. Pela sua simplicidade, robustez e baixo custo, são ideais em aplicações tais como: movimentação de ar (ventiladores, exaustores, purificadores de ambiente, unidades de refrigeração, secadores de roupa e de cabelo), pequenas bombas e compressores e aplicações domésticas.

© Direitos de autor. 2016: Gomes; Sinésio Raimundo. Ultima atualização: 03/03/2016