Motor eléctrico (Português)

Motores de indução

O tipo mais simples de motor de indução é mostrado em secção transversal na figura. Um conjunto trifásico de enrolamentos do estator é inserido em ranhuras no ferro do estator. Estes enrolamentos podem ser ligados quer numa configuração wye, normalmente sem ligação externa ao ponto neutro, quer numa configuração delta. O rotor consiste de um núcleo cilíndrico de ferro com condutores colocados em ranhuras em torno da superfície. Na forma mais habitual, estes condutores de rotor são ligados entre si em cada extremidade do rotor por um anel de extremidade condutor.

A base de funcionamento do motor de indução pode ser desenvolvida assumindo primeiro que os enrolamentos do estator estão ligados a uma alimentação eléctrica trifásica e que um conjunto de três correntes sinusoidais da forma mostrada no fluxo da figura nos enrolamentos do estator. Esta figura mostra o efeito destas correntes na produção de um campo magnético através da caixa de ar da máquina durante seis instantes de um ciclo. Para simplificar, apenas é mostrado o laço condutor central para cada enrolamento de fase. No instante t1 da figura, a corrente na fase a é no máximo positiva, enquanto que nas fases b e c é metade desse valor negativo. O resultado é um campo magnético com uma distribuição aproximadamente sinusoidal em torno da caixa de ar com um valor máximo para fora na parte superior e um valor máximo para dentro na parte inferior. No tempo t2 da figura (ou seja, um sexto de um ciclo mais tarde), a corrente na fase c é no máximo negativa, enquanto que na fase b e na fase a é metade desse valor positivo. O resultado, como mostrado para t2 na figura, é novamente um campo magnético distribuído sinusoidalmente mas rodado 60° no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio. O exame da distribuição de corrente para t3, t4, t5 e t6 mostra que o campo magnético continua a rodar à medida que o tempo avança. O campo completa uma rotação num ciclo das correntes do estator. Assim, o efeito combinado de três correntes sinusoidais iguais, uniformemente deslocadas no tempo e fluindo em três enrolamentos do estator uniformemente deslocados em posição angular, é produzir um campo magnético rotativo com uma magnitude constante e uma velocidade angular mecânica que depende da frequência da alimentação eléctrica.

Formas de onda de um sistema trifásico.

O movimento de rotação do campo magnético em relação aos condutores de rotor faz com que seja induzida uma tensão em cada um deles, proporcional à magnitude e à velocidade do campo em relação aos condutores. Uma vez que os condutores de rotor são curto-circuitados juntos em cada extremidade, o efeito será o de provocar o fluxo de correntes nestes condutores. No modo mais simples de funcionamento, estas correntes serão aproximadamente iguais à tensão induzida dividida pela resistência do condutor. O padrão das correntes de rotor para o instante t1 da figura é mostrado nesta figura. As correntes são vistas como sendo aproximadamente sinusoidalmente distribuídas em torno da periferia do rotor e a serem localizadas de modo a produzir um binário no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio no rotor (ou seja, um binário na mesma direcção que a rotação de campo). Este binário actua para acelerar o rotor e para rodar a carga mecânica. À medida que a velocidade de rotação do rotor aumenta, a sua velocidade em relação à do campo de rotação diminui. Assim, a tensão induzida é reduzida, levando a uma redução proporcional da corrente condutora do rotor e do binário. A velocidade do rotor atinge um valor constante quando o torque produzido pelas correntes do rotor é igual ao torque necessário a essa velocidade pela carga, sem excesso de torque disponível para acelerar a inércia combinada da carga e do motor.

A potência de saída mecânica deve ser fornecida por uma potência de entrada eléctrica. As correntes originais do estator mostradas na figura são apenas suficientes para produzir o campo magnético rotativo. Para manter este campo rotativo na presença das correntes do rotor da figura, é necessário que os enrolamentos do estator contenham uma componente adicional de corrente sinusoidal de tal magnitude e fase que anulem o efeito do campo magnético que de outro modo seria produzido pelas correntes do rotor da figura. A corrente total do estator em cada enrolamento de fase é então a soma de um componente sinusoidal para produzir o campo magnético e outro sinusoidal, levando o primeiro por um quarto de ciclo, ou 90°, a fornecer a energia eléctrica necessária. A segunda, ou potência, componente da corrente está em fase com a tensão aplicada ao estator, enquanto que a primeira, ou magnetização, componente atrasa a tensão aplicada por um quarto de ciclo, ou 90°. Na carga nominal, este componente magnetizante está normalmente na gama de 0,4 a 0,6 da magnitude da componente de potência.

A maioria dos motores de indução trifásicos funcionam com os seus enrolamentos do estator ligados directamente a uma alimentação eléctrica trifásica de tensão e frequência constantes. As tensões típicas de alimentação variam de 230 volts linha a linha para motores de potência relativamente baixa (por exemplo, 0,5 a 50 kilowatts) até cerca de 15 kilovolts linha a linha para motores de alta potência até cerca de 10 megawatts.

Exceto para uma pequena queda de tensão na resistência do enrolamento do estator, a tensão de alimentação é igualada pela taxa temporal de mudança do fluxo magnético no estator da máquina. Assim, com uma frequência constante, alimentação de tensão constante, a magnitude do campo magnético rotativo é mantida constante, e o binário é aproximadamente proporcional à componente de potência da corrente de alimentação.

Com o motor de indução mostrado nas figuras anteriores, o campo magnético roda através de uma rotação para cada ciclo da frequência de alimentação. Para uma alimentação de 60 hertz, a velocidade do campo é então de 60 rotações por segundo, ou 3.600 por minuto. A velocidade do rotor é inferior à velocidade do campo por uma quantidade suficiente para induzir a tensão necessária nos condutores do rotor para produzir a corrente do rotor necessária para o binário de carga. A plena carga, a velocidade é tipicamente 0,5 a 5% mais baixa do que a velocidade do campo (frequentemente chamada velocidade síncrona), com a percentagem mais alta a aplicar-se a motores mais pequenos. Esta diferença de velocidade é frequentemente referida como o deslizamento.

Outras velocidades síncronas podem ser obtidas com uma alimentação de frequência constante através da construção de uma máquina com um maior número de pares de pólos magnéticos, em oposição à construção de dois pólos da figura. Os valores possíveis da velocidade do campo magnético em rotações por minuto são 120 f/p, onde f é a frequência em hertz (ciclos por segundo) e p é o número de pólos (que deve ser um número par). Uma dada armação de ferro pode ser enrolada para qualquer um dos vários números possíveis de pares de pólos, utilizando bobinas que abrangem um ângulo de aproximadamente (360/p)°. O torque disponível a partir da armação da máquina permanecerá inalterado, uma vez que é proporcional ao produto do campo magnético e à corrente admissível da bobina. Assim, a potência nominal do quadro, sendo o produto do torque e da velocidade, será aproximadamente inversamente proporcional ao número de pares de pólos. As velocidades síncronas mais comuns para motores de 60 hertz são 1.800 e 1.200 rotações por minuto.