Princípio de funcionamento do motor de indução

Princípio de funcionamento do motor de indução

Neste artigo descreve- se o princípio de funcionamento do motor de indução.

Princípio de funcionamento do motor de indução – o magnetismo

Magnetismo é o conjunto de fenómenos que se relacionam com a atração ou repulsão que ocorre entre materiais que apresentam propriedades magnéticas.

Polos opostos atraem-se e polos iguais repelem-se.

Princípio de funcionamento do motor de indução – o eletroíman

O eletroíman é um dispositivo que utiliza corrente elétrica para gerar um campo magnético, semelhantes àqueles encontrados nos ímãs naturais. É geralmente construído aplicando-se um fio elétrico espiralado ao redor de um núcleo de ferro, aço, níquel ou cobalto ou algum material ferromagnético.

Quando o fio é submetido a uma tensão, o mesmo é percorrido por uma corrente elétrica, o que gerará um campo magnético na área a este especto, espira. A intensidade do campo e a distância que ele atingirá a partir do eletroíman dependerão da intensidade da corrente aplicada e do número de voltas da espira.

A passagem de corrente elétrica por um condutor produz campos magnéticos nas suas imediações e estabelece um fluxo magnético no material ferromagnético envolto pelas espiras do condutor. A razão entre a intensidade do fluxo magnético concatenado pelas espiras e a corrente que produziu esse fluxo é a indutância.

O pedaço de ferro apresenta as características de um ímã permanente, enquanto a corrente for mantida circulando, e o campo magnético pode ser constante ou variável no tempo dependendo da corrente utilizada (contínua ou alternada). Ao se interromper a passagem da corrente o envolto pelas espiras pode tanto manter as características magnéticas ou não, dependendo das propriedades do mesmo.

Princípio de funcionamento do motor de indução – a corrente alterna trifásica

A corrente alterna muda de fase 50 vezes por segundo. Num íman eletromagnético alimentado por esta corrente ocorrerá uma mudança de polaridade 50 vezes por segundo

A alimentação trifásica pode ser apresentada da forma que se vê a seguir.

Princípio de funcionamento do motor de indução – Indução eletromagnética (Lei de Faraday) e força eletromotriz

Um circuito elétrico (espira) submetido a um campo magnético variável sofre a indução de uma corrente elétrica.

Se dois condutores estiverem ligados e o rotor rodar no campo magnético, resulta uma corrente circular. A seguir pode-se ver o Diagrama da experiência realizado por Michael Faraday. A variação do fluxo magnético na bobina da esquerda induz uma corrente elétrica na bobina da direita.

Lei de Faraday: num condutor que se move dentro de um campo magnético gera-se uma diferença de potencial nos seus extremos proporcional à velocidade de deslocamento. Aplicado ao estator e rotor de um motor tem-se:

• Caso se tenha um circuito magnético externo (estator), e se estabeleça um fluxo mediante bobinas situadas nos polos indutores e no circuito magnético interno (rotor), de forma cilíndrica, exista uma espira curto-circuitada.
• Se giramos a parte exterior a uma velocidade, constante, gerar-se-á na espira interna uma força eletromotriz devida à variação do fluxo que fará circular uma corrente cujo sentido será tal que tente opor-se à variação do fluxo.
  • Na prática não se move a parte externa, e é suficiente um circuito trifásico imóvel alimentado com um sistema de tensões também trifásico. Desta forma obtém-se um campo magnético rotativo.
• A circulação da corrente pela espira, na presença do campo magnético, dará lugar a um binário motriz que a fará girar no mesmo sentido do campo.

Vão existir, portanto, dois campos eletromagnéticos:

• O do eletroíman do estator;
• O do eletroíman rotor.

Estes dois campos repelem-se nos polos iguais. A força gerada pela repulsão de polos iguais é a força eletromotriz que está na base de funcionamento dos motores elétricos de indução.

Constituição de um motor de indução de corrente alterna

O motor de indução é o motor de construção mais simples. Estator e rotor são montados solidários, com um veio comum aos “anéis” que os compõem. O estator é constituído de um enrolamento trifásico distribuído uniformemente em torno do corpo da máquina, para que o fluxo magnético resultante da aplicação de tensão no enrolamento do estator produza uma forma de onda especialmente sinusoidal. A onda eletromagnética produzida pelo enrolamento é uma função sinusoidal do espaço e do tempo.

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O espaço entre o estator e o rotor é denominado de entreferro. O estator constitui a parte estática e o rotor a parte móvel.

Princípio de funcionamento do motor de indução – O rotor

Existem dois tipos de máquina de indução:

• Motor de indução trifásico, rotor curto-circuitado (tipo gaiola de esquilo): No qual o rotor é composto de barras de material condutor que se localizam em volta do conjunto de chapas do rotor, curto-circuitadas por anéis metálicos nas extremidades.
• Motor de indução trifásico, rotor bobinado: No qual o rotor é composto de enrolamentos distribuídos em torno do conjunto de chapas do rotor.

O rotor também é composto de chapas finas de aço magnético tratadas termicamente, com o formato também de anel (vista frontal) e com os enrolamentos alojados longitudinalmente.

A seguir pode-se ver um rotor em gaiola de esquilo.

A folga do entreferro

A folga do entreferro (distância entre o rotor e o estator) é bastante reduzida, de forma a aumentar a eficiência do motor

O princípio fundamental do funcionamento de um motor é o binário de forças induzidas eletromagnéticas.

F – Força magnética

I – Corrente no estator

G – Folga do entreferro

K – Constante

Em vazio a força magnética é muito fraca.

O elemento que oferece maior resistência ao fluxo magnético é o entreferro. Como consequência, é importante que o valor do entreferro seja pequeno. É também importante que seja constante em toda a circunferência do estator, para evitar:

• Excentricidades magnéticas,
• Distorções de onda,
• Vibrações
• Aquecimentos.

Princípio de funcionamento do motor de indução – O estator

O estator é composto de chapas finas de aço magnético tratadas termicamente ou de aço silício para reduzir ao mínimo as perdas por correntes parasitas e histerese. Estas chapas têm o formato de um anel com ranhuras internas (cavas) de tal maneira que possam ser alojados enrolamentos, os quais por sua vez, quando em operação, deverão criar um campo magnético no estator.

Figura – Chapa do estator

O núcleo magnético é feito de segmentos de chapas magnéticas. Cada segmento é isolado com uma camada de óxido (ou verniz). O núcleo magnético tornar-se nos polos do eletroíman do estator.

Os materiais magnéticos utilizados para o núcleo do estator também são condutores. A tensão induzida produz corrente, que origina subida de temperatura reduzindo a eficiência. O núcleo laminado em chapas reduz a circulação de corrente.

Nas cavas do núcleo do estator são instaladas bobinas onde passa a alimentação elétrica. As bobines constituídas por espiras colocadas em cavas (ranhuras) feitas num núcleo condutor.

As bobines são feitas de enrolamentos individuais de arame de cobre enrolado

• Cada bobine é isolada das outras bobines (esmalte)
• Cada espira é isolada das outras espiras (esmalte)
• As espiras são agrupadas em 3 circuitos elétricos separados (3 fases)
• Quando os enrolamentos estão montados, o conjunto do estator é impregnado com um verniz

Existem quatro sistemas de isolamento no estator:

• Isolamento dos segmentos
• Isolamento das espiras
• Isolamento das bobines
• Verniz de impregnação global

Normalmente, o estator compõe-se de vários bobinados independentes no interior das ranhuras (cavas) do núcleo, e que são alimentados pela mesma rede elétrica, fazendo que o núcleo de ferro do estator se converta num eletroíman. A corrente alterna da rede (50 Hz) induz no estator um campo magnético de polaridade alternante na razão de 50 vezes por segundo.

A seguir pode-se ver o esquema do estator de um motor trifásico.

A velocidade de rotação do campo eletromagnético depende do número de polos do estator.

2 polos        3000 RPM

4 polos         1500 RPM

6 polos         1000 RPM

8 polos            750 RPM

A fórmula e a seguinte:

A seguir pode ver um vídeo sobre a constituição de um motor elétrico

A geração do campo eletromagnético rotativo do estator

A alimentação de 3 fases, do estator, produz nele um campo magnético rotativo, como se vê na figura a seguir.

A aplicação de tensão alternada nos enrolamentos do estator irá produzir um campo magnético variante no tempo que devido à distribuição uniforme do enrolamento do estator irá gerar um campo magnético resultante girante na velocidade proporcional à frequência da rede trifásica. O fluxo magnético girante no estator atravessará o entreferro e por ser variante no tempo induzirá tensão alternada no enrolamento trifásico do rotor. Como os enrolamentos do rotor estão curto circuitados essa tensão induzida fará com que circule uma corrente pelo enrolamento do rotor o que por consequência ira produzir um fluxo magnético no rotor que tentará se alinhar com o campo magnético girante do estator.

Princípio de funcionamento do motor de indução – O arranque do motor

Quando o motor é alimentado:

• Origina-se um campo magnético rotativo a partir das bobinas do estator;
• Quando o polo norte do estator passa por diante de uma barra do rotor, induz-se uma corrente na barra. O mesmo está a ocorrer no polo sul do estator com a barra oposta, induzindo-se uma corrente no sentido contrário.
• O resultado é uma corrente circular no rotor através de uma barra, o anel de fecho e a outra barra;
• Este fluxo circular de corrente através do rotor em torno das laminas converte o rotor num eletroíman;
• As forças eletromagnéticas são máximas quando o rotor está parado (quando o motor arranca, percorrem as três fases correntes até 10 vezes o normal).
• O campo magnético do rotor tenta alinhar-se magneticamente com o do estator.
• O rotor vai aumentando de velocidade de rotação numa tentativa de se alinhar com o campo do estator.
• A intensidade de corrente no rotor diminui à medida que as velocidades se aproximam. Também a intensidade do campo magnético rotativo – o binário diminui.
• Chega a uma altura em que o binário gerado pela diferença de velocidades é igual à potência pedida ao motor – a velocidade de rotação estabiliza.
• O rotor nunca consegue alcançar a velocidade de rotação do campo do estator – é esta diferença de velocidades que gera o binário caso atingisse o binário gerado seria nulo) – Escorregamento

Quando um motor arranca desde repouso, a corrente induzida nas barras do rotor é normalmente 6 vezes maior que o consumo nominal indicado na placa para plena carga, produzindo grande quantidade de calor.

Esta é a razão pela qual os motores de grande dimensão têm limitado o número de arranques por hora, a temperatura máxima de estabilização entre arranques, ou um sistema estrela-triângulo temporizado para limitar o consumo no arranque preservar o motor de um aquecimento excessivo que danifique o isolamento do estator ou as barras do rotor.

Princípio de funcionamento do motor de indução – A velocidade de rotação do motor

Deste modo o motor de indução sempre girará a uma velocidade inferior à do campo giratório, e dai o nome de assíncrono.

A velocidade do campo de sincronismo (ns) depende dos seguintes parâmetros:

ns=120*f/P

f        frequência de alimentação (Hz)

P        número de polos inductores

Denomina-se de deslizamento a diferença entre a velocidade de rotação (n) e a de sincronismo (ns):

Os dados de velocidade de rotação do motor que se indicam na sua placa de especificações referem-se a condições de plena carga.

Por exemplo, um motor de 8 polos, 1700 CV e 6000 volt consumirá 140 amperes a plena carga. Caso se reduza a carga, o consumo diminuirá e o motor aumentará a sua velocidade ligeiramente por cima da especificada na placa. Neste tipo de motores a velocidade de rotação varia sempre em função da carga.

Aqui pode ver um vídeo sobre este tema.

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