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1.0 - MOTORES DE CORRENTE ALTERNADA

Motor

eltrico

uma

mquina

destinada

a

transformar energia

eltrica em mecnica. o mais usado de todos os tipos de motores, pois combinam as vantagens da energia eltrica - baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando com sua construo simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptao s cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos: Motores Eltricos e a sua Importncia, o acionamento de mquinas e equipamentos mecnicos por motores eltricos um assunto de extraordinria importncia econmica. No campo de acionamentos industriais, avalia-se que de 70 a 80% da energia eltrica consumida pelo conjunto de todas as indstrias seja transformada em energia mecnica atravs de motores eltricos.

Figura 1 - Organograma de Motores de Corrente Alternada

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2.0 - MOTORES SNCRONOS

2.1- Princpio de Funcionamento:

Funciona com velocidade constante; utiliza-se de um induzido que possui um campo constante pr-definido e, com isso, aumenta a resposta ao processo de arraste criado pelo campo girante. geralmente utilizado quando se necessita de velocidades estveis sob a ao de cargas variveis. Tambm pode ser utilizado quando se requer grande potncia, com torque constante. Ao operar o Motor sncrono, a energia eltrica fornecida mquina pela aplicao de tenses alternadas trifsicas aos terminais dos enrolamentos do estator, alm disso, os enrolamentos de campo do rotor so alimentados por uma fonte de tenso contnua. Como as tenses aplicadas aos enrolamentos do estator so alternadas e trifsicas, circular nos mesmos, uma corrente alternada de mesma frequncia que a tenso, essa corrente produzir campos magnticos tambm alternados que variam no tempo.Alm disso, devido a disposio espacial dos enrolamentos no estator, esses campos magnticos variantes no tempo tambm iro circular pelo estator, de forma que o campo magntico resultante ir rodar em torno da circunferncia do estator com velocidade angular proporcional frequncia da tenso alternada aplicada nos enrolamentos. Assim, quando um dos plos do campo magntico gerado pelo enrolamento de campo do rotor interagir com o campo girante resultante do estator, tentar alinhar-se com o plo de sinal oposto, e como o plo do campo girante do estator est a girar, surgir no rotor um binrio de foras que geraro um torque de forma que o rotor gire e mantenha os campos do enrolamento de campo do rotor e o campo girante do estator alinhados. Com o surgimento do torque, o rotor girar seguindo o sentido e velocidade do campo girante do estator, logo, a velocidade angular do

motor sncrono estar sincronizada com a frequncia da tenso alternada aplicada aos enrolamentos do estator. Este motor tem uma velocidade de rotao, denominada de velocidade de sincronismo, constante e rigorosamente definida pela frequncia da corrente e pelo nmero de plos, de conformidade com a seguinte expresso:

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ns = ( 120 f / p )

Sendo: ns- velocidade sncrona (RPM); f- freqncia da corrente em Hz (no Brasil = 60); p- nmero de plos (em geral 6 a 14).

A estrutura e o mecanismo de operao dos rotores sncronos so relativamente complicados e para o seu funcionamento h necessidade de uma fonte suplementar de energia em corrente contnua destinada alimentao dos enrolamentos do rotor, visto que o estator recebe corrente alternada. Isto obtido atravs de um pequeno gerador (espcie de dnamo) conhecido por excitatriz, acionado pelo mesmo eixo do motor. Tambm no possuem condies prprias de partida necessitando de equipamento auxiliar de partida at atingir a velocidade de sincronismo, em geral, pequenos motores de induo tipo gaiola.

Figura 2 - Partes de Motores CA (Corrente Alternadas).

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O campo prtico de aplicao dos motores sncronos o das grandes instalaes, geralmente quando a potncia das bombas ultrapassa de 500HP e as velocidades necessitam ser baixas (at 1800rpm) e constantes. Devido a sua maior eficincia, o dispndio com a energia eltrica em grandes instalaes, passa a ter significativo valor na economia global do sistema. O custo inicial, entretanto, elevado e a fabricao ainda restrita em no pas. So ainda citados como desvantagem dos sncronos controle relativamente difcil e sua sensibilidade s perturbaes do sistema (excesso de carga, por exemplo) podendo provocar sadas do sincronismo que provocam paradas de funcionamento, acarretando prejuzos significativos.

Figura 3 - Componentes

3.0 - MOTORES ASSNCRONOS

Motor assncrono um motor eltrico de corrente trifsica, cujo rotor no est excitado pelo estator e a velocidade de rotao no proporcional frequncia da sua alimentao (a velocidade do rotor menor que a do campo girante, devido ao escorregamento). O rotor assncrono pode ser de dois tipos: Gaiola de esquilo; Bobinado.

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3.1 - Princpios de Funcionamento

Quando os enrolamentos localizados nas cavas do estator so sujeitos a uma corrente alternada, gera-se um campo magntico no estator. Por conseqncia no rotor surge uma fora eletromotriz induzida devido ao fluxo magntico varivel que atravessa o rotor. Esta f.e.m. (fora eletro-motriz) induzida d origem a uma corrente induzida no rotor que tende a opor-se causa que lhe deu origem, criando assim um movimento giratrio no rotor. O motor de induo converteu-se no tipo de motor mais usado na industria. Este fato deve-se maioria dos sistemas atuais de distribuio de energia eltrica serem de corrente alternada. Comparando com o motor de corrente contnua, o motor de induo tem como vantagem a sua simplicidade, que se traduz em baixo custo e mxima eficcia com manuteno mnima. O rendimento elevado para mdia e mxima carga, e pode-se assegurar um bom fator de potncia com uma seleo correta. Esse estudo torna-se mais relevante, j que a maioria dos motores eltricos utilizados na indstrias so de motores de induo gaiola de esquilo.

3.2 - Constituio do Motor de Induo

O motor assncrono constitudo basicamente pelos seguintes elementos: - um circuito magntico esttico, constitudo por chapas ferromagnticas empilhadas e isoladas entre si, ao qual se d o nome de estator; - por bobines (n. de grupos, consoante o motor monofsico ou polifsico) localizadas em cavas abertas no estator e alimentadas pela rede de corrente alternada; por um rotor constitudo por um ncleo ferromagntico, tambm laminado, sobre o qual se encontra um enrolamento ou um conjunto de condutores paralelos, nos quais so induzidas correntes provocadas pela corrente alternada das bobinas do estator. O rotor apoiado num veio, que por sua vez transmite carga a energia mecnica produzida. O entreferro (distncia entre o rotor e o estator) bastante reduzido, de forma a reduzir a corrente em vazio e, portanto as perdas, mas tambm para aumentar o fator de potncia em vazio. Como exemplo apresentamos a "projeo" dos diversos elementos o motor assncrono de rotor em gaiola de esquilo.

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Figura 4 - Motor Assncrono gaiola de esquilo. 3.3 - Funcionamentos de um Motor Assncrono

A partir do momento que os enrolamentos localizados nas cavas do estator so sujeitos a uma corrente alternada, gera-se um campo magntico no estator, conseqentemente, no rotor surge uma fora eletromotriz induzida devido ao fluxo magntico varivel que atravessa o rotor. A f.e.m. induzida d origem a uma corrente induzida no rotor que tende a opor-se causa que lhe deu origem, criando assim um movimento giratrio no rotor. Como podemos constatar o princpio de funcionamento do motor de induo baseia-se em duas leis do Eletromagnetismo, a Lei de Lenz e a Lei de Faraday. Faraday: "Sempre que atravs da superfcie abraada por um circuito tiver lugar uma variao de fluxo, gera-se nesse circuito uma fora eletromotriz induzida. Se o circuito fechado ser percorrido por uma corrente induzida". Lenz: "O sentido da corrente induzida tal que esta pelas suas aes magnticas tende sempre a opor-se causa que lhe deu origem". O motor eltrico transforma a potncia eltrica fornecida em potncia mecnica e uma reduzida percentagem em perdas.As perdas, que so inerentes ao processo de transformao, so quantificadas atravs do rendimento (mais frente analisamos melhor os vrios tipos de perdas nos motores). A Potncia Mecnica traduz-se basicamente, no Binrio que o motor gera no veio do rotor. O Binrio conseqncia direta do efeito originado pela induo magntica do estator em interao com a do rotor.

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T = K . Best . Brot. sen a

T - Binrio K - Constante Best - Induo magntica criada pelo estator Brot - Induo magntica criada pelo rotor a - ngulo entre Best e Brot

A velocidade de um motor de induo essencialmente determinada pela freqncia da energia fornecida ao motor e pelo numero de pares de plos existentes no estator. No motor assncrono ou de induo o campo girante roda a velocidade sncrona, como nos motores sncronos. A velocidade do campo girante obtm-se pela seguinte expresso:

Vg - velocidade do campo girante f - freqncia n - numero de pares de plos

Uma caracterstica fundamental dos motores de induo o escorregamento, da tratarem-se de motores assncronos, o seu valor dado pela seguinte expresso:

s escorregamento. n - velocidade do eixo do motor (RPM). ns- velocidade sncrona (RPM). A velocidade sofre um ligeiro decrscimo quando o motor passa de um funcionamento em vazio (sem carga) para um funcionamento em carga mxima. O motor assncrono tem atualmente uma aplicao muito grande tanto na industria como em utilizaes domsticas, dada a sua grande robustez, baixo preo,

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arranque fcil (pode mesmo ser direto, em motores de baixa potncia). No possui coletor (rgo delicado e caro) tratando-se de uma gaiola de esquilo; no produz fascas e tem, portanto uma manuteno muito mais reduzida do que qualquer outro motor. utilizado o motor monofsico para baixas potncias (at 1 a 2 Kw) e o polifsico para potncias superiores. H que destacar que o motor de induo ideal est numa faixa de velocidade entre 900 e 1800rpm, e com potncias inferiores a alguns milhares de KW. Associados aos conversores eletrnicos de tenso e freqncia variveis (variadores eletrnicos de velocidade), os motores de induo tendem a assumir um papel quase que exclusivo nos acionamentos eltricos. As perdas que ocorrem num motor dividem-se em quatro diferentes tipos:

- Perdas eltricas - Perdas magnticas - Perdas mecnicas - Perdas parasitas

- As perdas eltricas so do tipo { RI2}, aumentam acentuadamente com a carga aplicada ao motor. Estas perdas, por efeito de Joule podem ser reduzidas, aumentando a seco do estator e dos condutores do rotor. - As perdas magnticas ocorrem nas lminas de ferro do estator e do rotor. Ocorrem devido ao efeito de histerese e s correntes induzidas (neste caso, correntes de Foucault), e variam com a densidade do fluxo e a freqncia. Podem ser reduzidas atravs do aumento da seco do ferro no estator e rotor, atravs do uso de lminas delgadas e do melhoramento dos materiais magnticos. - As perdas mecnicas so devido frico dos procedimentos, ventilao e perdas devido oposio do ar. Podem ser reduzidas, usando procedimentos com baixa frico e com o aperfeioamento do sistema de ventilao. - As perdas parasitas (stray losses) ou perdas extraviadas so devidas a fugas do fluxo, distribuio de corrente no uniforme, imperfeies mecnicas nas aberturas para escoamento do ar, e irregularidades na densidade do fluxo do ar ao ser escoado pelas aberturas. Podem ser reduzidas atravs da otimizao do projeto do motor e ainda de uma produo ou fabrico cuidadoso.

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Apresentamos seguidamente a distribuio das perdas no motor, as perdas parasitas no so representadas por terem um valor insignificante.

3.4 - Motores de Induo Monofsicos

Os motores monofsicos so assim chamados porque os seus enrolamentos de campo so ligados diretamente a uma fonte monofsica. Os motores de induo monofsicos so a alternativa natural aos motores de induo polifsico, nos locais onde no se dispe de alimentao trifsica, como residncias, escritrios, ficinas e em zonas rurais. Apenas se justifica a sua utilizao para baixas potncias (1 a 2 KW). Entre os vrios tipos de motores eltricos monofsicos, o motor com rotor tipo gaiola destaca-se pela simplicidade de fabricao e, principalmente, pela robustez, fiabilidade e manuteno reduzida. Por terem somente uma fase de alimentao, no possuem um campo girante como os motores polifsicos, mas sim um campo magntico pulsante. Isto impede que tenham binrio de arranque, tendo em conta que no rotor se induzem campos magnticos alinhados com o campo do estator. Para solucionar o problema de arranque utilizam-se enrolamentos auxiliares, que so dimensionados e posicionados de forma a criar uma segunda fase fictcia, permitindo a formao do campo girante necessrio para o arranque.

Figura 5

Figura 6

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3.5 - Tipos de Motores de induo monofsicos:

Motor de Plos Sombreados (ou shaded pole); Motor de Fase Dividida (ou split phase); Motor de Condensador de Partida (ou capacitor - start); Motor de Condensador Permanente (ou permanent - split capacitor); Motor com Dois Condensadores (ou two-value capacitor). Seguidamente vamos apresentar o funcionamento, caractersticas, vantagens e aplicaes dos vrios tipos de motores monofsicos.

3.6 - Motor de Plos Sombreados.

O motor de plos sombreados, tambm chamado de motor de campo distorcido (ou shaded pole), graas ao seu processo de arranque, o mais simples, fivel e econmico dos motores de induo monofsicos. Construtivamente existem diversos tipos, sendo que uma das formas mais comuns a de plos salientes. Cada plo vai ter uma parte (em geral 25% a 35% do mesmo) abraada 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 relao ao fluxo da parte no abraada pela mesma. O resultado disto semelhante a um campo girante que se move na direo da parte no abraada para a parte abraada do plo, produzindo o binrio que far o motor partir e atingir a rotao nominal. O sentido de rotao, portanto, depende do lado em que se situa a parte abraada do plo. Conseqentemente, o motor de campo distorcido apresenta um nico sentido de rotao. Este geralmente pode ser invertido, mudando-se a posio da ponta de eixo do rotor em relao ao estator. Existem outros mtodos para se obter inverso de rotao, mas muito mais dispendiosos. Quanto ao desempenho, os motores de campo distorcido apresentam baixo binrio de arranque (15% a 50% do nominal), baixo rendimento e baixo fator de potncia. Devido a esse fato, eles so normalmente fabricados para pequenas potncias, que vo de alguns milsimos de cv a 1/4 cv. Pela sua simplicidade, robustez e baixo custo, so ideais em aplicaes tais como: movimentao de ar (ventiladores, exaustores, purificadores de ambiente, unidades de refrigerao, secadores de roupa e de cabelo, pequenas bombas e compressores, projetores de slides, gira-discos e aplicaes domsticas. Apesar de sua aparente

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simplicidade, o projeto deste tipo de motor de extrema complexidade, envolvendo conceitos de duplo campo girante, campos cruzados e complexa teoria eletromagntica. 3.7 - Motor de Fase Dividida (Split. Phase).

Este motor possui um enrolamento principal e um auxiliar (para o arranque), ambos defasados de 90 graus. O enrolamento auxiliar cria um deslocamento de fase que produz o binrio necessrio para a rotao inicial e a acelerao. Quando o motor atinge uma rotao predeterminada, o enrolamento auxiliar desligado da rede atravs de uma chave que normalmente atuada por uma fora centrfuga (chave ou disjuntor centrfugo) ou em casos especficos, por rel de corrente, chave manual ou outros dispositivos especiais. Como o enrolamento auxiliar dimensionado para atuar apenas no arranque, se no for desligado logo aps o arranque danifica-se. O ngulo de desfasamento que se pode obter entre as correntes do enrolamento principal e do enrolamento auxiliar pequeno e, por isso, estes motores tm binrio de arranque igual ou pouco superior ao nominal, o que limita a sua aplicao a potncias fracionrias e a cargas que exigem pouco binrio de arranque, tais como mquinas de escritrios, ventiladores e exaustores, pequenos polidores, compressores hermticos, bombas centrfugas, etc.

3.8 - Motor de Condensador de Partida (Capacitor-Start).

um motor semelhante ao de fase dividida. A principal diferena reside na incluso de um condensador eletroltico em srie com o enrolamento auxiliar de arranque. O condensador permite um maior ngulo de desfasamento entre as correntes dos enrolamentos principal e auxiliar, proporcionando assim, elevados binrios de arranque. Como no motor de fase dividida, o circuito auxiliar desligado quando o motor atinge entre 75% a 80% da velocidade sncrona. Neste intervalo de velocidades, o enrolamento principal sozinho desenvolve quase o mesmo binrio que os enrolamentos combinados. Para velocidades maiores, entre 80% e 90% da velocidade sncrona, a curva do binrio com os enrolamentos combinados cruza a curva de binrio do enrolamento principal de maneira que, para velocidades acima deste ponto, o motor desenvolve menor binrio, para qualquer escorregamento, com o circuito auxiliar ligado do que sem ele. Devido ao fato de o cruzamento das curvas no ocorrer sempre no

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mesmo ponto e, ainda, o disjuntor centrfugo no abrir sempre exatamente na mesma velocidade, prtica comum fazer com que a abertura acontea, na mdia, um pouco antes do cruzamento das curvas. Aps a abertura do circuito auxiliar o seu funcionamento idntico ao do motor de fase dividida. Com o seu elevado binrio de arranque (entre 200% e 350% do binrio nominal), o motor de condensador de partida pode ser utilizado numa grande variedade de aplicaes e fabricado para potncias que vo de cv a 15 cv.

3.9 - Motor De Condensador Permanente (Permanent.Split Capacitor)

Neste tipo de motor, o enrolamento auxiliar e o condensador ficam permanentemente ligados, sendo o condensador do tipo eletrosttico. O efeito deste condensador o de criar condies de fluxo muito semelhantes s encontradas nos motores polifsicos, aumentando, com isso, o binrio mximo, o rendimento e o fator de potncia, alm de reduzir sensivelmente o rudo. Construtivamente so menores e isentos de manuteno, pois no utilizam contactos e partes mveis, como nos motores anteriores. Porm o seu binrio de arranque, inferior ao do motor de fase dividida (50% a 100% do conjugado nominal), o que limita sua aplicao a equipamentos que no requerem elevado binrio de arranque, tais como: mquinas de escritrio, ventiladores, exaustores, sopradores, bombas centrifugas, esmeris, pequenas serras, furadeiras, condicionadores de ar, pulverizadores, etc. So fabricados normalmente para potncias de 1/50 a 1,5 cv. - Motor Com Dois Condensadores (Two. Value Capacitor) um motor que utiliza as vantagens dos dois anteriores: arranque como o do motor de condensador de partida e funcionamento em regime idntico ao do motor de condensador permanente. Porm, devido ao seu alto custo, normalmente so fabricados apenas para potncias superiores a 1 cv.

Figura 7

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3.10 - Motores Polifsicos

O motor de induo polifsico o tipo mais utilizado, tanto na industria como no ambiente domstico, devido maioria dos sistemas atuais de distribuio de energia eltrica serem trifsicos de corrente alternada. O nosso estudo recaiu essencialmente nos motores de induo trifsicos, j que na prtica constituem o grande leque dos motores de induo polifsicos e tambm porque o numero de fases varia o seu comportamento de uma forma j relatada, nomeadamente com a variao do numero de pares de plos que provoca alteraes conhecidas. A utilizao de motores de induo trifsicos aconselhvel a partir dos 2 KW , Para potncias inferiores justifica-se o monofsico. O motor de induo trifsico apresenta vantagens relativamente ao monofsico, nomeadamente um arranque mais fcil, o rudo menor e so mais baratos para potncias superiores a 2Kw.

Figura 8

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CONCLUSO

O acionamento de mquinas e equipamentos mecnicos por motores eltricos um assunto de extraordinria importncia econmica. No campo de acionamentos industriais avalia-se que de 70 a 80% da energia eltrica consumida pelo conjunto de todas as indstrias seja transformada em energia mecnica atravs de motores eltricos. Isso mostra a grande importncia no aprofundamento dos estudos de funcionamento de motores a fim de aperfeioar seu desempenho.

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REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS HALLIDAY Resnick e Walker. Fundamentos de Fsica 3 Eletromagnetismo 6edio- editora LTC Cap. 28.

Disponvel em: HTTP//www.wikipedia.com.br. Eletromagnetismo. Acessado em: 16 de setembro de 2011.

TIPLER, P.A., Fsica para Cientistas e Engenharias. Livros Tcnicos e Cientificos. Editora S.A. 2000.

TORRES, Carlos Magno; NICOLAU, Gilberto Ferraro; PENTEADO, Paulo Csar; SOARES, Paulo Toledo. Fsica Cincia e Tecnologia. Volume nico. Editora Moderna (2001).