Motores Eléctricos, Notas de estudo de Engenharia Civil

Baixe Motores Eléctricos e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Civil, somente na Docsity! [ma Ma António Francisco MOTORES ELÉCTRICOS ANTÓNIO FRANCISCO Edição apoiada por dB EB Eb PRIEDED , EDIÇÕES TÉCNICAS E PROFISSIONAIS Agradecimentos Aos colegas e professores que colaboraram, apresentando sugestões e críticas, os meus agradecimentos. As empresas 48B, Schneider Electric, Siemens e Weg pelo apoio, colaboração e permissão em utilizar a sua documentação, o meu obrigado. O Autor Janeiro de 2008 IV & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais ÍNDICE EEE EP EPP EP EPP EPE PE EPE EEPPEPEPESE INTRODUÇÃO ...sccccessonoreroncsocsessscecnersacorossesesmanas E aa 1 CAPÍTULO 1 — MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA ...ccsescoseeneosescnsmesaeso vs 1.1. MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA CONVENCIONAL ..ccsseossessoeses censerepemaaveçe 3 1.1.1. Constituição ....... st essccitiececr core ceneneeeaaeraranareananiaaacaaaeanacreeceearannacennaaeenacanes 4 1.1.2. Paneípio de Funcionamento... eremesoreneananeneseeoneo na ira emacs e 1,1,3, Calxa de LABaÇÕES.....enereen Sa ada ta apaga anca peca 11 LIA. Lisações dos Motetos del ssa careceaaeneneuanesenasoenescaerenmeciaa 12 L:)5% Tipogde Excitação: sosessceasusecceaninasranasaaanea arara nara scams aerea reseiers 13 1.1.5.1. Motor de Excitação Independente ................ e siseesesteseeeeeerareremes 13 1.1.5.2. Motor Série .....csicieeerteeeneacereeneraccerecena rec aaeaaaanaraaatanaaeermarerenrasera lá 1.53. Motdt Shu eeersemeeeramsarmernecenacacenicdirana ne asnnseasassuannaasacaççes LS 1,1.54. Motor ConponnA. upunasaa Rasa OR SADnTsEo ua aasa race nmicscapcesoareneçaso 15 1.1.6, ApÍIGAÇÕES aspas Tau Ursa RR rare caLaneecar cepa vacev esa reenss 16 1.2. MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA DE ÍMAN PERMANENTE .......cceessesenosessess 17 121. COASUIGEA sesesaaesecenmemanamesramarosae sec DEE um rones 17 12.2. Panciípio de Fingionamento,saran essapanugamega raio enmscompecacmsusssa mansa smenersa 18 1.2.3, APlICAÇÕES sus pnseuassasa aaa ssasanaresconrer avenanesTe recuar en arara presisa acusa ser cemess 18 1.3. MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA SEM NÚCLEO (CORELESS) ,eecoese concoseresnaso 19 1351. EOASUUIÇÃO..srereroncere assitir np are cueca 19 1.3.2. Princípio de Funcionamento ...................... asas ra vraraireires a curennercior emas 20 133 Vantagens Desyantagens seen ceresrosa esa crer means amen amenas armam as 20 | A ep caÇÕESS soonerancanrucs tores es o a co emos manso rem nnennedis 21 1.4. MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA SEM EsCOVAS (BRUSHLESS) .ceseeesercences sé 22 14.) E onaiÂMIDAO! pru eS Ecs vecas eras praca E ea ae tonta nes r 22, 142, Princípio de Funcionamento. ss csasesesenasee ima eramos aceamaeranim ante nitmams ese irtrrnrarsennes 24 1.4.3. Vantagens/Desvantagens ...........ierereeseneeeeerarereeererternrereraerenrenerrataasnartanaero 26 14.4. Aplicações ......ceerenmemeseracerereneesreaeanearrananaana dis Cias dando feopeinrtepenaa mantidas rersasaeso 26 O ETEP — Edições Técnicas e Profissionais V Motores Eléctricos CAPÍTULO 2 — MOTORES DE INDUÇÃO (ASSÍNCRONOS) ...sccssessensesasessnecssees 27 2.1. MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS .........0+ O a 28 RUN RR 28 2.1.2. Tipos de Motores de Indução Trifásicos ...............ccsesieereemaereremerrennenanana 31 2.1.2.1. Motor de Rotor em Gaiola... erreeaareceasanacermaanines 31 24.22. Motorde Rotor Bobinado suas nessa passasse nenceap ay osanesasenavescasiva 32 2143. Prmeipio de Funcionamento ass auge sense aessarerceaeseasenseruerssanamaas 33 2.1.4. Velocidade do Motor .........eeereretartereenamaneananeceeeasreerenaaanaacaacerererecanenaea 35 2.1.5. Perdas no Motor.......itieettia erica erieareeeanaerenanerenaaenanaseranacecenanearacanteano 36 2.1.6. Placa de Características ..........eeeeeerererreenesenorenaareaeaccroereraanaarearaananeaenananes 37 ol Caia de LIBAGOES. e rmernas recorrem 37 2 18. Artanque de Motores Dilbaicos: aeee nanoaronna nana sererareneenn aroeira 39 2.8.1: Arranque Estrela DHânguio sacessscarensomeness aver vemenreenar ecmestenenesmo 39 2.1.8.2. Arranque com Arrancadores Electrónicos ..............eseseseeeesenrerreraens 40 2.1.8.3. Inversão de Marcha......esenaessesecoseeceeraracereaaeemenereaneaerenaareeeaneeeaes 41 TI. Aplicações esmas conte ersuumansem meras inenamaarureams nes esco senmenanerre nene ia dia 41 21.10. Motores Trifásicos Alimentados em Monofásico .......eeesseesseeartecrenes 42 2.1.10.1. Dimensionamento do Condensador .......iisrenstaseaae 44 2.2. MOTORES DE INDUÇÃO MONOFÁSICOS ......ccoss00 esa à 46 22.1. Constição .esmeveanmesenreraeeenmaneemerana maes srnner maes d CEASA r a cas craniano 47 22.2. Princípio de Funcionamento .sassusassa nossa ora pas guess acesceneszeças 47 2023. Motor de Fase Dividida ass sasespnsaa oras asacacensremascrasvosspaana asccmcecararenisacseçe 51 2oA: Motorde Condensador de Arranque os csscsacrmaica mao emos napeeertr essere aces ma 53 2.2.5. Motor de Condensador Permanente..........iiitsicerreceresrenenanererersaaereeero 55 2.2.6. Motor de Dois Condensadores ........eemeaeeeeseieereeeeseaeereraananeeaerrrraereras DO 2.2.7. Motor de Pólos Sombreados..............ccccc ses icttetesiaaieceeaaneearenanaceaneaaererencecaanna 58 2.2.8. Condensadores pata MoIotES asas aa un cas jose seuen esssnsannaass 62 128.1. Condensadores- de AtTAngque caspa arnamer rrenan ga mascar necomsecs sd 62 2.2.8.2. Condensadores Permanentes..........ciiereneneenerereceeerranaaeaeaateneaaeeranto 62 2.2.9. Dispositivos de Ligação do Enrolamento Auxiliar... serem rerereree. OZ 2.2.9.1. Interruptor Centrifugo...........ceeceeeeseceeceeereereaeeeeececearcarcanneanaonaaananes 62 2.2.9.2. Relé de Intensidade.........cceeeeeennerrensenacaeecencarecerenananeninanaaneneranea 63 229,2, Relé ElECIÓNICO.....uupanaseisoas a CERs capaaaaaa ade cacmnasatecasarcere 63 2204 TemistorPTÊ uenasiaroam asas sesecsarencersasrencencnnssenas eine rare rsaca 63 2210. Placade Caracietísticas x cunumer cesirarapansenenaaace seuisar sue capanemapads evranmanens suas 64 VI & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais Indice 7.10. Cabo de Ligação dos Servos...........eememeieaaceceiseesernierosancocasrratarectaresaranes 130 7.11. Circuito dé Comando para SErvOS «anus arenaiunensecsesa sense ace crer 130 TIAL. Exemplo saum nas remaceacecres anna mao matarem sema uecessens mereces 131 ANEXOS..ccccreonecoronceroconsnsssiiiticassadasneçãs nana ara coa Resornuncasopenenapesanes 133 Al. Especificações dos Motores.............cceereerereereeaemeananaeoererecaenaeaeeseasesaenareenacenento 1a A2. Protecção dos Motores Contra Sobreintensidades...............eeeeraeretesrenereres 134 ADA. FUSÍVÊIS.. sua ORNE RR RI cacaacanaa uaacasaa as cenercartercmeaeraameoas or atsn vo 134 AB. Tiposde FusimeiSssvessncercacos renas anesareners esesas serras meneame nesensemaaos 134 NO. Disjuntores. serenmessursssaninaaenssa persons mencemenam mera men iaiE Lo A2.2.1. Disjuntores Magnéticos ................... ic rreeneeraenacereeerecererearereneneenenme 135 Aa. Recside Proteução Teca. saauaansa ra coreana sas rasinaços 136 A2.2.3. Disjuntores Magnetotérmicos...........cesusmeeeerenacesenrereeensenseeracereeasa 137 A2.3. Estabelecimento das Protecções dos Motores ............eeeeeeecenecermacmmaneranerans 138 A2.3.1. Potências Normalizadas para Motores de Indução Industriais ......... 139 A3. Cores dos Isolamentos dos Condutores Eléctricos .................. sister cesereeenaiess 140 A4. Prefixos das Unidades do Sistema Internacional (ST) .............ieseseseessseeeseereees 140 A5. Equivalências entre Unidades..............eeeeseteceereeeerentaererearrerentaraaaseaesaenennennenos 14] ESQUEMATECA — MOTORES DE INDUÇÃO ....... sro TICO aan aipan unas 143 1. Arrancadores em Caixa .....cieeeceereereneeecteraseraneeeeeacererernaeanenenarartanananaamecanenatreanica 143 e Motor Monofásico .......siisesererenesoeoreneanaaeaaenananereareneanereresanaaaacacanemancanarananato 143 é Motor DEÍASICO cspessconea;nenpemmescorace au nanazasarencanaadiatos saperenc rece emesesecergceramenemasaros 144 2, Arranque Directo de Motor Trifásico................. ii rereeenensaeeseneeesrenenananasaeecennento 145 3. Arranque Directo com Inversão de Marcha de Motor Trifásico ...............s ts 148 4. Arranque Estrela-Triângulo de Motor Trifásico ..............s ci sseereereeereremeneneos 150 ENDEREÇOS INTERNET ..ccccccessococoncasasoso eomeranoanmeajR sis areais pags 153 ÍNDICE ALFABÉTICO E REMISSIVO .....ccsesseeseenserssensensers easessereoenecesensecserseess 155 & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais IX INTRODUÇÃO O motor eléctrico tornou-se um dos mais notórios inventos no processo de desenvolvimento tecnológico da humanidade. Ele veio substituir o Homem no desempenho de árduas e repetitivas tarefas. O motor eléctrico é uma máquina que transforma energia eléctrica em energia mecânica, sem perdas significativas e sem que do processo resulte qualquer elemento poluente. Os motores estão em toda a parte, praticamente, tudo o que se move, utilizando electricidade, é devido a eles. O motor eléctrico é o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da utilização de energia eléctrica: facilidade de transporte e facilidade de comando, sendo, para além disso, uma máquina de construção simples, alto rendimento e baixo custo. No mundo de hoje, o motor eléctrico é um elemento imprescindível ao progresso. As máquinas eléctricas, nos tempos actuais, podem-se considerar como parte recorrente do nosso dia-a-dia. Os motores eléctricos vulgarizaram-se de tal forma que os podemos encontrar em aplicações tão diversas como: electrodomésticos, elevadores, portas automáticas, passadeiras rolantes, automóveis e num sem-número de outras aplicações, incluindo aplicações de alta tecnologia como a robótica, Também na indústria, a sua utilização, desde as máquinas aos equipamentos, é global. Por outro lado, a incorporação da electrónica nos motores eléctricos e a utilização de materiais com melhores características veio alargar aínda mais as suas aplicações, possibilitar o desenvolvimento dos motores já existentes e criar novos tipos de motores, conseguindo-se motores cada vez mais eficientes e com menor manutenção. A evolução tecnológica não pára, A elecuónica também permitiu vulgarizar o controlo de velocidade dos motores, sendo hoje comuns os accionamentos eléctricos com arrancadores e variadores de velocidade electrónicos. Estes são instalados, desde os equipamentos de pequena potência de uso doméstico, até aos grandes equipamentos utilizados nos diferentes processos produtivos industriais. Porque os motores eléctricos desempenham um papel de relevância nos nossos dias, todos aqueles que de alguma forma com eles trabalham devem conhecê-los, especialmente quanto à sua constituição, princípio de funcionamento e ligação. E esta a pretensão deste livro. O ETEP — Edições Técnicas e Profissionais 1  Motores de Corrente Contínua No rotor da máquina encontra-se o enrolamento da armadura (A 1-A2) e o colector. Num motor bipolar, o enrolamento do rotor pode ser identificado, utilizando-se um ohmimetro: ao levantar-se uma escova do colector provoca-se a interrupção do circuito eléctrico do rotor. Emnrolamentoo do pólo de comutação B1-E2 Enrolamento do induzido Al-A2. - Entreferro Peça polar... go Carcaça -— E | Enrolamento de o os HE o cotnpensação C1-C2 Pálo de = excitação l “= Enrolamento série Di-D2 “e ae Induzido” f Fálo de Zona Enrolamento + Ú E. o a a Escovas comutação neutra Independente FÍ-F2 Figura 1.3 — Motor de CC industrial, vista em corte transversal. (E1 Sentido da corrente do plano da folha para dentro. (3) Sentido da corrente do plano da folha para fora. ESTATOR Nos motores industriais, os elementos constituintes do estator desempenham as seguintes funções: Pólos de Excitação São os pólos principais, têm por finalidade gerar o fluxo magnético. São constituídos por condutores enrolados sobre núcleos de ferro (electroímanes). As extremidades destes pólos possuem um formato que se ajusta ao rotor, designado - - peças polares. Pólos de Comutação São pólos magnéticos auxiliares (interpólos) existentes entre os pólos principais. São mais pequenos que os pólos principais e o seu enrolamento é constituído por um pequeno & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais 5 Motores Eléctricos número de espiras de fio de diâmetro mais elevado. Estão ligados em série com o enrolamento induzido, sendo por isso percorrido pela mesma corrente. Existem na generalidade das máquinas DC e destinam-se a melhorar as características de funcionamento da máquina. Enrolamento de Compensação Enrolamento distribuído na periferia das peças polares. É ligado em série com o enrolamento do induzido, tem a mesma finalidade dos pólos de comutação. Existe em máquinas de grande potência. Escovas As escovas, constituídas por material condutor (normalmente carbono), estão alojadas no porta-escovas, estando este fixado à carcaça da máquina. As escovas são pressionadas por mola contra o colector (comutador) e deslizam quando este gira. Possibilitam a ligação eléctrica entre os enrolamentos do induzido e o circuito exterior. ROTOR É constituído por um núcleo ferromagnético, formado por chapas laminadas e isoladas entre si para reduzir as perdas no ferro. Possui ranhuras na periferia, onde são alojados os vários enrolamentos, constituídos por conjuntos de bobinas. As extremidades dos enrolamentos são ligadas a lâminas de cobre situadas no colector. O conjunto roda solidário com o veio e é suportado, nas extremidades, por rolamentos fixados na carcaça. Núcleo. Forta-escovas.. Enrolamentos velo Colector + =E “CONa Rolamento Senta Figura 1.4 — Rotor de um motor de CC. Sendo o rotor ferromagnético, tem a vantagem de concentrar o campo magnético, impedindo a dispersão da energia magnética. No entanto, acrescenta muito peso ao conjunto e, consequentemente, um momento de inércia elevado. 6 & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais Motores de Corrente Continua Colector Também designado por comutador, é constituído por lâminas condutoras de cobre isoladas entre si, que rodam solidárias com o veio e que têm apoiadas sobre si as escovas. Cada par de lâminas é ligado a um enrolamento do induzido, permitindo esta disposição, quando o rotor roda, que as lâminas deslizem em contacto com as escovas, possibilitando a alimentação dos enrolamentos do induzido a partir do exterior. Trata-se de um processo mecânico de comutação, daí o colector também ser referido como comutador mecânico. O sistema colector / escovas comporta-se como uma espécie de travão, pelo que, mesmo sem carga aplicada no veio, ao rodar-se manualmente um pequeno motor, sente-se uma ligeira travagem. Por possuírem colector, as máquinas de corrente contínua também são referidas por máquinas de colector, contrariamente a máquinas de corrente alternada que o não possuem. Veio Elemento que transmite a potência mecânica desenvolvida pelo motor e que suporta o rotor através de rolamentos fixados na carcaça da máquina. 1.1.2. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO O motor de CC gira em consequência da interacção do campo magnético do estator com o campo magnético do rotor. O campo principal, o do estator, é criado pelos enrolamentos (electroímanes) do estator quando são percorridos por corrente. O segundo campo, o do rotor, é criado pela circulação da corrente nos condutores dos enrolamentos do rotor. Cada condutor do rotor contribui com um campo magnético que roda à sua volta e cujo sentido é determinado pela regra do saca-rolhas. Condutor nrê e tr senticdo da corrente =. Campo E magnético 4 dorotor Figura 1.5 — Campo magnético de um condutor e de uma espira do rotor. Os vários campos magnéticos dos condutores do rotor, alimentados num lado por uma escova e no outro lado por outra escova, têm como resultante um pólo N e um pólo 8, em lados opostos do núcleo do rotor (ver figura seguinte). O ETEP — Edições Técnicas e Profissionais 7 Motores Eléctricos Figura 1.9 — Forças que actuam sobre uma espira. Pelo analisado, pode-se também dizer que o funcionamento de um motor de corrente contínua tem como base as forças resultantes da interacção do campo magnético gerado no indutor com a corrente que circula no induzido. Desta interacção resulta uma força (lei de Laplace) que faz mover o rotor num sentido que depende do sentido do campo magnético do indutor e do sentido da corrente do induzido (regra da mão direita). Explicação idêntica à anterior, uma vez que a corrente que circula nos condutores do induzido cria o campo magnético que serviu de fundamento à explicação através da interacção entre os campos magnéticos do estator e do rotor. Reacção Magnética do Induzido A corrente que percorre o induzido cria um campo magnético que, ao interagir com o campo magnético indutor, altera as linhas de força deste, distorcendo-o — reacção magnética do induzido. Esta distorção é proporcional à carga a que o motor está sujeito e provoca o aparecimento de faíscas entre o colector e as escovas, sendo por isso prejudicial para a máquina, uma vez que degrada mais rapidamente as escovas e o colector. Para reduzir ou anular este efeito, as escovas têm de ser deslocadas para outra posição, todavia, como o ângulo de deslocação depende da carga aplicada ao motor, este processo não é viável, daí, os motores de DC possuírem pólos de comutação auxiliares ou enrolamento de compensação cuja finalidade é criarem um campo magnético de sentido contrário ao campo da reacção magnética do induzido, reduzindo ou anulando este. 10 O ETEP — Edições Técnicas e Profissionais Motores de Corrente Continua Tanto num caso como noutro, estes enrolamentos são ligados em série com o induzido de forma que o campo magnético por eles produzido seja idêntico mas com sentido contrário ao campo da reacção magnética do induzido, anulando assim a distorção do campo indutor. 1.1.3. CAIXA DE LIGAÇÕES A caixa de ligações principal dos motores industriais de corrente continua possui no seu interior um conjunto de bornes que permitem ligar entre si os enrolamentos do motor e efectuar a ligação à alimentação eléctrica. Os esquemas de ligação dos enrolamentos estão, normalmente, desenhados na parte interior da tampa da caixa de ligações. Caso o motor possua ventilação forçada, existe uma segunda caixa de ligações destinada a ligar o motor da ventoinha à rede eléctrica. Placa de Bornes LETRAS cone + — (Início) (fim) Al | AZ Induzido (armadura) Enrolamento Bi B2 Pólos auxiliares de comutação Ci C2 Enrolamento de compensação Di D2 Indutor série El E2 Indutor derivação (sfnt) Fi F2 Indutor independente Placa de Bornes (marcação antiga — norma alemã) - LETRAS o q Enrolamento | (início) | (fim) A B | Induzido (armadura) E D Indutor derivação (shunt) E F Indutor série | G H Pólos auxiliares de comutação J K Indutor independente & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais 1 Motores Eléctricos 1.1.4. LIGAÇÃO DOS MOTORES DE CC Na figura seguinte apresenta-se, esquematicamente, os enrolamentos de um motor de CC. A não referência ao enrolamento derivação El-E2 deve-se ao facto de se poder utilizar o enrolamento independente F1-F2 em sua substituição. + ie mê + = 7 ? Í Í | MM | ss ia f " | Í 1 F2 1 02 Di ' o . f | 7 AZ i sd (01 Figura 1.10 — Enrolamentos de um motor de CC. Inicialmente, os motores de CC eram alimentados por geradores de corrente contínua, o que exigia o uso de três máquinas (sistema Ward-Leonard). Actualmente, utilizam-se conversores estáticos que fornecem tensão contínua variável a partir da rede eléctrica. Para se proceder ao arranque do motor, em vazio se possível, aplica-se, em primeiro lugar, tensão ao campo e, logo após, à armadura. O motor deve partir suavemente, sem faiscamento ou ruídos excessivos. Motores pequenos, até 1 kW, podem arrancar à tensão plena. Acima deste valor devem possuir um sistema de arranque que limite a corrente, pois esta pode danificar o colector. A rotação do motor pode ser regulada mantendo o fluxo indutor constante e variando a tensão de alimentação do induzido (controlo pela armadura), ou mantendo a tensão de alimentação do induzido fixa e alterando o fluxo indutor (controlo pelo campo). Para se parar o motor é necessário desligar-se em primeiro lugar a armadura e só depois o campo. Caso contrário, existe o risco de perda do controlo do motor, em função do disparo do rotor por falta de campo. Para se inverter o sentido de rotação, troca-se a polaridade da tensão de alimentação do 12 O ETEP — Edições Técnicas e Profissionais Motores de Corrente Continua 1.1.5.3. MOTOR SHUNT (PARALELO) Neste motor, o enrolamento do indutor é ligado em paralelo com o enrolamento do induzido. No motor shunt, o enrolamento indutor é formado por um elevado número de espiras de fio de pequena secção, sendo a resistência deste enrolamento elevada para que a corrente consumida seja baixa. Rotação horária L+ L- Mo E E2 E2 (> mt (AB) con E Rotação anti-horária L+ L- 21 Ei E2 AB? ETC ud “os oo Figura 1.13 — Ligação de um motor de CC de excitação shuni. Caso a máquina não possua na sua constituição o enrolamento shunt, utiliza-se em sua substituição, nesta ligação, o enrolamento independente F1-F2. O motor shunt possui a particularidade da sua velocidade variar pouco com a carga, daí, apresentar uma boa regulação da mesma. O seu binário de arranque é menor que o do motor série. 1.1.5.4. MOTOR COMPOUND (SÉRIE-PARALELO) Motor que possui dois enrolamentos indutores; um ligado em série e outro em paralelo com o induzido (normalmente, o enrolamento independente). O enrolamento ligado em série é o que apresenta menor resistência. & ETEP - Edições Técnicas e Profissionais 15 Motores Eléctricos Na maioria das situações, os dois enrolamentos são acoplados de forma que os fluxos magnéticos se adicionem. Rotação horária L+ L- a DF Fa D2 BZ PE, o, (8,2) ollt Rotação anti-horária L+ L- go Do Fi F2 D2 EB2 1d a O é à Figura 1.14 — Ligação de um motor de CC de excitação compound adicional. O motor compound reúne as qualidades do motor série e do motor shuni, é por isso um motor com um elevado binário de arranque e uma boa regulação de velocidade. 1.1.6. APLICAÇÕES Os motores de corrente contínua têm vindo a perder terreno relativamente aos motores de indução. A sua grande vantagem que era a facilidade na regulação de velocidade, nos dias de hoje, está facilmente ao alcance dos motores de indução com o controlo electrónico de velocidade. Também o preço dos motores de corrente contínua é bem mais elevado que o dos motores de indução e, como possuem colector e escovas, órgãos sujeitos a desgaste, a sua manutenção é mais frequente. Apesar disso, o motor de corrente contínua mantém a sua utilização, dadas as suas características específicas. O desenvolvimento dos motores de CC sem escovas (Brushless) e a sua utilização em accionamentos industriais também tem contribuído para a diminuição do uso do motor de CC convencional. 16 & ETEP - Edições Técnicas e Profissionais Motores de Corrente Contínua 1.2. MOTOR DE CC DE ÍMAN PERMANENTE O motor de íman permanente! (Permanent Magnet DC Motor ou PM DC Motor) é normalmente fabricado para pequenas potências. O seu rotor possui uma constituição idêntica ao do motor de CC convencional, sendo o seu estator significativamente diferente, uma vez que não possui qualquer enrolamento. O campo magnético indutor é criado por imanes permanentes. Figura 1.15 — Motores de CC de íman permanente. 1.2.1. CONSTITUIÇÃO O indutor é constituído por dois ou mais ímanes permanentes, sendo o induzido constituído por um núcleo ferromagnético, tipicamente, com três, cinco ou sete pólos e respectivos enrolamentos. A carcaça do motor completa o circuito magnético. Pólos Escovas Colector Carcaça testator) Figura 1.16 — Motor de CC de íman permanente com 5 pólos. l Programas, para microcontroladores PIC e PICAXE, para comando deste motor estão disponíveis na página Web do livro e da Editora. O ETEP — Edições Técnicas e Profissionais 17 Motores Eléctricos a 1. Engrenagem do veio 2. Tarnpa 3. Catcaça 4. man permanente &. Bobina (rotor) &. Colector (comutador) 7. Escovas E. Terminais de ligação Figura 1.21 — Motor com íman permanente no interior do rotor. Carcaça “Rotor fe [man permanente veio Figura 1.22 — Corte transversal do motor com íman no interior do rotor. 1.3.2. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO O princípio de funcionamento deste tipo de motor é igual ao do motor de CC convencional. A diferença, tal como no motor de íman permanente, está na forma de se gerar o campo magnético do estator; em vez de ser gerado pela corrente eléctrica, como é o caso dos motores de CC convencionais, é gerado por íman permanente. Não possuindo estes motores enrolamentos no estator, para a sua alimentação basta ligar os dois condutores que ligam os enrolamentos do rotor, através do conjunto escovas/colector. 1.3.3. VANTAGENS / DESVANTAGENS Os motores Coreless são bastante mais rápidos que os motores de CC com núcleo de ferro. 20 O ETEP — Edições Técnicas e Profissionais Motores de Corrente Contínua O rotor tem uma baixa inércia, o que possibilita arranques, paragens e variações de velocidade muito rápidas, assim como mudança de sentido de rotação num curto espaço de tempo. Comparativamente com o PM DC Motor, este tipo de motor possui um conjunto escovas / colector de menor dimensão e de melhor qualidade, estando, por isso, estes órgãos sujeitos a muito menos desgaste. Também o ruído eléctrico é menor, a velocidade mais suave e a indutância mais baixa devido à não existência de ferro no núcleo. A desvantagem do motor Coreless é o seu reduzido binário, pois o fluxo magnético, não sendo o rotor magnético, não é concentrado e tem de atravessar um entreferro maior. Estes motores possuem baixa refrigeração. O calor gerado nas espiras do rotor, dado que o motor não possui núcleo de ferro, que dissipa grande parte do calor, quando o mesmo é sujeito a um esforço, aquece rapidamente e pode avariar. Os motores Coreless também são sensíveis às pancadas. Nos motores com íman no interior do rotor, a abertura entre o íman permanente e a carcaça é muito pequena, por isso, as espiras do rotor estão sujeitas a uma densidade de fluxo elevada, o que se traduz num motor mais eficiente. 1.3.4. APLICAÇÕES Os motores Coreless destinam-se a accionamentos onde se pretenda um arranque rápido e velocidades elevadas. Têm grande aplicação em equipamentos de modelismo, actualmente equipando a nova geração dos servomotores de radiocomando. Também são utilizados nos telemóveis para provocar a vibração. Neste caso, o motor pode ter o seguinte aspecto: Figura 1.23 — Motor para vibração (Vibrator Motor). Trata-se de um motor Coreless que possui acoplado um peso descentrado na extremidade do veio. Porque há um desequilíbrio no veio, devido ao peso, quando o mesmo roda provoca vibração. & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais 21 Motores Eléctricos 1.4. MOTOR DE CC SEM ESCOVAS O motor de CC sem escovas (Brushless DC Motor ou BLDC Motor) é uma máquina eléctrica em que a operação de comutação, realizada mecanicamente pelo colector no motor de CC, é aqui efectuada por um comutador electrónico, daí este tipo de motor não possuir colector nem escovas. 1.4.1. CONSTITUIÇÃO O motor de CC sem escovas possui um rotor com ímanes permanentes, que podem estar colocados no interior ou no exterior do estator, e um estator de material ferromagnético com os respectivos enrolamentos. Esta configuração, relativamente ao motor de íman permanente, está invertida. MOTOR INDUSTRIAL Estator, à Sensor Hã A sensor H2 Rotor com 4 pólos a Figura 1.24 — Corte transversal de um motor industrial de CC sem escovas. O estator de um motor de CC sem escovas, para accionamentos industriais, é constituído por lâminas de chapas de aço empilhadas, com os enrolamentos colocados nos entalhes e dispostos axialmente na periferia interna (ver figura seguinte). O estator assemelha-se ao de um motor de indução, contudo, os enrolamentos são distribuídos de forma diferente. Os sensores indicados na figura 1.19 detectam o campo magnético, são de efeito de Hal? e destinam-se a informar um controlador electrónico sobre a posição dos pólos do rotor. 2 Os sensores, na presença de um campo magnético, geram aos seus terminais uma tensão eléctrica, designada de tensão de efeito de Hall. 22 O ETEP — Edições Técnicas e Profissionais Motores de Corrente Continua posição do rotor. Baseado na combinação dos sinais fornecidos pelos três sensores (H1, H2 e H3), o controlador electrónico determina a sequência de alimentação a aplicar aos enrolamentos (fases) do estator para que o rotor rode no sentido desejado e à velocidade seleccionada. O circuito de controlo destes motores permite a regulação de vários parâmetros do motor, tais como: velocidade, sentido de rotação e binário. Na figura seguinte mostra-se um circuito de comando típico de um motor Brushless com um estator com três fases ligadas em estrela. E: 1 1 Controlo Figura 1.30 — Circuito de comando de ventilador de PC (IC-A TS276). & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais 25 Motores Electricos Do Es, DOB tp GD a 1 Figura 1.31 — Diagrama de blocos do IC-ATS276. 1.4.3. VANTAGENS / DESVANTAGENS Os BLDC apresentam uma baixa manutenção, uma operação silenciosa, um bom rendimento, uma vida útil longa, gama extensa de velocidades e, devido ao facto de não possuírem escovas, um desgaste mecânico reduzido e interferências electromagnéticas (EMI muito baixas. Também, porque possuem um rotor mais leve, constituído por ímanes permanentes, a sua inércia, comparada com rotores em núcleo de ferro, é menor. Isto melhora as características de aceleração, de travagem e a eficiência energética. A necessidade de um controlador electrónico para funcionarem é a sua desvantagem, uma vez que este aumenta o custo do motor. 1.4.4. APLICAÇÕES As aplicações dos motores sem escovas incluem entre outras: compressores, bombas, ventoinhas, máquinas de lavar, etc. Actualmente, estes motores, com o respectivo controlador, também dominam muitas aplicações existentes no computador: movimentação dos HDs, CDs, DVDs e ventoinhas de refrigeração. A eficiência elevada, baixa manutenção e tamanho pequeno destes motores torna-os especialmente indicados para aplicações em que a fiabilidade seja um ponto importante: aviação, forças armadas, instrumentos e equipamentos portáteis, aparelhagem médica, instrumentação, automatização, etc. Devido às suas características, os motores de CC sem escovas têm vindo a substituir os motores de CC com escovas em variadíssimas aplicações. 26 O ETEP — Edições Técnicas e Profissionais 2. MOTORES DE INDUÇÃO Os motores de indução ou assíncronos, conjuntamente com os motores síncronos, são os principais motores de corrente alternada. Motor NB) Motor n sincrono - assincrono irman---a le---Íman --Espira em agulha magnética --+ curto-circuito Figura 2.1 — Princípio de funcionamento do motor síncrono e assincrono. Nas experiências mostradas na figura, rodando manualmente o íman, cria-se um campo magnético, designado de girante, em torno da agulha magnética ou da espira em curto- -circuito colocada no interior dos pólos N-S do íman. Na experiência relativa ao motor síncrono, a agulha magnética é atraída pelos pólos do íman e entra em rotação à mesma velocidade do íman, diz-se que a agulha magnética roda à velocidade de sincronismo (ns). Se em vez da agulha magnética utilizarmos uma espira em curto-circuito no interior do íman, experiência relativa ao motor assíncrono, a mesma, porque está sujeita a variação do fluxo que a atravessa, será sede de circulação de uma corrente induzida. Tal corrente, pela Lei de Lenz, tende a opor-se à causa que a produziu, cria um campo magnético que se opõe ao campo magnético girante do estator. Como os campos são de sinal contrário, há atracção entre eles e a espira roda, com um ligeiro atraso em relação ao campo girante do estator. De uma forma geral, uma máquina diz-se sinerona quando roda à velocidade de sincronismo, isto é, a velocidade do rotor é igual à do campo magnético girante criado pelo estator. Uma máquina diz-se assíncrona quando roda a uma velocidade diferente da velocidade de sincronismo. Estas duas máquinas podem funcionar como gerador ou como motor. No caso da máquina síncrona, temos, respectivamente, o gerador síncrono (alternador) e o motor síncrono. No caso da máquina assíncrona, a utilização como gerador é pouco usual, a sua grande utilização é como motor assíncrono. O ETEP — Edições Técnicas e Profissionais 27 Motores Eléctricos BM 4 A Fase B Fase À Figura 2.5 — Motor com dois pólos. Figura 2.6 — Motor com quatro pólos. O rotor, parte móvel da máquina, é constituído, tal como o estator, por pilhas de chapas finas isoladas umas das outras e ranhuradas. O rotor é apoiado no veio de rotação do motor, que possui rolamentos nos extremos. Entre o estator e o rotor existe uma ligeira abertura de ar, designada por entreferro, que deve ser a mais pequena possível para reduzir a relutância magnética total do circuito e assim aumentar a indução e, consequentemente, o fluxo magnético (o ar é muito menos permeável às linhas de força do campo magnético que o ferro). A carcaça, em ferro fundido, aço ou alumínio, destina-se a alojar o estator e o rotor e também proteger os componentes do motor dos efeitos prejudiciais do ambiente em que o mesmo opera. Figura 2.7 — Estator alojado na carcaça. Os rolamentos, montados no eixo do rotor permitem que este gire. Uma ventoinha, montada também no eixo, força a refrigeração do motor. O veio transmite à carga a energia mecânica produzida. 30 & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais Motores de Indução 2.1.2. TIPOS DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS Dependendo dos elementos condutores colocados nas ranhuras do rotor, fabricam-se motores de rotor em curto-circuito ou em gaíola e motores de rotor bobinado. 2.1.2.1. MOTOR DE ROTOR EM GAIOLA Caixa de ligações Carcaça ventilador Enrolamento do estator. Tampa e suporte do rolamento lado do veio | Í 1 Ê Suporte lado aa de do ventilador ventilação Rolamento Figura 2.8 — Constituição do motor industrial de rotor em gaiola. É o tipo mais comum de motor, trata-se de um motor em que o rotor possui, dentro das ranhuras das chapas laminadas do núcleo, barras condutoras, dispostas paralelamente e ligadas mecanicamente e electricamente, entre si, nas extremidades, por anéis condutores (curto-circuitos). Esta disposição forma uma espécie de gaiola de esquilo, ilustrações seguintes, daí este tipo de motor também ser conhecido por motor de rotor em gaiola. Anel Barras &nel f pi Figura 2.9 — Rotor em gaiola. Nos pequenos motores, a gaiola pode ser totalmente moldada, normalmente a alumínio. De referir que as barras da gaiola estão dispostas com uma determinada inclinação. A & ETEP - Edições Técnicas e Profissionais 31 Motores Eléctricos finalidade é melhorar as propriedades de arranque e diminuir os ruídos. Um motor de rotor em gaiola é um motor de uma só alimentação, não necessita de colector nem de escovas. Não possui, por isso, contactos eléctricos sujeitos a desgaste. Este facto tem como resultado um motor robusto e com uma manutenção muito baixa. 2.1.2.2. MOTOR DE ROTOR BOBINADO Trata-se de um motor que possui nas ranhuras do rotor, em vez de barras condutoras. enrolamentos que são ligados a anéis colectores colocados no veio. Estes anéis estão em contacto com escovas que, por sua vez, ligamos os enrolamentos do rotor ao circuito exterior. Enrolamentos 4 , k s 4 Anéis colectores 3 , a E. o + a + st é - Pa i “Terminais para ligar Escovas o circuito exterior Figura 2.10 — Rotor bobinado. Este tipo de motor é, normalmente, de potência elevada e destina-se a arranques de cargas com elevado binário resistente e grande inércia. Permite arranques suaves e progressivos recorrendo a resistências, chamadas rotóricas, ligadas, através das escovas e dos anéis colectores, em série com o enrolamento trifásico do rotor. Enrolamentos do rotor Escovas A —— A Resistências rotóricas Figura 2.11 — Motor de rotor bobinado. 32 O ETEP — Edições Técnicas e Profissionais Motores de Indução Resumindo: Campo magnético girante no estator I O campo magnético induz f.e.m. no rotor I Circulam correntes no rotor que criam um campo magnético I Interacção entre o campo girante do estator e o campo gerado no rotor I O rotor roda 2.1.4. VELOCIDADE DO MOTOR A velocidade síncrona (n,) de um motor é aquela que corresponde à velocidade de rotação do campo girante. Depende do número de pólos (p) do motor e da frequência (/) da tensão de alimentação. O seu valor é dado pela seguinte expressão: n,— velocidade do campo girante (r.p.m.), (min) f-— frequência da corrente (Hz) p— número de pólos do motor hs = po? bp A velocidade nominal (n,) do motor de indução é ligeiramente inferior à velocidade do campo girante (velocidade de sincronismo) e varia com a carga mecânica aplicada ao eixo. O motor de indução possui escorregamento. Da expressão de n, conclui-se, por exemplo, que a velocidade síncrona de um motor de indução com quatro pólos, alimentado por uma fonte trifásica de 50 Hz, é de 1500 r.p.m. À velocidade nominal do motor é ligeiramente inferior devido ao escorregamento. & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais 35 Motores Electricos 2.1.5. PERDAS NO MOTOR Em funcionamento como motor, a máquina absorve potência eléctrica da rede e fornece potência mecânica no veio. Este é o modo de funcionamento mais comum da máquina assíncrona. As perdas que ocorrem num motor são, essencialmente, as seguintes: e Perdas eléctricas; e Perdas magnéticas; e Perdas mecânicas. As perdas eléctricas aumentam acentuadamente com a carga aplicada ao motor. Estas perdas são devidas ao efeito de Joule, os condutores dos enrolamentos aquecem devido ao aumento da corrente. Podem ser reduzidas aumentando a secção dos condutores. As perdas magnéticas ocorrem nas lâminas de ferro do estator e do rotor. São devidas ao efeito de histerese e às correntes induzidas (correntes de Foucault), variam com a densidade do fluxo e a frequência. Estas perdas podem ser reduzidas através do aumento da secção do ferro no estator e no rotor, do uso de lâminas delgadas e do melhoramento dos materiais ferromagnéticos. As perdas mecânicas são devidas, essencialmente, ao atrito das partes móveis: rolamentos. ventilação e perdas devido à oposição do ar. Podem ser reduzidas usando elementos com baixo atrito e aperfeiçoando os sistemas de ventilação. TE Potência Motor Eléctrica > ( Eléctrico > Potência Mecânica 1 Perdas Figura 2.14 — Perdas no motor. O motor eléctrico transforma a potência eléctrica (P.;) absorvida em potência mecânica (P mec) € uma pequena percentagem em perdas. As perdas, que são inerentes ao processo de transformação, são quantificadas através do rendimento. Poe Pe 7 (1%) O rendimento do motor de indução trifásico é normalmente superior a 80%. 36 & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais Motores de Indução A potência mecânica traduz-se, basicamente, no binário que o motor produz no veio do rotor, Poli Figura 2.15 — Potência eléctrica/mecânica. 2.1.6. PLACA DE CARACTERÍSTICAS A placa de características dos motores industriais, fixada no corpo do motor, informa sobre o fabricante, sobre os valores nominais do motor e outros. ABB ABB Motors CE EB smoior M2QA 90 52 À IEC 341 SEQADITIDI-ASA EFE? ER 620503 4 BDOSICI|IPSS [InsclE “o y He em | KW | co) AS 2202404 [50/2850 [15 0.87 | 5.58 3280-4207 [50/2850 | 1.5 087 | 32 440-480Y |60 | 3420 [ 1.73 | 087 33% No 329 1H77M 2 kg Figura 2.16 — Exemplo de placa de características de motor trifásico. De referir que a potência (nominal) indicada na placa da máquina é a potência útil fornecida pelo veio do motor (Pe) e não a potência absorvida (2.,;). Para se determinar a potência eléctrica divide-se a potência mecânica pelo rendimento da máquina. 2.1.7. CAIXA DE LIGAÇÕES A caixa de ligações dos motores industriais possui no seu interior, para os motores trifásicos de uma velocidade, uma placa com seis bomes, marcados de acordo com a norma TEC 34-8 (EN 60034-8). Estes bornes destinam-se a ligar entre si os enrolamentos do motor e efectuar a ligação à rede eléctrica. & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais 37 Motores Eléctricos Placa de bornes lL=H=12=13 UI=UZ=U8=Uc/V3 P=V3UclLcosu Li E | É PE Figura 2.19 — Ligação dos enrolamentos em estrela. Placa de bornes UM, W2 L1 w2 uZO v2 H=2=I3=1L/V3 | Po Ui=U2=U3=Uc u VOO wi P=V3UciLcosu Lt | L2 o L3———>———>—— memo mererem PED to a Figura 2.20 — Ligação dos enrolamentos em triângulo. 2.1.8.2. ARRANQUE COM ARRANCADORES ELECTRÓNICOS Em aplicações em que o motor trabalhe à sua velocidade nominal pode-se utilizar, para realizar arranques suaves (soft start), arrancadores electrónicos. Estes eliminam os inconvenientes dos métodos de arranque clássicos. Possuem normalmente controlo da corrente de arranque, regulação do tempo de arranque e de paragem e regulação do binário de arranque. Os arrancadores evitam os choques mecânicos (saltos repentinos), como acontece no arranque estrela-triângulo, na aceleração das máquinas, aumentando consideravelmente os intervalos de manutenção, o que contribui para uma maior vida útil dos equipamentos. A redução de custo dos arrancadores tem vindo a permitir a expansão do seu uso nos mais variados tipos de aplicações. Por outro lado, quando há necessidade de se regular a velocidade de um motor de indução, utilizam-se variadores de velocidade. Estes controlam a frequência e a tensão aplicadas ao motor, permitindo o arranque suave e a regulação da velocidade durante o funcionamento do motor. 40 O ETEP — Edições Técnicas e Profissionais Motores de Indução 2.1.8.3. INVERSÃO DE MARCHA A inversão do sentido de rotação, com os enrolamentos ligados em estrela ou em triângulo, é obtida por troca de duas das fases que alimentam o estator do motor. Esta troca implica que o campo girante rode em sentido contrário. ml win L w te Ter s) o luz US vz uz UM wa TRIÂNGULO TRIÊNGULO ESTRELA ESTRELA Figura 2.21 — Inversão de marcha. 2.1.9. APLICAÇÕES O motor de indução trifásico de rotor em gaiola é actualmente o motor mais usado na indústria, dada a sua grande robustez, baixo preço e arranque fácil (pode mesmo ser directo, em motores de baixa potência). Também, porque a sua alimentação é fácil, através de corrente alternada trifásica, e o facto de não possuir colector nem escovas, não produz faíscas nem desgaste destes órgãos, tendo por isso uma manutenção muito reduzida. Associados a controladores electrónicos de velocidade, os motores de indução trifásicos tendem a assumir um papel de primazia nos accionamentos eléctricos industriais. O accionamento de máquinas e equipamentos mecânicos, por motores eléctricos, é um assunto de extraordinária importância económica. No campo de accionamentos industriais, avalia-se que entre 70% e 80% da energia eléctrica consumida, pelo conjunto de todas as indústrias, seja transformada em energia mecânica através de motores eléctricos. Destes, os mais utilizados são os motores de indução trifásicos em gaiola. & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais 41 Motores Elécíricos 2.1.10. MOTORES TRIFÁSICOS ALIMENTADOS EM MONOFÁSICO Em locais onde se disponha de equipamentos com motores de indução trifásicos mas a alimentação seja monofásica é possível, com o auxílio de condensadores, colocar a funcionar os motores trifásicos, desde que a sua potência seja pequena, a partir da rede monofásica (230 V). A utilização do condensador origina, tal como se pode constatar no capítulo referente aos motores de indução monofásicos, um campo girante que vai possibilitar a rotação do motor. Dispondo o motor trifásico de três bobinas, com seis bornes acessíveis, existem várias hipóteses de ligação das mesmas para se obter um funcionamento de acordo com os princípios do motor monofásico, sendo uma solução eficiente a que se mostra a seguir. Placa de bornes Us U2Z W2 Wa MV v2 230V L N Figura 2.22 — Motor com seis bornes acessíveis. Ligando desta forma as três bobinas do motor trifásico, obtêm-se dois enrolamentos; um principal formado pela bobina V1-V2 e outro auxiliar formado pelas outras duas bobinas ligadas em série. Ligando um condensador permanente, de valor adequado, em série com o enrolamento auxiliar, como se mostra, temos uma ligação e um funcionamento idêntico ao motor monofásico de condensador permanente. Como no motor monofásico, a inversão do sentido de rotação é efectuada por inversão do sentido da corrente num dos enrolamentos. A seguir mostram-se outras ligações que podem ser realizadas em motores com três ou seis bornes acessíveis na caixa de ligações. Caso o motor possua três bornes, internamente, os enrolamentos podem estar ligados em triângulo ou em estrela. 42 O ETEP — Edições Técnicas e Profissionais Motores de Indução ressonância, para tensões de trabalho de 450 V-: e Apesar de, actualmente, os condensadores possuírem uma resistência interna de descarga, antes de qualquer intervenção no motor ou no automatismo, deve-se assegurar que o condensador está descarregado. Notas: e As soluções apresentadas podem não funcionar bem com determinados motores. Nesse caso, é necessário experimentar outros valores de capacidade; e Alimentando motores trifásicos com tensão monofásica de 230 V, o binário de arranque é significativamente reduzido relativamente ao binário em trifásico. No caso do binário ser insuficiente, pode-se, dentro de determinados limites, para conseguir o arranque do motor, aumentar o valor da capacidade do condensador; e Num motor trifásico, funcionando com alimentação monofásica, a sua potência desce relativamente à potência com alimentação trifásica. Cuidado! Ter em conta que ao ligar-se um motor trifásico em monofásico, a corrente de alimentação e nos enrolamentos do motor, dependendo da forma como estes forem ligados, pode aumentar relativamente à ligação em trifásico, mesmo estando o condensador bem dimensionado. Há assim necessidade de se reajustarem as protecções do motor. Também, devido a fenómenos de ressonância, que podem ocorrer, a corrente nos enrolamentos pode aumentar de forma significativa. Antes da ligação definitiva de um motor trifásico alimentado em monofásico, deve-se ensaiar a montagem em carga e efectuar as leituras necessárias, caso contrário, os enrolamentos do motor podem ser sujeitos a um aquecimento exagerado e consequentemente, à sua deterioração. ed & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais 45 Motores Eléctricos 2.2. MOTORES DE INDUÇÃO MONOFÁSICOS Os motores de indução monofásicos (Single-Phase Induction Motors) são assim chamados porque os seus enrolamentos são alimentados por tensão monofásica (230V). Estes motores são menos utilizados na indústria que os seus homólogos trifásicos, mas ocupam um espaço importante nos motores de pequena potência. Os motores de indução monofásicos são a alternativa aos motores de indução trifásicos onde não se dispõe de alimentação trifásica, como é, geralmente, o caso de instalações residências e comércio. Têm aplicação, por exemplo, em: máquinas de lavar, frigoríficos, bombas de água, ventiladores, ar condicionado, sistemas de frio, ferramentas eléctricas, etc. Figura 2.27 — Motor de indução monofásico industrial. Para a mesma potência, relativamente ao motor trifásico, o motor de indução monofásico é mais volumoso, apresenta menor binário de arranque e nominal, possui rendimento e factor de potência inferiores e, para as mesmas potências, um preço mais elevado. Também possui vibração mecânica (ruído) superior. Contrariamente ao motor trifásico, que arranca directamente a partir da rede eléctrica, o motor monofásico necessita de um enrolamento auxiliar para arrancar por si. 46 O ETEP — Edições Técnicas e Profissionais Motores de Indução 2.2.1. CONSTITUIÇÃO O motor monofásico tem uma constituição interna semelhante à do trifásico, com a diferença de que o estator, na sua forma mais simples, tem apenas um enrolamento, formado por duas bobinas alimentadas por fase (L) e neutro (N) da rede. L N precemdd POÇO (essa =] ' | . 166 SON PI ) | ERCS O Rotor S ÃO o LL. o o Ê 4 ae A NE a pe” dd E dg aa VE ai | f Figura 2.28 — Estrutura simplificada do motor de indução monofásico. O rotor é constituído por um núcleo ferromagnético do tipo gaiola de esquilo, não sendo o rotor bobinado utilizado nestes motores. 2.2.2. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Por ter somente uma fase de alimentação, este motor, quando se alimenta o estator, a corrente alternada produz um campo magnético que, em vez de ser girante como nos motores trifásicos, é pulsante. Este campo magnético, embora a sua intensidade varie e mude de sentido, está sempre na mesma direcção. Havendo variação do fluxo nos condutores do rotor, geram-se, de acordo com a lei de Faraday, forças electromotrizes induzidas (f.e.m.) nesses condutores. Como os condutores estão em curto-circuito, os mesmos são percorridos por correntes induzidas. Estas correntes induzidas, de acordo com a lei de Lenz, têm um sentido tal que, pelas suas acções magnéticas, tendem a opor-se à causa que lhes deu origem. Ou seja, no rotor vai ser gerado um campo magnético que tende a opor-se ao campo magnético do estator. Para se opor, os dois campos têm de possuir pólos contrários. Como o campo do estator não roda, o campo do rotor, que se lhe opõe, também não. O rotor vibra mas não roda. Contudo, da teoria dos campos electromagnéticos sabe-se que um campo magnético originado por uma corrente alternada sinusoidal é equivalente a dois campos girantes de iguais valores rodando em sentido contrário e à mesma velocidade, sendo o binário do motor igual à soma dos binários de cada um dos campos girantes. Ver figura seguinte. O ETEP — Edições Técnicas e Profissionais 47 Motores Electricos 45º goº La 135º 180º 225º 270º 315º 360º Figura 2.32 — Funcionamento do motor monofásico considerando as correntes desfasadas de 90º. Após o arranque, o enrolamento auxiliar pode ser desligado, seguindo o rotor o campo girante do enrolamento principal que roda nesse sentido. Na fase de arranque, o motor funciona como se a sua alimentação fosse bifásica. Na prática, para além do enrolamento auxiliar, outros elementos podem ser utilizados para se 50 O ETEP — Edições Técnicas e Profissionais Motores de Indução obter um desfasamento entre as correntes do enrolamento principal e do enrolamento auxiliar. Dependendo da técnica utilizada, os motores de indução monofásicos podem ser classificados do seguinte modo: e Motor de fase dividida (Sp/it Phase — SP); e Motor de condensador de arranque (Capacitor Start — CS ou Capacitor Start Induction Run — CSIR); e Motor de condensador permanente (Permanent Split Capacitor — PSC); e Motor de dois condensadores (Capacitor Start Capacitor Run — CSR ou CSCR); º Motor de pólos sombreados (Shaded Pole). Esta lista não esgota o tipo de motores monofásicos e, dentro de cada um dos tipos indicados, existem diferenças. Estas dependem das marcas é dos modelos. 2.2.3. MOTOR DE FASE DIVIDIDA (SPLIT PHASE) O motor de fase dividida ou repartida é o motor de indução monofásico mais simples. O seu estator, tal como noutros motores monofásicos, é constituído por dois enrolamentos: um enrolamento principal (running), que recebe energia durante todo o tempo de funcionamento do motor, e um enrolamento auxiliar (starting), que se destina a criar O campo girante, na fase de arranque, que possibilite a rotação do motor. Estes enrolamentos, num motor de dois pólos, formam entre si um ângulo de 90º eléctricos. Num motor de quatro pólos, formam um ângulo de 45º. Dispositivo de abertura Eta Enrolamento principal Entolamento aumiliar Figura 2.33 — Esquema de ligação do motor de fase dividida. & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais 51 Motores Eléctricos O enrolamento principal, possui mais espiras e fio de maior secção que o enrolamento auxiliar, tem menor resistência e maior ou idêntica reactância indutiva (X,), sendo o quociente reactância/resistência (X,/R) mais elevado no enrolamento principal. Estando os enrolamentos ligados em paralelo com a rede, consegue-se, desta forma, que a corrente no enrolamento auxiliar (Ia) esteja em avanço (cerca de 30º) em relação à corrente no enrolamento principal (Tp). ol Figura 2.34 — Desfasamento entre as correntes nos enrolamentos. Figura 2.35 — Diagrama vectorial do motor de fase dividida. O desfasamento conseguido entre as correntes, embora seja pequeno, é suficiente para colocar em funcionamento motores com baixo binário de arranque. Após o arranque, uma vez que a velocidade passa a ser diferente de zero, o enrolamento auxiliar pode ser desligado, seguindo o rotor um dos campos girantes do enrolamento principal. Graficamente, a situação pode ser vista na figura seguinte. 52 O ETEP — Edições Técnicas e Profissionais Motores de Indução NUCA de o. ' Enr. principal + Enr. auxiliar com Ca Ea — Abertura ii 4 Em auxiliar Mas 2 br e pa as ! peça D hs mémin!) Figura 2,39 — Binário do motor de condensador de arranque. Após abertura do circuito do condensador, o funcionamento do motor é idêntico ao do motor de fase dividida. Como este motor apresenta um elevado binário de arranque (Ma>2 Mn) e uma corrente de arranque relativamente baixa (Ta=5 In), ele pode ser utilizado numa grande variedade de aplicações, como: compressores, bombas de água, equipamentos rurais, ferramentas e máquinas industriais em geral. Para inverter o sentido de rotação do motor, troca-se as polaridades da alimentação do enrolamento auxiliar ou do enrolamento principal (não de ambas). 2.2.5. MOTOR DE CONDENSADOR PERMANENTE (PERMA NENT SPLIT CAPA CITOR) Neste tipo de motor, o enrolamento auxiliar e o condensador ficam permanentemente ligados. Cp | | 1 = a, e = E , "a Za o “+ 4 —— mê a BRotor CEO tu a! 220% ii a O Enrolarmento aumiliar Figura 2.40 — Esquema de ligação do motor de condensador permanente. & ETEP - Edições Técnicas e Profissionais 55 Motores Eléctricos O condensador é do tipo permanente (Run), possui dieléctrico em polipropileno metalizado e, tal como no motor anterior, destina-se a criar um campo girante, na fase de arranque, que possibilite a rotação do motor. O condensador é dimensionado para a corrente em condições normais de funcionamento, como a corrente de arranque é muito superior à corrente nominal, um condensador dimensionado para a corrente nominal deixa de o ser para a corrente de arranque. Por isso, o condensador permanente tem valor inferior ao condensador de arranque. Possuindo o condensador permanente valor inferior ao condensador de arranque, o binário de arranque deste motor também é inferior ao do motor anterior, mas, como o condensador fica permanentemente ligado, o motor apresenta um razoável binário nominal, um factor de potência melhorado e uma menor vibração. Este motor pode ter os dois enrolamentos praticamente iguais, sendo, neste caso, o condensador o único responsável pela desfasagem entre as correntes. A inversão do sentido de rotação realiza-se como no motor com condensador de arranque. Construtivamente, o motor de condensador permanente tem uma manutenção muito baixa, uma vez que não utiliza interruptor centrífugo ou outro dispositivo para desligar o enrolamento auxiliar. Como o binário de arranque do motor não é elevado, ele é utilizado em equipamentos que não necessitem de um grande esforço no arranque, tais como: ventiladores, exaustores, electrobombas, compressores, serras eléctricas, esmeriladoras, etc. 2.2.6. MOTOR DE DoIs CONDENSADORES (CAPACITOR START CAPACITOR RUN) Este motor possui condensador de arranque e condensador permanente, ligados como se mostra a seguir: Dispositivo de abertura 4] = E— SE o sê Lã 23 Hi MU Enrolamento aumiliar Figura 2.41 - Esquema de ligação do motor de dois condensadores. 56 O ETEP — Edições Técnicas e Profissionais Motores de Indução Para ultrapassar a situação de um só condensador não ser capaz de criar as condições ideais no arranque e no funcionamento normal, o motor utiliza dois condensadores: um de maior capacidade, utilizado apenas na fase de arranque (Start), e outro de menor capacidade (Run), para utilização no funcionamento normal. Os dois condensadores, na altura do arranque, estão ligados em paralelo, a capacidade total é igual à soma da capacidade do condensador permanente com a capacidade do condensador de arranque. Após o arranque, o condensador de arranque (Ca) é desligado e o condensador permanente (Cp) fica ligado em série com o enrolamento auxiliar. A inversão do sentido de rotação faz-se por troca da polaridade da alimentação de um dos enrolamentos. Este motor apresenta um bom binário de arranque e um bom binário nominal, sendo normalmente utilizado em compressores, transportadores, electrobombas, etc. MN my de Enr. principal + Enr. auxiliar com Ca e Cp À pi Abertura a “ a Enr, auxiliar Maz2,5Mn pe É | o As nqmin Figura 2.42 — Binário do motor de condensador de arranque e permanente. Possuindo o motor dois condensadores e dispositivo de abertura do circuito do condensador de arranque, o seu custo é mais elevado. Nota: A regulação de velocidade nos motores de indução monofásicos, tal como nos motores de indução trifásicos, só é possível por variação da frequência da corrente de alimentação ou por alteração do número de pares de pólos do estator. O ETEP — Edições Técnicas e Profissionais 57 Motores Eléctricos 2250; ms Loaroe | segs 0º 45º 90º 135º LE 10º À t Figura 2.47 — Corrente de alimentação e fluxo magnético. Sendo o motor alimentado pela corrente indicada na figura anterior e sendo o fluxo proporcional à corrente, de 0º a 90º há um aumento de fluxo, o que provoca a diminuição do campo magnético na zona abraçada pela espira e o aumento fora dessa zona. O campo magnético, no pólo, é mais intenso fora da zona da espira do que na zona da espira, Em 90º, o fluxo atinge o seu valor máximo, nesse momento não há variação, não sendo, por isso, na espira, gerado fluxo. O campo magnético não sofre distorção, distribui-se uniformemente por todo o pólo. De 90º a 180º o fluxo diminui, o que provoca um reforço do campo no interior da espira e uma diminuição fora dessa zona. O campo magnético no pólo é mais intenso na zona da espira do que fora dessa zona. Sendo o motor alimentado com corrente alternada sinusoidal, na alternância seguinte o efeito repete-se, mudando o fluxo de sentido. Com este processo, em cada pólo do estator, criam-se fluxos ligeiramente desfasados entre si. A resultante destes fluxos origina um campo magnético que se desloca ao longo das faces dos pólos do estator, ver figura seguinte. Deste modo, consegue-se criar um pequeno campo girante mas suficiente para movimentar motores de fracos binários. O sentido de rotação do motor de pólos sombreados depende do lado em que se situam as espiras e, consequentemente, este motor apresenta um único sentido de rotação. Quanto ao desempenho, estes motores apresentam baixo binário de arranque, baixo rendimento, baixo factor de potência e elevado escorregamento. Os motores com pólos sombreados são fabricados para pequenas potências e, pela sua simplicidade, robustez e baixo custo, são ideais em aplicações onde os requisitos de binário de arranque sejam baixos: pequenas bombas de água, nomeadamente a que retira a água do tambor da máquina de lavar, compressores ventiladores, desumidificadores, exaustores, unidades de refrigeração, secadores de roupa e de cabelo, etc. 60 O ETEP - Edições Técnicas e Profissionais Motores de Indução Figura 2.48 —- Campo girante do motor de pólos sombreados, de acordo com a figura 2.47. O ETEP - Edições Técnicas e Profissionais 61 Motores Eléctricos 2.2.8. CONDENSADORES PARA MOTORES 2.2.8.1. CONDENSADORES DE ARRANQUE (Char) Os clássicos são fabricados em tecnologia "electrolítica”, não são polarizados e apresentam normalmente a forma de tubo de alumínio. Os modernos fabricam em tecnologia de filme de polipropileno metalizado com dieléctrico seco e auto-regenerante. Os condensadores de arranque estão dimensionados para funcionarem apenas no momento de arranque, são fabricados para serviço intermitente e com especificações próprias para arranque de motores. Motores de 1,1 kW é normal possuírem um condensador de arranque entre 50 uF e 100 uF, com tensão de trabalho de 450 V-. 2.2.8.2. CONDENSADORES PERMANENTES (Cn) São condensadores secos auto-regenerantes em tecnologia de filme de polipropileno metalizado. Estes condensadores são para uso contínuo e para tensões de trabalho, normalmente, de 450 V-=, Motores de 1,1 kW é normal possuírem um condensador permanente entre 30 uF e 40 uF, com tensão de trabalho de 450 V-. Cuidado! Apesar de, hoje em dia, os condensadores possuírem normalmente uma resistência interna de descarga, antes de qualquer intervenção no motor ou no automatismo, deve-se assegurar que os condensadores estão descarregados. 2.2.9. DISPOSITIVOS DE LIGAÇÃO DO ENROLAMENTO AUXILIAR São dispositivos mecânicos, electromecânicos ou electrónicos, que ligam o enrolamento auxiliar durante a fase de arranque do motor. 2.2.9.1. INTERRUPTOR CENTRÍFUGO Dispositivo mecânico acoplado ao veio do motor. Quando o motor atinge uma determinada velocidade (70% a 80% da velocidade nominal), um contacto eléctrico, actuado mecanicamente pela força centrífuga, afasta-se e abre o circuito do enrolamento auxiliar. O interruptor centrifugo é tipicamente usado em motores industriais. 62 O ETEP — Edições Técnicas e Profissionais Motores de Indução 2.2.11. CAIXA DE LIGAÇÕES (Motor industrial) A caixa de ligações possui no seu interior, tanto para os motores trifásicos de uma velocidade como para os motores monofásicos actuais, uma placa com seis bornes. Estes bornes destinam-se a ligar entre si os enrolamentos do motor e efectuar a ligação à rede eléctrica. A marcação dos bornes deve ser feita de acordo com a norma internacional TEC 34-8 (EN 60034-8): enrolamento principal (running), identificado com as letras "UI" e "U2º, e enrolamento auxiliar (starting), com as letras "Z1" e "Z2". Contudo, alguns fabricantes utilizam nos motores monofásicos as placas de bornes dos motores trifásicos e as letras destes. A utilização de placas com seis bornes, nos motores monofásicos, possibilita, de uma forma simples, por alteração de shunts, colocar facilmente o motor a funcionar num sentido de rotação ou noutro. Os esquemas de ligação estão, normalmente, desenhados na parte interior da tampa da caixa de ligações. Para além dos bornes respeitantes aos enrolamentos, a caixa também possui um borne para ligação à terra. Esta ligação é obrigatória e deve ser realizada de acordo com a regulamentação em vigor no país. Os condutores dos cabos que ligam na placa de bornes devem possuir secção adequada à corrente de alimentação do motor e serem equipados com terminais adaptados à secção dos condutores e aos parafusos da placa. 2.2.12. LIGAÇÃO DE MOTORES MONOFÁSICOS 2.2.12.1. MOTORES DE CONDENSADOR PERMANENTE (Cp) fo) Rot. A La 42 4 A EEE” / " duxiliar r e A qa Dis / Ê. É Ê | a az f N , O O) ua Principal Wi " NEW | | | Li mn Li Figura 2.52 — Placa de bornes do fabricante CEG, rotação num sentido. & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais 65 Motores Eléctricos Rot. B (0% cp 1 11 WB a U2 - o f Wrz uz va ae o gs uxiiaçã cp va C O os us Principal Wi dc Ad vi WU A | | | il E Li ” Figura 2.53 — Placa de bornes do fabricante CEG, rotação em sentido oposto. Nas figuras anteriores, porque o fabricante utiliza placas de bornes de motores trifásicos, os terminais das bobinas têm as seguintes designações: º Enrolamento principal: Ul-Wi e Enrolamento auxiliar: VI -W2 2.2.12.2. MOTORES DE CONDENSADOR PERMANENTE (Cp) E DE ARRANQUE (Ca) pi, £ o ) Rot. A a p vi UZ E cana e Ea ad Nun / O DM E e + LB fo / * Ps Ca | | É cE; , o Ed Wide vz Ed A sz Principal Wiz PN. | | | Lã mn bl Figura 2.54 — Placa de bornes do fabricante CEG, rotação num sentido. 66 & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais Motores de Indução fuxiliar 151 Principal Wa Li Ba Figura 2.55 — Placa de bornes do fabricante CEG, rotação em sentido oposto. A ligação do condensador de arranque pode ser efectuada com um interruptor de comando manual ou automaticamente com interruptor centrífugo, relé de intensidade, relé electrónico ou através de um automatismo, 2.2.12.3. MOTORES ANTIGOS Em motores antigos é possível que as placas possuam quatro bornes (figura seguinte) com as letras indicadas. Buxiliari Figura 2.56 — Placa de bornes antiga. & ETEP - Edições Técnicas e Profissionais 67 Motores Eléctricos são percorridos por correntes com o mesmo sentido, sendo, portanto, segundo a lei de Laplace, sujeitos a forças com um mesmo sentido. Os condutores situados sob o outro pólo são sujeitos a forças iguais mas com sentido oposto. As duas forças criam um binário que faz girar o rotor (ver capítulo 1.1.2 — funcionamento do motor de CC). Como a alimentação é alternada sinusoidal, em cada período há inversão do sentido do campo magnético do estator e da corrente no rotor, contudo, como os enrolamentos do estator e do rotor estão ligados em série, a inversão acontece em simultâneo, logo, o binário não inverte e a máquina roda continuamente no mesmo sentido. Para reduzir as perdas por correntes de Foucault e, deste modo, baixar o aquecimento, neste motor, é obrigatório que o seu circuito magnético seja laminado. O motor universal, quer funcione em corrente contínua, quer funcione em corrente alternada, possui reacção magnética do induzido. Esta reacção distorce o campo magnético indutor e origina o aparecimento de arcos eléctricos entre as lâminas do colector e as escovas. Para minimizar este efeito, que degrada o colector e principalmente as escovas, em algumas máquinas, existe, em série com o enrolamento do estator e do rotor, um terceiro enrolamento, designado de enrolamento de compensação. A finalidade, tal como no motor DC, é criar um campo magnético contrário ao campo de reacção do induzido, repondo o campo inicial. O motor com este enrolamento designa-se de motor série monofásico compensado (figura seguinte). Enrolamento compensação Indutor o Ad Induzido Alimentação &—————————em mm Figura 3.3 — Esquema de ligação do motor série compensado. Embora a potência do motor universal seja, normalmente, baixa, a velocidade de rotação em vazio pode atingir valores bastante elevados (vários milhares de r.p.m.). A inversão do sentido de rotação é obtida por troca da polaridade da tensão de alimentação do enrolamento do estator ou do rotor, não de ambos. O controlo da velocidade do motor é obtido por variação da tensão aplicada: quanto maior a tensão, maior a velocidade. Este controlo pode ser realizado electronicamente por um circuito de variação do ângulo de fase ou por um circuito de PWM (Modulação de Largura de Impulso). 70 & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais Motor Universal 3.3. APLICAÇÕES Os motores universais não são adequados para aplicações que requeiram velocidade constante, conforme se pode verificar pela curva do binário do motor (figura seguinte). Pi de N e * GL Figura 3.4 — Curva do binário em função da rotação, Curva idêntica à do motor série de CC, a relação entre o binário e a velocidade é inversa, quando uma cresce a outra diminui, a velocidade depende da carga. Assim, para binários muito pequenos, o motor tende a “embalar” (atingir velocidades muito elevadas), podendo os enrolamentos do rotor ser destruídos pela força centrífuga. Por esta razão, não devem ser utilizados motores deste tipo quando há a possibilidade, durante o funcionamento, de o velo ficar sem carga. Em máquinas pequenas o perigo não existe porque os atritos já constituem binário resistente suficiente para que tal não aconteça. O custo do motor universal é relativamente baixo e, como é compacto e fornece um bom binário de arranque, tem grande utilização em situações onde é necessário alto binário e baixo peso, como é o caso de ferramentas eléctricas portáteis: berbeguins, aparafusadoras, serras, etc. Também tem grande utilização em electrodomésticos como: aspiradores, secadores de cabelo, trituradoras, varinhas mágicas, moinhos de café, etc. Actualmente, também são utilizados por alguns fabricantes no accionamento do tambor das máquinas de lavar. A sua grande desvantagem é possuir colector e escovas, órgãos sujeitos a desgaste e, consequentemente, susceptíveis a avarias. & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais A  Motores Síncronos Para ser possível o arranque do motor é necessário criar-se um campo girante. Este é obtido, tal como nos motores monofásicos, por meio de pólos sombreados ou de um enrolamento auxiliar colocado a 90º eléctricos com o enrolamento principal. Outro processo que se pode utilizar, em motores de potência reduzida, é a assimetria no campo magnético do estator. Os motores síncronos monofásicos de baixa potência possuem um rotor de íman permanente. Alimentando-se o estator e utilizando-se um dos processos de arranque atrás referidos, o motor arranca e sincroniza com um dos campos girantes da alimentação monofásica. O pólo N do íman é atraído pelo pólo S do campo girante e vice-versa, funcionando o motor à velocidade síncrona. Os motores síncronos monofásicos também podem rodar em ambos os sentidos. Na figura 4.4 mostra-se um processo de inversão de marcha. Figura 4.4 — Motor monofásico com dois sentidos de rotação. Neste caso, o estator é constituído por dois enrolamentos iguais, sendo o condensador utilizado para provocar o desfasamento entre as correntes nos enrolamentos, criando assim o campo magnético girante necessário à rotação do motor, num sentido ou noutro, dependendo da posição do comutador. Electricamente, pode-se variar a velocidade de rotação utilizando-se um conversor de frequência. Mecanicamente, utilizando-se engrenagens, é possível reduzir a velocidade de rotação do motor. Figura 4.5 — Motor sincrono com engrenagens (motor do prato de microondas). & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais 75 Motores Eléctricos 4.2. MOTOR SÍNCRONO TRIFÁSICO 4.2.1. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO O motor síncrono trifásico (Synchronous Three-Phase Motor) possui um estator semelhante ao do motor de indução trifásico; três enrolamentos, fases A, Be €, dispostos com ângulos de 120º entre si. Estes enrolamentos, tal como estudado para o motor de indução trifásico, criam um campo magnético girante quando alimentados por um sistema de tensões trifásico. Se o rotor do motor for constituído por um íman permanente, e a inércia do próprio e da carga aplicada ao veio for pequena, o íman entra em rotação e alcança a velocidade do campo girante. iman permanente Campo magnético girante Figura 4.6 — Motor síncrono trifásico de íman permanente. O íman tem o seu próprio campo magnético que interage com o campo magnético girante do estator. O pólo N é atraído pelo pólo S e vice-versa, os pólos do rotor “engrenam” com os pólos do campo girante do estator e rodam em sincronismo com este. Este tipo de motor designa-se por: Motor Síncrono Trifásico de Iman Permanente (PM Three-Phase Synchronous Motor). É utilizado em movimentações que não exijam grande binário e apresenta como vantagem o facto de rodar com velocidade constante e uma baixa manutenção, uma vez que não possui escovas nem colector. Em motores de média/alta potência, o rotor de íman permanente é substituído por um rotor formado por um enrolamento — enrolamento de campo — com vários pólos magnéticos (electroímanes). Esta disposição possibilita a criação de fortes pólos magnéticos no rotor. Possuindo estes motores arranque autónomo, o rotor do motor, para além dos electroífmanes, possui uma estrutura idêntica à do motor de indução de gaiola, sendo o enrolamento da gaiola, neste caso, designado por enrolamento amortecedor. Este tipo de motor síncrono necessita de uma fonte de corrente contínua, designada de excitatriz, para alimentar o enrolamento de campo que magnetiza os pólos do rotor. 76 & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais Motores Sincronos 4.2.2. TIPOS DE EXCITATRIZES O enrolamento do rotor pode ser alimentado através de um sistema mecânico com escovas (excitatriz estática) ou através de um sistema sem escovas (brushless) e com controlo electrónico (excitatriz girante). 1. Excitatriz com escovas (estática) Trata-se do sistema clássico. Neste tipo de excitatriz, o enrolamento de campo é alimentado através de anéis colectores e escovas. Este sistema, uma vez que possui contactos deslizantes, está sujeito a desgaste e avarias. Também exige uma manutenção mais frequente para limpeza do pó resultante do desgaste das escovas. Barras do rotor Tensão DG Anéis colectores Figura 4.7 — Motor síncrono com escovas. 2. Excitatriz sem escovas (brushless) Motores síncronos com sistema de excitação brushless possuem uma excitatriz girante, normalmente localizada num compartimento na parte de trás do motor. A excitatriz funciona como um gerador de corrente alternada. O seu rotor está localizado no eixo do motor e é formado por um enrolamento trifásico. O estator fixado à carcaça é formado por um enrolamento, com pólos alternados N-S, que é alimentado por uma fonte de tensão contínua externa. A tensão trifásica gerada no rotor de excitatriz é rectificada e utilizada para alimentar o enrolamento de campo do rotor do motor síncrono. Rodando o rotor da excitatriz solidário com o rotor do motor sincrono, não há necessidade de escovas nem de colectores para transferir a energia de um para o outro. Com este processo, controla-se a tensão de alimentação do enrolamento de campo do rotor do motor síncrono, através da tensão aplicada no estator da excitatriz. Esta solução evita o uso de escovas e de anéis colectores na constituição do motor, o que se traduz numa máquina com uma baixa manutenção. & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais 71  5, MOTORES DE RELUTÂNCIA Embora os motores de indução sejam maioritariamente utilizados na indústria e dificilmente possam ser substituídos, a procura de motores ainda mais eficientes e mais robustos tem motivado a pesquisa de novas máquinas. De entre as novas máquinas, os motores de relutância! têm, na última década, vindo a receber um interesse crescente devido às suas potenciais vantagens: baixo custo de fabrico, construção simples e robusta, alta fiabilidade, baixa manutenção e desempenho elevado. São motores que não possuem escovas nem ímanes permanentes no rotor. 5.1. MOTOR DE RELUTÂNCIA COMUTADO Os motores de relutância comutados (Switched Reluctance Motors — SRM), também conhecidos por motores de relutância variáveis (VRM), são motores que apresentam grandes vantagens, comparados com outros tipos de motores: construção simples, perdas baixas no rotor, bom binário, etc. Contudo, necessitam de um controlador electrónico para funcionarem. Uma das razões que tem impedido a utilização deste motor em larga escala é a existência de oscilações no binário. Todavia, este problema, bem como o ruído audível gerado no seu funcionamento, têm vindo a ser melhorados pelos fabricantes, abrindo-se excelentes expectativas para este tipo de motor. Actualmente, o motor SRM já possui uma pequena parcela do mercado dos accionamentos de velocidade variável de baixa e média potência, sendo utilizado, nomeadamente, em electrodomésticos e equipamentos industriais. 5.1.1. CONSTITUIÇÃO O motor de relutância comutado possui um estator e um rotor, ambos com pólos salientes, em material ferromagnético laminado para reduzir as perdas. Os pólos do estator possuem enrolamentos que são alimentados através de um controlador electrónico. O rotor não possui enrolamentos, nem ímanes permanentes, nem gaiolas para arranque. Daí tratar-se de um elemento robusto e barato. Os enrolamentos do estator (fases), de pólos diametralmente opostos, estão ligados em série de forma a criarem pólos magnéticos N-S quando alimentados. A figura seguinte mostra a estrutura básica de um motor de relutância com três fases: seis 1 Relutância é o equivalente magnético da resistência eléctrica. O fluxo magnético do estator, tal como a corrente eléctrica, procura o caminho mais fácil (de menor relutância). €& ETEP — Edições Técnicas e Profissionais 81 Motores Eléctricos pólos no estator e quatro no rotor (configuração 6/4). Outras configurações são possiveis, das quais, a que possui quatro fases: oito pólos no estator e seis no rotor (configuração 8/6) também é usual. Um número mais elevado de fases implica uma redução da oscilação do binário e um funcionamento com velocidade mais suave. Também um controlador mais complicado e mais condutores de ligação. 82 Fase A Fase & Estator-6 pólos d Rotor - 4 pólos Figura 5.1 — Corte transversal do motor de relutância comutado de 6/4. Figura 5.2 — Estator e rotor de um motor de relutância comutado de 8/6. Figura 5.3 — Estator e rotor de um motor de relutância comutado de 12/8. O ETEP — Edições Técnicas e Profissionais Motores de Relutância Uma vez que o funcionamento do motor de relutância variável não se baseia nas leis de atracção e repulsão entre pólos magnéticos, mas sim no princípio da relutância mínima, o sentido de passagem da corrente nos enrolamentos é indiferente. Esta característica simplifica a construção do controlador electrónico que alimenta os enrolamentos do estator. O controlador electrónico terá de excitar as fases tendo em conta a posição do rotor. A excitação é aplicada aos enrolamentos das fases somente quando um par de pólos do rotor se está a aproximar do alinhamento com os pólos do estator da fase em questão. Neste tipo de motor, as perdas de energia no rotor e na electrónica de comando são baixas, facilitando a gestão térmica do sistema. A posição do rotor é obtida recorrendo, tradicionalmente, a sensores de posição, por exemplo, sensores de efeito de hall, encoders, etc.). Todavia, para se evitar estes dispositivos, outras técnicas podem ser utilizadas, como a técnica sensorless, que permite determinar a posição do rotor sem que se utilizem sensores no motor. | | sensores de posição A CONVERSOR = ESTÁTICO E Controlo das sequências a a Figura 5.5 — Circuito de comando típico de um motor SRM com sensores. O ETEP — Edições Técnicas e Profissionais 85 Motores Eléctricos Quando uma fase é excitada, um binário é produzido de tal forma que o rotor se desloca para a posição de relutância mínima mais próxima. Assim que é desligada a excitação dessa fase e excitada a fase seguinte, o rotor continua a sua rotação, sendo atraído para a nova posição de relutância mínima. 5.1.3. VANTAGENS / DESVANTAGENS Vantagens: e Baixo custo de fabrico e rendimento elevado; e Aquecimento pouco significativo e limitado principalmente ao enrolamento do estator; e Possibilidade de operar em altas velocidades; e Alta resposta dinâmica em função da baixa inércia do rotor; e Elevado binário de arranque; e Bom binário a baixas velocidades; e Reduzida manutenção (não possui escovas nem colector); e Elevada fiabilidade e tempo de vida longo. Desvantagens: e Necessidade de um controlador electrónico para funcionar; e Necessidade de sensores para informar sobre a posição do rotor; e Estrutura duplamente saliente. Esta estrutura física com pólos no estator e no rotor gera oscilação no binário e aumenta o ruído audível. 5.1.4. APLICAÇÕES Devido à sua robustez, simplicidade e baixo custo de fabrico, o motor de relutância comutado é utilizado em electrodomésticos (aspiradores de pó, ventiladores, máquinas de lavar, etc.) e também em compressores, máquinas-ferramenta e veículos eléctricos. Ainda, em accionamentos industriais de velocidade variável, poderá vir a ter um largo campo de aplicação. 86 & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais Motores de Relutância 5.2. MOTOR DE RELUTÂNCIA SÍNCRONO O motor de relutância sincrono (Synchronous Reluctance Motor) é um motor sincrono para corrente alternada. Contudo, não possui excitatriz nem ímanes permanentes no rotor. 5.2.1. CONSTITUIÇÃO Os enrolamentos do estator são similares aos enrolamentos de qualquer máquina convencional, síncrona ou assíncrona, sendo alimentados através de tensão alternada trifásica, O rotor, na sua forma convencional, é em material ferromagnético, com pólos salientes, e possui um enrolamento tipo gaicla de esquilo. Este enrolamento, chamado de amortecedor, tem por finalidade possibilitar o arranque do motor como assíncrono e também o amortecimento das oscilações na operação síncrona. Caiola Figura 5.6 — Rotor com gaiola. Contudo, a existência da gaiola faz com que o motor apresente um desempenho inferior, comparativamente a outros accionamentos em corrente alternada. Apesar desta desvantagem, como se trata de um motor simples, robusto, fiável e de baixo custo de fabrico, encontra espaço em aplicações de pequena potência c em utilizações que necessitem de accionamentos com múltiplos motores, onde são requeridas velocidades rigorosamente iguais. Devido a constantes avanços tecnológicos, resultantes de novas pesquisas, têm-se desenvolvido novos tipos de rotor que dispensam a gaiola de arranque. Nestes novos motores utilizam-se rotores com uma acentuada assimetria do ponto de vista magnético. & ETEP — Edições Técnicas e Profissionais 87