Diese Präsentation wurde erfolgreich gemeldet.
Wir verwenden Ihre LinkedIn Profilangaben und Informationen zu Ihren Aktivitäten, um Anzeigen zu personalisieren und Ihnen relevantere Inhalte anzuzeigen. Sie können Ihre Anzeigeneinstellungen jederzeit ändern.

Ventiladores de teto principios de funcionamento e reparos.

5.438 Aufrufe

Veröffentlicht am

Conteúdo pesquisado na internete.

Veröffentlicht in: Ingenieurwesen
  • Loggen Sie sich ein, um Kommentare anzuzeigen.

Ventiladores de teto principios de funcionamento e reparos.

  1. 1. DICA – Conheça e conserte os ventiladores de teto 31 de dezembro de 2014eusebiopDeixe um comentárioGo to comments Fonte: https://dicasdozebio.com/2014/12/31/dica-conheca-e-conserte-os-ventiladores-de-teto/ 20 Votes Ventilador de teto Aeratron e503. Num dia muito quente, você liga o ventilador de teto e… nada. Tem energia elétrica, mas o motor do ventilador não dá qualquer sinal de vida. Ou apresenta qualquer destes defeitos: – Ventilador funciona lentamente ou não funciona, em todas as velocidades; – Não começa a girar, mas com uma “ajudinha”, ele funciona bem; – Certas velocidades estão muito baixas ou não funcionam; – O motor faz zumbido e a hélice pode ser girada faclmente, mas a rotação é livre, não se mantém. Será que queimou muita coisa? Estes problemas são muito frequentes e tem uma solução simples, a troca de um capacitor. Esta dica, inclusive, serve para quaisquer aparelhos que utilizem o mesmo tipo de acionamento (motores de indução com capacitor). Compreenda porque estes motores precisam de um ou mais capacitores para funcionar. Assista vídeos que demonstram os principios de funcionamento envolvidos. E conheça modelos diferentes (para dizer o mínimo) de ventiladores de teto e como eles podem ajudar a economizar energia, tanto no inverno como no verão.
  2. 2. Um alerta A corrente alternada Os ventiladores para uso doméstico geralmente utilizam o motor de indução monofásico, que não emprega escovas e que, para funcionar, deve ser energizado com corrente alternada (CA). Por não usar escovas, é um motor silencioso, durável e de baixa manutenção. Já nos liquidificadores e furadeiras, que devem ser pequenos e precisam de mais força (torque) no eixo, os motores são com escovas. São denominados universais, pois podem funcionar com corrente alternada ou contínua (CA e CC). E o barulho destes é bem conhecido… A energia elétrica distribuída pelas concessionárias é alternada. A maioria das localidades no Brasil recebe 220VCA (Volt em Corrente Alternada), ao passo que algumas capitais e vizinhanças, por conta dos sistemas legados dos primórdios da eletrificação, operam com rede de 127VCA. Essa distribuição é chamada de rede de baixa tensão, pois atende os consumidores residenciais e o comércio e a indústria de pequeno porte. Por padrão, a frequência da rede elétrica brasileira é 60Hz (Hertz), o que quer dizer que a polaridade da energia disponível na tomada muda 60 vezes por segundo. Figura 1 – Um ciclo de uma onda senoidal, composto por uma crista e um vale.
  3. 3. Figura 2 – Animação ilustrando como se origina uma onda senoidal. Fonte: Atlantico [1]. A onda senoidal, que caracteriza a corrente alternada, é formada por ciclos. Cadaciclo tem um pico positivo (crista) e outro negativo (vale), como visto na figura 1. O ciclo é também chamado de oscilação. O período (T) corresponde à duração de uma oscilação (um ciclo), em segundos. A frequência (f) é o inverso do período: f=1/T ou T=1/f Por exemplo, uma senoide que oscila na frequência de 60Hz tem 60 ciclos – 60 cristas e 60 vales – no intervalo de um segundo. O período do sinal de 60Hz é portanto: T=0,16667 segundos. Entre o começo e o final de um ciclo, há uma diferença de fase de 360º, correspondente a uma volta completa num círculo. Para compreender melhor a formação de uma onda senoidal a partir do círculo, assista a animação da figura 2. Observe que a origem da seta está sempre no mesmo ponto. A seta gira constantemente e a sua ponta indica a posição angular naquele instante, o que resulta na projeção de duas ondas senoidais, com o passar do tempo (aqui, o tempo é o eixo Z). Estas projeções tem defasagem de 90º e são denominadas, matematicamente falando, de seno e cosseno. O seno é a onda projetada na parede, em vermelho, ao passo que o cosseno é a projeção no chão (azul). A trigonometria (ver referências [1] até [6]), interessante área da matemática que estuda estes fenômenos a partir do círculo trigonométrico (também chamado de círculo unitário, porque o raio dele é 1, para facilitar os cálculos), está em todo lugar. O padrão senoidal – ou helicoidal, se pensarmos de forma tridimensional – faz parte de nossa vida, para onde quer que olhemos.
  4. 4. Uma nota musical, uma cor, um feixe de raio laser ou uma onda de rádio tem o formato perfeitamente senoidal, quando não há interferências ou modulações. Além da corrente alternada, as radiações de raio X ou de microondas também são senoidais. As fases da lua, as estações do ano, o ciclo solar, o modo de crescimento das plantas, o formato do DNA, a rotação dos planetas, etc., tudo tem como padrão básico a senoide. Tudo vai e volta, tudo evolui como numa espiral, que retorna ao mesmo ponto, só que um pouco além. Em outras palavras: tudo é vibração. As perturbações sofridas pelas ondulações são externas ao gerador da onda, como por exemplo as interações entre os planetas, que modificam as órbitas ideais dos astros. O conceito de que tudo é vibração cabe exatamente no princípio mais estudado da matemática e formulado em 1822 pelo matemático francês Jean-Baptiste JosephFourier, que diz: “Qualquer forma de onda complexa pode ser construída pela superposição de ondas senoidais puras, harmônicas particulares da onda fundamental” [7]. Falando de outra maneira, Fourier provou que é possível explicar matematicamente qualquer forma de onda periódica (que se repete no tempo), desde uma onda senoidal pura (uma só frequência) até uma onda quadrada (infinitas frequências). Esta teoria matemática é conhecida como análise de Fourier ou análise harmônica clássica, cujos termos mais comuns são a transformada de Fourier e as séries de Fourier (um caso particular da transformada). Quem quiser aprofundar-se neste assunto, deve ter o conhecimento de cálculo integral e diferencial e poderá consultar as referências [8] a [12]. Na UFPE[11], tem um applet para baixar, que ajuda a compreender as séries de Fourier e na MathWorks[12] pode-se observar de vários modos a evolução da série de Fourier até a onda quadrada. Quem gostou da animação da figura 2, poderá assistir outras muito interessantes, nas referências [13] a [25]. Selecionei links de diversas origens. Por exemplo, no sítio da Imgur [13] tem várias animações que são citadas na página francesa Atlantico [1], que se propõe a desmistificar a trigonometria para leigos. Vale a pena conferir. A trigonometria será melhor compreendida quando enxergarmos antes as relações entre as funções, do que partirmos logo para a abordagem matemática. Agora que temos uma ideia da origem da corrente alternada (CA), será necessário compreender o comportamento dos indutores e capacitores, considerando sua ligação em CA. Então estaremos prontos para falar dos motores de indução. Indutores Um indutor pode ser constituído de uma certa quantidade de espiras de fio esmaltado sobre um núcleo – de ar ou metálico. A figura 3 mostra um modelo de indutor e na figura 4, aparecem diversos tipos de indutores. O fio esmaltado é composto por um fio maleável, geralmente de cobre (mais fácil de soldar que o alumínio), coberto com uma camada de esmalte isolante, flexível e resistente a altas temperaturas. O esmalte funciona como a capa de plástico dos fios tradicionais, com a vantagem de diminuir o espaço entre as espiras adjacentes. A camada de esmalte deve ser removida para permitir a conexão elétrica das extremidades do indutor. Um enrolamento de motor elétrico é um indutor. A indutância de uma bobina – medida em Henry – aumenta com a presença de núcleo (especialmente o ferroso) e com a maior quantidade de espiras. Indutores tem como característica não aceitar mudanças bruscas de corrente. Este comportamento é chamado de reatância, que é medida em ohm (reatância indutiva, para os indutores). Portanto, os indutores atrasam a corrente CA em relação à tensão. A reatância indutiva diminui se reduzirmos a indutância ou diminuirmos a frequência.
  5. 5. Figura 3 – Modelo de indutor. Figura 4 – Indutores diversos. Além do indutor apresentar uma inércia para a corrente atravessá-lo, há a tendência dele continuar conduzindo após o desligamento, em razão da energia armazenada no enrolamento. Esta característica é usada, por exemplo, nas bobinas de ignição de automóveis, que geram a faísca para as velas no instante do desligamento do enrolamento primário, seja através do chaveamento com o antigo platinado ou com a atual ignição eletrônica. Se não for utilizada (consumida) a energia armazenada no indutor ao desligá-lo, ela irá dissipar-se rapidamente no componente. Para os sinais em corrente alternada, indutores comportam-se como filtros passa-baixas, pois bloqueiam as frequências acima da frequência de corte. Frequência de corte é aquela a partir da qual o indutor começa a atenuar o sinal que
  6. 6. o percorre. A razão de atenuação de um indutor é de 6dB/8a (6 decibéis por oitava), conforme a frequência vai aumentando. Uma oitava acima quer dizer o dobro da frequência inicial. Capacitores Sob certos aspectos, o capacitor é o complemento do indutor, pois apresenta o comportamento inverso (as curvas de tensão e corrente deles são uma o contrário da outra). O capacitor é formado por duas placas (armaduras), isoladas por um dielétrico (que pode ser de ar ou qualquer outro material isolante), como vemos no modelo da figura 5. Quanto maiores ou mais próximas forem as armaduras, mais alta é a capacitância (capacidade de manter carga elétrica). Figura 5 – Modelo de capacitor. Figura 6 – Modelo de capacitor multicamadas.
  7. 7. Figura 7 – Capacitor multicamadas de 22nF parcialmente desmontado.
  8. 8. Figura 8 – Capacitor multicamadas aberto,em detalhe.Pode-se perceber a folha de filme plástico rasgada no canto inferior direito do capacitor, deixando aparecer a camada inferior. Figura 9 – Modelo de capacitor bobinado. Fonte: University of St-Andrews [26].
  9. 9. Figura 10 – Capacitor bobinado de 27nF parcialmente desmontado. Figura 11 – Capacitor bobinado desenrolado, em detalhe. Os dielétricos empregados são muito variados e estão em constante evolução. Os capacitores despolarizados podem usar cerâmica, mica, papel, vidro e, principalmente, filmes plásticos (poliéster, poliestireno, policarbonato, polipropileno, teflon). Também são fabricados, ainda hoje, capacitores com dielétrico de papel e
  10. 10. óleo e de papel e cera. O material do dielétrico influi nas perdas que o capacitor irá apresentar, bem como determina a temperatura máxima admissível. As armaduras podem ser feitas com finas folhas metálicas (de cobre, alumínio, ouro ou prata), ou pela vaporização de algum destes metais na superfície do dielétrico (metalização). A espessura do material condutor da armadura determina a robustez do componente e o comportamento em caso de sobrecargas (alguns modelos tem auto-recuperação, que será visto em seguida). Para conhecer melhor os processos de metalização, acesse o artigo da Thomasnet [27], em inglês. Para obter maior capacitância, além da redução da espessura do dielétrico, aumenta- se a área das placas. Isto pode ser conseguido através do empilhamento de várias camadas de armaduras e dielétricos planos (figuras 6, 7 e 8), ou com o bobinamento de tiras (cintas) destes materiais (figuras 9, 10 e 11). Para uso em altas frequências, o tipo multicamadas é o mais adequado, porque apresenta menores indutâncias parasitas. Capacitores cerâmicos, de mica, SMD e certos modelos de filmes plásticos são montados desta maneira. Para os capacitores trabalharem com altas tensões, as camadas podem ser metalizadas parcialmente, formando dois ou mais capacitores em série na mesma peça, como é possível ver na figura 12. Conforme a configuração escolhida para melhorar o isolamento, pode resultar em uma deformação no corpo do componente, por causa da falta de material naquele trecho. Por isto que o capacitor da figura 13 tem uma valeta no meio do invólucro, correspondente a uma área sem a camada de alumínio. A ligação em série de capacitores e a maior distância entre os eletrodos aumentam a tensão máxima admissível pelo componente. Na Wikipedia [28] tem um texto sobre as configurações possíveis para altas tensões. E um artigo da Wima [29] mostra as variações da forma construtiva de capacitores para uso com pulsos (tipicos em circuitos chaveados, como fontes de computadores e inversores). Há uma variedade muito grande de capacitores atualmente no mercado. Na figura 14, aparecem alguns modelos de capacitores de valor fixo, despolarizados. Nas referências [30] a [34] há mais informações sobre os capacitores de filme plástico. Na Radio Electronics [35], você pode conhecer os capacitores de mica prateada. Para se ter uma ideia dos processos envolvidos na fabricação de capacitores, a referência [36] traz a Birkelbach, um grande fabricante europeu de filmes metalizados para capacitores. E a Intechopen [37] comenta os avanços em materiais para dielétricos, onde já despontam as nanopartículas.
  11. 11. Figura 12 – Modelo de capacitor com metalização parcial das camadas, formando capacitores em série. Figura 13 – Capacitor de alta tensão, notar a valeta no meio do corpo.
  12. 12. Figura 14 – Capacitores não polarizados de diversos tipos (cerâmico, mica, óleo, papel, cera, plate, poliestireno, poliéster, polipropileno, etc.) Outros capacitores muito comuns são os eletrolíticos, que tem internamente uma solução eletrolítica, daí o nome. Devido às características construtivas, são polarizados, pois o dielétrico costuma ser formado por um óxido metálico. Há capacitores eletrolíticos de tântalo, nióbio e alumínio. Estes últimos são mais baratos e por isto mais populares (figura 15). Eles tem como dielétrico uma fina camada de óxido de alumínio (isolante), depositada sobre uma folha do mesmo metal. Esta folha de alumínio compõe o polo positivo do capacitor. Há também outra folha do mesmo metal, sem qualquer tratamento químico, que forma, junto com o eletrólito, o polo negativo. O eletrólito é um fluido condutor de eletricidade, com viscosidade semelhante a um óleo, geralmente composto por ácido bórico ou borato de sódio. As duas folhas de alumínio formam um sanduíche com folhas de papel, embebidos na solução eletrolítica, sendo o conjunto enrolado sobre si mesmo, encapsulado e selado hermeticamente. Por isto que todo capacitor eletrolítico de alumínio é montado numa caneca e vedado com um tampão de borracha, como é possível perceber no capacitor radial das figuras 16 a 19. Os eletrolíticos costumam ter duas classes de temperatura máxima de trabalho: 85ºC e 105ºC. Este limite, impresso no corpo do capacitor, não deve ser utrapassado, sob risco de dano permanente. Além do contato com temperatura externa elevada, os capacitores eletrolíticos podem aquecer perigosamente se forem submetidos a outras condições: inversão de polaridade, tensão maior que a admissível e operação em altas frequências (ciclos muito rápidos de carga e descarga). Para estas situações de sobrecarga, que podem causar seu estufamento e até a explosão, o capacitor eletrolítico tem uma proteção tipo válvula de escape. No topo da caneca, o alumínio tem ranhuras, cuja espessura é menor que o restante do invólucro. Outro tipo de válvula de escape é um orifício no tampão de borracha, comum em capacitores da linha industrial. Quando o componente esquenta e estufa,
  13. 13. as ranhuras (ou o orifício) rompem, pois são mais frágeis, expelindo o eletrólito. É bem típico de ocorrer quando ligam uma fonte chaveada de 110V em 220V, sem trocar a chave (como nas fontes de PC) ou quando o aparelho não é 220V, comoneste post do XBOX… Figura 15 -Capacitores eletrolíticos diversos.As setas indicam as válvulas de escape.Os capacitores que formam as duas linhas inferiores da foto são de tântalo.
  14. 14. Figura 16 – Capacitor eletrolítico de alumínio, 47uF/350V, sem a capa. Figura 17 – Capacitor eletrolítico de alumínio com a caneca aberta. Figura 18 – Capacitor eletrolítico de alumínio sem a caneca. Observe a fita adesiva que envolve o papel embebido no eletrólito.
  15. 15. Figura 19 – Capacitor eletrolítico de alumínio desenrolado. Observar a folha interna, mais opaca (tem óxido de alumínio na superfície). Por causa do eletrólito líquido, quando os capacitores eletrolíticos vazam devem ser substituídos imediatamente, além da obrigatória limpeza da placa de circuito impresso. É que a solução oleosa é condutora de eletricidade e corrosiva e quanto mais tempo passa, menores as chances de recuperação do aparelho. Uma característica interessante dos capacitores eletrolíticos de alumínio é que eles podem ser recuperados. Se não houve vazamento de eletrólito nem curto-circuito, deixá-los por vários dias ligados a uma fonte de baixa tensão fará com que a a camada de óxido metálico do dielétrico se regenere. Era um costume muito frequente no conserto de rádios valvulados, pois na época o acesso aos componentes era bem mais difícil e tentava-se a recuperação a todo custo. Para mais detalhes, consulte o artigo “The Lazarus Capacitor” [38], que mostra como montar um recuperador de eletrolíticos. A revista Antenna, na edição de março de 1978, também publicou um artigo sobre o assunto, que mostra como montar um medidor de corrente de fuga e recuperador de eletrolíticos. É possível conseguir a revista em DVD, em Antenna Edições Técnicas [39]. Mais informações sobre os eletrolíticos podem ser consultadas em um excelente trabalho sobre estes componentes, do professor Ewaldo Mehl, da UFPR [40]. O sítio Manutenção e Suprimentos [41], com um texto de Renata Branco, complementa com outras informações. Então, os capacitores armazenam energia entre as placas. São quase como as pilhas, mas estas geram energia através de processos químicos, ao passo que os capacitores funcionam somente como um reservatório. Já são fabricados os ultra-capacitores (ultracaps), que tem capacidades altíssimas e podem funcionar, em alguns casos, como baterias rapidamente carregáveis. Os ultra-capacitores costumam ser utilizados na sonorização de automóveis, de forma a auxiliar a tensão para os amplificadores, quando a bateria está longe deles.
  16. 16. Também são empregados nos equipamentos em que é necessária grande autonomia após desligada a energia, como alguns sistemas embarcados de caminhões. Em CA, capacitores atrasam a tensão em relação à corrente. Supondo um capacitor completamente descarregado, ao ser submetido a algum potencial, ele inicialmente absorverá toda a corrente possível, consequentemente dificultando a elevação da tensão. Aqui, a inércia é para a tensão, por isto o atraso. Do mesmo modo que o indutor, a reatância do capacitor é medida em ohm (reatância capacitiva). A reatância capacitiva diminui conforme aumenta a capacitância (em Farads) ou a frequência (em Hertz). Além disso, os capacitores são filtros passa-altas, isto é, abaixo da frequência de corte, atenuam o sinal na razão de 6dB/8a. Capacitores tendem a manter a tensão entre as placas, pois elas ficam carregadas com a energia existente no instante anterior ao desligamento. Se a corrente de fuga do capacitor for muito baixa, a carga poderá durar dias. Por isto é que algumas aplicações de capacitores necessitam de um resistor de descarga em paralelo, como nos filtros contra interferência eletromagnética (IEM), presentes no circuito de entrada da rede elétrica de todo equipamento eletrônico moderno que se preze. Se não houver algum modo de descarregar estes capacitores, pode-se levar um forte choque elétrico ao tocar os pinos do plugue, depois de desligado da tomada. Auto-recuperação de capacitores Uma característica importante dos capacitores de filmes plásticos é a sua capacidade de auto-recuperação (self-healing), em caso de ruptura do dielétrico. Estes capacitores não ficam em curto-circuito (não “queimam”). Há inclusive capacitores que garantidamente nunca apresentarão curto-circuito, pois a segurança dos aparelhos onde são instalados depende disto. É o caso dos capacitores da classe X, comumente encontrados na entrada da rede elétrica de qualquer aparelho eletrônico atual. – Mas como é possível a auto-regeneração? Ocorre que a camada de metal vaporizado sobre o filme plástico é tão fina que, se ocorrer um arco elétrico entre as armaduras, perfurando o dielétrico, as películas metálicas evaporarão, formando uma área sem revestimento condutor ao redor da perfuração e isolando novamente a região, como mostram as figuras 20 a 22. A Powerguru [43] mostra a auto-recuperação dos capacitores metalizados, de maneira didática e detalhada (figura 20). Conforme o artigo, as camadas metalizadas, depositadas a vácuo diretamente sobre o filme plástico, tem somente 20 a 50 nm (nanômetros) de espessura. Se a intensidade do campo elétrico excede o limite do dielétrico nalgum ponto mais frágil, ocorre a sobrecarga, formando um canal. No canal de sobrecarga, as altas temperaturas atingidas (até 6000ºK), transformam o dielétrico em plasma altamente comprimido, o que força sua expansão (formando a bolha). O finíssimo revestimento de metal nas imediações do canal de sobrecarga é totalmente evaporado pela interação com o plasma, em direção esférica, para longe da descarga. A rápida expansão do plasma causa seu resfriamento (gás em expansão resfria) após alguns microssegundos, extinguindo a descarga antes de ocorrer uma perda de tensão apreciável. A região isolada resultante da descarga possibilita que o capacitor continue a ser utilizado normalmente.
  17. 17. Figura 20 – Processo de perfuração do dielétrico. Fonte Powerguru [42]. Figura 21– Furo em superfície metalizada de capacitor. Fonte: Wima [43]. Figura 22 – Furo em superfície metalizada de capacitor. Fonte: Era Technology [44]. Apesar do capacitor continuar funcionando, sua capacitância diminui um pouco a cada sobrecarga. Se isto aconteçer seguidamente, chegará um momento em que o capacitor só terá uma fração de seu valor original. É o que acontece nos motores de ventiladores, que geram frequentemente elevados surtos de tensão sobre os capacitores do circuito, levando a defeitos depois de poucos anos de uso.
  18. 18. Geralmente, estes surtos são criados durante o acionamento das chaves de controle do ventilador, especialmente a de velocidade. Quem já não viu uma forte faísca sair do interruptor, ao acioná-lo? É aquele problema de desligar o indutor, visto há pouco. Assim, não adianta acionar os interruptores do ventilador devagar ou rápido, os surtos irão acontecer sempre. Por isso, ao primeiro sinal de defeito em aparelhos eletrônicos, o problema poderá estar num simples capacitor aberto. Como foi o caso da cafeteira Philips Senseo, mostrado em outro post. Mais detalhes sobre o processo de auto-recuperação pode ser encontrado nas referências [42] a [44]. A ERA Technology [44], por exemplo, tem um artigo que aborda as falhas em capacitores de polipropileno metalizado, com ilustração detalhada do processo. E para conhecer mais sobre capacitores em geral, além das referências mencionadas desde [26], consulte os fabricantes Epcos [45], Wima [46] e Vishay [47], que tem diversos textos em inglês sobre este assunto. Se preferir um texto em português, visite a excelente página de PY2BBS [48]. Agora que conhecemos um pouco os capacitores e os indutores, vamos ver o comportamento deles ligados em conjunto. Ressonância Como visto acima, a reatância do capacitor ou do indutor é uma característica que depende da frequência. A resistência, por sua vez, é independente da frequência. Aimpedância de um componente é a soma de sua reatância e resistência e portanto, não tem um valor único, pois também varia com a frequência. Por exemplo, os alto- falantes apresentam a impedância de 2, 4 ou 8 ohm sempre baseados em uma frequência padrão de teste (1KHz). Quando temos um indutor L e um capacitor C ligados em série, cujas reatâncias sejam iguais em determinada frequência, ocorre a chamada ressonância. Nesta frequência, as reatâncias capacitiva e indutiva cancelam-se mutuamente, fazendo o circuito LC apresentar comportamento puramente resistivo. Isto acontece porque a reatância capacitiva é maior abaixo da frequência de ressonância e a reatância indutiva é maior acima da frequência de ressonância. Ou seja, em frequências baixas o capacitor dificulta a passagem do sinal e em frequências altas o indutor é que se opõe. Na frequência de ressonância, as reatâncias anulam-se e sobra a resistência do conjunto. Teoricamente, o pico da ressonância seria infinito, caso a resistência fosse nula, o que nunca acontece, pois sempre há alguma resistência intrínseca. Por isso é que nos textos que abordam este assunto, geralmente é considerada uma resistência R, formando o conjunto RLC. Assim, na frequência de ressonância, o circuito RLC série apresenta um pico na sua amplitude, que tem a forma determinada por R (figura 23). É o fator de mérito Q. Um alto fator de mérito implica em estreita banda passante (circuito mais seletivo, que deixa passar poucas frequências), ao passo que o baixo fator de mérito resulta em banda passante maior (menos seletivo). Com a resistência de valor menor, o pico é estreito e elevado (alto Q), ao passo que com R mais alto, o pico da ressonância é mais alargado e achatado (baixo Q).
  19. 19. Figura 23 – Picos de ressonância de um circuito RLC, com R variável. Fonte: MPSC [49]. Quando as reatâncias do capacitor e indutor em série não são iguais, há alguma diferença de fase entre tensão e corrente. Esta diferença é empregada nos motores monofásicos, tanto para dar a partida quanto para variar a velocidade, como veremos a seguir. O MOTOR DE INDUÇÃO Conceitualmente, um motor é uma máquina elétrica que transforma energia elétrica em energia mecânica, por meio de campos magnéticos variáveis. É constituído por uma parte fixa (o estator) e uma parte móvel (o rotor), que apoiado em mancais, transmite o movimento de rotação para o eixo. Em nosso caso, as pás do ventilador são acopladas diretamente a este eixo. Boa parte dos ventiladores à venda nas lojas são fabricados com motores de indução, com ou sem capacitor acoplado. Os ventiladores de teto, geralmente utilizam motores com capacitores permanentes. Os menores, utilizam motores de polo sombreado, que são tecnicamente mais simples e também menos eficientes. O motor de indução utiliza a variação constante da polaridade da corrente alternada para criar um campo magnético girante, no qual fica imerso o rotor, que por causa disto irá rodar em determinado sentido. Não há qualquer ligação elétrica com o rotor, por isto é que são chamados de motores de indução, pois o estator induz uma tensão no rotor, que provoca seu giro. São muito silenciosos e robustos. Estes motores são chamados de assíncronos, pois a velocidade de rotação do rotor é menor que a velocidade de rotação do campo girante. Em outras palavras: o giro do rotor não está sincronizado com o giro do campo magnético do estator (há determinado percentual de escorregamento). O campo magnético girante O campo magnético girante ou rotativo nada mais é do que a troca constante de polaridade dos polos em um estator, num determinado sentido. A velocidade do campo girante também é chamada de velocidade de sincronismo, que é a frequência da rede elétrica (60Hz no Brasil). A velocidade do campo girante – e por consequência a velocidade do motor – pode ser alterada se alimentarmos o motor com frequência distinta daquela da rede elétrica. É uma tarefa desempenhada pelos inversores de frequência (inverter) que, para estes casos, podem fornecer frequências entre 0 e 400Hz. Estes equipamentos podem ser alimentados por rede monofásica e entregar saída trifásica, mas ainda tem um custo elevado. E é assunto para ser detalhado em outro momento. Se quisermos ver a ação do campo rotativo, colocamos uma bússola dentro de estator ligado em corrente alternada. Ela seguirá a direção deste campo, porque o polo para o qual ela é atraída sempre estará mudando de lugar, num determinado sentido. A agulha acompanhará o campo girante na mesma velocidade. Neste caso, a velocidade da agulha estará sincronizada com a velocidade do campo girante. Mesmo que o campo magnético desloque-se muito lentamente, a agulha continuará
  20. 20. acompanhando o campo. É o princípio de atuação dos motores síncronos [50] egeradores síncronos [51]. Figura 24 – Bússola acompanhando o movimento do campo girante. Caso a agulha não esteja girando, tecle F5 e aguarde. Fonte: Wind Power [51]. Outra forma, mais didática, de criar um campo magnético rotativo é girar um ímã permanente, como demonstra o vídeo a seguir. Aqui, não utilizaremos uma bússola, mas um disco de alumínio, para demonstrar também o princípio do motor de indução. É o disco de Arago. É bem simples para qualquer um fazer em casa. No experimento, eu dispunha de um imã em forma de U, mas nada impede que seja um imã reto ou dois pequenos ímãs, montados com polos um ao contrário do outro nas extremidades de uma tira metálica, por sua vez presa a um eixo. O disco e o ímã são independentes, cada um tem o seu próprio eixo livre. O eixo do ímã deve permitir acionamento manual, como visto no vídeo. Se as linhas do fluxo magnético em movimento, criadas pelo giro do ímã, são cortadas por um disco livre, condutor de eletricidade, este seguirá o movimento do imã, mas de um modo diferente. No disco, o efeito é o contrário da bússola: temosrepulsão, ao invés de atração. Para conseguir movimentar o disco, é necessária alguma velocidade na rotação do ímã. As linhas de fluxo cortadas pelo condutor induzem uma tensão no disco, com o consequente fluxo de corrente (ver correntes de Foucault, em [52][53]). Este fluxo de corrente cria um eletroímã cuja polaridade opõe-se ao movimento do ímã permanente (lei de Lenz). A polaridade do eletroíma, assim, afasta-o do ímã. Se você não acredita que o simples disco de alumínio desenvolva tensões em sua superfície, dê uma olhada neste outro vídeo (figura 26), que mostra como fazer a medição com dois instrumentos ao mesmo tempo. Observe que somente liguei um multímetro e um osciloscópio, diretamente em quaisquer dois pontos do disco, diametralmente opostos. Se tivesse colocado entre o eixo e a extremidade, a tensão gerada seria a metade. Tanto o multímetro como o osciloscópio estavam ajustados na sensibilidade máxima. Neste experimento é gerada corrente alternada. Inclusive, esta experiência parece desconsiderar o paradoxo de Faraday [54], um assunto ainda hoje controverso. O paradoxo diz que com o disco parado não é gerada nenhuma tensão, só com ele em movimento. Obviamente, a geração de energia é ínfima, mas suficiente para nosso propósito, de demonstrar sua existência. Poderiam ser feitas outras experiências, como medir as tensões em cada uma das superfícies (não como fiz, onde a garra jacaré toca os dois lados do disco). Tem a página de um italiano, Domenico di Mario (não é o di Mazzi), que traz outros experimentos (e perguntas) sobre este assunto, no texto “A estranha bola” [55]. Hum, leitor ou leitora, continua achando que não é possível? Então eu o desafio a construir o disco de Faraday, que tem quase a mesma configuração apresentada no vídeo acima. É que no experimento de Faraday, quem é girado manualmente é o disco e o ímã fica parado.
  21. 21. Além disso, a configuração de Faraday conta com mais um pequeno recurso: conecta- se o eixo e a borda do disco a escovas que o tocam levemente, para não dificultar o movimento. As escovas são ligadas a dois fios e vão para um galvanômetro, que indicará a tensão quando o disco girar. Neste caso, é gerada corrente contínua. Acesse mais informações no Móstoles Museo [56] e na Universidade do Porto [57]. Voltando ao nosso disco. O torque desenvolvido pelo disco é proporcional ao número de linhas de fluxo magnético (intensidade do campo magnético) e à taxa com que elas são cortadas pelo disco (percentual de escorregamento). Se o disco girar à mesma velocidade do ímã permanente (sem escorregamento), não haverão linhas de fluxo magnético cortadas pelo disco, nem fluxo induzido de corrente, nem torque. Assim, a velocidade do disco estará sempre atrás da rotação do ímã (assíncrona), pois as linhas de fluxo cortadas pelo disco induzem uma corrente e criam um campo eletromagnético no disco, que seguirá o ímã. Se uma carga for aplicada ao disco, reduzindo sua rotação, mais torque será desenvolvido e mais linhas de fluxo cortarão o disco. Portanto, mais escorregamento corresponde a mais linhas de fluxo cortadas pelo disco condutivo, desenvolvendo mais torque. Figura 27 – Exemplo de velocímetro. Fonte: Sapiensman [58]. Os velocímetros analógicos dos automóveis (figura 27) são baseados exatamente no princípio ilustrado acima. Com o movimento do disco restringido por uma mola, um ponteiro fixado ao disco apresentará uma deflexão proprocional à rotação do magneto (ímã), indicando a velocidade. O magneto acoplado ao disco (sem tocá-lo) é conectado diretamente ao eixo de alguma roda ou na saída da transmissão. Em motocicletas, por exemplo, é fácil de perceber o cabo de conexão do velocímetro, junto da roda dianteira. Mais informações sobre os velocímetros para automóveis, acessar o Sapiensman [58] e a página “De Maquinas Y Herramientas” [59]. O fato de girar um ímã, faz criar um campo magnético com característica senoidal no seu entorno, que se desloca espacialmente. Vamos ver isto de outra maneira, para completar a explicação de campo girante. Figuras de Lissajous Podemos visualizar a formação de um campo giratório através das figuras de Lissajous. Para enxergá-las, precisaremos de um osciloscópio, um gerador de onda senoidal, um resistor de 680 Ohm e um capacitor de 4 uF, além da fiação para interligar tudo. O osciloscópio é um intrumento para visualizar numa tela as formas de onda, cujos eixos normalmente marcam o tempo (horizontal) e a amplitude (vertical) do sinal de entrada. Geralmente o osciloscópio tem dois ou mais canais de entrada, o que possibilita utilizá-lo para mostrar a amplitude em ambos os eixos da tela. É o modo XY, onde um canal é mostrado no eixo horizontal (X) e o outro no vertical (Y).
  22. 22. O gerador de onda senoidal pode ser um transformador, ao invés de um gerador de áudio, apesar de introduzir na onda a distorção da rede elétrica. O capacitor é utilizado para criar a defasagem de 90º, ao passo que o resistor impõe uma pequena carga ao circuito, de modo a garantir a diferença entre os sinais. A configuração utilizada para visualizar as figuras de Lissajous aparece na figura 28, baseada numa experiência do laboratório de física do ITA – Instituto Tecnológico da Aeronáutica [60]. Esta forma de ligação traz o inconveniente de ser sensível à frequência de 60Hz da rede elétrica, já que o chassis do osciloscópio não é ligado diretamente com o do gerador. Por isto, a frequência ideal para esta experiência é 60Hz, que pode ser providenciada por um pequeno transformador de 12VCA, por exemplo. Mas, conforme a distorção dos sinais senoidais, o círculo resultante poderá não ser perfeito. Outras formas de ligação vistas na internet não conseguem efetuar a defasagem exata de 90º, o que resulta sempre numa elipse na tela, qualquer que seja o ajuste efetuado nas entradas X e Y. No video a seguir, uma figura circular é produzida na tela do osciloscópio, através da injeção de dois sinais senoidais nas entradas horizontal (X) e vertical (Y), um deles defasado em 90º. Para conseguir o círculo, é necessário igualar a amplitude dos dois sinais nas entradas do osciloscópio. Se a defasagem for exatamente 90º, o círculo ficará perfeito, caso contrário, será uma elipse. Relembrando da trigonometria vista há pouco: estamos alimentando o osciloscópio com o seno e o cosseno de um sinal senoidal, o que gera aquele círculo na tela. Se reduzíssemos a frequência do sinal para perto de 1Hz, seria possível ver um ponto desenhando lentamente o círculo. É exatamente o contrário da figura 2: agora, os sinais é que geram o círculo. Na verdade, o círculo é uma helicoide, mas estamos vendo ela do topo. Se tivéssemos a variável tempo num terceiro eixo, inclinado (Z, a profundidade), enxergaríamos a helicoide (rever figura 2). Já a figura 30 mostra as entradas X e Y alimentadas com sinais idênticos em amplitude e fase, que resulta numa reta inclinada na tela. Figura 28 – Configuração para visualizar as figuras de Lissajous. Fonte: ITA [60].
  23. 23. Figura 30 – Figura de Lissajous com sinais senoidais idênticos nas entradas X e Y. Figura 31 – Curvas de Lissajous. A legenda da esquerda mostra a relação entre as frequências de entrada, e a de cima a defasagem relativa entre os sinais. Fonte: Fizyka-lo[61]. Para quem quiser conhecer melhor as curvas de Lissajous, poderá injetar nas entradas do osciloscópio sinais de frequências diferentes entre si, o que resultará em imagens bem interessantes (figura 31). Há também formas de construir estas imagens com alto-falantes ou motores, que acionam espelhos que refletem um raio laser. Tem alguns textos práticos sobre isso, como por exemplo o do blog Feira de Ciências [62] e o da UFMG [63]. E há um material bem didático na página da Exploratorium [64], com todas as informações para montar esta e outras experiências [65]. Bom, já desviei bastante do assunto, voltemos aos motores. Tipos de motores de indução O motor de indução mais eficiente é alimentado com energia trifásica, pois apresenta um conjugado de partida (força de arranque) elevado e não necessita de circuito auxiliar para começar a girar.
  24. 24. Motores de indução trifásicos criam um campo magnético naturalmente girante, por causa dos 120º de defasagem existentes entre cada uma das 3 fases (figura 32). Nestes motores, os polos do estator estão fisicamente posicionados a 120º um do outro. A figura 33 mostra o enrolamento do estator num motor trifásico, onde cada cor de fio representa uma fase. O vídeo da figura 34 traz uma animação que explica o funcionamento destes motores. É uma versão em espanhol da página Learning Engineering [69]. Figura 32 – Gráfico ilustrativo de 3 ondas senoidais presentes nos polos da rede elétrica trifásica (R, S e T). Fonte: Waldecks Homepage [66]. Figura 33 – Enrolamentos do estator em motor de indução trifásico. Fonte: Ibiblio [67]. Existem motores trifásicos para todas as faixas de potência. Já os motores monofásicos dificilmente vão além de 10 cv (cavalo-vapor ou HP = horse-power) e
  25. 25. são em média 4 vezes maiores e mais pesados que os trifásicos, considerando a mesma potência. Apesar de consumirem 20% a mais que os trifásicos, os modelos monofásicos tem facilidade de ligação, o que os torna apropriados para uso doméstico, rural e para o pequeno comércio, lugares onde a instalação elétrica geralmente é monofásica. No entanto, os motores de indução monofásicos precisam implementar outras soluções, para conseguir tornar o campo girante. Por serem alimentados com uma só fase, o campo magnético gerado é somente pulsante, o que impede a criação de um conjugado de partida (força de arranque), pois os campos induzidos no rotor estão alinhados com os campos do estator. Neste caso, o único efeito observado é um forte zumbido. Portanto, os motores de indução monofásicos não arrancam por si mesmos. Isto implica na existência de algum tipo de ajuda para iniciar a rotação. Estecircuito auxiliar tenta criar, de alguma forma, um campo magnético defasado em relação à alimentação, o que virtualmente transforma o motor em bifásico. Depois de iniciar a rotação, o motor pode continuar a funcionar com uma só fase, pois mesmo que o circuito de arranque seja desligado, o rotor continuará girando. Alguns circuitos auxiliares de partida podem implicar num surto inicial de corrente 5 a 10 vezes maior que a corrente nominal do motor. Por isto que os motores monofásicos dão aquele “tranco” inicial na luz, ao serem ligados. Isto obriga a prever, na instalação destes motores, o excesso momentâneo de corrente, para evitar desligamentos indevidos dos disjuntores de proteção. Conforme a arquitetura utilizada para auxiliar o arranque, os motores de indução monofásicos podem ser classificados em dois grandes grupos. No primeiro, a defasagem é conseguida através de alterações elétricas no percurso do sinal de alimentação e por uma disposição bem específica das bobinas. São os motores com2 enrolamentos (principal e auxiliar). No segundo grupo, dos motores de polos sombreados, a fase da corrente é modificada através de alterações construtivas dos polos do motor. O motor com 2 enrolamentos (figura 35), durante a operação normal, fornece o torque ao rotor através do enrolamento principal. O enrolamento auxiliar (ou secundário, ou de arranque, ou de partida) tem função somente para o arranque inicial, pois torna o campo girante. A Learning Engineering [70] explica de modo muito didático o funcionamento do motor monofásico, no vídeo da figura 36, uma pena que a narração esteja em inglês. De todo modo, é até bom para treinar a língua, pois os termos técnicos falados aparecem escritos no vídeo. Para visualizar os 2 enrolamentos de forma mais clara, em um motor comercial, a figura 37, extraída de um catálogo da WEG, mostra dois defeitos diferentes em motores monofásicos, causados por sobreaquecimento. O da esquerda é no enrolamento principal e o da direita, no auxilar. Percebe-se que cada bobina é espalhada por várias ranhuras. Neste caso, os motores são de dois polos (cada enrolamento está montado em duas posições diametralmente opostas). Para uniformizar as denominações. Encontrei em alguns trabalhos sobre motores a substituição do termo enrolamento por fase, como por exemplo: enrolamento auxiliar é a mesma coisa que fase auxiliar. Neste texto, utilizo o termo enrolamento ou bobina, para não confundir com a fase do sinal elétrico. Em motores com enrolamentos principal e auxiliar, o campo magnético girante é criado posicionando os enrolamentos no estator, deslocados 90º um do outro, como visto acima, e alimentando um deles com alguma defasagem de corrente. Há diversas formas de fazer isso: com o motor de fase dividida, motor com capacitor de partida, motor com capacitor permanente e motor com capacitor permanente e de arranque.
  26. 26. Figura 35 – Ligações no estator de um motor com dois enrolamentos (bifásico). Um deles é o principal e outro o auxiliar. Fonte: Ibiblio [67]. Figura 37 – Curtos-circuitos de enrolamentos em motores de indução. Fonte: IFRN – WEG [71].
  27. 27. Já os motores de polos sombreados, utilizam anéis em curto-circuito para desviar a fase, por isto necessitam somente de um enrolamento no estator. Mas todos os tipos de motores podem ter mais de dois polos, o que reduzirá a velocidade do rotor e aumentará proporcionalmente o torque. Estes assuntos serão abordados na sequência. As soluções para desvio de fase alcançam, quanto muito, 70º nos motores de indução de 2 polos e 30º nos de polos sombreados. Cada uma destas formas de auxílio ao arranque implica em características cuja conveniência deve ser avaliada, antes de adquirir qualquer motor de indução. É o que veremos agora. Motor de fase dividida (split phase) Neste motor (figura 38), são montados no estator dois enrolamentos muito diferentes. Enquanto o enrolamento principal ocupa 2/3 das ranhuras do estator e tem grande reatância e baixa resistência, o enrolamento auxiliar cobre o restante do estator e tem baixa reatância e grande resistência, além de ficar ligado em série com um interruptor centrífugo. Figura 38 – Circuito do motor de fase dividida. Fonte: UFPEL [72].
  28. 28. Figura 39 – Motor de fase dividida, presente num esmeril Schulz. O ângulo formado pela corrente é superior (mais defasado, atrasado) no enrolamento principal, por causa de sua reatância maior. Na prática, o ângulo entre as correntes é próximo de 30º e como os enrolamentos estão dispostos espacialmente a 90º no estator, resulta num campo giratório elíptico, que é suficiente para iniciar a rotação. Assim que o rotor alcança uns 70 a 80% da velocidade nominal, o interruptor centrífugo, situado no eixo do motor, desliga o enrolamento auxiliar, pois este é construído com fio mais fino e é incapaz de suportar o funcionamento contínuo. Devido ao aquecimento do enrolamento auxiliar durante a partida, o motor de fase dividida é adequado para o funcionamento contínuo, não intermitente, pois só pode ser ligado a intervalos razoáveis de tempo (depois que a bobina auxiliar esfriou). Estes motores podem inverter sua rotação, basta trocar os polos de qualquer um dos enrolamentos, enquanto o rotor está parado. É a partida que dá o sentido de rotação. O motor de fase dividida, por causa de seu baixo conjugado de partida (pouca força para iniciar a rotação), é utilizado com cargas de pequena potência e moderada necessidade de força de arranque (esmeris, compressores herméticos, ventiladores, exaustores, bombas centrífugas, lavadoras de pratos, etc.). O motor de fase dividida costuma emitir mais ruído (zumbido) que os outros modelos, que utilizam capacitor. Em esmeris é fácil perceber este tipo de motor, pois além de serem barulhentos, ao serem desligados chega um momento em que o eixo começa a ser travado, já que a chave centrífuga volta à posição original e as escovas que ligam o enrolamento auxiliar funcionam como freio. Vi isto num esmeril da Schulz (figura 39). Outra forma de efetuar a defasagem da corrente no estator dos motores de indução é ligar o enrolamento de arranque em série com um capacitor. Motor com capacitor de partida O motor com capacitor de partida (figura 40) tem o enrolamento auxiliar em série com um capacitor, mais a chave centrífuga. Da mesma forma que no modelo de fase dividida, a chave centrífuga desliga o conjunto logo após a partida, pois o capacitor – geralmente eletrolítico – empregado nestes motores não aguenta ficar ligado muito tempo em corrente alternada. Os capacitores de partida são de valor alto, usualmente entre 300 e 800uF (microfarad). Figura 40 – Ligação dos enrolamentos em motor de indução com capacitor de partida. Fonte: UFPEL [72].
  29. 29. Figura 41 – Motor de indução WEG com capacitor de partida. Fonte: HD Equipamentos [73]. O enrolamento auxiliar costuma ser maior que o enrolamento principal neste tipo de motor, com o intuito de melhorar o arranque. Além disso, como o ângulo de defasagem causado pelo capacitor é bem maior que no motor de fase dividida, a força de arranque é muito mais elevada (alto conjugado de partida). É o modelo mais comum de motor monofásico e pode ser encontrado em potências de 1/4 a 15 cv. Na figura 41 aparece um motor destes, onde o “cocoruto” na carcaça aloja o capacitor. O motor com capacitor de partida não permite reversão instantânea da rotação, do mesmo modo que o motor de fase dividida. É que qualquer destes motores, após atingirem a velocidade nominal, ficam com o enrolamento auxiliar desligado pela chave centrífuga, tornando inócua a inversão dos polos do enrolamento principal. Somente após parar o rotor, quando o enrolamento auxiliar volta a ser acionado, é possível inverter a rotação, que poderá ser feita em qualquer um dos enrolamentos. Motor com capacitor permanente No motor com capacitor permanente (figura 42), o enrolamento auxiliar e o capacitor ficam sempre ligados, não possuindo chave centrífuga. Suas características aproximam-se dos motores trifásicos, como o rendimento e fator de potência. São fabricados com potências de 0,2 a 1,5 cv (figura 43). O capacitor é escolhido de modo que a corrente que passa pelo enrolamento auxiliar seja a mesma que passa pelo enrolamento principal. O valor ideal do capacitor muda conforme sua finalidade, pois é necessário escolher entre beneficiar o arranque ou manter a rotação. Em função disso, o enrolamento auxiliar poderá ser diferente do principal. O valor do capacitor fica entre 4 a 10uF (mifcrofarad).
  30. 30. Figura 42 – Circuito do motor com capacitor permanente. Fonte: UFPEL [72]. Figura 43 – Motor WEG com capacitor permanente, para máquina de lavar. Fonte: HP Eletricidade Industrial [74]. Fiz um video para demonstrar o princípio de funcionamento do motor de indução com capacitor permanente. Construí um modelo de motor com duas bobinas idênticas, posicionadas em ângulo de 90º, uma delas ligada em série com um capacitor. Naquele momento, eu não dispunha de capacitor despolarizado, daí montei um, feito com dois eletrolíticos polarizados, ligados em anti-série (quaisquer dois polos de mesma polaridade ligados junto, sendo que os dois terminais restantes são os do capacitor despolarizado). Os capacitores são enormes, de alta capacidade, pois eram os disponíveis e facilitavam o uso por serem conectados por parafusos.
  31. 31. Há também um LED vermelho, em série com um resistor de 1K ohm, para indicar o funcionamento. O circuito foi alimentado com 10VCA, proveniente de um Variac, mas poderia ser um transformador qualquer, com capacidade suficiente de corrente para as bobinas. O rotor é somente uma canequinha de alumínio, retirada daquelas bombinhas que os asmáticos sempre tem que carregar consigo. Não há qualquer truque, é somente a caneca livre, apoiada sobre uma agulha, que por sua vez está cravada numa base de espuma tipo EVA. A caneca forma, grosso modo, um rotor no estilo “gaiola de esquilo”, que será explicado mais adiante. Sobre este tipo de motor, há um ótimo artigo dos professores Fernando Lang da Silveira (UFRGS) e Nelson Luiz Reyes Marques (IFSUL), chamado “Motor elétrico: Uma das dez maiores invenções de todos os tempos”. O trabalho foi disponibilizado na UFRGS [75] e eles também fizeram um video [76], mostrando o funcionamento do circuito. Em princípio, este motor poderia ser ligado a uma rede bifásica real, onde cada um de seus enrolamentos seria ligado a uma fase da rede elétrica, dispensando o capacitor. Funcionaria de modo semelhante a um trifásico, mas a separação física de 90º entre os polos do estator e de 120º entre as fases da alimentação, neste caso, formaria também um campo magnético girante elíptico. O motor com capacitor permanente é considerado o mais confiável dos motores monofásicos, principalmente pela inexistência do interruptor centrífugo. Pode ser utilizado de modo intermitente, além de ser fácil alterar sua velocidade, com a mudança do valor do capacitor. Após alcançar a velocidade nominal, é mais silencioso e vibra menos que os outros motores monofásicos. Mais motivos, portanto, para ser utilizado em ventiladores. Além disso, este motor permite a reversão instantânea da rotação. Um exemplo típico são as lavadoras de roupas, nas quais a centrifugação ocorre no sentido inverso ao dos molhos e enxágues. Outro exemplo, obviamente, são os ventiladores de teto, assunto deste artigo, e que serão abordados com mais detalhes mais para a frente. Motor com dois capacitores (permanente + de partida) O motor com duplo capacitor, mistura os dois tipos anteriores – pois tem um capacitor de partida e outro permanente – e reúne as vantagens de cada um deles: alto conjugado de partida, alta eficiência e alto fator de potência (figura 45). Como o seu custo é mais elevado, costuma ser fabricado somente em potências acima de 1 cv. Este motor também é facilmente reconhecido, pois precisa acomodar junto dele dois capacitores. Pode ser como o modelo da figura 46 ou aqueles tradicionais, com dois “cocorutos” na parte superior da carcaça. Figura 45 – Circuito do motor de duplo capacitor (permanente e de partida). Fonte: UFPEL [72].
  32. 32. Figura 46 – Motor monofásico de duplo capacitor, para uso rural. Fonte: IFRN – WEG [71]. É um tipo de motor muito empregado no meio rural (figura 46), onde são necessários equipamentos com bastante potência (como os moedores de grãos), em instalações monofásicas, geralmente em finais de linha, cuja estabilidade de tensão deixa a desejar. Neste caso, motores com melhor fator de potência são desejáveis. Motor de polo sombreado (shaded pole) Outro modo de criar um campo magnético girante é utilizar uma modificação física dos polos, que caracteriza o motor de polo sombreado (também chamado de campo distorcido, bobina de sombra, bobina de arraste, anel ou espira de sombra, etc). Este método utiliza um estator com polos salientes. Cada polo divide-se em duas partes, e na menor delas (25 a 35% do total de cada polo) é colocada uma bobina de metal não ferromagnético, que o abraça. A espira de metal condutor funciona como o secundário de um transformador em curto-circuito. Assim, a espira em curto faz oposição severa à mudança do fluxo magnético, atrasando-o (ou sombreando-o, por isto o nome do motor). Observe a figura 47 para mais detalhes.
  33. 33. Figura 47 – Diagrama do motor de polo sombreado. Fonte: Johnson Electric [77]. Figura 48 – Funcionamento do motor de polo sombreado. Fonte: UFES [78]. Figura 49 – Animação que demonstra o funcionamento do motor de campo distorcido. Fonte: Tuveras [79]. Durante a variação da amplitude do fluxo que passa pela bobina em curto, aparecem caminhos de corrente que criam outros tantos campos magnéticos, debilitando os fluxos que os criaram e opondo-se a eles. Assim, consegue-se diminuir o fluxo
  34. 34. magnético sobre os polos sombreados quando o fluxo está aumentando e manter a magnitude do campo enquanto ele está diminuindo. Resulta que se tem dois campos magnéticos pulsantes, que não estão deslocados 90º (quanto muito 45º), mas seu efeito conjunto é a criação de um débil campo magnético rotativo, que possibilita o arranque do motor. Na figura 48, são ilustradas estas mudanças que ocorrem no campo magnético destes motores, durante um semiciclo da corrente. No outro semiciclo, a polaridade muda e a operação é invertida, mantendo o rotor na mesma rotação. E a animação da figura 49 amplia a percepção do modo de funcionamento do motor de polo sombreado. O atraso do fluxo causado pelas espiras de sombra faz com que o rotor desloque-se da parte maior do polo para a parte abraçada (cuide as setas da figura 47). Por isto,no motor de polos sombreados não é possível alterar o sentido de rotação, a não ser que seja invertida a posição do rotor. Figura 51 – Motores de indução de polo sombreado, de antigos toca-discos.
  35. 35. Figura 52 – Motor de 2 polos sombreados, desmontado. Figura 53 – Motor de 4 polos sombreados, desmontado.
  36. 36. Figura 54 – Rotor e estator do motor de 2 polos sombreados, em detalhe. Figura 55 – Rotor e estator do motor de 4 polos sombreados, em detalhe. No vídeo acima tem outro experimento, para demonstrar o princípio do polo sombreado. Desta vez só é necessário uma bobina, além de algumas peças de de cobre ou alumínio. Esta experiência é abordada em detalhes no blog Feira de Ciências [80].
  37. 37. O motor de polo sombreado é muito utilizado por causa de sua simplicidade, apesar do rendimento reduzido. Por isso, ele é viável somente para pequenas potências, até 0,25 cv. Nas figuras 51 a 54 há motores com uma, duas e quatro bobinas de estator, ao passo que na figura 55 aparece um deles desmontado. Um motor de indução diferente: o medidor de energia elétrica Um curioso motor de indução é utilizado em antigos medidores de energia elétrica (electromechanical meter), aqueles que tem um disco giratório, como o da figura 56. Muitos tem curiosidade em saber como é que eles funcionam, tentarei aqui dar uma ideia. Basicamente é um motor de indução de fase dividida, mas a sua forma construtiva é muito própria, pois o dispositivo tem a finalidade de medir a potência consumida na rede elétrica. O rotor é um disco de alumínio, que gira mais rápido conforme aumenta o consumo da instalação. Na prática, este motor é um wattímetro, com a escala em Kilowatt-hora (Kwh). Kilowatt-hora é a unidade de medida da energia consumida no período de uma hora. Tem um texto da Aneel [81] sobre isso. Por exemplo, um chuveiro com a potência de 5000W gasta 5KWh, ou 5000W por hora, se ficar sempre ligado durante todos os 60 minutos e se estiver selecionado o aquecimento máximo (inverno). Para estimar o consumo mensal, deve-se multiplicar a potência do aparelho pelo número de horas que ele fica realmente ligado durante o mês. No caso do chuveiro, se 4 pessoas utlizam ele todos os dias, cada um tomando um banho de 10 minutos, o cálculo será de 4 pessoas vezes 10 minutos vezes 30 dias, o que dará 1200 minutos. Dividindo este valor por 60 (1 hora), serão 20 horas de chuveiro ligado por mês. Como o nosso chuveiro consome 5KWh, o impacto na conta mensal de luz, só do chuveiro, será de 100KWh (consumo do chuveiro vezes o tempo em horas utilizado no mês: 5 x 20). Uma pequena mudança nos hábitos de uso de aparelhos elétricos de alto consumo pode gerar grande economia. Então, não culpe o medidor de energia pela sua conta, ele apenas reflete o que você consome. Para explicar o medidor de energia (também conhecido por registro de luz), vamos tratar aqui do modelo monofásico, cujo princípio de operação é o mesmo dos trifásicos. Nas figuras 57 a 61 podemos identificar os componentes que fazem parte destes medidores, bem como suas ligações elétricas. Há uma bobina com grande número de espiras (alta indutância), que envolve um núcleo ferromagnético em forma de E, que fica por cima do disco. Esta bobina, chamada de bobina de tensão, fica ligada em paralelo com a rede elétrica, e apresenta um consumo de energia extremamente reduzido.
  38. 38. Figura 56 – Medidor de energia elétrica tradicional. Figura 57 – Modo de ligação e forma construtiva do medidor de KWh. Fonte: Electronic Design [82].
  39. 39. Figura 58 – Medidor de consumo de energia elétrica. Fonte Electrical-Engineering Portal[83]. Figura 59 – Diagrama de ligações em medidor de consumo de energia elétrica. Fonte Electrical-Engineering Portal [83].
  40. 40. Figura 60 – Motor do medidor removido do invólucro, deitado, onde aparecem a bobina de tensão (ao fundo) e as bobinas de corrente (fios grossos com terminais). Fonte: Popular Science [84]. Figura 61 – Bobinas de corrente removidas do motor. Fonte: Popular Science [84]. Abaixo da bobina de tensão, há o disco de alumínio, também conhecido por disco de Arago, que foi o descobridor do efeito, apesar de não explicá-lo corretamente (Faraday o fez mais tarde, conforme [85]). O disco funciona por causa da criação em
  41. 41. sua superfície das correntes de Foucault (ou eddy current, em inglês). Em post anterior, abordei mais detalhes das correntes de Foucault. Debaixo do disco de alumínio, outro núcleo magnético, em forma de U (geralmente integrado ao núcleo E superior), tem duas bobinas com pequeno número de voltas, de fio grosso o suficiente para o consumo da instalação predial. Se for um medidor para alto consumo, poderá ter somente uma espira, como no medidor das figuras 60 e 61. Estas são as bobinas de corrente, que ficam em série com o polo fase da instalação da rede elétrica. A fase da corrente destas duas bobinas está deslocada aproximadamente 90º da bobina de tensão, por causa da diferença de indutância. Por isso, é gerado um campo magnético rotativo, do mesmo modo que no motor de indução de fase dividida. Alguns textos informam que a bobina de tensão teria anéis de cobre nas extremidades do núcleo em E (figura 59), o que poderia ajudar na defasagem. Isso configuraria o motor como um misto de polo sombreado e fase dividida, mas é provável que seja somente um detalhe tecnológico entre fabricantes distintos. Para aumentar a confiabilidade, o motor conta com diversos acessórios. Um deles é o freio eletromagnético (um ou dois ímãs em forma de U na borda do disco), que estabiliza a rotação e lineariza o comportamento do disco. Outro item, acoplado ao eixo do disco, é um sistema de engrenagens redutoras para contar o número de voltas. Este mecanismo de contabilização registra, de modo permanente, quantos Kilowatt-hora o medidor já contou, desde sua fabricação. As casas decimais existentes permitem o medidor contar o consumo por vários anos, até chegar novamente a zero. Além disso, o disco tem marcações que permitem visualizar o nível de consumo “ao vivo”. Quando o consumo aumenta, por exemplo ligando um chuveiro elétrico, é fácil de perceber a diferença de velocidade do disco. As informações sobre os medidores elétricos residenciais são baseadas nos artigos das referências [82] a [87]. Há também um excelente vídeo de Ben Krasnow [88], que detalha todos os mecanismos dentro de um medidor de eletricidade monofásico da GE. No portal do Departamento do Interior, do governo americano [89], há um texto que aborda o teste e a manutenção destes aparelhos. Complementando o assunto, temos da Universidade do Porto um ótimo artigo sobre o Gerador de Faraday [57]. Número de polos e velocidade Considera-se, por padrão, a frequência da rede elétrica (60Hz, no Brasil) para definir a velocidade dos motores de indução, chamada de velocidade de sincronismo. É um valor constante. Para saber a velocidade nominal do motor é necessário descontar o percentual de escorregamento, que pode chegar até 5% da velocidade de sincronismo, nos motores mais pequenos. Além disso, a rotação de qualquer motor de indução diminui com o aumento do número de polos. Para saber o número de rotações por minuto (rpm) na velocidade de sincronismo (ns) de um motor monofásico, pegamos a frequência da rede (fe=60Hz, em nosso caso), multiplicamos por 120 e dividimos pelo número de polos (p). ns = 120*fe/p Assim, um motor de 2 polos (menor número possível) terá uma velocidade ns= 120*60/2, o que dará 3600 rpm. Já um motor de ventilador de teto de 12 polos terá uma velocidade de 600 rpm. Os motores de ventiladores de teto (os que utilizam motor de indução) costumam ter entre 8 e 24 polos. Portanto, as velocidades dos ventiladores podem variar desde 900 até 300 rpm, respectivamente. Com um escorregamento máximo de 5%, poderia chegar a 285 rpm.
  42. 42. Para obter velocidades mais baixas, teríamos que aumentar o número de polos, o que pode tornar-se impraticável construtivamente. Também pode-se elevar o ângulo de inclinação ou o tamanho das pás, o que aumenta o atrito com o ar e o escorregamento. Estas duas opções reduzem a eficiência geral do motor e podem sobreaquecê-lo. Pode-se também diminuir o valor do capacitor permanente, dentro de certos limites, e é o que se pratica nos ventiladores em geral. O capacitor em série diminui a tensão sobre a bobina auxiliar. Com valores menores, a corrente diminui, reduzindo a influência da bobina auxiliar e o motor passa a girar mais devagar. Agora vamos pensar em um determinado motor de ventilador de teto, que altera a velocidade através da troca de capacitores. Na prática, não há aumento da velocidade, somente redução, já que a velocidade de sincronismo nunca é ultrapassada. Considera-se que os motores de ventiladores operam de modo aceitável entre a velocidade nominal e metade dela. Deve-se ter em conta que o torque nos ventiladores tem progressão quadrática: quando dobra a velocidade, quadruplica-se o esforço para o motor. Na velocidade nominal, quando aumenta o esforço para o motor há a tendência de aumentar o escorregamento, o que produz mais torque, até um certo ponto (o ponto de conjugado máximo, conforme será visto logo adiante). Se as pás oferecem uma resistência bem dimensionada, a velocidade se mantém num ponto de equilíbrio. Ao reduzirmos a rotação, o esforço para o motor também diminui ao quadrado, só que agora o escorregamento fica muito elevado, pois aumenta a distância da velocidade de sincronismo. Com isso, o aumento do escorregamento ulrapassa o ponto de conjugado máximo, causando a redução do torque e o aumento da corrente sobre o motor, já que o rotor tende a parar. Rotor parado, como vimos, equivale a curto-circuito para o estator. Mais um motivo para sobredimensionar os enrolamentos do estator. Além disso, os motores de indução de potência fracionária (cuja potência é uma fração de CV) tem baixo rendimento, pois as perdas magnéticas equivalem à potência de saída. Estas perdas são menores nos motores mais potentes. Quanto mais baixa a rotação em relação à velocidade de sincronismo, mais elevadas as perdas magnéticas, pois o escorregamento é muito elevado. E a relação entre potência e velocidade é cúbica: para a metade da velocidade, a potência requerida pelo motor é 12,5% da outra (0,5³). Para o dobro da velocidade, a potência necessária sobe oito vezes (2³). É possível que, por causa disso, muitos ventiladores que utilizam motores de indução exibem rotações muito baixas, pois são feitos para aguentar um altíssimo escorregamento. Mas a eficiência deixa a desejar. Aliás, uma curiosidade: se girarmos o eixo de um motor de indução ligeiramente acima da velocidade de sincronismo, o motor passa a se comportar como gerador, como é possível visualizar no gráfico da figura 62. O gráfico do escorregamento negativo tem a mesma forma do escorregamento normal, apenas é invertido. Para mais informações, leia o artigo sobre geradores no Centro de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas [90] e a aula sobre Máquinas elétricas CA [91]. Mas hoje, falamos de motores assincronos…
  43. 43. Figura 62 – Comportamento de um motor de indução conforme a velocidade de rotação de seu eixo. Fonte: Blog de Emannuel Fernandes [91]. Sabemos que o motor de indução tem sua velocidade determinada pelo número de polos e pela frequência da rede elétrica. A frequência da alimentação pode ser alterada através de um inversor de frequência (inverter). Este equipamento, apesar do custo relativamente elevado para pequenos motores, está popularizando-se e tende a baixar de preço, pois seu uso tem aumentado em lavadoras de roupa e aparelhos de ar condicionado. Os inversores de frequência tem uma vantagem intrínseca muito relevante, pois podem ser alimentados por energia monofásica e gerar saída polifásica (qualquer número de fases). Isto permite acionar motores melhores e de modo muito mais eficiente, sem os tradicionais problemas de arranque. Em ventiladores, se o custo diminuísse suficientemente, os inversores de frequência seriam muito bem vindos, pois poderiam girar a velocidades muito baixas, mantendo um torque próximo ao nominal. Velocidades baixas fazem o ventilador abrandar seu ruído, o que aumenta o conforto ambiente. Por isto é que muitos fabricantes de ventiladores produzem motores com grande número de polos. Sobre o acionamento de motores monofásicos com inversores, há um trabalho muito interessante de Luis Cândido Tomaselli [95], da UFSC, onde ele explica de forma clara as variáveis a considerar quando se pretende mudança de velocidade em motores com capacitor permanente, para uso em ventiladores. Outro trabalho, dirigido ao acionamento de motores monofásicos de máquinas de lavar roupas, foi publicado por Nelson Jue Wong [96], da USP.
  44. 44. Figura 63 – Distribuição de bobinas de modo concêntrico num estator. Fonte: What-When-How [92]. Figura 64 – Distribuição de bobinas de modo espalhado num estator trifásico. Fonte: Ibiblio [67]. Para saber quantos polos tem um motor de ventilador de teto, é só contar o número de bobinas de uma das fileiras no estator. Cada bobina é individual e forma um polo. As fileiras são do enrolamento principal (mais externa) ou auxiliar. Mas em motores de indução comuns, exceto nos de polo sombreado, não é tão fácil, pois cada bobina é distribuída por várias ranhuras e pode ser parcialmente sobreposta às outras, como visto na figura 34. Na figura 63 aparece o esquema de distribuição de bobinas concêntricas pelas ranhuras do estator. Há também o modo espalhado de distribuição, como mostra a figura 64. Para mais detalhes, acesse a página da What- When-How (sic) na referência [92], além da excelente Electric Research Fraternity [93]. E na página Inspetor de Instrumentação [94] tem um antigo mas completo manual de rebobinamento de motores. O rotor de gaiola
  45. 45. Os motores de indução aqui abordados utilizam rotores sem qualquer ligação elétrica, o que aumenta grandemente a durabilidade e confiabilidade destas máquinas, já que a ausência de fricção em contatos diminui a necessidade de manutenção e reduz o ruído. Exceto o motor do medidor de Kwh, todos os outros modelos de motores assíncronos empregam o rotor em curto circuito, mais conhecido por “gaiola de esquilo“. É que ele tem, internamente, aparência semelhante às rodas nas quais estes animais brincam, quando em cativeiro. Os motores com rotor gaiola de esquilo correspondem a mais de 90% dos motores de indução comerciais. Figura 65 – Rotor de gaiola de esquilo,visto de três maneiras, com destaque para o efeito de espira em curto circuito nos polos. Fonte: SH Freitas [97]. Figura 66 – Rotores de gaiola de esquilo,de motores de indução de polo sombreado.O da esquerda é de motor de 4 polos e o da direita, de 2 polos. Os furos nas peças são feitos durante o balanceamento do eixo, para evitar vibrações. Nestes rotores, a gaiola geralmente é feita de alumínio, mas pode ser de cobre, latão ou qualquer outro material condutor não ferromagnético. As barras condutoras
  46. 46. retilíneas da gaiola são curto-circuitadas permanentemente por anéis nas extremidades. A função deste arranjo é criar espiras que irão gerar uma força contra- eletromotriz, conforme a lei de Lenz (auto-indução). Os anéis das extremidades e as espiras devem ser espessos para melhorar o efeito, pois isto aumenta a corrente sobre as espiras e gera mais força contra-eletromotriz. Esta força contrária será ampliada também com a inclusão de um núcleo, de chapas justapostas de ferro-silício laminado. Pode-se ver, destacadas em amarelo na figura 65, as espiras formadas em determinado instante do funcionamento. Na figura 66, pode-se ver em detalhe dois rotores gaiola de esquilo, de motores de polo sombreado. Em outras palavras: cada espira da gaiola, junto com o núcleo de ferro transforma-se momentaneamente em um eletroímã, que irá repelir o campo magnético do estator (rever a figura 65). Isto tende a afastar aquela espira do polo do estator mais próximo. Como o estator tem um campo magnético girante, o rotor irá girar, pois está apoiado em rolamentos para diminuir o atrito. O efeito da espira em curto circuito, sob um campo magnético alternado, pode ser melhor compreendido com um experimento prático. No video a seguir, pode-se observar uma espira saltitante. A bobina recebe tensão alternada, que gera um campo magnético, também alternado, no núcleo. A espira única de cobre ou alumínio, que curto-circuita este fluxo magnético, desenvolve uma força contra eletromotriz, repelindo o núcleo. Como ela é mais leve, o resultado é que ela eleva-se ao ligar o circuito. O deslocamento da espira aumenta proporcionalmente com a sua seção (mais volume de metal na espira gera mais corrente). Se o núcleo ferromagnético fosse longo, a espira poderia subir mais, mas nunca além da extremidade, pois a partir dali a força contra-eletromotriz é muito reduzida (é o núcleo que potencializa este efeito). Agora você tem uma ideia de como um trem como o Maglev pode levitar… Podemos observar também que as barras condutoras da gaiola do rotor são montadas de maneira torcida entre as extremidades. É que, assim, as espiras da gaiola nunca ficam alinhadas completamente com as ranhuras do estator, evitando a tendência de bloqueio do rotor. Além disso, esta inclinação diminui enormemente o zumbido e a trepidação causados pela ação eletromagnética entre o rotor e os dentes das cavas do estator. Se não houvesse esta diferença angular entre as extremidades do rotor, as posições do rotor durante o funcionamento ficariam claramente demarcadas, mais ou menos como numa chave seletora rotativa de multímetro. Como o rotor tem o mesmo número de dentes do estator, a atração magnética entre eles tende a manter o rotor bloqueado. Este efeito de travamento inclusive é utilizado em motores de passo. Problemas com o travamento do rotor e lubrificação Já dissemos que o rotor do motor de indução pode ser considerado como o secundário de um transformador, assim como o estator seria o primário. Se o rotor de gaiola está travado, com o motor energizado, ele atua como se fosse um secundário em curto-circuito, elevando a corrente a níveis perigosos. Por isto é que não se deve forçar um motor – qualquer motor – a ponto de reduzir muito a sua rotação, pois o aquecimento será intenso, podendo facilmente queimá-lo. Para dar uma ideia do dano, na figura 68 aparece um motor que teve o seu rotor travado durante o funcionamento. O rotor chegou a fundir, literalmente. Este alerta também vale para motores de escovas (universais), muito utilizados em ferramentas elétricas, como furadeiras e esmerilhadeiras. Nos ventiladores de teto, o eixo normalmente é apoiado em rolamentos blindados, que tem grande durabilidade. Quando eles dão problema (é raro), o giro da hélice
  47. 47. não é livre, faz um barulho como se algo raspasse. Quando o motor é desligado, as pás param rapidamente. Neste caso, é necessário trocar os rolamentos. Em ventiladores menores, o problema do travamento do rotor toma uma importância especial. Como eles geralmente ficam ligados por horas a fio, após alguns anos chegará o momento em que os mancais do eixo deverão ser lubrificados, ou ocorrerá o travamento. Também se ficarem parados/guardados por muito tempo, poderão estar com o eixo travado ao serem novamente postos para funcionar, por causa do endurecimento do lubrificante. É que nos ventiladores de mesa ou de pé, os dois mancais (um em cada extremidade do eixo do rotor) são feitos com buchas sinterizadas (metal poroso), envolvidas por feltros embebidos em óleo lubrificante. É a tal da auto-lubrificação. Com o uso, o óleo dos feltros tende a se extinguir e as buchas começam a soltar partículas que ficam entre elas e o eixo, o que causa mais atrito e mais aquecimento. Isto desgasta ainda mais as buchas, aumentando o ruído e resultando no travamento do eixo. Figura 68 – Defeito em motor de indução (rotor travado). Fonte IFRN – WEG [71].
  48. 48. Figura 69 – Estator de ventoinha PAPST alemã, modelo TYP 4650N, de 230VCA, onde é possivel perceber que o rotor “lixou” as lâminas do estator. Figura 70 – Rotor de ventoinha PAPST, externo ao estator. Este problema pode ser solucionado se, periodicamente, as buchas são lubrificadas. Muitos ventiladores dispõe de um furinho junto ao feltro para receber a lubrificação. Para lubrificar, bastam poucas gotas de óleo de máquina de costura sobre cada feltro,
  49. 49. sem encharcá-lo. Já o eixo, precisa ser limpo somente se a hélice está parando muito rápido. Vejamos o que ocorre quando esta manutenção preventiva não acontece. Como exemplo, vou mostrar uma ventoinha de refrigeração de no-break, equipamento que supre a falta de energia e precisa ficar sempre ligado, 24h por dia. Nas figuras 69 e 70 aparece o motor de uma ventoinha PAPST alemã, que utiliza a configuração de 2 polos sombreados. Ela nunca teve manutenção preventiva e funcionou direto por pelo menos uns 10 anos no no-break. Atualmente, ao ligar a ventoinha ela faz um barulho forte e o rotor funciona aos trancos. Tudo por causa da folga da bucha, que é tão grande que o rotor passou a bater no estator (os fabricantes deixam o menor espaço possível entre o rotor e o estator, pois assim aumenta a eficiência da máquina). Ao observar detidamente a figura 69, pode-se ver o estrago que o rotor fez sobre o estator, pois deixou lisa a superfície que deveria ser multilaminada. Isto impede que a ventoinha seja reutilizada, pois mesmo trocando as buchas, o rendimento diminuiu e o motor aquecerá mais. Outro detalhe, que muitos ventiladores apresentam, especialmente os que tem uma chave rotativa para escolher a velocidade. As posições são, invariavelmente: desligado, velocidades máxima, média, mínima. O motivo para o ventilador começar na velocidade máxima é que nela, a força de arranque é maior, o que ajuda o rotor começar a girar, caso apresente uma leve dificuldade após algum tempo sem utilização. Conjugado O conjugado em um motor de indução é proporcional ao campo magnético produzido pelo estator e a corrente induzida no rotor. Na prática, é a “força” ou torque disponível no eixo, em determinada situação. Ou, matematicamente falando, é omomento do eixo. Também é conhecido por torque binário ou somente binário. De modo a padronizar as informações sobre o desempenho dos motores, são considerados diversos conjugados (figura 71): – Conjugado de partida ou de arranque (Cp), relativo à força de arranque; – Conjugado nominal ou de carga (Cn), que é o torque do motor sob carga nominal (máxima admissível); – Conjugado mínimo (Cmin), que é o menor torque desenvolvido pelo motor, ao acelerar desde zero até a velocidade do conjugado máximo. – Conjugado máximo (Cmax), que é o maior torque possível.
  50. 50. Figura 71 – Curva que aponta onde fica cada conjugado. Fonte: IFSC [98].
  51. 51. Figura 72 – Curvas de torque x velocidade dos motores de indução monofásicos. Fonte: Microchip [99]. Figura 73 – Curva de conjugado de carga e escorregamento. Fonte: UFES [78]. A figura 72 exibe um gráfico onde foram sobrepostos os conjugados dos motores de indução assíncronos monofásicos. Foi traduzido do gráfico da nota de aplicação da
  52. 52. Microchip [91], a AN887 (AC Induction Motor Fundamentals). Considero que desta maneira é mais fácil perceber as diferenças entre os motores. O conjugado (torque) está na linha vertical do gráfico e a rotação do motor na horizontal. Para compreender melhor: o gráfico inicia à esquerda com o rotor parado, que tem sua velocidade aumentada até a máxima (100% da velocidade de sincronismo), à direita. Aqueles degraus dentro da área hachurada do gráfico da figura 72 correspondem ao ponto de acionamento da chave centrífuga, nos motores que a tem (de fase dividida, com capacitor de partida e com 2 capacitores – permanente e de partida). Na figura 73, aparece o gráfico do conjugado de carga com relação ao escorregamento, em motores de indução. A linha inferior é o conjugado de carga (torque possível sobre a carga conforme a velocidade do rotor), e tem um ponto de cruzamento com o escorregamento. Aquele ponto é onde o motor idealmente deveria funcionar (máxima eficiência), e corresponde aproximadamente à metade do conjugado máximo. Escorregamento O escorregamento (s, de slip), ou resbalamento, ou deslizamento, como já foi dito, ocorre quando a velocidade de rotação do rotor é menor que a velocidade de rotação do campo magnético do estator. O campo do estator gira na velocidade de sincronismo (60 ou 50Hz, conforme o país), que seria aquela velocidade em que o rotor não teria nenhum escorregamento. É o escorregamento que garante o funcionamento dos motores de indução assíncronos, pois sem ele não existiria torque. A figura 74 exibe a curva de escorregamento destes motores (torque disponível conforme a velocidade de rotação do eixo). Percebe-se que o escorregamento, quando aumenta até determinado ponto, aumenta o torque. Esta é a chamada faixa estável, e é dentro dela que o motor deve funcionar, pois a sobrecarga faz o motor aumentar o torque. Após o pico do gráfico (Cmax), o funcionamento do motor é instável, pois o aumento do escorregamento diminui o torque. Nesta situação, qualquer sobrecarga (exigir torque acima do nominal para aquela rotação) causa mais escorregamento, que por sua vez diminui o conjugado, o que aumenta ainda mais o escorregamento. Isto faz o rotor parar rapidamente (100% de escorregamento). Observe que este gráfico da figura 74 está invertido em relação aos dos conjugados (figura 71 a 73), pois o ponto zero do eixo horizontal é o escorregamento (100% da velocidade de sincronismo). Naqueles outros gráficos, o eixo horizontal corresponde à velocidade do rotor.
  53. 53. Fgura 74 – Gráfico do conjugado de um motor de indução em função do escorregamento. Fonte: UFES [78]. Existe, portanto, um ponto ótimo para o motor funcionar com o máximo rendimento. Em média, o escorregamento alcança, nos pequenos motores de indução, uma diferença entre 0,5% em vazio (sem carga) a 5%, com carga nominal (máxima). Os motores de maior potência tem maior rendimento e pequena taxa de escorregamento. Mais sobre motores As ventoinhas pequenas, como as dos computadores, via de regra tem motores energizados com 5 ou 12VCC (Volt em Corrente Contínua). São construídas com ímãs permanentes, que são acoplados a um circuito eletrônico de acionamento. São denominados motores CC sem escovas (DC brushless motor) e não serão abordados neste artigo. Já os modelos de ventoinhas ligadas diretamente na rede elétrica (110 ou 220VCA) usam motores de indução assíncronos de polo sombreado e tem o rotor externo ao estator, do mesmo modo que os ventiladores de teto. É o caso da ventoinha PAPST mencionada anteriormente. A seta da figura 75 mostra uma das duas espiras de sombra embutidas (que também pode ser vista na figura 68). Na figura 76, é possível perceber que o rotor foi fabricado fundido com a hélice. Ao fundo da imagem, por dentro do rotor, nota-se as espiras da gaiola, cobertas pela tinta.
  54. 54. Figura 75 – Detalhe do enrolamento do motor, que é de 2 polos. A seta destaca uma das duas espiras de sombra. Figura 76 – Vista do rotor, fundido à hélice. Observar as espiras da gaiola debaixo da tinta. No final das contas, por causa das diferenças construtivas dos motores de indução, existe um tipo de motor mais adequado para cada regime de trabalho e finalidade. Para ajudar aqueles que precisam escolher o melhor motor para sua aplicação, a WEG
  55. 55. [92] publicou um interessante artigo, sobre o rendimento em motores monofásicos, é interessante conhecê-lo. Este longo artigo, para ser construído, absorveu informações espalhadas por vários trabalhos, já que há muitas formas de abordar o assunto. Alguns textos são muito completos/didáticos. Uma das melhores páginas, disparado, é a Ibiblio [71], em inglês. Aquele texto abrange as características da grande maioria dos motores utilizados atualmente, tem muita informação. Depois, tem vários outros textos, a maioria de professores: Eurico Castro Neves, da UFPEL [72]; Fernando L. Silveira e Luiz R. Marques, da UFRGS e IFSUL [75]; Vinicius Secchin, da UFES [78]; Tuveras [101], em espanhol; Hélio Pinheiro, do IFRN [102]; Mário Ferreira Alves, do ISEP [103]; Mario Loureiro [104]; Gil Marques, do IST [105]; Joel Rocha Pinto, da FACENS [106]. Por último, dois trabalhos bem abrangentes: a UFRN [107] disponibiliza uma “Apostila de Manutenção Industrial ” e o Portal da indústria [108] publicou “Motor Elétrico – Guia Básico”, 6ª obra de uma série, muito bom de ler. Motores com novos materiais Estão em estudo novos compostos para fabricar o núcleo dos motores de indução, o que promete revolucionar sua fabricação, tornando-os mais versáteis, leves e aumentando seu rendimento. Por exemplo, os núcleos de compostos magnéticos macios, fabricados de acordo com a técnica chamada metalurgia do pó. A metalurgia do pó tem sido utilizada na reciclagem de sobras (cavacos) de metais, onde se deseja preservar as características originais da liga ou separá-la de modo ambientalmente correto (p. ex., ligas contendo lítio, cujo vapor é volátil e perigoso). Com esta tecnologia, é possível construir núcleos feitos com ligas de pó de ferro sinterizado. Estas ligas podem conter metais como o lítio. Essencialmente, isolam-se as partículas da liga em cápsulas, o que reduz bastante as correntes de Foucault e torna o processo de moldagem dos motores muito mais fácil e adaptável às mais variadas situações. Pode ser uma interessante opção para os motores de tração elétrica de veículos, por exemplo. O artigo de 4 doutores do ICET, ULBRA E UFRGS [109] – Mario M. Dias, Lírio Schaeffer, Arão M. Dias e José L. César – apresenta alguns modelos com núcleo de pó de ferro sinterizado, que foram construídos em parceira com a WEG. Já o trabalho de Sérgio D. Bittencourt, da UFRGS [110], considera estes núcleos mais adequados a altas frequências (o que, no final das contas, é a tendência para o futuro). Outro trabalho da UFRGS [111], faz um estudo comparativo entre alguns materiais magnéticos. Há também um trabalho vindo de uma universidade da Macedônia, em inglês [112], sobre o uso destes materiais em pequenos motores de polo sombreado. E a Höganäs [113] é um fornecedor de compostos magnéticos macios, com a linha Somaloy. Na referência [114], tem um link para um texto desta empresa que explica de modo bem simples e claro, em português, o processo de metalurgia do pó. VENTILADORES DE TETO Os ventiladores de teto geralmente empregam o motor de indução com capacitor permanente, cujo funcionamento já foi explicado neste texto. As diferenças entre os motores comuns com capacitor permanente e os motores dos ventiladores de teto são, principalmente, o método construtivo e a existência de um sistema de controle para o usuário variar a velocidade e o sentido de rotação. Há três maneiras de controlar a operação dos ventiladores de teto. A mais antiga e ainda hoje utilizada é a correntinha, que fica suspensa junto ao motor e aciona uma chave caracol interna. Geralmente há duas, uma das chaves aciona a luz (se houver luminária) e a outra altera a velocidade (chave de 4 posições: velocidade 3, 2, 1 e desligado). A rotação é invertida através de uma chave no corpo do ventilador, acima das pás.
  56. 56. A segunda maneira controlar os ventiladores de teto é utilizar um espelho de parede, que substitui o interruptor de luz. Nele, há três chaves: a da lâmpada, a da inversão da rotação e a da velocidade. Eventualmente, no lugar desta última pode haver um potenciômetro que controla a velocidade de modo contínuo, através de um circuito eletrônico interno. O mais moderno modelo é com controle remoto. Normalmente, há funções adicionais, como o timer, sleep e a memorização da última operação. Nestes sistemas, o circuito do receptor fica no corpo do ventilador. Dependendo do fabricante, há modelos com controle por infravermelho, por radiofrequência e até por Bluetooh. A característica construtiva mais visível dos ventiladores de teto é o rotor grandão, posicionado do lado externo do estator. O estator fica no centro, preso ao eixo. O rotor apoia-se em rolamentos sobre o eixo, dispostos acima e abaixo do estator. A razão de montar o rotor por fora é, principalmente, por questões práticas. Como o motor é suspenso pelo eixo central, é mais fácil fazer o rotor externo e tornar a carcaça giratória, já que o rotor não tem qualquer conexão elétrica. E as pás da hélice podem ser fixadas com suportes mais amplos, diretamente na estrutura. Além disso, o fato do rotor ser bem maior diminui o esforço para começar a girar, pois o torque é aplicado longe do eixo. Experimente começar a girar uma roda de bicicleta junto ao eixo e compare com o esforço necessário para girá-la pelo pneu. Gire devagar, com cuidado para não prender os dedos nos raios e machucar-se seriamente. As conexões elétricas do estator e da eventual luminária passam por dentro do eixo, pois ele é oco. O motor é engatado em um canopi, que por sua vez é preso a um suporte no teto. A fiação passa por dentro do canopi, até o ponto de ligação. Este sistema de fixação permite algum movimento pendular para o ventilador, pois ele nem sempre estará com as pás perfeitamente equilibradas e poderá ser montado em tetos levemente inclinados. Se a instalação fosse feita com cano rígido, poderia causar sérios acidentes, pois ao longo do tempo haveria fadiga do metal do cano, ou do sistema de fixação, por causa das vibrações.
  57. 57. Figura 77 – Vista explodida de um ventilador de teto. Fonte: Google Patents [115]. Figura 78 – Vista em corte de ventilador de teto, com legenda. Fonte: Popular Mechanics [116]. Figura 79 – Estator de 12 polos de ventilador de teto. Fonte: Wonder Whats Inside [117].
  58. 58. Figura 80 – Rotor de ventilador de teto. Fonte: Wonder Whats Inside [117]. Para identificar mais claramente os componentes dos ventiladores de teto, escolhi uma imagem onde aparece a vista explodida do aparelho (figura 77). A figura vem de uma patente (ver Google Patents [115]), que refere-se ao modo de refrigeração do motor de ventilador de teto. São as abas no perímetro do rotor. Há várias patentes de ventiladores de teto, em geral abordando um detalhe específico, como neste caso. Aparentemente, as primeiras que trataram deste assunto são do século XIX, como a US560569A, de 1896 e a US636871A, de 1899. Complementando, na figura 78 temos uma vista em corte de um motor de ventilador de teto. As figuras 79 e 80 mostram, respectivamente, o estator e o rotor de um ventilador de teto desmontado. Este rotor, por exemplo, é liso e não utiliza aquele método de abas de refrigeração desenhado na patente da figura 77. Outra característica bem típica destes motores é a separação física dos enrolamentos do estator. O enrolamento externo (principal) e outro mais interno (auxiliar) estão deslocados 90º elétricos. Na figura 79, pode-se identificar os fios de ligação dos enrolamentos, que sobem por dentro do eixo. Inclusive, pode-se comparar ao esquema da figura 84, da próxima seção. São três fios, um deles é comum aos dois enrolamentos. Quanto à disposição das bobinas, verifiquei que há outro modo de enrolar os estatores de ventiladores de teto. A Mega Bobinadeiras [118], um fabricante nacional de máquinas para bobinar estes motores, faz um enrolamendo inclinado, num estator ligeiramente diferente. Já a empresa argentina GMR [119] apresenta uma máquina para fazer o bobinamento mais conhecido, dos dois enrolamentos intercalados. Variando a velocidade do ventilador de teto É importante lembrar que o campo girante tem sua velocidade determinada pela frequência da rede elétrica. E que a velocidade dos motores de indução é determinada pela velocidade do campo girante. Assim, a forma mais eficiente de controlar a velocidade é mudar a frequência da corrente alternada com a qual o motor é alimentado.
  59. 59. Mas como o custo dos inversores de frequência ainda é alto, utilizam-se métodos mais simples e baratos para fazer algo semelhante. Todos estes outros métodos controlam a tensão sobre o enrolamento auxiliar do motor, modificando conjuntamente a o torque disponível e a velocidade. A figura 81 ilustra como o controle de tensão modifica a velocidade nestes motores. Há duas curvas de torque do motor, uma com 100% da tensão e outra com a metade disso. Em função da redução do torque com menores tensões de entrada, é aceitável uma velocidade até 50% abaixo da nominal. Por isto, com a metade da tensão o escorregamento chega perto de 20%. É um valor alto de escorregamento e certamente alguns fabricantes o utilizam para alcançar baixas rotações. Figura 81 – Conjugado de motor de indução conforme a tensão de alimentação. Fonte: Ibiblio [71]. Basicamente, há três formas de controlar a tensão sobre o enrolamento auxiliar dos motores de indução. Uma delas é com um circuito eletrônico que atua através do ceifamento de pequenos trechos da onda senoidal, normalmente utilizando um TRIAC para isto (como o circuito da figura 82, para uso em 120VCA). É um circuito que gera ruído na linha (interferência eletromagnética), apesar de conseguir um controle contínuo da rotação. Na referência [120], tem uma nota técnica da Freescale, sobre a implementação de um controle de velocidade com microcontrolador e detector de passagem por zero, que gera menos ruído. Outra forma empregada para alterar a velocidade é através do uso de um autotransformador, como mostra a figura 83. O autotransformador pode ser externo (um componente separado) ou enrolado no próprio estator. Esta possibilidade é abordada na página da Electrical Contractor [121] e é utilizada em máquinas de lavar e alguns modelos de ventiladores. Mas o modo mais comum de controle de velocidade em ventiladores de teto é com capacitores, combinados com uma chave de múltiplas posições, que seleciona a capacitância final. O diagrama esquemático da figura 84 mostra um tipo simples de ventilador de teto, muito comum nas lojas. Não confundir com o modelo de motor de 2 capacitores (capacitor permanente e de partida), pois aqui não há chave centrífuga. Conforme a potência e o número de polos do motor, o valor dos capacitores poderá mudar, mas o circuito é essencialmente o mesmo. Há modelos com mais capacitores (mais opções de velocidade).
  60. 60. Figura 82 – Diagrama esquemático de controle eletrônico de velocidade de ventilador de teto. Fonte:Schematic.pics [122]. Figura 83 – Diagrama esquemático de motor de indução com capacitor permanente e autotransformador,para variar a velocidade. Fonte: ECN [121].
  61. 61. Figura 84 – Diagrama esquemático de um ventilador de teto típico, marca LG, de acionamento por chaves. Fonte: Electrical Forensics [123]. A velocidade é alterada agrupando os capacitores em paralelo ou escolhendo um deles. No caso da figura 84, a velocidade mais baixa liga só o capacitor de 1uF, a média tem só o capacitor de 2uF e a velocidade máxima tem os dois ligados em paralelo, totalizando 3uF. São portanto 3 valores de capacitância, que resultam em 3 velocidades diferentes. Quanto maior o valor do capacitor, mais alta a tensão sobre o enrolamento auxiliar, aumentando o efeito daquele enrolamento e resultando em maior velocidade do rotor. O controle da tensão e não da frequência de alimentação é uma forma meio capenga de variar a velocidade, mas é barata e funciona bem. Até o capacitor estragar… Defeito no ventilador Atualmente, os capacitores permanentes para os pequenos motores de indução são feitos com filmes plásticos (polímeros). Estes capacitores podem ser montados separadamente ou em um só invólucro, como é muito comum. Há capacitores múltiplos com até 5 unidades numa peça, mas o mais encontrado é o capacitor duplo (figuras 85 e 86). Os valores do capacitor múltiplo são sempre desiguais, o que facilita escolher um deles ou associá-los em paralelo, resultando em diversos valores de capacidade. A tensão de trabalho destes capacitores deve ser especificada em VCA RMS (tensão alternada eficaz), cujo valor precisa ter uma certa folga em relação à tensão da rede elétrica. Por exemplo, o capacitor deitado na figura 85, aceita tensão de 250VCA, o que pode ser insuficiente para os pulsos gerados numa rede elétrica de 220VCA. É uma razão para ir perdendo a capacitância ao longo do tempo de uso.
  62. 62. Figura 85 – Capacitores duplos comerciais (não necessariamente de ventiladores).
  63. 63. Figura 86 – Ligação interna de um capacitor duplo. Durante o funcionamento do ventilador, muitas vezes ocorrem surtos de tensão sobre as placas do capacitor. Se a tensão de ruptura do dielétrico é atingida em algum ponto, é provocado um curto-circuito interno, por breve instante. Naquele momento, o alumínio evapora na região, fazendo um buraco e diminuindo a capacitância (como visto mais acima em auto-recuperação dos capacitores). Isto irá repetir-se ao longo do tempo. Chega uma hora que o capacitor só terá uma lembrança de seu valor original e ocorre um dos defeitos típicos: o ventilador não gira mais, ou gira lentamente, ou só com ajuda, ou faz um zumbido muito feio. Na prática, a solução de mais de 80% dos defeitos em ventiladores de teto (e outros, que usam capacitor) é a troca do capacitor. Do mesmo modo, esta avaliação serve para os defeitos em motores de indução de capacitor permanente de outros equipamentos, como máquinas de lavar que de repente começam a zumbir ou não fazem alguma das operações. Testando os capacitores Em dois ventiladores de teto, encontrei capacitores com valores muito abaixo do nominal. Eles não tinham qualquer sinal de estufamento ou de queimado. Nestes capacitores de filme plástico, poderá aparecer (mas nem sempre) uma bolha ou inchaço em alguma parte do invólucro. As figuras 87 e 88 mostram os testes realizados com o capacímetro, em um capacitor duplo. Ficou só um cheiro de capacitância…
  64. 64. Dica importante: aparentemente, os capacitores duplos seguem uma regra de cores para a ligação interna, como se viu nas figuras 85 e 86. O fio vermelho é comum aos dois capacitores, o preto é sempre o valor menor e o verde o maior. É necessário respeitar as cores da montagem original, quando for trocar o componente. Nas lojas de material elétrico, dificilmente conseguiremos capacitores idênticos. A solução será comprar uma peça com valores um pouco mais altos, pois no futuro, conforme o uso, os capacitores voltarão a perder sua capacitância, obrigando a nova troca. E nada impede de montar dois capacitores individuais de polipropileno, na configuração mostrada na figura 86, pois o capacitor duplo é somente mais prático. Só que quando dá problema num só deles, a peça toda tem que ser trocada. A capacitância maior aumenta a velocidade do motor e capacitância menor, o contrário. Mas não é possível modificar demasiadamente a velocidade variandoo valor do capacitor, há limites. Se o valor for muito alto, o capacitor fará circular uma corrente elevada pelo enrolamento auxiliar, danificando-o, ao passo que um valor muito baixo poderá causar o efeito de ressonância com aquele enrolamento, queimando-o também. Conforme a página Ceiling Fans ‘N’ More [124] é aceitável, na troca dos capacitores, uma diferença máxima de 1uF entre o original e o substituto. Se o leitor pretende calcular o valor ideal do capacitor, tem um vídeo muito interessante, em inglês, postado por Hemant Pant [125], que demonstra o modo de fazê-lo. Há uma certa dificuldade, por causa das medições necessárias aos cálculos. O interessante do Hemant é que ele tem outro vídeo que mostra como utilizar o ventilador sem capacitor [126], é hilário, mas funciona… Figura 87 – Capacitor em teste, terminais verde e vermelho (maior capacitância). Deveria ter 2 uF…
  65. 65. Figura 88 – Capacitor em teste, terminais vermelho e preto (menor capacitância). O valor original era 1 uF. Figura 89 – Capacitor de 440VCA de uso industrial, que pode ser utilizado em ventiladores de teto, ao lado de dois capacitores duplos, comuns nestes equipamentos.

×