Princípio de funcionamento do motor de indução

O motor de indução é uma máquina elétrica CA que converte energia elétrica em energia mecânica. O motor de indução é amplamente utilizado em várias aplicações, desde eletrodomésticos básicos até indústrias pesadas. A máquina tem tantas aplicações que são difíceis de contar e você pode imaginar a escala sabendo que quase 30% da energia elétrica gerada globalmente é consumida pelos próprios motores de indução. Esta máquina incrível foi inventada pelo grande cientista Nikola Tesla e esta invenção alterou permanentemente o curso da civilização humana.

Aqui estão algumas aplicações de motores de indução monofásicos e trifásicos que podemos encontrar na vida diária.

Aplicações de motores de indução monofásicos:

• Ventiladores elétricos em casa
• Máquinas de perfuração
• Bombas
• Moedores
• Brinquedos
• Aspirador de pó
• Exaustores
• Compressores e barbeadores elétricos

Aplicações de motores de indução trifásicos:

• Indústrias de pequena, média e grande escala.
• Elevadores
• Guindastes
• Condução de máquinas de torno
• Moinhos de extração de óleo
• Braços robóticos
• Sistema de correia transportadora
• Trituradores pesados

Os motores de indução vêm em muitos tamanhos e formas, tendo características relativas e classificações elétricas. Eles variam de alguns centímetros a alguns metros em tamanho e têm uma classificação de potência de 0,5 HP a 10000 HP. O usuário pode escolher o mais adequado entre um oceano de modelos para atender sua demanda.

Já discutimos os Fundamentos de Motores e seu funcionamento no artigo anterior. Aqui, discutiremos a construção e o funcionamento do motor de indução em detalhes.

Princípio de funcionamento do motor de indução

Para entender o princípio de funcionamento de um motor de indução, vamos considerar primeiro uma configuração simples, conforme mostrado na figura.

Aqui,

• Dois núcleos de ferro ou ferrite de tamanhos iguais são retirados e suspensos no ar à distância.
• Um fio de cobre esmaltado é enrolado no núcleo superior seguido pelo inferior e duas pontas são retiradas para um lado, conforme mostrado na figura.
• O núcleo aqui atua como um meio para transportar e concentrar o fluxo magnético gerado pela bobina durante a operação.

Agora, se conectarmos uma fonte de tensão alternada nas duas pontas do cobre, teremos algo como a seguir.

Durante o ciclo positivo de AC:

Aqui, durante o primeiro meio ciclo, a tensão positiva no ponto 'A' vai gradualmente de zero ao máximo e depois volta a zero. Durante este período, o fluxo de corrente no enrolamento pode ser representado como.

Aqui,

• Durante o ciclo positivo da fonte de alimentação CA, a corrente em ambos os enrolamentos aumenta gradualmente de zero ao máximo e depois gradualmente volta do máximo a zero. Isso ocorre porque, de acordo com a lei de Ohms, a corrente em um condutor é diretamente proporcional à tensão do terminal, e já discutimos isso muitas vezes em artigos anteriores.
• Os enrolamentos são enrolados de forma que a corrente em ambos os enrolamentos flua na mesma direção, e podemos ver o mesmo representado no diagrama.

Agora, vamos nos lembrar de uma lei chamada lei de Lenz que estudamos antes de prosseguir. De acordo com a lei de Lenz, ' Um condutor que carrega uma corrente irá gerar um magnético preenchido em torno de sua superfície',

e se aplicarmos esta lei no exemplo acima, um campo magnético será gerado por cada loop em ambas as bobinas. Se adicionarmos o fluxo magnético gerado por toda a bobina, ele obterá um valor considerável. Todo esse fluxo aparecerá no núcleo de ferro quando a bobina for enrolada no corpo do núcleo.

Por conveniência, se desenharmos as linhas de fluxo magnético concentradas no núcleo de ferro em ambas as extremidades, teremos algo como a seguir.

Aqui você pode ver as linhas magnéticas se concentrando nos núcleos de ferro e seu movimento através do entreferro.

Esta intensidade de fluxo é diretamente proporcional à corrente que flui nas bobinas enroladas em ambos os corpos de ferro. Portanto, durante a metade do ciclo positivo, o fluxo vai de Zero a Máximo e depois diminui de Máximo a Zero. Uma vez completado o ciclo positivo, a intensidade do campo no entreferro também chega a zero e após isso teremos um ciclo negativo.

Durante o ciclo negativo de AC:

Durante este ciclo negativo da tensão senoidal, a tensão positiva no ponto 'B' irá gradualmente ir de zero ao máximo e então voltar a zero. Como de costume, por causa dessa tensão, haverá um fluxo de corrente e podemos ver a direção desse fluxo de corrente nos enrolamentos na figura abaixo.

Como a corrente é linearmente proporcional à tensão, sua magnitude em ambos os enrolamentos aumenta gradualmente de zero ao máximo e depois desce do máximo a zero.

Se considerarmos a lei de Lenz, então um campo magnético aparecerá ao redor das bobinas por causa do fluxo de corrente semelhante ao caso estudado no ciclo positivo. Este campo ficará concentrado no centro dos núcleos de ferrite, conforme mostrado na figura. Uma vez que a intensidade do fluxo é diretamente proporcional à corrente que flui nas bobinas enroladas em ambos os corpos de ferro, esse fluxo também vai de Zero a Máximo e depois diminui de Máximo a Zero seguindo a magnitude da corrente. Embora seja semelhante a um ciclo positivo, há uma diferença e essa é a direção das linhas do campo magnético. Você pode observar essa diferença na direção do fluxo nos diagramas.

Após seu ciclo negativo, vem um ciclo positivo seguido por outro ciclo negativo e continua assim até que a tensão AC sinusoidal seja removida. E por causa desse ciclo de troca de voltagem, o campo magnético no centro dos núcleos de ferro continua mudando tanto em magnitude quanto em direção.

Concluindo, usando esta configuração,

• Desenvolvemos uma área concentrada de campo magnético no centro dos núcleos de ferro.
• A intensidade do campo magnético no entreferro continua mudando em magnitude e direção.
• O campo segue a forma de onda da tensão sinusoidal CA.

Lei da indução eletromagnética de hoje

Esta configuração que discutimos até agora é mais adequada para realizar a lei de indução eletromagnética de Far dia. Isso ocorre porque um campo magnético em constante mudança é o requisito mais básico e importante para a indução eletromagnética.

Estamos estudando essa lei aqui porque o motor de indução funciona segundo o princípio da lei de indução eletromagnética de Faraday.

Agora, para estudar o fenômeno da indução eletromagnética, vamos considerar a configuração abaixo.

• Um condutor é tomado e moldado em um quadrado com ambas as extremidades em curto-circuito.
• Uma haste de metal é fixada no centro do quadrado condutor que atua como o eixo da configuração.
• Agora, o quadrado do condutor pode girar livremente ao longo do eixo e é chamado de rotor.
• O rotor é colocado no centro do entreferro para que o circuito condutor possa experimentar o campo máximo gerado pelas bobinas do rotor.

Sabemos, de acordo com a lei de indução eletromagnética de Faraday, ' quando um campo magnético variável corta um condutor de metal, então um EMF ou voltagem é induzido no condutor' .

Agora, vamos aplicar esta lei para entender o funcionamento de um motor de indução:

• De acordo com esta lei da indução eletromagnética, um EMF deve ser induzido no condutor do rotor colocado no centro por causa da mudança do campo magnético experimentado por ele.
• Devido a este EMF induzido e ao curto-circuito do condutor, uma corrente flui em todo o circuito, conforme mostrado na figura.
• Aí vem a chave para o funcionamento do motor de indução. Sabemos, de acordo com a lei de Lenz, que um condutor de corrente gera um campo magnético em torno dele, cuja intensidade é proporcional à magnitude da corrente.
• Uma vez que a lei é universal, o circuito condutor do rotor também deve gerar um campo magnético porque a corrente está fluindo através dele por causa da indução eletromagnética.
• Se chamarmos o campo magnético gerado pelos enrolamentos do estator e configuração do núcleo de ferro como fluxo principal ou fluxo do estator. Então, podemos chamar o campo magnético gerado pelo circuito condutor do rotor de Fluxo do rotor.
• Por causa da interação entre o fluxo principal e o fluxo do rotor, uma força é experimentada pelo rotor. Esta força tenta se opor à indução EMF no rotor, ajustando a posição do rotor. Conseqüentemente, experimentaremos um movimento na posição do eixo neste momento.
• Agora o campo magnético continua mudando devido à tensão alternada, a força também continua ajustando a posição do rotor continuamente, sem parar.
• Assim, o rotor continua girando por causa da tensão alternada e, portanto, temos saída mecânica no eixo ou eixo do rotor.

Com isso, vimos como, devido à indução eletromagnética no rotor, temos saída mecânica no eixo. Portanto, o nome dado a esta configuração é chamado de motor de indução.

Até agora, o que discutimos é o princípio de funcionamento do motor de indução, mas lembre-se de que tanto a teoria quanto a prática são diferentes. E para o funcionamento do motor de indução, é necessária uma configuração adicional que discutiremos a seguir.

Motor de indução monofásico

O motor de indução que funciona com alimentação CA monofásica é denominado Motor de indução monofásico.

A linha de força disponível para nós em casa é 240 V / 50 Hz AC monofásica e os motores de indução que usamos no dia a dia em nossas casas são chamados de motores de indução monofásicos.

Para melhor compreensão do princípio de funcionamento do motor de indução monofásico, vamos dar uma olhada na construção do motor de indução monofásico.

Aqui,

• Pegaremos vários condutores e os montaremos no eixo de rotação livre, conforme mostrado na figura.
• Além disso, iremos encurtar as extremidades de todos os condutores com um anel de metal, criando assim várias voltas de condutores que estudamos anteriormente.
• Esta configuração do rotor se parece com uma gaiola de esquilo olhando mais de perto e, portanto, é chamada de motor de indução de gaiola de esquilo. Aqui, vamos dar uma olhada na estrutura 3D do rotor em gaiola de esquilo.

• O estator, que era considerado uma peça completa de ferro, é na verdade um grupo de finas chapas de ferro empilhadas. Eles estão tão juntos que literalmente não haverá ar entre eles. Usamos uma pilha de chapas de ferro em vez de uma única peça de ferro pelo mesmo motivo que usamos chapas de ferro laminadas no caso de um transformador de energia que é para reduzir as perdas de ferro. Usando o método de empilhamento, reduziremos a perda de energia consideravelmente, mantendo o mesmo desempenho.

O funcionamento desta configuração é semelhante ao utilizado para explicar o princípio de funcionamento do motor de indução.

• Primeiro, forneceremos a tensão CA e, por causa dessa tensão, a corrente flui através do enrolamento do estator enrolado nos segmentos superior e inferior.
• Por causa da corrente, um campo magnético é gerado nos enrolamentos superior e inferior.
• A maior parte das folhas de ferro atua como um meio central para transportar o campo magnético gerado pelas bobinas.
• Este campo magnético alternado carregado pelo núcleo de ferro fica concentrado no entreferro central devido ao projeto estrutural intencional.
• Agora, como o rotor é colocado neste entreferro, os condutores em curto fixados no rotor também experimentam esse campo alternado.
• Por causa do campo, uma corrente é induzida nos condutores do rotor.
• Como a corrente está passando pelos condutores do rotor, um campo magnético também será gerado ao redor do rotor.
• Após a interação entre o campo magnético do rotor gerado e o campo magnético do estator, uma força é experimentada pelo rotor.
• Essa força move o rotor ao longo do eixo e, assim, teremos movimento rotacional.
• Uma vez que a tensão está continuamente mudando a tensão senoidal, o rotor também continua girando continuamente ao longo de seu eixo. Assim, teremos uma saída mecânica contínua para determinada tensão de entrada monofásica.

Embora tenhamos assumido que o rotor irá girar automaticamente após a alimentação ser fornecida ao motor monofásico, esse não é o caso. Uma vez que o campo gerado por um motor de indução monofásico é um campo magnético alternado e não um campo magnético giratório. Portanto, na partida do motor, o rotor fica travado em sua posição porque a força experimentada por ele por causa da bobina inferior e da bobina superior será da mesma magnitude e na direção oposta. Portanto, no início, a força resultante experimentada pelo rotor é zero. Para evitar isso, usaremos o enrolamento auxiliar para o motor de indução para torná-lo um motor de partida automática. Este enrolamento auxiliar fornecerá o campo necessário para fazer o rotor se mover no início. O exemplo para este caso é o ventilador elétrico que vemos em nossa vida diária,que é uma partida de capacitor e opera um motor de indução com enrolamento auxiliar conectado em série com o capacitor.

Motor de indução trifásico

O motor de indução que funciona com energia elétrica CA trifásica é denominado Motor de Indução Trifásico. Normalmente, os motores de indução trifásicos são usados ​​na indústria e não são adequados para aplicações domésticas.

A linha de energia disponível para as indústrias é 400V / 50Hz Trifásico com quatro linhas de energia CA e os motores de indução que funcionam nesta fonte nas indústrias são chamados de motores de indução trifásicos.

Para melhor compreensão do princípio de funcionamento do motor de indução trifásico, vamos dar uma olhada na construção do motor de indução trifásico.

Aqui,

• O enrolamento da Fase A começa no segmento superior seguido pelo segmento inferior, conforme mostrado na figura.
• Quanto às duas extremidades da Fase, um do enrolamento A é conectado à linha de força da Fase A da fonte de alimentação trifásica enquanto a outra extremidade é conectada ao neutro da mesma fonte de alimentação de quatro linhas de três fases. Isso é possível porque em uma fonte de alimentação trifásica de quatro linhas, temos as primeiras três linhas transportando três tensões de linha, enquanto a quarta linha é neutra.
• Os outros enrolamentos bifásicos seguem o mesmo padrão da Fase A. Nas duas extremidades do enrolamento da Fase B, um é conectado à linha de energia da Fase B da fonte de alimentação trifásica, enquanto a outra extremidade é conectada ao neutro das mesmas três fases fonte de alimentação de quatro linhas.
• A estrutura do rotor é semelhante a uma gaiola de esquilo e é o mesmo tipo de rotor que é usado em um motor de indução monofásico.

Agora, se fornecermos energia elétrica para os enrolamentos trifásicos do estator, a corrente começa a fluir em todos os três enrolamentos. Por causa desse fluxo de corrente, um campo magnético será gerado pelas bobinas e esse campo fluirá por meio de menos caminho de resistividade magnética fornecido pelo núcleo laminado. Aqui, a estrutura do motor é projetada de forma que o campo magnético transportado pelo núcleo fique concentrado no entreferro no centro onde o rotor é colocado. Assim, o campo magnético concentrado pelo núcleo na folga central influencia os condutores no rotor, induzindo uma corrente neles.

Na presença de corrente condutora, o rotor também gera um campo magnético que interage com o campo do estator a qualquer momento. E devido a essa interação, o rotor sofre uma força que leva à rotação do motor.

Aqui, o campo magnético gerado pelo estator é do tipo rotativo devido à alimentação trifásica, ao contrário do tipo alternado que discutimos em um motor monofásico. E por causa desse campo magnético giratório, o rotor começa a girar sozinho, mesmo na ausência de um impulso inicial. Isso torna o motor trifásico um tipo de partida automática e não precisamos de nenhum enrolamento auxiliar para este tipo de motor.