Como funciona um motor CA: aplicações, critérios de seleção e orientações práticas

Como funciona um motor CA – e por que o deslizamento decide quase tudo

O rotor nunca capta o campo magnético que o impulsiona. Essa deficiência explica a velocidade nominal, o torque, o calor, as falhas dos capacitores e a maioria dos números estampados em uma placa de identificação.

Um tacômetro em um motor de ventilador de 50 Hz com marca de 1.300 rpm indica se a lâmina está limpa ou coberta de poeira, e aumenta apenas ligeiramente quando o fluxo de ar é bloqueado. Coloque o mesmo motor atrás de um impulsor mais pesado e a velocidade quase não se move enquanto a corrente aumenta. Ambos os comportamentos vêm de um mecanismo.

Um motor CA funciona produzindo um campo magnético que viaja ao redor do estator a uma velocidade definida pela frequência de alimentação e contagem de pólos e, em seguida, arrastando o rotor alguns por cento atrás dele. O torque existe apenas enquanto o rotor está atrasado. Deixe o rotor corresponder exatamente ao campo e não haverá movimento relativo, nenhuma corrente induzida e nenhum torque.

Apegue-se a essa ideia e vários argumentos cotidianos ficam mais curtos: por que as velocidades da placa de identificação são números ímpares, por que um motor monofásico zumbe em vez de dar partida quando um capacitor seca e por que a mesma estrutura fica mais quente em um aquecedor do que em um ventilador.

O campo giratório, passo a passo

Em um motor trifásico, três enrolamentos ficam separados por 120 graus elétricos e transportam correntes deslocadas no mesmo ângulo. Seus campos se somam em um único campo de força constante que gira uma vez por ciclo elétrico. Essa é a velocidade síncrona: Ns = 120f ÷ P, com f em hertz e P o número de pólos.

1. A corrente do estator cria um campo que passa pelas barras do rotor.
2. Como as barras se movem em relação a esse campo, é induzida tensão nelas, de modo que o rotor se comporta como um secundário em curto-circuito.
3. As correntes induzidas criam seu próprio campo, contra o qual o campo do estator empurra, e o rotor acelera na mesma direção.
4. Sob carga, o rotor se aproxima da velocidade síncrona, mas nunca a atinge. A lacuna é escorregadia: s = (Ns − Nr) ÷ Ns.
5. O torque aumenta com o escorregamento até o torque de ruptura e depois cai – e é por isso que um motor sobrecarregado para em vez de simplesmente desacelerar.

O escorregamento em plena carga é geralmente de 2 a 6% em motores pequenos de uso geral. Os motores dos ventiladores funcionam deliberadamente mais alto, geralmente de 8 a 15%, porque uma curva de torque mais plana mantém o fluxo de ar estável à medida que os filtros entupem e as pás carregam.

Onde ficam as peças e de onde vem o calor

O estator é uma pilha de finas laminações de aço silício, isoladas umas das outras para limitar as correntes parasitas, com enrolamentos de cobre esmaltado inseridos em ranhuras. O rotor é uma gaiola de alumínio fundido ou barras de cobre cortadas por anéis terminais. As lacunas de ar em motores pequenos funcionam em torno de 0,25–0,5 mm, e é nessa lacuna que ocorre a transferência de energia: qualquer excentricidade ali aparece como vibração e ruído.

Um motor monofásico com capacitor adiciona um segundo enrolamento e um capacitor de filme; um motor trifásico não possui nenhum capacitor. Os rolamentos, geralmente rolamentos de esferas vedados em serviço de ventilador, são responsáveis ​​por uma grande parte da vida útil.

O deslizamento não é um defeito a ser eliminado. É a folga de trabalho entre o campo e o eixo – feche-o completamente e o motor não produz nada.

As perdas saem na forma de calor: resistência em ambos os enrolamentos, perda de núcleo nas laminações, atrito e vento nos mancais. Pequenos motores monofásicos geralmente atingem uma eficiência de 30 a 60%, razão pela qual uma saída de eixo de 45 W pode extrair cerca de 90 W da parede e por que o material da carcaça e o fluxo de ar são tão importantes quanto o próprio enrolamento.

Por que um motor monofásico não pode dar partida sozinho

Um enrolamento alimentado com corrente monofásica produz um campo pulsante, não rotativo. Ele se resolve em dois campos girando em direções opostas na mesma velocidade. Parados eles cancelam exatamente, então o torque líquido é zero e o rotor apenas zumbe.

• Poste sombreado: um anel de cobre em parte de cada pólo atrasa o fluxo e produz um pequeno torque inicial – barato, silencioso, ineficiente, comum em ventiladores pequenos.
• Fase dividida de resistência: um enrolamento auxiliar de alta resistência muda de fase; uma chave centrífuga ou PTC o remove após a partida.
• Partida do capacitor: um grande capacitor eletrolítico fornece alto torque de partida para bombas e compressores.
• Capacitor de operação ou capacitor dividido permanente: um pequeno capacitor de filme permanece no circuito, aumentando o fator de potência e reduzindo o ruído, ao custo de um torque inicial modesto.

Os ventiladores usam designs com capacitor porque a carga na partida é leve. Um capacitor de operação típico consiste em alguns microfarads de filme metalizado. À medida que perde capacitância – o calor é a causa comum – o torque de partida cai, o motor consome mais corrente para a mesma saída e o enrolamento fica mais quente. Se o motor zumbir e o protetor térmico continuar disparando, meça primeiro o capacitor; o efeito do capacitor de funcionamento no torque de partida e na eficiência de funcionamento geralmente é a história toda.

Velocidade de leitura e deslizamento de uma placa de identificação

A rpm da placa de identificação é a velocidade de carga total na tensão nominal, não a velocidade de funcionamento livre. Defina-o em relação à velocidade síncrona e você poderá ler a intenção do designer.

Portanto, 1.300 rpm a 50 Hz significa um motor de quatro pólos funcionando com cerca de 13% de deslizamento – alto propositalmente, para que uma lâmina empoeirada não balance o fluxo de ar. Um motor aquecedor de 2.800 rpm é bipolar com aproximadamente 7% de deslizamento; 920 rpm apontam para seis pólos.

Informações Dois motores podem compartilhar uma carcaça, um diâmetro de eixo e um valor de capacitor e ainda assim estar separados por 200 rpm. Confirme a corrente medida na carga nominal em vez de confiar apenas no selo.

Combinando o motor com o aparelho

Os ciclos de trabalho do aparelho decidem a classe do motor de forma mais confiável do que a potência nominal.

Em ventiladores de ar frio, a escolha do invólucro é uma decisão real e não cosmética: um invólucro de alumínio libera calor mais rapidamente e resiste melhor à corrosão em ambientes úmidos do que o aço pintado a um custo semelhante. A propagação de motores CA monofásicos de ar frio em unidades de mesa e de chão mostra o quanto a especificação realmente diz respeito à montagem e à geometria do eixo.

Os aquecedores com ventilador mudam para motores bipolares para girar rapidamente um ventilador menor, e a restrição de ligação torna-se a temperatura em vez da velocidade. A classe de isolamento, a posição do fusível térmico e o próprio caminho de resfriamento do motor decidem se ele sobreviverá a uma grade bloqueada em uma manhã fria.

Os exaustores ficam entre motores CA alimentados por capacitor em caixas de plástico e alternativas CC. Graxa, vapor e produtos químicos de limpeza punem as estruturas abertas, de modo que o encapsulamento obtém seu custo em anos de serviço, e não em decibéis.

Falhas, verificações e o que perguntar a um fornecedor

• Rolamentos são o item habitual em fim de vida; o ruído chega muito antes da convulsão.
• Executar capacitores desvio na capacitância em vez de falhar de forma limpa, de modo que o motor ainda gire enquanto estiver quente.
• Isolamento de enrolamento falha após superaquecimento sustentado; cada 10 °C acima da classificação reduz aproximadamente pela metade sua vida.
• Umidade e graxa menor resistência de isolamento; motores de plástico encapsulados toleram a lavagem muito melhor do que estruturas abertas.

Perigo Nunca substitua um capacitor de partida por um capacitor de operação. A classificação de tensão e o serviço diferem, e o enrolamento pode superaquecer em minutos em um ventilador que funcionou anteriormente por anos.

Aviso Nos aquecedores, uma grade restrita aumenta a temperatura do ar e corta o fluxo de massa que resfria o motor. O protetor térmico pode disparar repetidamente sem nenhuma falha no enrolamento.

Sucesso Aprovar uma amostra com base em evidências, não em um catálogo. Solicite velocidade e corrente medidas com a lâmina real, aumento de temperatura em 1,1× tensão nominal, corrente de rotor travado, valor do capacitor com tolerância, ruído na velocidade mais baixa e números de certificados que correspondam ao mercado de destino.

Toda decisão prática sobre um motor CA retorna à mesma imagem: um campo girando em velocidade síncrona, um rotor se arrastando alguns por cento e o torque vivendo nessa lacuna. A velocidade nominal informa a contagem de pólos, o escorregamento informa a carga e o capacitor informa como o motor dá partida.

Especifique a velocidade, o deslizamento, o aumento da temperatura e o método de partida juntos. Julgado um de cada vez, cada número parece inofensivo; julgados em conjunto, eles prevêem se o aparelho ainda estará silencioso após dois verões de uso diário.