Categoria — Electricidade

Em artigos anteriores estudámos a teoria subjacente ao funcionamento dos vários tipos de motores de corrente contínua (DC) e alternada (AC). Seguidamente vamos debruçar-nos sobre o funcionamento dos motores reais que, obviamente, incorporam a teoria estudada mas contêm, por outro lado, particularidades necessárias ao seu bom desempenho, robustez, fiabilidade e outras características práticas importantes.

Motores de Indução

Não existe, nos dias de hoje, nenhum lar onde este tipo de motores não esteja presente. Poderá encontrar um motor de indução na sua ventoinha, frigideira eléctrica, aspirador, máquina de lavar a roupa, máquina de lavar loiça, secador de roupa, e a pequena bomba que faz a circulação de água no aquário dos seus peixes, de forma a que esta não fique verde e os seus peixes não fiquem de barriga para o ar. E haverá grandes possibilidades de ter também um no aparelho de ar condicionado – a não ser que seja um daqueles de última geração.

Vantagens

– Barato
– Silencioso
– Duradouro
– Não cria interferências

Desvantagens

– Roda a velocidade constante (50Hz a dividir por metade do número de pólos)
– Não pode rodar a velocidades superiores a 1500 rpm (motor de 4 pólos)
– Absorve uma grande corrente no arranque, ou é ineficiente, ou ambos
– É volumoso e desajeitado para a potência que consegue desenvolver
– Abaixo mostramos um exemplar de uma ventoinha

Na realidade os eixos e os extremos do motor já foram removidos. (Em retrospectiva, eu deveria ter usado algo mais delicado do que um machado para desmontar a ventoinha.) Podemos puxar o rotor para fora e isto é aquilo com que ficamos. Há quatro bobinas, e elas estão simplesmente ligadas em série.

Bem, não é assim tão simples – a corrente vem pelo fio branco, então a primeira bobina (acima à direita) é enrolada no sentido dos ponteiros do relógio, a próxima (abaixo à direita) no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio, a de baixo à esquerda novamente no sentido dos ponteiros do relógio, a de cima à esquerda no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio, e depois sai pelo outro fio branco. Imagine pois um semiciclo positivo da corrente, com esta na realidade a entrar naquele primeiro fio. A primeira bobina produz um pólo norte na frente (visto de frente), a segunda um pólo sul na frente, etc.: N-S-N-S

Meio ciclo da alimentação depois (10ms) a corrente inverte, bem como o sentido magnético dos pólos, que são agora: S-N-S-N. O rotor é um condutor eléctrico, e, assim, tenta seguir esse campo. Para fazer isso tem de rodar 90 graus. Então o rotor demora dois ciclos completos da corrente (40 ms) para fazer uma rotação completa, e assim a sua velocidade é de 1500 rpm. Pelo menos, será se conseguir acompanhar o campo girante. Mas não o consegue bem, e de facto é porque ele escorrega um pouco que se consegue desenvolver o torque. Então, ele roda um pouco mais lentamente que as 1500 rpm (tipicamente 1440 rpm) dependendo de quanto torque é chamado a produzir.

De notar que o motor, como descrito até aqui, pode rodar em qualquer dos sentidos. Este tipo de motor precisa pois de alguma “inteligência” interna para assegurar que apenas vai rodar na direcção certa. Isso é conseguido, neste motor, pelo uso de pólos sombreados.

Repare na bobina no topo da figura. Veja que existe um pequeno pólo adicional (um conjunto de lâminas de ferro) à esquerda do pólo principal. Ele é excitado pela mesma bobina do pólo principal, mas está “encoberto” desse pólo por uma tira grossa de cobre que envolve as lâminas e actua como um pequena espira eléctrica. A corrente induzida nesta tira pelo campo magnético gera uma mudança de fase de forma a que o pólo encoberto pode gerar uma componente pequena do campo magnético nos ângulos exactos em relação ao campo principal, e com a fase correcta para assegurar que a ventoinha roda no sentido correcto (de outra forma a ventoinha sugaria em vez de soprar).

Então, na realidade o motor de indução está já a usar indução, e ainda nem chegámos ao rotor!

Vamos então agora olhar para o rotor. Ele é realmente frustrante – não se parece nada com a “gaiola de esquilo” citada no seu nome. Onde é que é suposto estar o esquilo?

O que acontece é que o rotor é na realidade feito de uma pilha de lâminas em forma de disco de ferro macio. É verdade – é sólido. Isso concentra o campo magnético (gerado pelas bobinas) na região em que fará melhor o seu trabalho (as barras condutoras do rotor).

Pode ver os extremos das barras que seguem ao longo do eixo do rotor, mas elas estão num ângulo de talvez 30º em relação ao eixo. O que se passa aqui? Mau dia na fábrica? Há fortes hipóteses que tenha sido projectado dessa maneira para reduzir o torque. Se as barras estivessem paralelas ao eixo, o torque aumentaria e cairia à medida que cada barra passasse debaixo das bobinas. Inclinando as barras, o torque é mantido mais uniforme à medida que o rotor roda.
Vamos ver agora um tipo diferente de motor de indução.

Este veio de um telescópio astronómico. Fazia parte de um transportador de filme fotográfico, e era necessário que fosse capaz de andar para a frente e para trás. Logo tem duas bobinas separadas, e quatro fios de ligação para o exterior. Uma das bobinas é alimentada directamente da alimentação (ou “linha”); a outra é alimentada através de um condensador que disponibiliza o necessário desfasamento de 90º. Trocar as bobinas ou inverter as ligações numa das bobinas e o motor irá andar na outra direcção.

Não há surpresas quando o desmontamos, mas mesmo assim repare no padrão diferente de bobinagem em relação ao motor anterior. Tem mais pólos, e assim rodará mais lentamente.

De novo, o rotor é sólido, e não conseguimos ver o que está lá dentro. A placa de alumínio no extremo do rotor foi estampado e transformado numa série de pequenas alhetas de forma a fazer uma ventoinha de refrescamento. (Isto não era necessário com o nosso primeiro motor – ele mantinha-se fresco ele próprio pelo expediente simples de estar colocado no meio de, bem… uma ventoinha.)

Como os telescópios astronómicos já não usam filme, podemos cortar o rotor ao meio e ver se há algum esquilo lá dentro.

Nada de esquilo, mas um magnífico conjunto de barras de alumínio condutor, tal como vem nos livros. Se pensar nas barras do rotor como formando (via os seus anéis extremos) uma bobina de uma espira de um secundário de um transformador, sendo o seu primário (as bobinas de cada pólo) tem algumas 50 a 100 espiras, é claro que a corrente através das barras do rotor pode ser bastante elevada – valores aproximados de 100 amperes para um motor de 240 watt de potência. Isto explica a necessidade de barras realmente chunky.

Uma desvantagem do motor de pólo encoberto é que o torque de arranque é muito mais baixo. Isso não importa muito para uma coisa como uma ventoinha, onde a carga estacionária é próxima de zero. Para outras aplicações, como uma máquina de lavar, por exemplo, isso seria um desastre. Esses motores utilizam então um condensador para gerar a requerida mudança de fase para as bobinas em quadratura, como neste exemplo.

Os motores de indução podem ainda apresentar-se noutras formas, mas as duas descritas acima são as mais comuns no que se refere a utilizações domésticas.

Para roncos a sério, contudo, é preciso um motor trifásico de indução. Isso tira vantagem do facto de que a potência trifásica comercial é disponibilizado por três condutores, cada um dos quais transporta uma onda sinusoidal de 50 Hz desfasada de 120º das outras duas. Um motor trifásico simplesmente coloca três bobinas em intervalos de 120º à volta da carcaça, e assim um campo magnético girante é criado automaticamente. Os motores de indução trifásicos são os “cavalos de trabalho” da indústria, com grandes unidades que chegam a ter mais de um megawatt de potência.
Os comboios do novo Millenium de Sidney utilizam motores de indução trifásicos, cada qual de 226 kW, deixando assim de lado os tradicionais motores DC usados nos anteriores modelos Tangara. Contudo, como a potência produzida pelo comboio é de 1500 volts DC, cada comboio Millenium tem de ter um inversor para criar as três fases AC para alimentar os seus motores.

Em artigos anteriores estudámos a teoria subjacente ao funcionamento dos vários tipos de motores de corrente contínua (DC) e alternada (AC). Seguidamente vamos debruçar-nos sobre o funcionamento dos motores reais que, obviamente, incorporam a teoria estudada mas contêm, por outro lado, particularidades necessárias ao seu bom desempenho, robustez, fiabilidade e outras características práticas importantes.

Motores de Indução

Não existe, nos dias de hoje, nenhum lar onde este tipo de motores não esteja presente. Poderá encontrar um motor de indução na sua ventoinha, frigideira eléctrica, aspirador, máquina de lavar a roupa, máquina de lavar loiça, secador de roupa, e a pequena bomba que faz a circulação de água no aquário dos seus peixes, de forma a que esta não fique verde e os seus peixes não fiquem de barriga para o ar. E haverá grandes possibilidades de ter também um no aparelho de ar condicionado – a não ser que seja um daqueles de última geração.

Vantagens

– Barato
– Silencioso
– Duradouro
– Não cria interferências

Desvantagens

– Roda a velocidade constante (50Hz a dividir por metade do número de pólos)
– Não pode rodar a velocidades superiores a 1500 rpm (motor de 4 pólos)
– Absorve uma grande corrente no arranque, ou é ineficiente, ou ambos
– É volumoso e desajeitado para a potência que consegue desenvolver
– Abaixo mostramos um exemplar de uma ventoinha

Na realidade os eixos e os extremos do motor já foram removidos. (Em retrospectiva, eu deveria ter usado algo mais delicado do que um machado para desmontar a ventoinha.) Podemos puxar o rotor para fora e isto é aquilo com que ficamos. Há quatro bobinas, e elas estão simplesmente ligadas em série.

Bem, não é assim tão simples – a corrente vem pelo fio branco, então a primeira bobina (acima à direita) é enrolada no sentido dos ponteiros do relógio, a próxima (abaixo à direita) no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio, a de baixo à esquerda novamente no sentido dos ponteiros do relógio, a de cima à esquerda no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio, e depois sai pelo outro fio branco. Imagine pois um semiciclo positivo da corrente, com esta na realidade a entrar naquele primeiro fio. A primeira bobina produz um pólo norte na frente (visto de frente), a segunda um pólo sul na frente, etc.: N-S-N-S

Meio ciclo da alimentação depois (10ms) a corrente inverte, bem como o sentido magnético dos pólos, que são agora: S-N-S-N. O rotor é um condutor eléctrico, e, assim, tenta seguir esse campo. Para fazer isso tem de rodar 90 graus. Então o rotor demora dois ciclos completos da corrente (40 ms) para fazer uma rotação completa, e assim a sua velocidade é de 1500 rpm. Pelo menos, será se conseguir acompanhar o campo girante. Mas não o consegue bem, e de facto é porque ele escorrega um pouco que se consegue desenvolver o torque. Então, ele roda um pouco mais lentamente que as 1500 rpm (tipicamente 1440 rpm) dependendo de quanto torque é chamado a produzir.

De notar que o motor, como descrito até aqui, pode rodar em qualquer dos sentidos. Este tipo de motor precisa pois de alguma “inteligência” interna para assegurar que apenas vai rodar na direcção certa. Isso é conseguido, neste motor, pelo uso de pólos sombreados.

Repare na bobina no topo da figura. Veja que existe um pequeno pólo adicional (um conjunto de lâminas de ferro) à esquerda do pólo principal. Ele é excitado pela mesma bobina do pólo principal, mas está “encoberto” desse pólo por uma tira grossa de cobre que envolve as lâminas e actua como um pequena espira eléctrica. A corrente induzida nesta tira pelo campo magnético gera uma mudança de fase de forma a que o pólo encoberto pode gerar uma componente pequena do campo magnético nos ângulos exactos em relação ao campo principal, e com a fase correcta para assegurar que a ventoinha roda no sentido correcto (de outra forma a ventoinha sugaria em vez de soprar).

Então, na realidade o motor de indução está já a usar indução, e ainda nem chegámos ao rotor!

Vamos então agora olhar para o rotor. Ele é realmente frustrante – não se parece nada com a “gaiola de esquilo” citada no seu nome. Onde é que é suposto estar o esquilo?

O que acontece é que o rotor é na realidade feito de uma pilha de lâminas em forma de disco de ferro macio. É verdade – é sólido. Isso concentra o campo magnético (gerado pelas bobinas) na região em que fará melhor o seu trabalho (as barras condutoras do rotor).

Pode ver os extremos das barras que seguem ao longo do eixo do rotor, mas elas estão num ângulo de talvez 30º em relação ao eixo. O que se passa aqui? Mau dia na fábrica? Há fortes hipóteses que tenha sido projectado dessa maneira para reduzir o torque. Se as barras estivessem paralelas ao eixo, o torque aumentaria e cairia à medida que cada barra passasse debaixo das bobinas. Inclinando as barras, o torque é mantido mais uniforme à medida que o rotor roda.
Vamos ver agora um tipo diferente de motor de indução.

Este veio de um telescópio astronómico. Fazia parte de um transportador de filme fotográfico, e era necessário que fosse capaz de andar para a frente e para trás. Logo tem duas bobinas separadas, e quatro fios de ligação para o exterior. Uma das bobinas é alimentada directamente da alimentação (ou “linha”); a outra é alimentada através de um condensador que disponibiliza o necessário desfasamento de 90º. Trocar as bobinas ou inverter as ligações numa das bobinas e o motor irá andar na outra direcção.

Não há surpresas quando o desmontamos, mas mesmo assim repare no padrão diferente de bobinagem em relação ao motor anterior. Tem mais pólos, e assim rodará mais lentamente.

De novo, o rotor é sólido, e não conseguimos ver o que está lá dentro. A placa de alumínio no extremo do rotor foi estampado e transformado numa série de pequenas alhetas de forma a fazer uma ventoinha de refrescamento. (Isto não era necessário com o nosso primeiro motor – ele mantinha-se fresco ele próprio pelo expediente simples de estar colocado no meio de, bem… uma ventoinha.)

Como os telescópios astronómicos já não usam filme, podemos cortar o rotor ao meio e ver se há algum esquilo lá dentro.

Nada de esquilo, mas um magnífico conjunto de barras de alumínio condutor, tal como vem nos livros. Se pensar nas barras do rotor como formando (via os seus anéis extremos) uma bobina de uma espira de um secundário de um transformador, sendo o seu primário (as bobinas de cada pólo) tem algumas 50 a 100 espiras, é claro que a corrente através das barras do rotor pode ser bastante elevada – valores aproximados de 100 amperes para um motor de 240 watt de potência. Isto explica a necessidade de barras realmente chunky.

Uma desvantagem do motor de pólo encoberto é que o torque de arranque é muito mais baixo. Isso não importa muito para uma coisa como uma ventoinha, onde a carga estacionária é próxima de zero. Para outras aplicações, como uma máquina de lavar, por exemplo, isso seria um desastre. Esses motores utilizam então um condensador para gerar a requerida mudança de fase para as bobinas em quadratura, como neste exemplo.

Os motores de indução podem ainda apresentar-se noutras formas, mas as duas descritas acima são as mais comuns no que se refere a utilizações domésticas.

Para roncos a sério, contudo, é preciso um motor trifásico de indução. Isso tira vantagem do facto de que a potência trifásica comercial é disponibilizado por três condutores, cada um dos quais transporta uma onda sinusoidal de 50 Hz desfasada de 120º das outras duas. Um motor trifásico simplesmente coloca três bobinas em intervalos de 120º à volta da carcaça, e assim um campo magnético girante é criado automaticamente. Os motores de indução trifásicos são os “cavalos de trabalho” da indústria, com grandes unidades que chegam a ter mais de um megawatt de potência.
Os comboios do novo Millenium de Sidney utilizam motores de indução trifásicos, cada qual de 226 kW, deixando assim de lado os tradicionais motores DC usados nos anteriores modelos Tangara. Contudo, como a potência produzida pelo comboio é de 1500 volts DC, cada comboio Millenium tem de ter um inversor para criar as três fases AC para alimentar os seus motores.

[… continuação]

Ligação à Terra

As normas obrigam que, em todas as instalações eléctricas, pelo menos um dos condutores seja ligado à terra.
Trata-se de uma medida de segurança contra choques eléctricos que podem pôr a vida das pessoas em risco.
Tal devia fazer-nos pensar a todos e, em consequência, tomar todas as medidas para ter uma ligação à terra de acordo com as normas de segurança, o que, infelizmente, não acontece em muitos casos, como veremos.

Mas o que significa ligar à terra?

A superfície da terra é electricamente neutra, isto é, apresenta um potencial eléctrico neutro.
Nos sistemas de distribuição da energia eléctrica, um dos fios do posto transformador que alimenta a nossa casa, é ligado à terra. Assim, um dos fios de alimentação que entra em nossas casas tem potencial eléctrico nulo, ou seja, não dá choque.
Trata-se do chamado fio neutro, azul se tudo estiver conforme a s normas.
Assim, mesmo com a instalação eléctrica a funcionar, se tocarmos apenas no fio neutro, como este está ao mesmo potencial (zero) dos nossos pés, que estão em contacto com aterra, não haverá movimento de cargas, isto é, não haverá corrente eléctrica através do nosso corpo, logo não há choque eléctrico.
No entanto, recomendamos que não faça esta experiência em casa, pois a pessoa que montou a sua instalação eléctrica, pode ter-se enganado ou não ter respeitado a convenção de cores para os condutores.

Há circuitos eléctricos em nossa casa que merecem, só por si, uma ligação à terra obrigatória, pelo perigo acrescido que podem representar. Exemplos: chuveiros ou duches eléctricos. Estes equipamentos podem, devido a qualquer problema, passar a corrente eléctrica com que trabalham para a canalização de toda a casa (uma vez que ela se encontra toda conectada entre si); é até uma situação fácil de acontecer, face ao facto de a água ser um bom condutor, podendo ser ela própria o instrumento de passagem. Aprofundando um pouco o tema, podemos dizer que a água, para ser aquecida tem de ficar em contacto directo com a resistência eléctrica do chuveiro e, como a água possui diluída sal mineral, isso ainda a torna mais condutora, logo mais perigosa.
Estão a ver, se isto acontecer, um pobre que abrir a torneira da cozinha, para beber um singelo copo de água, pode apanhar um “esticão”, pondo em causa a sua segurança, inclusive a sua vida.
Todo o cuidado é pouco.

Como Instalar o Fio de Terra

A secção do fio a usar deve ser a mesma que usamos no fio de fase, em cada um dos pontos do circuito.
O que se faz é introduzir em cada tubo da instalação eléctrica, um fio de terra, verde e amarelo, segundo as normas, juntamente com os fios para funcionamento normal da instalação.

Os Aparelhos e as Tomadas

Muitos dos equipamentos eléctricos que temos a funcionar em casas trazem, no seu interior, ligados às suas carapaças (partes exteriores metálicas) um fio de terra.
Uma continuação desse fio é depois trazido para o exterior através do cabo, que termina numa ficha macho, ficha essa que ligamos à tomada. Por sua vez, a tomada, é incorporada com o tal fio de terra que falámos antes, que segue até ao quadro de entrada da casa e, daí, para a terra/solo junto ao edifício.
Está, pois, tudo interligado, de forma a garantir-se um caminho para a corrente de fuga que pode surgir no equipamento e que, assim, segue desde a sua carcaça até à terra (solo circundante) do edifício, evitando que qualquer pessoa que toque na parte metálica exterior do equipamento, apanhe choque.
Mas isto só funciona na perfeição se todo o circuito de terra estiver em condições regulamentares, o que muitas vezes não acontece devido a falta de manutenção, que deve ser regular e não é.
Mas isso é um assunto que desenvolveremos adiante.
Por outro lado o(s) disjuntor(es) diferencial(ais) que deve(m) equipar o quadro eléctrico funcionam como mais uma protecção para este problema mas, mesmo esta, requer um bom circuito de terra para ser seguro a 100%.
Os disjuntores diferenciais já foram tratados em artigos anteriores (pesquise por favor, se estiver interessado).

Como norma, deverá usar sempre tomadas com terra (as de uso geral, ao contrário do que acontecia antigamente, e as de uso específico – máquina de lavar roupa, máquina de lavar loiça, chuveiro, fogão eléctrico, etc.).
Por outro lado, para além das carcaças dos equipamentos eléctricos, também a canalização, se metálica, deve ser ligada à terra.

Para saber se a terra de uma determinada construção está em condições, isto é, se respeita as normas e, assim, contribui para a segurança da instalação, dos bens e das pessoas, existem instrumentos apropriados, chamados megómetros, podendo, em casos de menor responsabilidade, usar-se também um circuito construído com esse intuito, com base em baterias, voltímetros e amperímetros:

Da lei de ohm, sabemos que U = Rt x I  Rt=U/I

Como sabemos U e I (medidos), tiramos o valor de Rt e vemos se está abaixo do valor regulamentar, que é de 25 ohm.

Esquema geral do circuito de Terra de Protecção: