Motores Trifásicos de Indução AC

Os motores monofásicos são usados nas aplicações domésticas para utilizações de baixa potência, mas apresentam algumas limitações. Uma é que desligam 100 vezes por segundo (nós não notamos que as lâmpadas fluorescentes piscam a esta velocidade porque os nossos olhos são demasiado lentos: até mesmo 25 imagens por segundo na TV é suficientemente rápido para nos dar a sensação de continuidade do movimento); A segunda é que torna-se incómodo produzir campos magnéticos girantes. Por estas razões, alguns electrodomésticos de mais elevada potência (alguns kW) podem precisar de uma instalação eléctrica trifásica. As aplicações industriais, essas, usam a corrente trifásica extensivamente, e o motor de indução trifásico é um “cavalo de trabalho” para aplicações de alta potência. Os três fios (não contando com o fio de terra) apresentam três diferenças de potencial que estão desfasadas entre si de 120º, como é mostrado na animação seguinte. Assim, três estatores dão-nos um campo girante muito mais suave.

Com correntes alternadas, podemos inverter o sentido dos campos sem ter de usar escovas. Isto é bom, porque assim podemos evitar as faíscas, a produção de ozono e as perdas óhmicas devidas às escovas. Além disso, devido ao facto de as escovas fazerem contacto entre as superfícies em movimento, desgastam-se rapidamente.
A primeira coisa a fazer num motor AC é criar um campo girante. A AC normal das tomadas é uma corrente alternada de uma única fase – é uma diferença de potencial eléctrico sinusoidal gerada entre dois únicos fios – o activo/fase e o neutro. (Note que o fio de terra não conduz qualquer corrente excepto quando há alguma falha no circuito). Com uma AC monofásica, podemos criar um campo girante gerando duas correntes desfasadas usando por exemplo um condensador. No exemplo mostrado, as duas correntes estão desfasadas de 90º, sendo o componente vertical do campo magnético sinusoidal, enquanto a componente horizontal é cosinusoidal, como mostrado. Isto dá-nos um campo girante de sentido contrário aos ponteiros do relógio.
Foi-me pedido para explicar isto: da teoria AC, nem as bobinas nem os condensadores têm a tensão em fase com a corrente. Num condensador, a tensão é máxima quando a carga deixou de fluir para o condensador, e está a começar a fluir para fora do condensador. Assim, a tensão eléctrica está atrasada em relação à corrente. Numa bobina pura, a tensão eléctrica é maior quando a corrente está a mudar mais rapidamente, que é também quando a corrente é zero. A queda de tensão está em avanço em relação à corrente. Nas bobinas dos motores, o ângulo de fase é menor que 90º, porque a energia eléctrica está a ser transformada em energia mecânica.

Nesta animação, os gráficos mostram a variação das correntes nas bobinas vertical e horizontal no tempo. O traçado dos componentes do campo Bx e By, mostram que o vector soma destes dois campos é um campo girante. A figura principal mostra o campo girante. Também mostra a polaridade dos ímanes: como anteriormente, o azul representa o pólo Norte e o vermelho o pólo Sul.
Se colocarmos um íman permanente nesta área do campo girante, ou se pusermos uma bobina cuja corrente seja sempre no mesmo sentido, então obtemos um motor síncrono.
Sob uma vasta gama de condições, o motor rodará à velocidade do campo magnético. Se tivermos vários estatores, em vez de apenas os dois pares que aqui mostramos, então podemos considerá-lo como um motor passo-a-passo: cada impulso movimenta o rotor até ao par seguinte dos pólos actuados. Lembre-se do aviso acerca da geometria idealizada: os motores passo-a-passo reais têm dezenas de pólos e geometrias um bocado complexas.

Construção de Um Motor Simples

Para construir este motor, simples mas estranho, precisa de dois ímanes verdadeiramente fortes (rare earth magnets com cerca de 10mm de diâmetro está ok, assim como barras magnéticas grandes), um condutor de cobre rígido com pelo menos 50 cm de comprimento, duas pontas condutoras com terminações em pontas de crocodilo, uma pilha de 6V, duas latas de refrigerante, dois bocados de madeira, um bocado de fita cola e um prego/taxa afiado.

Faça uma bobina a partir do bocado de cobre rígido, de modo a que ela não precise de nenhum suporte externo. Dê 5 a 20 voltas em círculos de aproximadamente 20 mm de diâmetro, e termine de forma a que as pontas apontem, radialmente para fora, em direcções opostas. Estas pontas formarão ambas o eixo e os contactos. Se o fio tiver verniz ou isolante em PVC, descarne-o nas pontas.
Os suportes para o eixo podem ser feitos de alumínio, de forma a que façam contacto eléctrico. Por exemplo buracos feitos numa lata de refrigerante com um clip, como mostrado. Posicione os dois ímanes, norte para sul, de forma a que estes passem através da bobina nos ângulos certos em relação aos eixos. Ponha fita cola ou cole os ímanes nos bocados de madeira (não mostrado na figura) para os manter com a altura certa, e depois movimente os bocados de madeira de modo a que fiquem na posição correcta, muito perto da bobina. Faça rodar a bobina de início de forma a que o fluxo magnético através da bobina seja zero, como mostrado na figura.

Uma realização alternativa de um motor simples.
Agora vá buscar a bateria e os dois fios condutores com pontas de crocodilo. Ligue os dois terminais da bateria aos dois suportes metálicos da bobina e ela deverá rodar.
Repare que este motor tem, pelo menos, um “ponto morto”: Ele parará frequentemente na posição onde não há torque na bobina. Não o deixe ligado muito tempo: ele descarregará a bateria muito rapidamente.
O número óptimo de voltas/espiras da bobina depende da resistência interna da bateria, da qualidade do suporte dos contactos e do tipo de fio, pelo que deverá experimentar com vários valores diferentes.
Como referido anteriormente, isto é também um gerador, mas muito ineficiente. Para criar uma maior fem, utilize mais espiras (pode ter de usar fio mais fino e uma moldura sobre o qual o enrolar). Pode usar um berbequim para o enrolar mais rapidamente, como mostrado no sketch anterior. Utilize um osciloscópio para observar a fem gerada. É AC ou DC?
Este motor não tem o anel dividido em partes, então porque trabalhará em DC? Pondo as coisas de forma simples, se ele fosse rigorosamente simétrico, não trabalharia. Contudo, se a corrente for ligeiramente mais baixa num semiciclo do que no outro, então o torque médio não será igual a zero e, porque ele roda razoavelmente rápido, o momento angular adquirido durante o semiciclo com corrente maior empurra-o durante o semiciclo em que o torque é de direcção oposta. Pelo menos duas coisas podem originar a assimetria. Mesmo que os fios tenham sido enrolados de forma rigorosa, a resistência de contacto não será mesmo igual. Por outro lado, a própria rotação faz com que o contacto seja intermitente, pelo que se houver ressaltos maiores durante uma fase, esta assimetria é suficiente. Em princípio, poderia até descarnar os fios de forma a que a corrente seja zero durante um semiciclo.
Para uma construção de um motor ainda mais simples e fácil de compreender, veja artigo posterior (motor homopolar).