Motor monofásico - vantagens da utilização de capacitor na partida sob carga 9 Elson Alves PEREIRA 1 Laudo C. MIRANDA 2 Resumo: O presente trabalho visa analisar as vantagens da utilização de capacitor na partida de motores monofásicos, demonstrando a maior eficácia do mesmo em detrimento das demais formas construtivas existentes no mercado. Pretende- -se usar, como base de estudo, pesquisa bibliográfica sobre o tema, com a finalidade de elaborar material didático teórico para ilustrar as diversas formas de arranjos dos sistemas de partida encontrados. Os resultados obtidos através da análise das características de cada sistema apresentarão a exemplificação real de produtos encontrados no mercado consumidor, os quais exigem tal concepção na fabricação. Ao término da análise desse sistema de partida, poderemos oferecer um valioso e aprofundado estudo técnico, que consiste em um diagnóstico consistente no dimensionamento correto de diversos equipamentos, visando contribuir para uma melhor eficácia, e um aumento da vida útil e da durabilidade de motores elétricos monofásicos instalados em máquinas e dispositivos mecânicos afins. Palavras-chave: Motores Monofásicos com Capacitor. Partida de Motor Monofásico. Partida Capacitiva em Motores. 1 Elson Alves Pereira. Graduando em Engenharia Elétrica pelo Claretiano Faculdade. E-mail: <recomaq@msn.com>. 2 Laudo C. Miranda. Mestre em Engenharia de Produção pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Bacharel em Engenharia Elétrica pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). Docente do Claretiano - Faculdade. E-mail: <laudo.miranda@gmail.com>.
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11 1. INTRODUÇÃO Para produzirem torque mecânico, todos os motores elétricos necessitam de uma interação de dois campos magnéticos montados alternadamente sob a forma de grupos dispostos com fios enrolados em forma de bobinas. Nos arranjos mais comuns, esses campos magnéticos são produzidos por diversos conjuntos de enrolamentos de fios de cobre e de alumínio, ambos induzidos pelas correntes supridas por uma fonte elétrica. Um dos conjuntos de enrolamentos localiza-se no estator, que é a parte fixa da máquina, estando o outro situado na parte giratória (rotativa), denominada normalmente como rotor ou induzido. Assim, [...] o rotor ou induzido é o elemento girante do motor; consiste de três partes principais: núcleo, bobinamento e eixo (MUNOZ, 1987, p. 63). Em motores de corrente alternada, denominados C.A., existem dois tipos básicos de motores. Temos motores denominados síncronos e assíncronos. Motores assíncronos, objeto de nosso estudo, podem ser de indução ou de repulsão, nos quais observamos que os bobinados do estator estão distribuídos em ranhuras na parte interna da carcaça do mesmo, que é a parte fixa. Esses enrolamentos são alimentados pela rede de energia elétrica. O campo magnético produzido por eles induz uma corrente no enrolamento do rotor (parte rotativa da máquina). A intensidade da corrente elétrica gerada percorre os bobinados do rotor induzido, criando um fluxo de campo magnético, que vai realizar a interação com o campo magnético induzido pelo bobinado localizado no estator. Tal processo acarreta o torque mecânico no eixo, o qual é necessário para o funcionamento do motor. Os motores denominados de indução de fase auxiliar são motores monofásicos em que observamos a utilização de um rotor chamado de gaiola de esquilo, o qual apresenta barras internas em curto nas extremidades. Internamente, o núcleo do estator (parte fixa do motor), que recebe os enrolamentos dos bobinados, é construído por lâminas de aço silício montadas e isoladas uma a uma. Ele tem seus dois enrolamentos confeccionados em suas ranhuras também isoladas eletricamente: um bobinado principal para o funcionamento em regime normal de uso, e outro, chamado de auxiliar,
12 usado momentaneamente para a partida do motor. Os bobinados ou enrolamentos do motor localizados no estator (designados como principal e auxiliar) são ligados em paralelo e recebem alimentação de uma fase ou de duas fases da rede elétrica, para a partida do motor. Assim que o motor atinge o seu regime de velocidade nominal, o bobinado auxiliar de partida deverá ser desligado. Podemos obtê- -lo automaticamente por uma chave mecânica rotativa ou centrífuga, que corta a ligação do circuito do enrolamento auxiliar quando atingirmos cerca de 80% da rotação normal de funcionamento. Uma outra solução adotada é o emprego de um relé elétrico, cuja bobina de atuação deverá ser devidamente ligada em série com o enrolamento principal do motor, na sua parte fixa que é o estator, ou de regime de funcionamento. Quando obtemos uma drástica redução da corrente nesse enrolamento, pelo fato do motor já estar muito próximo à velocidade nominal de uso, há o desarme do relé, cujo contato elétrico, ao abrir, interrompe o circuito do bobinado estatórico auxiliar. Normalmente, o enrolamento do circuito auxiliar é confeccionado por fios isolados (de cobre ou de alumínio) de bitola menor que o da bobina principal. Por esse motivo, é projetado para ser percorrido por uma intensidade de corrente intensa, visando um aumento do torque na partida do induzido, mas por pouco tempo. Caso não ocorra o seu desacoplamento, ou seja, se continuar sendo alimentado por um tempo maior do que o dimensionado, poderá superaquecer perigosamente, ocasionando a sua queima. Como todos os motores de indução de corrente alternada, aquele conhecido como de fase auxiliar tem semelhanças com os motores denominados de campo em derivação shunt, utilizados com corrente contínua (C.C. ou D.C.), isto é, possuem velocidade nominal aproximadamente constante, independentemente das variações das condições de carga no eixo do estator. O motor de indução de polos partidos é utilizado para situações em que são necessárias pequenas potências com alimentação monofásica. Isto se deve a sua relativa simplicidade e à robustez em sua forma de funcionamento. O rotor interno é gaiola de esquilo, o qual é produzido por barras longitudinais curto-circuitadas em suas extremidades. O estator apresenta polos salientes, muito parecidos com os existentes no motor universal, com a diferença de que
as bobinas de campo (estatóricas) são alimentadas diretamente pela rede de energia. Cada polo montado divide-se por ranhura aberta nas chapas de aço isoladas, as quais devem ser eletricamente isoladas com verniz dielétrico (tem a função de diminuir as correntes parasitas). Paralelamente ao eixo, uma das suas porções, em cada um dos polos, é circundada por um anel de cobre, conhecido como bobina de arrastamento. Estudaremos, objetivamente, o motor de indução, tipo assíncrono, de alimentação monofásica com partida capacitiva (também conhecido como capacitor alimentado por fonte de corrente ou tensão alternada). Em sua construção, ele se parece muito com o motor elétrico de fase auxiliar, mas, para que seja obtido um torque de partida maior com o objetivo de alcançar uma menor corrente na partida, um capacitor do tipo eletrolítico é ligado em série com o enrolamento estatórico auxiliar de partida. Quando o motor atinge a sua rotação normal, um dispositivo mecânico auxiliar instalado no eixo do rotor, normalmente de forma circular, centrífugo com molas de pressão, interrompe o circuito do enrolamento auxiliar após atingir, aproximadamente, 80% da velocidade nominal de rotação. Podemos citar ainda motores elétricos de indução com partida auxiliada por capacitor eletrolítico e funcionamento contínuo com capacitor permanente (ou capacitores que apresentam normalmente dois valores de capacitância), nos quais dois capacitores são empregados (geralmente um é usado na partida, denominado eletrolítico, e outro que é do tipo permanente ou de regime contínuo, que utiliza apenas uma medida de capacitância). Isso permite que, por meio comutador de interrupção centrífuga auxiliar de partida, uma porção da capacitância total continue ligada ao circuito do enrolamento auxiliar durante o funcionamento, o que melhora o fator de potência, aproximando-o da unidade de fator de potência (F.P.). Consequentemente, é reduzida a intensidade de corrente elétrica consumida pelo motor em seu regime normal, bem como o aquecimento e a temperatura do mesmo. Para determinados tipos de cargas leves, podemos utilizar um motor de indução com partida capacitiva, que possua apenas um capacitor, chamado de capacitivo permanente e não do tipo ele- 13
14 trolítico. O motor parte e funciona com dois bobinados (auxiliar e principal). O capacitor do tipo permanente é mantido durante todo o regime de funcionamento normal do motor e nenhum dispositivo ou chave de interrupção é necessário. Esse tipo de motor é utilizado quando há a necessidade de conjugado de partida não elevado, sob cargas leves no eixo. A escolha do tema de nosso estudo surgiu devido à real necessidade de conhecimento mais elaborado e específico em sistemas de partida de motores elétricos monofásicos e seus diversos tipos. Vários produtos de mercado são acionados por esses tipos de motores, e a falta do dimensionamento correto dos mesmos acarreta situações de ineficiência, sobrecarga e, por diversas vezes, a queima do elemento motriz. Em detrimento de um estudo que abordasse tais características, visamos apresentar e melhor compreender a importância desse sistema de maior eficiência para os seus usos específicos. Para o pesquisador autor dessa pesquisa, é de primordial importância desenvolver esse trabalho acadêmico, pois a sua realização trará muitos benefícios, tanto para o enriquecimento de sua carreira profissional, como para a ampliação de seus conhecimentos no dimensionamento técnico correto de motores elétricos monofásicos. Possivelmente, os resultados desse estudo serão incorporados ao cotidiano, o que irá melhorar os serviços de vendas, manutenção preditiva e corretiva, na conservação e no prolongamento da vida útil desses motores elétricos. A partir do problema proposto, o objetivo principal dessa pesquisa é apresentar um estudo teórico abrangente e relevante acerca de um tipo específico de partida, utilizando-se de capacitor em motores elétricos de indução monofásicos. Utilizando-se de fundamentos da engenharia elétrica, tenciona-se trazer informações claras e objetivas para serem utilizadas com relação a esse tipo de dispositivo e para o seu uso correto, visando o aumento da vida útil desses equipamentos. A metodologia empregada nesse estudo foi a de pesquisa aplicada, motivada pela necessidade de resolver problemas concretamente observados no dia a dia na área de engenharia elétrica. A
pesquisa bibliográfica foi usada como meio investigativo. Como cita Vergara (2007, p. 45), esse tipo de investigação [...] tem, portanto, finalidade prática, ao contrário da pesquisa pura, motivada basicamente pela curiosidade intelectual do pesquisador e situada, sobretudo, no nível de especulação. O desenvolvimento teórico se realizou através da pesquisa bibliográfica. As fontes de consulta utilizadas foram fontes impressas, como livros técnicos sobre o assunto, nos quais foram verificados os diversos tipos de funcionamento de motores monofásicos de indução, as suas características de funcionamento, bem como os inúmeros tipos de arranque encontrados nesses equipamentos. 15 2. DESENVOLVIMENTO Ao contrário dos motores polifásicos, como os trifásicos, por exemplo, os motores de corrente alternada do tipo monofásico apresentam várias concepções para as mais variadas aplicações. Na sua maioria, possuem eixo motriz tipo gaiola de esquilo, operando em regimes de trabalho diferenciados com relação aos motores polifásicos ou trifásicos, que trabalham somente se alimentados por três fases da rede elétrica. Esses motores são ligados por apenas dois fios condutores oriundos da rede de energia, sendo fase-neutro (127, 220 ou 254 volts) ou fase-fase (220 volts). Eles operam em vários graus de regimes de trabalho diferentes, normalmente intermitentes, com variações de tensão elétrica em sua alimentação, do fator de carga e conjugado solicitado no eixo. E, em sua grande maioria, são empregados em usos definidos ou específicos. A denominação dada aos motores monofásicos é assim caracterizada porque seus enrolamentos de campo ou bobinas são eletricamente conectados a uma fonte elétrica de tensão chamada monofásica, composta por dois fios somente, geralmente fabricados para uso em dupla tensão de trabalho. Em locais onde não há redes trifásicas, em detrimento das distâncias ou devido à utilização de potências não superiores a 3 CV, utilizamos motores do tipo monofásicos, apesar do custo de
16 aquisição ser superior ao custo dos motores trifásicos. Sobre isso, Munoz (1987, p. 190), afirma: [...] em tamanhos fracionários, utilizam-se motores monofásicos de indução mais extensamente que os polifásicos, devido à preponderância da corrente monofásica. Os motores elétricos de indução monofásicos, portanto, são uma alternativa mais viável para a instalação em locais onde não há fontes de alimentação trifásica, como em algumas regiões agrícolas, pequenas oficinas de reparos, residências, escritórios, entre outros. Podemos justificar a utilização desses motores apenas para usos em menores potências, isto porque são muito maiores as correntes observadas na utilização em tensões mais baixas. A utilização de rotor tipo gaiola de esquilo nesses motores justifica-se pela sua simplicidade de fabricação, pela sua robustez e pela manutenção simplificada. Esses motores são fabricados de tal forma a utilizarem bobinados auxiliares para a partida, os quais são posicionados e dimensionados de forma a criar uma fase fictícia e momentânea. Permite-se, assim, a formação de um campo girante necessário para a partida: [...] há vários métodos de arranque do motor de indução monofásico que visam melhorar o funcionamento. Os mais empregados são por: capacitor, resistor, polo auxiliar ou método de polo com retardamento parcial, etc. (MUNOZ, 1987, p. 186). Os motores monofásicos, devido as suas características construtivas, podem ser assim divididos: Motor monofásico Split-phase ou fase dividida; Motor monofásico com capacitor permanente; Motor monofásico Shaded-pole ou com polos sombreados; Motor monofásico com dois tipos de capacitores, partida eletrolítico e de regime permanente; Motor monofásico com capacitor de partida eletrolítico. O motor denominado como de fase dividida possui dois enrolamentos bobinados: um principal e um auxiliar. Ambos os enrolamentos estão defasados em 90 elétricos em seu espaço das
ranhuras localizadas no estator. Quando atingida uma determinada velocidade de rotação, o enrolamento da bobina auxiliar de partida é desligado de sua alimentação elétrica por uma chave interruptora, geralmente do tipo centrífuga, influenciada pela ação centrífuga da rotação do eixo do motor elétrico. Em alguns casos específicos, alguns sistemas de partida desses motores são caracterizados pelo uso de relés de corrente ou de relés eletrônicos. Conforme Munoz (1987, p. 201): 17 Relé. Dispositivo operado pela variação das características de um circuito elétrico, para efetuar a operação de outros dispositivos, no mesmo, ou em outro circuito elétrico. Seus contatos se situam no circuito de controle. Alguns motores possuem conjugado de partida igual ou ligeiramente superior que o nominal que foi projetado, limitando a sua aplicação em pequenas potências e em cargas que não solicitam um alto torque ou conjugado na sua partida. Nas palavras de Wilkinson (1982, p. 7), [...] para produzirem torque, todos os motores requerem a interação de dois campos magnéticos. Nos arranjos mais usuais estes campos são produzidos por dois conjuntos de enrolamentos, ambos percorridos por correntes supridas pela fonte de alimentação. Motores monofásicos com capacitor do tipo permanente apresentam seu bobinado auxiliar de partida e capacitor permanentemente ligados, sem haver a sua desconexão por atuação de qualquer dispositivo. O efeito do capacitor é o de criar um fluxo capacitivo, que se assemelha ao encontrado em motores polifásicos ou trifásicos, por exemplo. Com isso, temos um conjugado de partida máximo e uma melhora no fator de potência. Sobre isso, Torreira (1980, p. 66) afirma que: [...] existem, no entanto, motores que utilizam o capacitor e o enrolamento de partida permanentemente no circuito, o que elimina o contato centrífugo, torna o motor mais silencioso, mas, em contrapartida, faz com que o conjugado do motor seja reduzido.
18 Por apresentar características especiais, a sua aplicação deverá ser devidamente analisada. O torque conjugado de sua partida é relativamente mais baixo ao do motor de fase dividida, pois se apresenta entre 50% a 100% do seu conjugado de partida nominal. Motores com polos sombreados são também chamados de motor de campo distorcido em razão do seu tipo de partida. É o tipo de motor monofásico mais básico e simples, econômico e factível, sendo que são, geralmente, confeccionados para faixas de pequenas potências não superiores a ¼ CV. Eles apresentam baixo conjugado de partida, variando de 15% a 50% da nominal, um baixo fator de potência e de rendimento elétricos. Os motores com dois capacitores (de partida e permanente) são motores monofásicos mais robustos, que utilizam as vantagens de partida com capacitor eletrolítico com alto conjugado na partida, bem como o funcionamento em regime de trabalho idêntico ao motor que utiliza capacitor permanente, que visa um desempenho superior, o que contribui para a melhoria de seu fator de potência. Normalmente, pelo seu maior valor agregado, esses motores são fabricados para potências acima de 1 CV, em atividades para as quais são exigidos motores que têm boa performance sob a carga na partida. Sua aplicação principal ocorre em instalações rurais, onde são necessários motores com potências consideráveis, ou onde ocorrem elevadas quedas de tensões em linhas elétricas. Os motores elétricos de capacitor de partida são os mais populares e de fácil aquisição no segmento comercial: [...] o motor de indução monofásico com partida a capacitor é quase idêntico em construção ao motor de fase auxiliar, mas para obter um torque de partida maior com menor corrente, um capacitor eletrolítico é usado em série com o enrolamento auxiliar (WILKINSON, 1982, p. 8). Já que apresenta seu enrolamento construído por um enrolamento principal de funcionamento (fios condutores de maior seção) e outro para impulsionar um torque em seu eixo motriz na partida, para obtermos um maior conjugado de partida do mesmo, temos a inclusão de um capacitor do tipo eletrolítico ligado em série com o enrolamento bobinado auxiliar (fios condutores de menor seção)
do estator. Após o desligamento do circuito auxiliar, o motor comporta-se como um motor de fase dividida. Devido ao seu elevado torque na partida (que pode chegar de 300 a 350% do nominal), o motor pode ser utilizado em uma vasta gama de produtos e de aplicações que necessitam partir sob a carga. É totalmente contraindicado na utilização em sistemas que necessitem de reversão de rotação instantânea, pois, devido à elevada corrente de partida, poderá incorrer na queima de seus bobinados pelo excesso de temperatura ao intercalar o sentido de giro do eixo motriz. 19 3. CONSIDERAÇÕES FINAIS Como conclusão desse trabalho, podemos destacar que a engenharia elétrica exerce um papel primordial para o progresso técnico da fabricação, da instalação e da manutenção de motores elétricos. Na análise efetuada acima, acerca dos sistemas de partida dos diversos tipos dos motores monofásicos projetados e fabricados comercialmente, observamos que o uso de capacitores na partida de motores monofásicos é substancialmente melhor na maior parte das aplicações a que se destina. A utilização de motores monofásicos como, por exemplo, em bombas, compressores de ar, ventiladores, máquinas agrícolas, eletrodomésticos e em uma infinidade de outras aplicações desses motores torna o mercado consumidor muitíssimo abrangente. Deparamo-nos, cotidianamente, com a aplicação inadequada do tipo de motor ao tipo de uso por um dimensionamento incorreto ou pela falta de informações técnicas complementares no momento da instalação desses dispositivos. É comum, por exemplo, a aplicação de motores do tipo split- -phase, que não utilizam capacitor para a partida em moto bombas d água. Ocorrem, muitas vezes, problemas de dimensionamento ou de projeto na instalação, podendo ocasionar a queima dos bobinados desses motores devido à queda de tensão elétrica excessiva não prevista para a instalação do equipamento. A falta da devida atenção na colocação de válvula de retenção na linha de descarga da bomba
20 também é um fator que vai influenciar em uma carga que vai exigir um conjugado de partida elevado. A partida auxiliar poderá não executar a correta partida do motor, ocasionando a queima dos bobinados auxiliar e principal por elevação de temperatura advinda da corrente excessiva nos mesmos. As implantações, as pesquisas e as descobertas de novas técnicas, bem como a identificação e a solução dos problemas nos motores elétricos monofásicos são as principais atribuições da área de engenharia elétrica. O engenheiro é submetido, diariamente, a diversas pressões das áreas de fabricação das indústrias para a solução dos problemas imediatos: meu motor elétrico quebrou e estou perdendo produção! Necessito que seja executada a manutenção rapidamente de minha máquina. Essa é uma frase muito comum no âmbito industrial. Normalmente, devido ao cada vez mais intenso e inquietante corre-corre diário, deixamos de raciocinar e de prever situações que podem ocorrer em médio e em longo prazos. Porém, certamente, se fossem resolvidos, em tempo hábil, os problemas crônicos encontrados, não estaríamos sendo esmagados e atropelados pelos problemas de curto prazo. A função da engenharia elétrica não é só manter a capacidade produtiva dos equipamentos e dos motores elétricos, mas, principalmente, saber detectar e agir em caso de problemas de falhas operacionais. Igualmente, saber propor soluções para a melhoria de performance e de aumento de rendimento dos mecanismos elétricos. Em muitos casos, denotamos que é muito mais econômico modernizar e corrigir defeitos, introduzindo melhorias nos motores elétricos monofásicos, do que mantê-los em seu projeto original de fábrica. Devemos ter a consciência de que a engenharia elétrica é um dos elementos impulsores de melhoria na produtividade e no retorno de investimento aplicado dentro do contexto industrial. Nos últimos anos, muitas mudanças tecnológicas ocorreram na fabricação dos motores elétricos monofásicos. Por isso, torna-se cada vez mais preponderante o gerenciamento orçamentário pelo menor custo e pela maior eficiência. Os fatores qualidade e custo
monetário exercem grande influência nas decisões quanto à compra e à instalação desses motores. Assim, é de suma importância ao engenheiro elétrico o conhecimento técnico das características de partida, operação, regime de funcionamento e tipos de carga aos quais podem ser submetidos os diversos tipos de motores elétricos monofásicos e as suas principais aplicações. Esse estudo visa à melhoria contínua dos estudos relacionados a esses motores, objetivando contribuir com mais uma valiosa ferramenta da engenharia para a criação, a correção, a manutenção e a avaliação de problemas que possam surgir cotidianamente. REFERÊNCIAS FITZGERALD, A. E. Máquinas elétricas. São Paulo: McGraw-Hill, 1975. HAMBLEY, A. R. Engenharia elétrica: princípios e aplicações. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009. KOSOW, I. L. Máquinas elétricas e transformadores. 7. ed. Rio de Janeiro: Globo, 1987. LINDEBURG, M. R. Fundamentos de engenharia: teoria e prática. v. 3, Rio de Janeiro: LTC, 2013. MARTIGNONI, A. Máquinas de corrente alternada. 5. ed. Rio de Janeiro: Globo, 1987. MILEAF, H. Eletricidade sete. São Paulo: Martins Fontes, 1985. MUNOZ, N. T. Cálculo de enrolamentos de máquinas elétricas e sistemas de alarme. 4. ed. Rio de Janeiro: Freitas Bastos, 1987. RIZZONI, G. Fundamentos de engenharia elétrica. Porto Alegre: Bookman, 2013. TORREIRA, R. P. Manual básico de motores elétricos. 2. ed. Rio de Janeiro: Antenna, 1980. VERGARA, S. C. Projetos e relatórios de pesquisa em Administração. 9. ed. São Paulo: ATLAS, 2007. WILKINSON, K. Como rebobinar pequenos motores elétricos. Rio de Janeiro: Antenna, 1982. 21