Teoria da operação
Os princípios básicos do magnetismo e da indução eletromagnética são os mesmos para os motores CA e CC, mas a aplicação dos princípios é diferente devido às inversões rápidas de direção e as mudanças na característica de magnitude da corrente alternada.
Certas características tornam a maioria dos tipos de motor CA mais eficientes do que os motores CC; logo, tais motores são utilizados comercialmente sempre que possível.
Nos últimos anos, foram desenvolvidos sistemas de potência CA para grandes aeronaves com maiores tensões e maiores capacidades de corrente do que jamais foi visto antes.
Por exemplo, os geradores CA do Boeing 787 têm saída de 235 V; os geradores de aeronaves anteriores produziam apenas 115 Vca.
Essa aeronave aproveita essa alta tensão em uma série de motores elétricos.
O B-787 utiliza a potência elétrica para a substituição de sistemas tradicionalmente operados por meios hidráulicos e pneumáticos.
Por exemplo, o B-787 é o primeiro avião comercial a empregar um motor elétrico para a partida.
O B-787 também usa motores elétricos de alta potência para bombas hidráulicas e pressurização da cabine.
Em geral, os motores ca de alta tensão produzem mais potência com menor tamanho e peso do que os motores CC.
Existem três tipos principais de motor CA.
São eles o motor universal, o motor de indução e o motor síncrono.
Todos esses tipos permitem diversas variações, incluindo combinações de recursos para atender diferentes requisitos.
Entre eles estão os motores de repulsão, os motores de fase dividida, os motores capacitores e os motores síncronos que utilizam princípios de indução para o torque de partida.
Um motor universal é idêntico a um motor CC e pode ser operado com corrente alternada ou contínua.
Como a direção do fluxo de corrente no campo e na armadura muda simultaneamente quando a corrente alternada é aplicada a um motor universal, o torque continua na mesma direção todas as vezes.
Por esse motivo, o motor gira continuamente em uma direção, independentemente do tipo de corrente aplicada.
Os motores universais típicos são aqueles utilizados em aspiradores de pó, pequenos eletrodomésticos e motores de perfuratrizes elétricas.
Os motores universais não são usados nos sistemas elétricos de aeronaves, pois a corrente alternada tem uma frequência de 400 Hz, na qual ocorrem perdas de energia bastante significativas em motores universais.
O motor de indução possui uma ampla variedade de aplicações devido a suas características operacionais.
Ele não exige dispositivos de partida especiais ou excitação de uma fonte auxiliar e trabalha com uma grande variedade de cargas.
Ele se adapta a praticamente qualquer carga quando uma velocidade exata e constante não é necessária.
Os dois componentes principais de um motor de indução são o estator e o rotor, como mostrado na Figura.
Se uma fonte de corrente contínua é conectada a dois terminais de um enrolamento de estator, vemos que seções da superfície interior do estator têm uma polaridade definida.
Se as conexões CC são invertidas, a polaridade do estator também se inverte.
Quando uma corrente alternada é aplicada às conexões do estator, a polaridade do estator se inverte duas vezes a cada ciclo.
Muitos motores ca de alta potência são projetados para operarem com uma corrente alternada trifásica.
Quando correntes multifásicas são aplicadas aos enrolamentos de um estator, é estabelecido um campo magnético giratório dentro do estator (ver Figura abaixo).
À medida que a corrente em cada fase muda de direção e de magnitude, o campo combinado do estator gira na frequência da corrente alternada.
Se estudarmos cuidadosamente os diagramas e o gráfico da posição na Figura, veremos que a fase 1 é positiva com corrente máxima e que o campo do estator é vertical.
A corrente é negativa na fase 2 e na fase 3, com toda a corrente fluindo através do enrolamento da fase 1 no estator e no gerador.
O gerador, ou alternador, é representado pelas bobinas em Y invertido na parte inferior de cada diagrama.
Na posição 1, vemos que aproximadamente metade da corrente flui através da fase 2 e a outra metade flui através da fase 3.
O resultado disso é o campo vertical mostrado no diagrama.
Quando a corrente muda através de um ângulo de 30º para a posição 2, a corrente na fase 1 ainda é positiva, mas menor, a corrente na fase 2 é zero e a corrente na fase 3 aumentou na direção negativa.
O resultado disso é um campo produzido totalmente pelos polos das fases 1 e 3 no estator e a posição do campo é 30º no sentido horário em relação à vertical.
Se estudarmos os diagramas das posições 3 e 4 e determinarmos o fluxo de corrente através de cada enrolamento de fase, veremos que o campo do estator se afasta 30º para cada posição.
Se os valores da corrente são marcados para um ciclo completo, vemos que o campo gira 360° para cada ciclo.
O rotor em um motor de indução é composto de um núcleo de ferro laminado no qual são colocados condutores longitudinais.
Em um rotor em curto-circuito, esses condutores normalmente são barras de cobre conectadas nas pontas por anéis.
Quando esse conjunto é colocado no campo giratório produzido pelo estator, uma corrente é induzida nos condutores.
Como os condutores estão em curto-circuito, há um fluxo de corrente daqueles em um lado do rotor, através dos anéis nas extremidades do rotor, até os condutores no outro lado.
Essa corrente produz um campo magnético posicionado a um determinado ângulo do campo do estator.
Se o campo do rotor se alinhasse com o campo do estator, não haveria torque; logo, o campo do rotor deve estar sempre alguns graus atrás do campo do estator.
A diferença percentual nas velocidades dos campos do estator e do rotor é chamada de deslizamento.
É preciso enfatizar que esse deslizamento é absolutamente necessário.
O único campo gerado inicialmente pela entrada de corrente no motor é o campo produzido pelo estator.
O rotor não possui nenhuma conexão elétrica com a energia externa, então a única maneira de produzir um campo é induzindo uma corrente dentro de si à medida que o fluxo do campo do estator giratório o atravessa.
A interação do campo do rotor com o campo do estator produz, então, o torque que faz o rotor girar.
Quando o rotor é conectado mecanicamente à carga, a carga tende a desacelerar a rotação do rotor.
Isso faz com que o deslizamento aumente e os condutores do rotor cortam um maior número de linhas de força por intervalo de tempo, o que por sua vez aumenta a corrente do rotor e o campo do rotor.
Esse campo mais forte produz um torque maior, o que permite que o motor conduza a carga maior.
Outro efeito deve ser considerado quando uma carga é aplicada a um motor de indução: a redução do fator de potência causada pela reatância indutiva do rotor.
Quando o rotor gira a uma velocidade quase síncrona, ou seja, à velocidade do campo do estator, a frequência da corrente do rotor e a reatância indutiva do rotor são baixas.
À medida que a carga é aplicada ao motor, o deslizamento aumento e há um aumento correspondente na frequência da corrente do rotor.
Isso aumenta a reatância indutiva do rotor; por consequência, o fator de potência do motor diminui.
Lembre-se que o fator de potência é igual ao cosseno do ângulo de fase entre a tensão e a corrente e que a reatância indutiva aumenta esse ângulo de fase.
Para manter a eficiência do sistema, os motores devem ser projetados de modo a minimizar o ângulo de fase.
Quando a carga de um motor de indução se torna tão grande que o torque do rotor não consegue sustentá-la, o motor para.
Esse é o chamado limite do conjugado máximo.