Introdução aos motores CA

Após a introdução do sistema de distribuição elétrica DC pela Edison nos Estados Unidos, uma transição gradual para o sistema AC mais econômico começou. A iluminação funcionou tão bem no AC quanto no DC.

A transmissão de energia elétrica percorreu distâncias mais longas com menor perda com corrente alternada. No entanto, os motores eram um problema com a corrente alternada. Inicialmente, os motores CA foram construídos como motores CC, mas vários problemas foram encontrados devido a mudanças nos campos magnéticos.

Diagrama da família do motor elétrico CA



Charles P. Steinmetz contribuiu para resolver esses problemas com sua investigação de perdas por histerese em armaduras de ferro. Nikola Tesla imaginou um tipo inteiramente novo de motor quando visualizou uma turbina girando, não girada por água ou vapor, mas por um campo magnético giratório.

Seu novo tipo de motor, o motor de indução CA, é o carro-chefe da indústria até hoje. Sua robustez e simplicidade proporcionam longa vida útil, alta confiabilidade e baixa manutenção.

No entanto, pequenos motores CA escovados, semelhantes à variedade CC, persistem em pequenos eletrodomésticos junto com pequenos motores de indução Tesla. Acima de um cavalo-vapor (750 W), o motor Tesla reina supremo.

Circuitos eletrônicos de estado sólido modernos conduzem motores DC sem escova com formas de onda CA geradas a partir de uma fonte CC. O motor DC sem escova, na verdade um motor AC, está substituindo o motor DC com escova convencional em muitas aplicações. E, o motor de passo , uma versão digital do motor, é acionado por ondas quadradas de corrente alternada, novamente, geradas por circuitos de estado sólido.

A figura acima mostra a árvore genealógica dos motores CA descritos neste capítulo.

Os navios de cruzeiro e outras embarcações de grande porte substituem os eixos de transmissão com engrenagens de redução por grandes geradores e motores de vários megawatts. Esse é o caso das locomotivas diesel-elétricas em menor escala há muitos anos.

Diagrama do nível do sistema do motor



No nível do sistema, (Figura acima) um motor recebe energia elétrica em termos de uma diferença de potencial e um fluxo de corrente, convertendo-a em trabalho mecânico. Infelizmente, os motores elétricos não são 100% eficientes. Parte da energia elétrica é perdida para o calor, outra forma de energia, devido às perdas I2R (também chamadas de perdas de cobre) nos enrolamentos do motor.

O calor é um subproduto indesejado dessa conversão. Deve ser removido do motor e pode afetar adversamente a longevidade. Assim, um dos objetivos é maximizar a eficiência do motor, reduzindo a perda de calor. Os motores CA também apresentam algumas perdas não encontradas pelos motores CC:histerese e correntes parasitas.

Histerese e corrente parasita

Os primeiros projetistas de motores CA encontraram problemas relacionados às perdas exclusivas do magnetismo de corrente alternada. Esses problemas foram encontrados durante a adaptação de motores DC para operação AC. Embora poucos motores CA hoje tenham qualquer semelhança com motores CC, esses problemas tiveram que ser resolvidos antes que os motores CA de qualquer tipo pudessem ser adequadamente projetados.

Os núcleos do rotor e do estator dos motores CA são compostos por uma pilha de laminações isoladas. As laminações são revestidas com verniz isolante antes de empilhar e aparafusar na forma final. Correntes parasitas são minimizados quebrando o circuito condutor potencial em segmentos menores com menos perdas. (Figura abaixo)

Os loops de corrente parecem espiras secundárias de transformador em curto. As finas laminações isoladas quebram esses laços. Além disso, o silício (um semicondutor) adicionado à liga usada nas laminações aumenta a resistência elétrica, o que diminui a magnitude das correntes parasitas.

Correntes parasitas em núcleos de ferro



Se as laminações forem feitas de aço de grão orientado de liga de silício, histerese as perdas são minimizadas. A histerese magnética é um atraso da força do campo magnético em comparação com a força de magnetização. Se um prego de ferro macio for temporariamente magnetizado por um solenóide, seria de se esperar que o prego perdesse o campo magnético assim que o solenóide fosse desenergizado. No entanto, uma pequena quantidade de magnetização residual , B _R , devido à histerese permanece (Figura abaixo).

Uma corrente alternada deve gastar energia, -H _C , a força coercitiva , ao superar essa magnetização residual antes que ela possa magnetizar o núcleo de volta a zero, quanto mais na direção oposta.

A perda de histerese é encontrada cada vez que a polaridade da CA é invertida. A perda é proporcional à área delimitada pelo loop de histerese na curva B-H. Ligas de ferro “macias” têm perdas menores do que ligas de aço de alto carbono “duras”. O aço de grão de silício orientado, 4% de silício, laminado para orientar preferencialmente o grão ou a estrutura cristalina, apresenta perdas ainda menores.

Curvas de histerese para ligas de baixa e alta perda



Uma vez que a lei da histerese de Steinmetz pode prever as perdas no núcleo de ferro, foi possível projetar motores CA que funcionaram conforme projetado. Isso era semelhante a ser capaz de projetar uma ponte com antecedência que não desabaria depois de construída.

Este conhecimento de corrente parasita e histerese foi aplicado pela primeira vez para construir motores de comutador CA semelhantes aos seus homólogos CC. Hoje, esta é apenas uma categoria menor de motores CA. Outros inventaram novos tipos de motores AC com pouca semelhança com seus parentes DC.