Entendendo Motores CA com Comutador: Projeto, Tipos e Aplicações

Após chegar à América, Charles Proteus Steinmetz enfrentou os desafios perplexos de projetar motores CA com comutador escovados, que anteriormente não podiam ser engenheirados confiavelmente antes da construção.

Seu avanço veio formalizando a histerese magnética, revelando como o fluxo magnético atrasa atrás da força magnetizante e cria perdas ausentes em máquinas CC.

Usando ligas de baixa histerese e fatiando o núcleo de ferro em laminas finas isoladas, engenheiros agora podiam prever com precisão o comportamento de motores CA com comutador antes de construí-los.

Como seus equivalentes CC, motores CA com comutador entregam maior torque de partida e velocidade mais alta que motores de indução CA. O tipo série, em particular, pode operar bem acima da velocidade síncrona de um motor CA convencional.

Motores CA com comutador vêm em variantes monofásicas e polifásicas. Motores monofásicos experimentam pulsação de torque de frequência dupla da linha que está ausente no design polifásico mais suave.

Embora um motor com comutador possa rodar em velocidade muito maior que um motor de indução e assim produzir mais potência para um dado tamanho, ele não é livre de manutenção. Desgaste de escovas e comutador demanda manutenção periódica.

Motor Série Monofásico

Quando um motor série CC equipado com campo laminado é alimentado por CA, a reatância defasada da bobina de campo reduz marcadamente a corrente de campo. O motor rodará, mas seu desempenho é marginal.

Durante a partida, os enrolamentos da armadura curto-circuitados pelas escovas assemelham-se a espiras de transformador curto-circuito no campo, produzindo arco e faíscas substanciais conforme a armadura começa a girar.

À medida que a velocidade sobe, o arco e faíscas são distribuídos por mais segmentos do comutador, tornando a condição mais tolerável. Pequenos motores série CA não compensados — aqueles abaixo do tamanho de uma furadeira manual ou batedeira de cozinha — ainda podem operar sob essas restrições.

 

Motor série CA não compensado

 

Motor Série Compensado

O problema do arco é mitigado adicionando um enrolamento compensador no estator. Este enrolamento é colocado em série com a armadura e posicionado de modo que sua força magnetomotriz cancela a FMM CA da armadura.

Reduzir o entreferro e o número de espiras do campo diminui a reatância defasada em série com a armadura, melhorando o fator de potência. Todos, exceto os menores motores CA com comutador, empregam enrolamentos compensadores; até motores de tamanho de batedeira de cozinha o fazem.

 

Motor série CA compensado

 

Motor Universal

Pequenos motores universais — tipicamente abaixo de 300 watts — podem rodar tanto em CC quanto em CA. Unidades muito pequenas podem ser não compensadas; unidades maiores de alta velocidade quase sempre usam enrolamento compensador.

Em CA, o motor roda ligeiramente mais lento que em CC devido à reatância. No entanto, os picos das ondas senoidais saturam o caminho magnético, reduzindo o fluxo total e aumentando a velocidade da seção "série". Esses efeitos opostos mantêm a velocidade quase constante entre CC e 60 Hz.

Motores universais alimentam eletrodomésticos comuns que exigem 3.000 a 10.000 rpm, como furadeiras, aspiradores de pó e batedeiras.

Avanços em retificadores de estado sólido e ímãs permanentes de baixo custo estão tornando motores CC de ímã permanente uma alternativa cada vez mais atraente.

Motor de Repulsão

Um motor de repulsão conecta o campo diretamente à tensão da linha CA e coloca um par de escovas curto-circuitadas deslocadas 15° a 25° do eixo do campo. O campo induz uma corrente na armadura curto-circuitada, produzindo um campo magnético que opõe as bobinas de campo.

Velocidade é controlada rotacionando as escovas em relação ao eixo do campo. O motor exibe comutação excelente abaixo da velocidade síncrona e comutação ruim acima dela. A baixa corrente de partida entrega alto torque de partida.

 

Motor CA de repulsão

 

Motor de Indução de Partida por Repulsão

Quando um motor de indução deve iniciar uma carga difícil, como um compressor, o alto torque de partida de um motor de repulsão é inestimável. Os enrolamentos do rotor de indução são temporariamente conectados a segmentos do comutador via escovas curto-circuitadas.

Uma vez que o motor se aproxima da velocidade de operação, uma chave centrífuga curto-circuita todos os segmentos do comutador, convertendo o rotor em configuração de gaiola de esquilo. As escovas também podem ser levantadas para prolongar sua vida.

Torque de partida pode alcançar 300% a 600% do valor de velocidade plena — comparado a menos de 200% para um motor de indução puro.

 

Resumo: Motores CA com comutador

• O motor série monofásico é uma tentativa de emular um motor CC com comutador; é prático apenas em tamanhos muito pequenos.
• Adicionar enrolamento compensador resulta no motor série compensado, superando faíscas excessivas no comutador. A maioria dos motores CA com comutador é deste tipo. Eles fornecem mais potência em alta velocidade que um motor de indução do mesmo tamanho mas não são livres de manutenção.
• Pequenos eletrodomésticos podem usar motores que rodam tanto em CA quanto CC, conhecidos como motores universais.
• A linha CA é conectada diretamente ao estator de um motor de repulsão, com o comutador curto-circuitado pelas escovas.
• Escovas curto-circuitadas retráteis podem iniciar um motor de indução de rotor enrolado; este é o motor de indução de partida por repulsão.