Contenido

La parte fija del circuito magnético (estator) es un anillo cilíndrico de chapa magnética ajustado a la carcasa que lo envuelve. La carcasa tiene una función puramente protectora. En la parte interior del estator van dispuestos unas ranuras donde se coloca el bobinado(correspondiente).

En el interior del estator va colocado el rotor, que es un cilindro de chapa magnética fijado al eje. En su periferia van dispuestas unas ranuras en las que se coloca el bobinado correspondiente.

El entrehierro de estos motores es constante en toda su circunferencia y su valor debe ser el mínimo posible.

circuitos elétricos

Os dois circuitos elétricos estão localizados, um nas ranhuras do estator (primário) e outro nas ranhuras do rotor (secundário), que está em curto-circuito.

O rotor em curto-circuito pode ser formado por bobinas que são curto-circuitadas diretamente fora da máquina ou por meio de reostatos; ou, pode ser formado por barras de cobre colocadas nas ranhuras, que devem ser cuidadosamente soldadas a dois anéis do mesmo material, chamados anéis de curto-circuito. Este conjunto de barras e anéis forma o motor de gaiola de esquilo.

Existem também motores assíncronos monofásicos, nos quais o estator possui um enrolamento monofásico e o rotor é uma gaiola de esquilo. São motores de pequena potência e neles, em virtude do Teorema de Leblanc, o campo magnético é igual à soma de dois campos rotativos iguais que giram em direções opostas. Estes motores monofásicos não partem sozinhos, portanto devem ser previstos alguns meios auxiliares para a partida (fase dividida: resistor ou capacitor, pólo blindado).

A velocidade de rotação do campo magnético ou velocidade de sincronismo é dada por:.

Onde é a frequência do sistema, em Hz, e é o número de pares de pólos da máquina. A velocidade é assim dada em rotações por minuto (rpm).

O que produz a tensão induzida na barra do rotor é o movimento relativo do rotor em relação ao campo magnético do estator, isso pode ser visto na seguinte equação:

Onde:.

: Velocidade da barra em relação ao campo magnético.

: Vetor de densidade de fluxo magnético.

: Comprimento do condutor no campo magnético.

: Representa a operação "produto vetorial".

O motor de gaiola de esquilo consiste em um rotor "Rotor (máquina elétrica)") composto por uma série de condutores metálicos (geralmente alumínio) dispostos paralelamente entre si, e curto-circuitados em suas extremidades por anéis metálicos, é isso que forma a chamada gaiola de esquilo devido à sua semelhança gráfica com uma gaiola de esquilo. Esta 'gaiola' é preenchida com material, geralmente chapa metálica ou alumínio empilhada. Desta forma, consegue-se um sistema de condutores de fase (sendo o número de condutores, normalmente 3) localizado dentro do campo magnético rotativo criado pelo estator, o que resulta num sistema físico muito eficaz, simples e muito robusto (basicamente, não requer manutenção por não possuir escovas).

O motor de rotor enrolado "Rotor (máquina elétrica)") possui um rotor constituído, em vez de uma gaiola, por uma série de condutores enrolados em uma série de ranhuras localizadas em sua superfície. Desta forma temos um enrolamento dentro do campo magnético do estator, com o mesmo número de pólos, e em movimento. Este rotor é muito mais complicado de fabricar e manter do que o de gaiola de esquilo, mas permite o acesso externo através de anéis que curto-circuitam os enrolamentos. Isto apresenta vantagens, geralmente como a possibilidade de utilizar um reostato de partida que permite modificar a velocidade e o torque de partida, além de reduzir a corrente de partida.

Em ambos os casos, o campo magnético rotativo produzido pelas bobinas indutoras do estator gera correntes induzidas no rotor, que produzem o movimento.

O motor assíncrono funciona segundo o princípio da indução mútua de Faraday. Ao aplicar corrente alternada trifásica nas bobinas do indutor, é produzido um campo magnético rotativo, conhecido como campo rotativo, cuja frequência será igual à da corrente alternada que alimenta o motor. Este campo, ao girar em torno do rotor em estado de repouso, induzirá tensões elétricas que gerarão correntes no mesmo. Estes, por sua vez, produzirão um campo magnético que seguirá o movimento do campo do estator, produzindo um par ou torque do motor que faz girar o rotor (princípio da indução mútua). Contudo, como a indução no rotor só ocorre se houver uma diferença nas velocidades relativas dos campos do estator e do rotor, a velocidade do rotor nunca atinge a do campo rotativo. Caso contrário, se ambas as velocidades fossem iguais, não haveria indução e o rotor não produziria torque. Essa diferença de velocidade é chamada de “escorregamento” e é medida em termos percentuais, por isso os motores de indução são chamados de assíncronos, uma vez que a velocidade do rotor difere ligeiramente daquela do campo rotativo.

O escorregamento difere com a carga mecânica aplicada ao rotor, sendo máximo com a carga máxima aplicada a ele. Porém, apesar disso, o motor varia pouco sua velocidade, mas o torque do motor ou acoplamento aumenta (e com ele a intensidade da corrente consumida) então pode-se deduzir que são motores de velocidade constante.

Eletricamente falando, o motor assíncrono pode ser definido como um transformador elétrico cujos enrolamentos do estator representam o primário, e os enrolamentos do rotor equivalem ao secundário de um transformador em curto-circuito.

No momento da partida, como resultado do estado de repouso do rotor, a velocidade relativa entre os campos do estator e do rotor é muito elevada. Portanto, a corrente induzida no rotor é muito elevada e o fluxo do rotor (que sempre se opõe ao do estator) é máximo. Como consequência, a impedância do estator é muito baixa e a corrente absorvida da rede é muito elevada, atingindo valores de até 7 vezes a corrente nominal. Este valor não causa nenhum dano ao motor, pois é transitório, e o forte torque de partida faz o rotor girar imediatamente, mas provoca quedas bruscas e momentâneas de tensão que se manifestam principalmente como tremulação das lâmpadas, o que é incômodo, podendo causar danos a equipamentos eletrônicos sensíveis. Os motores de indução estão todos preparados para suportar esta corrente de partida, mas partidas repetidas e muito frequentes sem períodos de descanso podem elevar progressivamente a temperatura do estator e comprometer a vida útil dos enrolamentos do estator até causar falhas por derretimento da isolação. Por isso são utilizados dispositivos eletrônicos de “soft start” em médias e grandes potências, que minimizam a corrente de partida do motor.

À medida que o rotor ganha velocidade, sua corrente diminui, o fluxo do rotor também diminui, e com ele a impedância dos enrolamentos do estator, lembre-se que é um fenômeno de indução mútua. A situação é a mesma de conectar um transformador com o secundário em curto com a rede AC e depois com um resistor variável inserido, aumentando progressivamente a resistência da carga até atingir a corrente nominal do secundário. Portanto, o que acontece no circuito do estator é um reflexo do que acontece no circuito do rotor.

Os motores assíncronos são essenciais em diversas aplicações devido à sua robustez e eficiência. A seguir, analisamos as aplicações industriais destes motores:.

Las técnicas de control más comunes son las 4 siguientes:.

Controle da tensão de linha aplicada ao estator

O controle da tensão da linha é realizado variando a tensão fornecida ao enrolamento do estator. Esta tensão pode ser regulada variando o ângulo de disparo dos tiristores. Este sistema introduz harmônicos na rede e um bom fator de potência não é alcançado.

Controle de tensão-frequência de linha. Controle escalar

Uma queda na frequência produziria uma queda na impedância indutiva e se a tensão fosse mantida causaria um aumento na corrente, o que poderia causar a queima do motor. Este efeito é evitado modificando ambos os parâmetros, mas mantendo a relação V/Hz constante.

A técnica usada para variar proporcionalmente a tensão aplicada no estator e a frequência aplicada é a modulação por largura de pulso ou PWM por meio de conversão CC/CA. Usando a modulação PWM, uma tensão de entrada CC é convertida em uma tensão de saída CA simétrica com a magnitude e frequência desejadas.

Dependendo da rede de abastecimento, a regulamentação é diferente:

c.

Controle Orientado a Campo (FOC)

O objetivo da modulação vetorial ou controle de campo orientado aplicado às máquinas assíncronas é conseguir um tipo de controle linear, tornando a corrente que produz o fluxo magnético independente da corrente que produz o torque do motor. Para isso, como as máquinas assíncronas não possuem dois enrolamentos desacoplados, é criada uma referência de circuito fictício e equivalente, com dois enrolamentos dispostos em quadratura (em ângulo elétrico de 90°) no estator, substituindo os três enrolamentos reais.

Desta forma, o sistema trifásico de correntes do estator é transformado em um sistema bifásico de correntes de quadratura, não estacionário, que gira sincronizadamente com o campo magnético do rotor.

Consequentemente, estas duas correntes representam os dois enrolamentos desacoplados e, portanto, podem ser controladas de forma independente. Neste novo sistema de referência as duas correntes do estator são processadas como vetores rotativos, daí o nome Controle Vetorial ou Modulação Vetorial Espacial (SVM) ou Controle Orientado a Campo (FOC).

Existem dois tipos de controle orientado a campo:

Controle Direto de Torque (DTC)

No controle direto de torque oferece uma resposta de torque muito rápida e bom comportamento dinâmico. Os valores instantâneos de torque e fluxo são calculados a partir das variáveis ​​do estator da máquina.

O torque e o fluxo são controlados direta e independentemente pela seção ideal dos estados de comutação do inversor. Os valores são comparados com a referência e gera erro.

O erro entra em um controlador e gera um sinal lógico que modifica o vetor espacial da tensão do inversor para que este adote o valor mais adequado. Assim, força o vetor de fluxo do entreferro a variar de acordo com o valor de referência.

O torque do motor é controlado pela rotação do vetor de fluxo do estator usando estados de comutação apropriados. Ao mesmo tempo, a magnitude do vetor de fluxo do estator é controlada da mesma forma, ou seja, com a utilização do estado de comutação do inversor. Este valor pode ser alterado de acordo com os requisitos do setpoint de vazão. Os valores calculados de torque e fluxo são comparados com seus pontos de ajuste, os erros entram nos controladores de histerese. Suas saídas são sinais lógicos de valores discretos ± 1,0 que são aplicados à tabela de comutação que escolhe um dos oito estados possíveis do vetor espacial de tensão do inversor.

Sua principal diferença em relação aos outros métodos de controle anteriores é que no DTC não existe um modulador PWM separado, mas sim a posição das chaves do conversor de potência é determinada diretamente pelo estado eletromagnético do motor. Para isso é necessário ter um modelo muito exato do motor aliado a uma capacidade de cálculo muito elevada.

Em 1824, o físico francês François Arago formulou a existência de campos magnéticos rotativos, chamados de rotações de Arago. Em 1879, Walter Baily) demonstrou que, ligando e desligando manualmente interruptores, este foi o primeiro motor de indução primitivo.[1][2][3][4][5][6][7][8]​.

O primeiro motor de indução de corrente alternada monofásico sem comutador "Comutador (motor elétrico)") foi inventado pelo engenheiro húngaro Ottó Bláthy; Ele usou o motor monofásico para alimentar sua invenção, o medidor de eletricidade.[9][10]​.

Os primeiros motores de indução polifásicos sem comutador AC foram inventados independentemente por Galileo Ferraris e Nikola Tesla; o primeiro demonstrou um modelo de motor funcional em 1885 e o segundo em 1887. Tesla solicitou patentes nos EUA em outubro e novembro de 1887 e obteve algumas delas em maio de 1888. Em abril de 1888, a Royal Academy of Sciences de Torino publicou a pesquisa de Ferraris sobre seu motor CA polifásico, detalhando os fundamentos da operação do motor. o white paper * Um novo sistema para motores e transformadores de corrente alternada * para o * Instituto Americano de Engenheiros Elétricos * (AIEE) [13] [14] [15] [16] [17] que descreveu três tipos de motores de estator de quatro pólos: um com um rotor de quatro pólos formando um motor de relutância sem partida automática, outro com um rotor enrolado formando um motor de indução com partida automática e o terceiro um verdadeiro motor síncrono com uma fonte DC excitada separadamente ao enrolamento do rotor.

George Westinghouse, que na época estava desenvolvendo um sistema de energia de corrente alternada, licenciou as patentes de Tesla em 1888 e comprou uma opção de patente nos EUA para o conceito de motor de indução da Ferrari. Tesla também trabalhou como consultor durante um ano. O funcionário da Westinghouse CF Scott") foi designado para ajudar Tesla e mais tarde assumiu o comando do desenvolvimento do motor de indução na Westinghouse. Firme em sua promoção do desenvolvimento trifásico, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky inventou o motor de indução com rotor de gaiola em 1889 e o transformador de três ramos em 1890. pulsações bifásicas, levando-o a persistir em seu trabalho trifásico Embora Westinghouse tenha alcançado seu primeiro motor de indução prático em 1892 e desenvolvido uma linha de motores de indução polifásicos de 60 hertz em 1893, esses primeiros motores Westinghouse eram motores bifásicos com rotores enrolados até que B. G. Lamme desenvolveu um rotor enrolado em haste.

A General Electric Company "General Electric Company (P.L.C.)") (GE) começou a desenvolver motores de indução trifásicos em 1891.[26] Em 1896, a General Electric e a Westinghouse assinaram um acordo de licenciamento cruzado para o projeto do rotor enrolado em haste, mais tarde chamado de rotor de gaiola de esquilo. Arthur E. Kennelly foi o primeiro a trazer à luz o significado completo dos números complexos (usando j para representar a raiz quadrada de menos um) para designar o operador de rotação de 90º "Rotação (matemática)") na análise de problemas de AC.[27] Charles Proteus Steinmetz da GE melhorou a aplicação de quantidades CA complexas e desenvolveu um modelo analítico chamado circuito equivalente de Steinmetz do motor de indução.[26][28][29][30]​.

As melhorias nos motores de indução que surgiram a partir dessas invenções e inovações foram tais que um moderno motor de indução de 100 cavalos de potência tem as mesmas dimensões de montagem que um motor de 7,5 cavalos de potência em 1897.[31]​.

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La parte fija del circuito magnético (estator) es un anillo cilíndrico de chapa magnética ajustado a la carcasa que lo envuelve. La carcasa tiene una función puramente protectora. En la parte interior del estator van dispuestos unas ranuras donde se coloca el bobinado(correspondiente).

En el interior del estator va colocado el rotor, que es un cilindro de chapa magnética fijado al eje. En su periferia van dispuestas unas ranuras en las que se coloca el bobinado correspondiente.

El entrehierro de estos motores es constante en toda su circunferencia y su valor debe ser el mínimo posible.

circuitos elétricos

Os dois circuitos elétricos estão localizados, um nas ranhuras do estator (primário) e outro nas ranhuras do rotor (secundário), que está em curto-circuito.

O rotor em curto-circuito pode ser formado por bobinas que são curto-circuitadas diretamente fora da máquina ou por meio de reostatos; ou, pode ser formado por barras de cobre colocadas nas ranhuras, que devem ser cuidadosamente soldadas a dois anéis do mesmo material, chamados anéis de curto-circuito. Este conjunto de barras e anéis forma o motor de gaiola de esquilo.

Existem também motores assíncronos monofásicos, nos quais o estator possui um enrolamento monofásico e o rotor é uma gaiola de esquilo. São motores de pequena potência e neles, em virtude do Teorema de Leblanc, o campo magnético é igual à soma de dois campos rotativos iguais que giram em direções opostas. Estes motores monofásicos não partem sozinhos, portanto devem ser previstos alguns meios auxiliares para a partida (fase dividida: resistor ou capacitor, pólo blindado).

A velocidade de rotação do campo magnético ou velocidade de sincronismo é dada por:.

Onde é a frequência do sistema, em Hz, e é o número de pares de pólos da máquina. A velocidade é assim dada em rotações por minuto (rpm).

O que produz a tensão induzida na barra do rotor é o movimento relativo do rotor em relação ao campo magnético do estator, isso pode ser visto na seguinte equação:

Onde:.

: Velocidade da barra em relação ao campo magnético.

: Vetor de densidade de fluxo magnético.

: Comprimento do condutor no campo magnético.

: Representa a operação "produto vetorial".

O motor de gaiola de esquilo consiste em um rotor "Rotor (máquina elétrica)") composto por uma série de condutores metálicos (geralmente alumínio) dispostos paralelamente entre si, e curto-circuitados em suas extremidades por anéis metálicos, é isso que forma a chamada gaiola de esquilo devido à sua semelhança gráfica com uma gaiola de esquilo. Esta 'gaiola' é preenchida com material, geralmente chapa metálica ou alumínio empilhada. Desta forma, consegue-se um sistema de condutores de fase (sendo o número de condutores, normalmente 3) localizado dentro do campo magnético rotativo criado pelo estator, o que resulta num sistema físico muito eficaz, simples e muito robusto (basicamente, não requer manutenção por não possuir escovas).

O motor de rotor enrolado "Rotor (máquina elétrica)") possui um rotor constituído, em vez de uma gaiola, por uma série de condutores enrolados em uma série de ranhuras localizadas em sua superfície. Desta forma temos um enrolamento dentro do campo magnético do estator, com o mesmo número de pólos, e em movimento. Este rotor é muito mais complicado de fabricar e manter do que o de gaiola de esquilo, mas permite o acesso externo através de anéis que curto-circuitam os enrolamentos. Isto apresenta vantagens, geralmente como a possibilidade de utilizar um reostato de partida que permite modificar a velocidade e o torque de partida, além de reduzir a corrente de partida.

Em ambos os casos, o campo magnético rotativo produzido pelas bobinas indutoras do estator gera correntes induzidas no rotor, que produzem o movimento.

O motor assíncrono funciona segundo o princípio da indução mútua de Faraday. Ao aplicar corrente alternada trifásica nas bobinas do indutor, é produzido um campo magnético rotativo, conhecido como campo rotativo, cuja frequência será igual à da corrente alternada que alimenta o motor. Este campo, ao girar em torno do rotor em estado de repouso, induzirá tensões elétricas que gerarão correntes no mesmo. Estes, por sua vez, produzirão um campo magnético que seguirá o movimento do campo do estator, produzindo um par ou torque do motor que faz girar o rotor (princípio da indução mútua). Contudo, como a indução no rotor só ocorre se houver uma diferença nas velocidades relativas dos campos do estator e do rotor, a velocidade do rotor nunca atinge a do campo rotativo. Caso contrário, se ambas as velocidades fossem iguais, não haveria indução e o rotor não produziria torque. Essa diferença de velocidade é chamada de “escorregamento” e é medida em termos percentuais, por isso os motores de indução são chamados de assíncronos, uma vez que a velocidade do rotor difere ligeiramente daquela do campo rotativo.

O escorregamento difere com a carga mecânica aplicada ao rotor, sendo máximo com a carga máxima aplicada a ele. Porém, apesar disso, o motor varia pouco sua velocidade, mas o torque do motor ou acoplamento aumenta (e com ele a intensidade da corrente consumida) então pode-se deduzir que são motores de velocidade constante.

Eletricamente falando, o motor assíncrono pode ser definido como um transformador elétrico cujos enrolamentos do estator representam o primário, e os enrolamentos do rotor equivalem ao secundário de um transformador em curto-circuito.

No momento da partida, como resultado do estado de repouso do rotor, a velocidade relativa entre os campos do estator e do rotor é muito elevada. Portanto, a corrente induzida no rotor é muito elevada e o fluxo do rotor (que sempre se opõe ao do estator) é máximo. Como consequência, a impedância do estator é muito baixa e a corrente absorvida da rede é muito elevada, atingindo valores de até 7 vezes a corrente nominal. Este valor não causa nenhum dano ao motor, pois é transitório, e o forte torque de partida faz o rotor girar imediatamente, mas provoca quedas bruscas e momentâneas de tensão que se manifestam principalmente como tremulação das lâmpadas, o que é incômodo, podendo causar danos a equipamentos eletrônicos sensíveis. Os motores de indução estão todos preparados para suportar esta corrente de partida, mas partidas repetidas e muito frequentes sem períodos de descanso podem elevar progressivamente a temperatura do estator e comprometer a vida útil dos enrolamentos do estator até causar falhas por derretimento da isolação. Por isso são utilizados dispositivos eletrônicos de “soft start” em médias e grandes potências, que minimizam a corrente de partida do motor.

À medida que o rotor ganha velocidade, sua corrente diminui, o fluxo do rotor também diminui, e com ele a impedância dos enrolamentos do estator, lembre-se que é um fenômeno de indução mútua. A situação é a mesma de conectar um transformador com o secundário em curto com a rede AC e depois com um resistor variável inserido, aumentando progressivamente a resistência da carga até atingir a corrente nominal do secundário. Portanto, o que acontece no circuito do estator é um reflexo do que acontece no circuito do rotor.

Os motores assíncronos são essenciais em diversas aplicações devido à sua robustez e eficiência. A seguir, analisamos as aplicações industriais destes motores:.

Las técnicas de control más comunes son las 4 siguientes:.

Controle da tensão de linha aplicada ao estator

O controle da tensão da linha é realizado variando a tensão fornecida ao enrolamento do estator. Esta tensão pode ser regulada variando o ângulo de disparo dos tiristores. Este sistema introduz harmônicos na rede e um bom fator de potência não é alcançado.

Controle de tensão-frequência de linha. Controle escalar

Uma queda na frequência produziria uma queda na impedância indutiva e se a tensão fosse mantida causaria um aumento na corrente, o que poderia causar a queima do motor. Este efeito é evitado modificando ambos os parâmetros, mas mantendo a relação V/Hz constante.

A técnica usada para variar proporcionalmente a tensão aplicada no estator e a frequência aplicada é a modulação por largura de pulso ou PWM por meio de conversão CC/CA. Usando a modulação PWM, uma tensão de entrada CC é convertida em uma tensão de saída CA simétrica com a magnitude e frequência desejadas.

Dependendo da rede de abastecimento, a regulamentação é diferente:

c.

Controle Orientado a Campo (FOC)

O objetivo da modulação vetorial ou controle de campo orientado aplicado às máquinas assíncronas é conseguir um tipo de controle linear, tornando a corrente que produz o fluxo magnético independente da corrente que produz o torque do motor. Para isso, como as máquinas assíncronas não possuem dois enrolamentos desacoplados, é criada uma referência de circuito fictício e equivalente, com dois enrolamentos dispostos em quadratura (em ângulo elétrico de 90°) no estator, substituindo os três enrolamentos reais.

Desta forma, o sistema trifásico de correntes do estator é transformado em um sistema bifásico de correntes de quadratura, não estacionário, que gira sincronizadamente com o campo magnético do rotor.

Consequentemente, estas duas correntes representam os dois enrolamentos desacoplados e, portanto, podem ser controladas de forma independente. Neste novo sistema de referência as duas correntes do estator são processadas como vetores rotativos, daí o nome Controle Vetorial ou Modulação Vetorial Espacial (SVM) ou Controle Orientado a Campo (FOC).

Existem dois tipos de controle orientado a campo:

Controle Direto de Torque (DTC)

No controle direto de torque oferece uma resposta de torque muito rápida e bom comportamento dinâmico. Os valores instantâneos de torque e fluxo são calculados a partir das variáveis ​​do estator da máquina.

O torque e o fluxo são controlados direta e independentemente pela seção ideal dos estados de comutação do inversor. Os valores são comparados com a referência e gera erro.

O erro entra em um controlador e gera um sinal lógico que modifica o vetor espacial da tensão do inversor para que este adote o valor mais adequado. Assim, força o vetor de fluxo do entreferro a variar de acordo com o valor de referência.

O torque do motor é controlado pela rotação do vetor de fluxo do estator usando estados de comutação apropriados. Ao mesmo tempo, a magnitude do vetor de fluxo do estator é controlada da mesma forma, ou seja, com a utilização do estado de comutação do inversor. Este valor pode ser alterado de acordo com os requisitos do setpoint de vazão. Os valores calculados de torque e fluxo são comparados com seus pontos de ajuste, os erros entram nos controladores de histerese. Suas saídas são sinais lógicos de valores discretos ± 1,0 que são aplicados à tabela de comutação que escolhe um dos oito estados possíveis do vetor espacial de tensão do inversor.

Sua principal diferença em relação aos outros métodos de controle anteriores é que no DTC não existe um modulador PWM separado, mas sim a posição das chaves do conversor de potência é determinada diretamente pelo estado eletromagnético do motor. Para isso é necessário ter um modelo muito exato do motor aliado a uma capacidade de cálculo muito elevada.