Motor monofásico de indução

26 de setembro, 2023 às 17:22 | Postado em Corrente contínua e alternada, Eletricidade, Eletromagnetismo

Por que um motor monofásico não funciona sem um capacitor?

 

Para começar devemos entender que um motor elétrico de indução necessita de um campo magnético girante para que ocorra uma corrente elétrica induzida no rotor o arrastando. O texto a seguir (apresentado com fonte Arial) , é a seção III do artigo  sobre o motor elétrico de indução [1], explica como se pode obter tal campo.

III. O campo magnético girante

Para efetivar um motor de indução, é de capital importância a produção de um campo magnético que gire. Campos magnéticos pulsantes (oscilantes) são facilmente gerados por bobinas alimentadas com corrente elétrica alternada (CA). O campo magnético em um ponto próximo a uma bobina com tal alimentação oscilará em fase com a CA, cuja frequência é 60 Hz. Se considerarmos um ponto sobre o eixo de simetria de uma bobina, haverá uma indução magnética orientada segundo o eixo da bobina, que terá sua intensidade e seu sentido variando harmonicamente no tempo com período de 1/60 s.

Assim, no ponto em que as retas horizontal e vertical (correspondentes aos eixos das bobinas superior e inferior, respectivamente) se interceptam, haverá uma indução magnética resultante B, obtida através da soma vetorial das induções magnéticas B_Horizontal produzida pela bobina superior e B_Vertical produzida pela bobina inferior. Se as bobinas forem alimentadas em CA, estas componentes serão ambas oscilantes.

A Fig. 1 representa as duas bobinas (supostas idênticas) percorridas pelas correntes elétricas senoidais, cujos gráficos em função do tempo estão traçados à esquerda: i(t) com fase inicial nula, para a bobina superior, enquanto que, para a bobina inferior, consideramos duas correntes elétricas i₁(t) e  i₂(t) com fases iniciais não nulas e distintas. A fase inicial para i₁ corresponde a ¼ de ciclo (ou 90º); a fase inicial para i₂ corresponde a 1/8 de ciclo (ou 45º).

Na região contígua a ambas as bobinas (local apropriado para localizar a bobina rotora), corresponderão, portanto, duas composições distintas,

B₁ = B_Horizontal + B_{Vertical 1} ou  B₂ = B_Horizontal + B_{Vertical 2},

para as induções magnéticas resultantes, dependendo se a corrente que circula pela bobina inferior for i₁ ou i₂ respectivamente. Se o ponto considerado for equidistante de ambas as bobinas, a situação será aquela apresentada na Fig. 2, onde B₁ e B₂ são ambos girantes, isto é, mudam de orientação circulando periodicamente, sendo que o primeiro tem intensidade constante, enquanto que o último tem intensidade variável.

Dessa forma, mostramos que um campo magnético girante pode ser obtido se a diferença de fase inicial entre as correntes elétricas for não nula; entretanto, para que se estabeleça um campo girante com intensidade pouco variável, a diferença de fase inicial deverá ser de aproximadamente ¼ de ciclo (ou 90º).

Na figura 1 há uma fonte de tensão para cada bobina e tal poderia ser concretizado usando-se por exemplo diferentes fases em uma rede de alimentação polifásica. Entretanto não é o que ocorre no motor de indução monofásico no qual ambas as bobinas são alimentadas por uma única fase de tensão. É possível, entretanto, a obtenção de diferentes fases de corrente nas duas bobinas (ainda que as bobinas sejam idênticas) por se utilizar um capacitor em série com uma delas pois o capacitor adianta a corrente em relação à tensão enquanto o indutor a atrasa.

Na figura 2 a bobina superior, em série com o capacitor, apresenta uma corrente adiantada em relação à outra bobina apesar de ambos os ramos do circuito estejam sendo alimentados pela mesma tensão alternada. A superposição dos campos magnéticos produzidos pelas duas bobinas resulta em um campo magnético girante necessário ao funcionamento do motor de indução.

No vídeo Motor elétrico de indução  pode-se ver um motor elétrico monofásico de indução didático, com um capacitor em série com uma das bobinas, movimentando seu rotor (constituído por uma única espira) a partir do repouso quando as bobinas são alimentadas por uma única fase de tensão. Os detalhes técnicos desse motor são fornecidos na seção II de [1].

Entretanto existe outra possibilidade de se conseguir a defasagem entre as correntes nas duas bobinas.  Ao invés de um capacitor  pode-se utilizar um resistor em série com uma das bobinas pois o resistor diminui a defasagem entre a tensão e a corrente  naquela bobina. No vídeo Motor elétrico de indução monofásico com resistor esta possibilidade está efetivada e nele se pode observar o movimento do rotor a partir do repouso quando se inicia a alimentação em tensão monofásica. Os detalhes técnicos desse motor são fornecidos no apêndice II de [1].

Desta forma, contrariamente ao que está posto na pergunta, alguns motores elétricos funcionam sem capacitores.

REFERÊNCIA

[1] Silveira, F. L. e Marques, N. R. L. Motor elétrico de indução: “uma das dez maiores invenções de todos os tempos”. Cad. Bras. Ens. Fís., v. 29, n. 1: p. 114-129, abr. 2012. (disponível em https://www.researchgate.net/publication/274669310)