Ficha 01 · Princípios e tipos

Fórmula: n_sinc = 60 × f / p (onde p = pares de pólos)

a) 2 pólos = 1 par: n = 60 × 50 / 1 = 3000 rpm.

b) 4 pólos = 2 pares: n = 60 × 50 / 2 = 1500 rpm.

c) 6 pólos = 3 pares, 60 Hz: n = 60 × 60 / 3 = 1200 rpm.

d) Velocidade real com s = 4% (4 pólos): n_real = 1500 × (1 − 0,04) = 1440 rpm.

É exactamente a velocidade típica do motor industrial de 4 pólos (placa indica 1410-1440 rpm conforme fabricante e carga).

a) Assíncrono porque o rotor nunca roda exactamente à velocidade do campo magnético do estator. Há sempre uma diferença (escorregamento) — daí "não-síncrono".

b) Escorregamento (s) = diferença relativa entre velocidade síncrona e velocidade real:

s = (n_sinc − n_rotor) / n_sinc

Tipicamente 2-5% em carga nominal. Em vazio aproxima-se de 0; em carga máxima pode chegar a 10%.

c) Não pode atingir a velocidade síncrona porque, se isso acontecesse: - O campo magnético giraria à mesma velocidade que o rotor. - Não haveria variação de fluxo através das barras do rotor. - Não haveria f.e.m. induzida (Lei de Faraday). - Não haveria corrente no rotor. - Não haveria binário.

Por isso, sempre que há binário, há escorregamento. Quanto mais carga, mais escorregamento (até um limite máximo de binário).

a) Triângulo liga-se a 400 V (a tensão menor da placa); estrela liga-se a 690 V (a tensão maior).

b) Em rede 400 V: ligação triângulo (Δ). Cada bobina vê 400 V (a sua tensão nominal). Consumo nominal: 10,8 A.

c) Em rede 690 V: ligação estrela (Y). Cada bobina vê 690/√3 ≈ 398 V (a sua tensão nominal). Consumo nominal: 6,2 A.

d) Em 400 V (triângulo): 10,8 A por fase. Potência absorvida da rede:

S = √3 × U × I = √3 × 400 × 10,8 ≈ 7,5 kVA
P_eléctrica = S × cos φ = 7,5 × 0,84 ≈ 6,3 kW
η = P_mec / P_eléc = 5,5 / 6,3 ≈ 87%

(O rendimento bate certo com IE3 — alta eficiência.)

Nota importante: a relação entre tensões Y/Δ (690/400 = √3) é típica. Se a placa diz "230/400 V" então liga-se em triângulo a 230 V ou estrela a 400 V. Há que ler com atenção.

a) Corrente nominal:

P_eléctrica = P_mec / η = 11 / 0,9 ≈ 12,2 kW
I_n = P_eléc / (√3 × U × cos φ) = 12 200 / (√3 × 400 × 0,85)
I_n ≈ 20,7 A

b) Disjuntor magnetotérmico: calibre 1,2-1,5× I_n para suportar arranque sem disparar. Escolher disjuntor padrão acima: - Calibre adequado: 25 A (curva D para motores, suporta picos breves). - Ref típica: Schneider iC60N D25 ou ABB S203 D25.

c) Relé térmico: regulação em 20-21 A (= I_n com tolerância ±5%). Ref tipo Schneider LRD22 (gama 16-24 A) ajustado a 20-21.

d) Secção do cabo: - Para 20,7 A em XLPE, 30 °C, 3 condutores carregados: tabela RTIEBT indica 2,5 mm² suporta até 21-23 A; margem apertada. - Recomendável: 4 mm² (capacidade ~28 A) → mais reserva, queda de tensão menor.

e) Pico de arranque (directo, motor padrão): 5-7× I_n = 5×20,7 a 7×20,7 = ~104-145 A durante 1-3 segundos.

Cabo aguenta o pico breve. Disjuntor curva D não dispara se calibrado bem. Em rede fraca pode provocar queda de tensão visível.

a) Não arranca sozinho porque uma única corrente alternada produz um campo magnético pulsante (cresce, diminui, inverte, mas não roda). Sem campo rotativo, não há binário inicial — o rotor parado fica parado.

b) 3 métodos para criar campo rotativo a partir de monofásico: 1. Capacitor de arranque + bobina auxiliar — capacitor desfasa a corrente da bobina auxiliar ~90° em relação à principal → campos quase em quadratura → campo aproximadamente rotativo. 2. Bobina auxiliar resistiva (fio mais fino, maior R) — desfasamento por diferença de impedância. Menos eficiente, usado em motores pequenos. 3. Pólo sombreado — anel de cobre em parte do pólo cria correntes induzidas que atrasam o campo nessa zona → desfasamento espacial e temporal → motor pequeno arranca. Usado em motores muito pequenos (5-50 W).

c) Componente mais comum: o capacitor. Pode ser: - Capacitor de arranque (electrolítico, 100-400 µF) desligado por interruptor centrífugo após arranque. - Capacitor permanente (film, 5-30 µF) ligado sempre.

Em muitos motores domésticos modernos vê-se o capacitor preto/cinza redondo na parte exterior da carcassa.

a) Excitação série: bobina de campo em série com armadura → mesma corrente. Quando carga aumenta, corrente sobe → campo sobe → binário muito alto no arranque e em carga pesada. Velocidade varia muito com carga. Aplicações: tracção (comboios antigos), gruas, ferramentas portáteis.

b) Excitação paralelo (shunt): bobina de campo em paralelo com armadura → corrente de campo aproximadamente constante. Velocidade estável com variação de carga. Aplicações: tornos, máquinas-ferramenta antigas.

c) BLDC: motor "DC sem escovas". Rotor com imã permanente, estator com bobinas, comutação electrónica baseada em sensores de posição (Hall). Sem desgaste de escovas, longevidade enorme. Aplicações: ventoinhas computador, drones, carros eléctricos, electrodomésticos inverter.

d) Servomotor: motor (frequentemente BLDC ou PMSM) + encoder + driver com lazo fechado de posição/velocidade. Precisão muito alta, posicionamento exacto. Aplicações: robótica, CNC industrial.

e) Motor passo-a-passo: motor que gira em passos discretos (típico 1,8° = 200 passos/volta) comandado por impulsos. Sem realimentação (lazo aberto). Aplicações: impressoras 3D, CNC hobby, plotters.

Diferença essencial servo vs stepper: servo tem encoder e sabe onde está; stepper conta passos e pode perdê-los se houver sobrecarga.

a) Ventilador casa-banho: motor monofásico pólo sombreado (10-30 W). Simples, barato, fiável, sem capacitor. Velocidade fixa adequada.

b) Bomba residencial 1,5 kW: motor monofásico com capacitor permanente ou capacitor de arranque + permanente. 230 V monofásico (rede doméstica). Acima de 2,2 kW seria forçosamente trifásico.

c) Bomba industrial 15 kW: motor assíncrono trifásico 400 V. Ligação Δ (em rede 400 V). Arranque com VFD (controlo de pressão variável + protecções) ou estrela-triângulo. Eficiência IE3.

d) Eixo CNC com precisão 0,01 mm: servomotor (BLDC ou PMSM) com encoder de alta resolução. Driver em malha fechada. Estes são os únicos com precisão adequada e binário disponível parado (manter posição contra carga). Stepper seria insuficiente em produção industrial.

e) Ventoinha CPU: BLDC pequeno (3-5 W). Razões: - Sem desgaste de escovas → silencioso e longevo (10+ anos). - Controlo de velocidade fácil por PWM (vento maior em carga, silencioso parado). - Pequeno, leve, eficiente.

a) Funcionamento normal está entre a velocidade síncrona (binário zero) e o binário nominal — zona descendente da curva, próxima da síncrona. Tipicamente entre 95-100% da velocidade síncrona (escorregamento 0-5%). Pequenas variações de carga = pequenas variações de velocidade.

b) Se carga excede o binário máximo: - Motor não pode acelerar mais. - Velocidade cai rapidamente para o lado "instável" da curva. - Corrente dispara (pode ser 7-10× nominal). - Motor "aborta" — fica parado ou roda muito devagar. - Aquece muito rapidamente — em segundos, isolamento queima. - Disjuntor ou relé térmico devem disparar para proteger.

Esta situação chama-se "stall" ou "rotor bloqueado".

c) VFD durante arranque — controla frequência (e tensão proporcional, mantendo V/f constante): - Começa f = 0 → motor ainda parado. - Aumenta f gradualmente → motor acelera sempre próximo da velocidade síncrona correspondente. - Como motor está sempre na zona linear da curva, binário disponível é alto durante todo o arranque (até 150-200% nominal se necessário). - Corrente de arranque ≈ corrente nominal (1-1,5×). - Sem stress mecânico, sem queda de tensão na rede, sem desgaste extra.

Por isso o VFD é o método de arranque ideal para qualquer motor: arranque suave, eficiente, controlado.