Como parte um motor de indução monofásico?

É sabido que o motor de indução monofásico mais popular exige um capacitor

somente para a partida, mas ele está lá para fazer o motor ter comportamento

similar a um motor bifásico desequilibrado

A construção mais elementar do motor de indução monofásico (MIM) - se há um ventilador em sua casa então é provável que tenha um motor deste tipo acionando as hélices - é um enrolamento no estator que é conectado a uma fonte e o rotor do tipo gaiola de esquilo, que é mais barato e robusto que o rotor bobinado. Porém, tendo um único enrolamento, tem-se a criação de um campo magnético de estator pulsante quando corrente alternada flui pelo enrolamento de estator, mas deseja-se que o campo magnético seja girante de forma que uma tensão seja induzida no enrolamento de rotor e a corrente circulante crie o segundo campo magnético girante que tenderá a se alinha com o campo do estator.

Entendido o problema, surge uma segunda pergunta: como criar um campo magnético girante num motor cuja alimentação é feita por uma única fonte CA? A solução está no entendimento do motor de indução bifásico (MIB), mas que fique claro que a referência é

feita ao motor cuja alimentação é bifásica (duas tensões cujos fasores estão defasados em 90° e não duas fases de um circuito trifásico cujas tensões são defasadas em 120°) e que possui as bobinas das fases defasadas espacialmente em 90°. A ilustração a seguir mostra os fasores das tensões de alimentação e uma visão em corte de um MIB elementar.

Duas correntes defasadas em 90° circulam pelo enrolamento bifásico de estator criando dois campos magnéticos pulsantes a 90° um do outro, como é mostrado pelos eixos magnéticos da figura que ilustra o MIB. Porém a interação entre estes campos a 90° cria um campo magnético de estator que gira na velocidade síncrona , de forma análoga ao motor de indução trifásico, cujas três correntes das bobinas defasadas em 120° ao circularem em três bobinas defasadas espacialmente em 120° criam um campo magnético girante de estator.

Então uma solução para a pergunta feita inicialmente neste artigo é: se for possível fazer um MIM se comportar de forma similar a um MIB, consegue-se criar um campo girante de estator e o MIM operará corretamente. Surge uma terceira pergunta: como criar dois campos magnéticos pulsantes a 90° um do outro num motor cuja alimentação se dá por uma fonte monofásica?

A solução é ilustrada (ver figura abaixo) e descrita a seguir: se uma segunda bobina for posta a 90° no espaço, então tem-se uma construção similar ao MIB, faltando apenas criar nesta segunda bobina uma corrente com defasagem de 90°, mas usando apenas uma fonte monofásica. Aí surge o capacitor: ambas as bobinas são postas em paralelo e a defasagem entre as correntes dependerá do ângulo entre as impedâncias destes circuitos, então, sabendo que ambas as bobinas possuem partes resistiva (já que o fio é um condutor não ideal e possui perdas por efeito Joule) e indutiva (devido ao fato de ser uma bobina com fluxo magnético no seu interior) que elemento você conhece que viabiliza uma defasagem maior entre as correntes? O capacitor!

Então neste segundo enrolamento um capacitor é instalado para criar a defasagem entre as correntes das duas bobinas. As correntes das fases habitualmente não ficam 90° defasadas e também não possuem a mesma magnitude, o que quer dizer que não se conseguiu uma equivalência ao MIB em operação equilibrada e o campo magnético de estator gira na velocidade síncrona, mas não tem magnitude constante (há uma oscilação na sua magnitude). Desde que o torque criado seja suficiente para realizar a partida, ou seja, tirar o rotor da velocidade nula, ainda que com carga acoplada ao eixo, a bobina com capacitor que foi adiciona cumpriu o seu papel.

Como após a partida o MIM cria torque para manter a rotação, o problema da partida fica resolvido e a bobina adicionalmente posta pode ser desligada por uma chave centrífuga. A bobina utilizada apenas para a partida é chamado enrolamento auxiliar (nas construções reais, não há uma única bobina e sim uma associação delas, por isto o nome enrolamento) e aquela que é utilizada permanentemente é chamada de enrolamento permanente. Veja na última figura apresentada que se utilizou o subscrito "p" (de permanente) e "a" (de auxiliar).

A técnica utilizada para um MIM é tão importante que o tipo de partida determina o nome dado a cada tipo de MIM, sendo os mais comuns os MIM partida a capacitor (que foi o destacado no presente artigo), MIM com capacitor permanente (utilizado também em regime permanente, ou seja, o enrolamento auxiliar não é desligado após a partida), MIM de fase dividida, entre outros tipos.

Veja as videoaulas a seguir se quiser entender o MIM em maiores detalhes. Um último comentário que será pouco relevante para a maioria dos leitores: quando foi tratado do ângulo de defasagem espacial entre as bobinas a forma mais adequada é dizer que o ângulo é em graus elétricos, já que quando o motor possui mais de dois polos o ângulo mecânico (distância física entre as bobinas) diminui: se quiser uma discussão sobre isto veja videoaula disponibilizada após as referências.

Referências

[1] Bim, E. "Máquinas elétricas e acionamentos". 4ª ed. Elsevier. 2020. aqui

[2] Sen, P. C. "Principles of electric machines and power electronics". 2ª ed. John Wiley & Sons. 1997. aqui

Para entender mais sobre o motor de indução monofásico ver sequência de videoaulas a seguir:

Uma breve discussão sobre ângulos e velocidade em motores CA com vários pares de polos feita na videoaula a seguir: