Só existem motores elétricos CA monofásicos e trifásicos?

É verdade que nos eletrodomésticos impera o uso de motores monofásicos e nas indústrias há muitos monofásicos e trifásicos, mas existem motores com outras quantidades de fases que podem ser adequados em aplicações específicas, como em um submarino nuclear

Este artigo traz uma breve discussão sobre alguns tipos de motores CA cuja construção é pouco vista na vida profissional da maioria dos(as) engenheiros(as) eletricistas, com destaque para os motores cujo princípio de operação já é conhecido, mas que possuem quantidade de fases diferentes de uma (monofásica) e três (trifásica).

O motor de indução nas versões monofásica e trifásica já é bem estudado nos cursos de graduação de engenharia elétrica, mas o motor bifásico é menos popular nos estudos acadêmicos, inclusive por ser raramente empregado comercialmente. Existe o motor bifásico que emprega duas bobinas com defasagem espacial de 90° e que é alimentado por uma fonte bifásica equilibrada (tensões de magnitudes idênticas e 90° de defasagem entre si), assim correntes bifásicas equilibradas criam um campo magnético girante de magnitude constante de forma análoga ao motor de indução trifásico. Tendo um rotor em gaiola de esquilo, ele passa a operar de forma análoga a sua versão trifásica; se tem interesse veja outro artigo do blog aqui. Obviamente o motor bifásico tem pouca aplicação, já que a rede elétrica comercial não é bifásica e sua aplicação fica restrita ao uso com fontes eletrônicas, ou seja, o inversor de frequência bifásico, ou caso se utilize um transformador com conexão tipo Scott, que transforma um circuito trifásico em bifásico (veja videoaula postada ao final deste artigo).

Outro motor bifásico com construção possível é o que pode ser alimentado por duas fases de uma fonte trifásica. Portanto, é um motor que é alimentado por duas tensões defasadas em

120° uma da outra (o fio neutro também é utilizado nesta conexão), mas com as bobinas das duas fases do motor sendo alocadas a 60° uma em relação a outra (ver ilustração ao lado). Com estas construção e alimentação, este motor consegue criar um campo magnético de estator de magnitude e velocidade constantes; como o rotor é do tipo gaiola, um outro campo magnético girante de magnitude e velocidade constantes será criado e torque será desenvolvido. Para mais detalhes deste tipo de motor, ver a referência [1].

Motores elétricos para uso em aplicações cotidianas nas residências, comércios ou indústrias levam em consideração critérios diferentes para serem selecionados. Para uso residencial ele deve ser barato (para não encarecer o eletrodoméstico) e robusto (não quebrar facilmente, pois o usuário residencial não saberia fazer a manutenção corretiva). Para fins de aplicações no setor de comércio, ele pode ter, além dos critérios para fins residenciais, a eficiência energética como outro parâmetro relevante, em especial se grandes motores são empregados (para bombeamento de água, por exemplo) ou caso sejam utilizados por muitas horas por dia (escadas rolantes, por exemplo). Para fins industriais, além dos critérios dos setores residencial e comercial, pode ser exigido que ele seja construído para trabalhar em ambientes classificados (locais com atmosfera explosiva) ou corrosivos, por exemplo. Estas características de uso não chegam a implicar na quantidade de fases que o motor deve possuir, porém no caso de aplicações cuja má operação crítica possa ocorrer de um desequilíbrio na alimentação ou defeito em uma bobina, o uso de muitas fases no enrolamento de estator pode ser uma características construtiva interessante.

Para um circuito com três fases ou mais as tensões e correntes são ditas equilibradas quando seus fasores são defasados entre si de um ângulo de 360°/nf, sendo nf a quantidade de fases do circuito. No caso trifásico nf=3 e o ângulo é 120°; no caso decafásico nf=10 e o ângulo é 36°. Se fosse possível construir um motor com 1.000 fases, alimentado por uma fonte equilibrada, então haveria um ângulo de 0,36° entre as correntes e este mesmo ângulo seria o da defasagem espacial entre as 1.000 bobinas de fase deste motor: assim ele teria um campo magnético girante de magnitude e velocidade constantes. Caso ele perdesse uma fase (seja por um problema numa fase da alimentação ou numa bobina do motor), o desequilíbrio praticamente não seria notado e o campo girante teria uma pulsação muito pequena. Obviamente não é possível construir uma máquina de tamanho e peso aceitáveis de 1.000 fases, mas em aplicações críticas como, por exemplo, submarinos nucleares, nos quais um motor elétrico aciona o eixo propulsor que gira as hélices. Que solução pode ser empregada? Utilizar motores com mais fases, como, por exemplo, um motor síncrono pentafásico de ímãs permanentes: esta foi a sugestão apresentada na referência [2]. Se uma das fases deste motor deixa de operar, as outras quatro ainda geram um campo magnético girante de estator que viabiliza a operação do sistema de propulsão, ainda que não com desempenho pleno, mas satisfatório para levar o submarino para um local seguro para a manutenção corretiva. Para que seja possível controlar a velocidade do motor um inversor de frequência pentafásico deve ser empregado.

Um motor de indução com muito mais do que três fases também pode ser empregado nestas aplicações críticas e que exijam menor custo do motor: aplicações em pequenos barcos ou aeronaves movidos a energia solar, por exemplo. Talvez vejamos estes motores nestes veículos no futuro.

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] Neto, L. M. C. "O motor bifásico com enrolamentos conectados em V". Dissertação de mestrado da UFU. 2002. aqui

[2] Pinheiro, M. L.. "Acionamentos de motor síncrono de ímãs permanentes (MSIP) em embarcações com sistema de propulsão elétrica". Dissertação de mestrado da COPPE/UFRJ. 2013. aqui

Transformador com conexão Scott (trifásico para bifásico). Veja videoaula a seguir:

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