Prévia do material em texto

Página 1 de 13 
 
 
 
Centro Universitário Campos de Andrade 
 
 
ENGENHARIA ELÉTRICA 
 
 
DISCIPLINA: MÁQUINAS ELÉTRICAS II 
 
PROFESSORA: JULIANA IETEKA 
 
ACADÊMICA: DENISE CORREOA 
 
 
MOTORES SÍNCRONOS E ASSÍNCRONOS 
 
1. MOTORES SÍNCRONOS 
Quando um campo magnético varia no tempo, e um condutor é exposto a esse campo, é 
produzido um campo elétrico no espaço, de acordo com a lei de Faraday: 
 
Se o material do condutor for de alta condutividade elétrica, o campo E é muito pequeno 
e desprezado. Dessa forma, o primeiro termo da equação reduz-se ao negativo da tensão 
induzida (UMANS, 2014). Outra consideração é que, no segundo membro da equação, 
predomina-se o fluxo do núcleo, e, como o enrolamento tem N espiras concatenadas, a 
equação se reduz a: 
 
A estrutura das máquinas CA é dada por uma parte estática (estator) e uma parte 
rotativa (rotor). A Figura 1a apresenta um estator com o seu núcleo. Note que, para reduzir 
perdas nesse núcleo, ele é laminado (Figura 1b). A composição do estator e do rotor é de aço, 
e os enrolamentos (grupo de bobinas) são instalados em ranhuras nessas estruturas, 
conhecidas como enrolamento de armadura, ou enrolamento de estator. 
Página 2 de 13 
 
 
 
Os motores CA se dividem em dois grandes grupos: motores síncronos e assíncronos. A 
diferença entre eles é como os campos interagem entre o estator e o rotor. O funcionamento do 
motor assíncrono é baseado na alimentação do enrolamento do estator, gerando uma corrente 
alternada nesses condutores e, consequentemente, um campo magnético rotativo. A 
velocidade de rotação desse campo magnético é chamada de velocidade síncrona (ηS) 
 
onde f e é a frequência elétrica aplicada ao estator (Hz); e polos é o número de polos 
magnéticos gerados pelos enrolamentos da máquina. A velocidade de rotação do rotor (ηn) é 
dada por: 
 
 onde s é o escorregamento que é usado para descrever o movimento rela tio do rotor e 
dos campos magnéticos. O escorregamento também pode ser visto como perdas de um 
sistema. Nesse caso, podemos ter como exemplo o acoplamento de uma carga ao eixo do 
motor que adicionará uma resistência à sua rotação natural, causando uma diferença ainda 
maior entre as velocidades síncrona e de rotação do rotor. Outras perdas são intrínsecas ao 
equipamento, componentes como rolamentos também adicionam pontos de atrito mecânico ao 
eixo do motor, ou seja, são todas as perdas no eixo do motor. 
 
A Figura 2 apresenta um motor síncrono, que trabalha com velocidade constante, 
resultado da interação entre campos magnéticos rotativos e estáticos. No motor de indução, o 
Página 3 de 13 
 
estator do motor síncrono produz um campo magnético rotativo. O rotor, ao invés de ter um 
campo induzido como acontece no motor de indução, é alimentado por uma fonte CC que 
produzirá um campo magnético estacionário. A Figura 2 descreve a interação entre esses 
campos magnéticos 
 
Note que o campo magnético do estator do motor síncrono gira com a velocidade 
síncrona (ηS), e o campo magnético do rotor está parado. Como a velocidade de um é bem 
maior que a do outro, os campos magnéticos não conseguirão alinhar seus polos, e, assim, o 
motor não conseguirá girar. A Figura 3 apresenta a solução para esse problema: a inserção de 
uma gaiola de esquilo no rotor da máquina faz o mesmo trabalho realizado no motor de 
indução, tornando possível a partida do motor. 
 
Durante a partida do motor síncrono, ele funcionará igual ao motor de indução, mas, 
assim que ele chegar à sua velocidade “nominal”, essa velocidade é suficiente para que os 
polos do estator e do rotor se acoplem, deixando a velocidade do rotor igual à síncrona. 
Página 4 de 13 
 
Quando isso acontecer, não existirá mais movimento relativo entre o campo magnético do 
estator e os enrolamentos do rotor, não havendo mais indução de tensão na gaiola de esquilo 
do rotor e deixando apenas o motor com o inter travamento dos polos, como pode ser visto na 
Figura 4. 
 
O circuito equivalente da máquina síncrona é encontrado ao se fazer uma análise do 
equipamento com ação geradora. A tensão gerada (EA) por uma máquina síncrona nunca será 
a entregue à carga (V∅), devido às perdas intrínsecas ao sistema. 
 
 Os fatores que geram perdas podem ser listados conforme a seguir. 
 A distorção do campo magnético do entreferro pela corrente que flui no estator, 
denominada reação de armadura, é representada pela queda de tensão na 
reatância X. 
 A autoindutância das bobinas da armadura é representada pela autoindutância do 
estator (LA) e sua respectiva reatância (XA). 
 Como os efeitos da autoindutância e da reação de armadura são representados 
por reatâncias, podemos combiná-los em uma única reatância: a reatância 
síncrona (XS). 
 A resistência das bobinas da armadura (RA). 
 O efeito do formato dos polos salientes do rotor. 
Página 5 de 13 
 
 
 
Partida do motor síncrono pela redução da frequência elétrica Imagine, agora, se você 
diminuísse a velocidade do campo magnético do estator (BS) de um motor síncrono, o 
suficiente para que o rotor acelere e entre em sincronismo com BS. Ao atingir tal sincronismo, a 
velocidade do campo magnético do estator poderá, então, ser aumentada até a velocidade 
nominal do equipamento (50 ou 60 Hz). 
Teoricamente, isso é aceito, mas, como se aplica isso se a rede do sistema elétrico de 
potência fornece apenas uma frequência elétrica constante (50 ou 60 Hz)? Com o avanço da 
eletrônica de potência, isso se tornou corriqueiro. 
Utilizando controladores de estado sólido, hoje, é possível a conversão de frequências 
constantes em praticamente qualquer nível de frequência desejado. Assim, podemos definir 
valores de frequência baixíssimos durante a partida do motor e realizar incrementos até que 
atinja sua velocidade nominal. 
Sabemos que a velocidade angular síncrona (ωs) é proporcional à frequência elétrica 
(fe) da tensão de armadura aplicada e inversamente proporcional ao número de polos (P). Ou 
seja: 
 
Uma inversora fonte de tensão trifásica (Figura 1, abaixo) pode ser utilizada para 
executar esse controle (UMANS, 2014). O funcionamento desse equipamento consiste na 
produção de tensão contínua através da ponte retificadora que será aplicada ao capacitor do 
“link CC”. O controle das chaves do bloco inversor viabiliza a produção de uma onda de tensão 
amplitude variável através da modulação por largura de pulso (PWM). O controle da frequência 
é feito por meio da velocidade de chaveamento das chaves do inversor. 
Página 6 de 13 
 
 
 
Desprezando a queda de tensão na impedância de armadura (resistência e reatância de 
dispersão), pela lei de Faraday, temos: 
 
onde Va é a tensão de armadura, e os valores com índice “nominal” representam os 
valores nominais de operação. Mantendo a tensão de armadura igual à nominal e variando a 
tensão, temos: 
 
Com isso, podemos observar um dos problemas da operação com tensão constante e 
frequência variável. Ao diminuir a frequência, a densidade de fluxo aumenta. Assim, para uma 
máquina que já opera saturada, qualquer redução de frequência aumentará ainda mais a 
densidade de fluxo do motor. 
 
 
 
 
Página 7 de 13 
 
1.1 Partida do motor síncrono com o auxílio de máquina motriz externa 
Outro modo de partir o motor síncrono é acoplando-o a uma fonte de potência externa 
que o levará até a velocidade plena. A máquina elétrica está funcionando como um gerador, 
mas, ao desacoplar a fonte de potência externa, o eixo da máquina síncrona desacelerará, 
causando um atraso do campo magnético do rotor em relação ao campo magnético resultante 
(Blíq) e passando a funcionar como um motor. Na verdade, essa solução não é tão incomum, 
pois muitos motores síncronos fazem parte de conjuntos motor-gerador utilizando outro motor 
para a partida do conjunto. 
Esse motor de partida normalmente parte conjuntos rodando a vazio (sem carga 
acopladaao eixo) até o momento em que o conjunto entra em paralelo com o sistema de 
potência. Sendo assim, o motor de partida pode ser muito menor que o motor que ele está 
partindo. Já para motores síncronos de grande porte, sistemas de excitação sem escovas 
montados em seus eixos, frequentemente é possível usar essas excitatrizes como motores de 
partida (CHAPMAN, 2013) 
 
1.2 Operação Dos Motores Síncronos 
O motor síncrono possui o rotor com número de polos correspondente ao número de 
polos do enrolamento do estator. Durante a operação normal em regime, não há nenhum 
movimento relativo entre os polos do rotor e o fluxo magnético do campo girante do estator 
(polos do estator), ou seja, estão em perfeito sincronismo. 
O campo magnético do rotor tenderá a sempre se alinhar com o campo magnético do 
estator, porém os dois campos magnéticos nunca estão perfeitamente alinhados, pois a 
existência de um torque resistente gera um defasamento entre os campos, embora estejam 
rodando a mesma velocidade. Mesmo que em vazio, o motor possui conjugado resistente 
gerado pelo atrito dos mancais e pelo sistema de ventilação. Este defasamento gera um 
ângulo, chamado de ângulo de carga, ou ângulo de torque. Este ângulo de carga aumenta à 
medida que aumenta o torque resistente. 
 
 
 
Página 8 de 13 
 
2. MOTORES ASSÍNCRONOS 
Ao contrário do motor síncrono, o motor assíncrono gira em uma velocidade ligeiramente 
menor que a velocidade de rotação do campo girante do estator. Sendo assim o rotor não está 
sincronizado com esse campo girante, por isso ele recebe o nome de motor assíncrono. Essa 
diferença entre a velocidade do rotor e a velocidade do campo magnético é denominada de, 
escorregamento do motor. 
 
2.1 Seleção E Aplicação Dos Motores Elétricos Assíncronos Trifásicos De Alta 
Tensão 
Existem muitas aplicações que podem ser corretamente acionadas por mais de um tipo 
de motor, e a seleção de um determinado tipo, nem sempre exclui o uso de outros tipos. Com o 
advento do computador, o cálculo pode ser aprimorado, obtendo-se resultados precisos que 
resultam em máquinas dimensionadas de maneira mais econômica. 
Os motores de indução, de gaiola ou de anel, de baixa e alta tensão, encontram vasto 
campo de aplicação, notadamente nos setores de siderúrgica, mineração, papel e celulose, 
saneamento, químico e petroquímico, cimento entre outros, tornando-se cada vez mais 
importante a seleção do tipo adequado para cada aplicação. 
A seleção do motor adequado, com respeito ao tipo, conjugado, fator de potência, 
rendimento, elevação de temperatura, isolação, tensão e grau de proteção mecânica, somente 
pode ser feita, após uma análise cuidadosa, considerando parâmetros como: custo inicial, 
capacidade de rede, necessidade da correção do fator de potência, conjugados requeridos, 
efeito da inércia da carga, necessidade ou não de regulação de velocidade, exposição da 
máquina em ambientes úmidos, poluídos e/ou agressivos. 
O motor assíncrono de gaiola é o mais empregado em qualquer aplicação industrial, 
devido a sua construção robusta e simples, além de ser a solução mais econômica, tanto em 
termos de motores quanto de comando e proteção. Na seleção correta dos motores, é 
importante considerar as características técnicas de aplicação e as características de carga, no 
que se refere a aspectos mecânicos para calcular: 
a) Conjugado de partida Conjugado requerido para vencer a inércia estática da máquina 
e produzir movimento. Para que uma carga, partindo da velocidade zero, atinja a sua 
velocidade nominal, é necessário que o conjugado do motor seja sempre superior ao 
conjugado da carga. 
Página 9 de 13 
 
b) Conjugado de aceleração Conjugado necessário para acelerar a carga à velocidade 
nominal. O conjugado do motor deve ser sempre maior que o conjugado de carga, em todos os 
pontos entre zero e a rotação nominal. No ponto de interseção das duas curvas, o conjugado 
de aceleração é nulo, ou seja, é atingido o ponto de equilíbrio a partir do qual a velocidade 
permanece constante. Este ponto de interseção entre as duas curvas deve corresponder à 
velocidade nominal. 
 
Figura 2.1: Seleção de motor considerando o conjugado resistente da carga 
 
Onde: 
Cmáx = conjugado máximo; 
CP = conjugado de partida; 
Cr = conjugado resistente; 
ns = rotação síncrona; 
n = rotação nominal. 
O conjugado de aceleração assume valores bastante diferentes para cada intervalo de 
rotação na fase de partida. O conjugado médio de aceleração (Ca) obtém-se a partir da 
diferença entre o conjugado do motor e o conjugado da carga. 
c) Conjugado nominal Conjugado nominal é o conjugado desenvolvido por um motor 
para as condições nominais de frequência e tensão. O conjugado nominal de uma carga é o 
solicitado pela carga, no eixo do motor, necessário para mover a carga em condições de 
Página 10 de 13 
 
funcionamento à velocidade específica. O conjugado requerido para funcionamento de uma 
máquina pode ser constante ou variar entre amplos limites. Para conjugados variáveis, o 
conjugado máximo deve ser suficiente (maior ou igual) para suportar picos momentâneos de 
carga. As características de funcionamento de uma máquina, quanto ao conjugado, podem 
dividir-se em três classes, a saber, conjugado constante, conjugado variável e potência 
constante. 
 
3. DIFERENÇAS ENTRE SÍNCRONOS E ASSÍNCRONOS 
O motor síncrono é bastante semelhante ao motor de indução (assíncrono) no seu 
aspecto geral, embora usualmente os motores síncronos possuam potência elevada e/ou 
rotação muito baixa quando comparado com o motor de indução normal. Tipicamente, o motor 
síncrono tem um comprimento de núcleo pequeno e um diâmetro grande quando comparado 
com o motor de indução. 
Motor síncrono: Funciona com velocidade fixa, utilizado somente para grandes potências 
(devido ao seu alto custo em tamanhos menores) ou quando se necessita de velocidade 
invariável. Os motores síncronos funcionam quando há sincronismo entre o campo magnético 
do estator e a voltagem induzido no rotor, ou seja, a frequência da tensão/corrente gerada é 
proporcional à velocidade do rotor. Lembre-se da fórmula: velocidade x frequência induzida 
=120 x nº de polos. 
Motor de indução: Funciona normalmente com velocidade constante, que varia 
ligeiramente com a carga mecânica aplicada ao eixo. Devido a sua grande simplicidade, 
robustez e baixo custo é o motor mais utilizado de todos, sendo adequado para quase todos os 
tipos de máquinas acionadas, encontradas na prática. 
Atualmente é possível controlarmos a velocidade dos motores de indução com o auxílio 
de inversores de frequência. Nos motores assíncronos (de indução) há um escorregamento, ou 
seja, há certa diferença entre a velocidade do rotor e a frequência induzida. Na prática esse 
valor está por volta de 0,05 a 0,1; ou seja, segundo a fórmula dos motores síncronos acima, a 
velocidade deve ser de 5 a 10% maior para induzir a mesma tensão de um motor síncrono. 
 
3.1. Diferenças Construtivas Básicas 
Motores síncronos são classificados em alta e baixa velocidade devido às diferenças nos 
métodos construtivos. O motor de alta velocidade, nominalmente de 12 polos e abaixo, é 
Página 11 de 13 
 
caracterizado por seu relativo comprimento axial longo em comparação ao diâmetro do rotor. A 
elevada velocidade do rotor, produzindo consequentemente altas forças centrífugas, faz com 
que as laminações da armação do rotor sejam feitas de aço de alta resistência mecânica com 
cauda de andorinha estampada ou usinada de modo a permitir a montagem e aperto seguro 
dos polos no rotor. Construções padrões incluem estator, rotor, eixo e dois mancais. Para 
motores pequenos e médios os mancais são alojados dentro de tampas laterais às quais são 
montadas e se tornam partes integrantes do motor. Estes motores são abertos e 
autoventilados. Alguns fabricantes possuem o motor a prova de pingos como padrão.3.2 Motores Síncronos 
Motor elétrico é uma máquina destinada a transformar energia elétrica em mecânica. É o 
mais usado de todos os tipos de motores, pois combinam as vantagens da utilização de 
energia elétrica baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando com 
sua construção simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais 
diversos tipos e melhores rendimentos. 
O termo síncrono tem sua origem no grego, onde o prefixo sin significa “com” e cronos é 
uma palavra que denota “tempo”. Um motor síncrono literalmente opera “em tempo com” ou 
“em sincronismo com” o sistema de alimentação. 
Os motores síncronos estão sendo utilizados com maior frequência pelas indústrias, 
devido ao fato de possuírem características especiais de funcionamento. O alto rendimento e o 
fato de poderem trabalhar como compensador síncrono para corrigir o fator de potência da rede 
se destaca como os principais motivos que resultam na escolha dos motores síncronos para 
acionamento de diversos tipos de cargas. 
Altos torques, velocidade constante nas variações de carga e baixo custo de 
manutenção, também são características especiais de funcionamento que proporcionam 
inúmeras vantagens econômicas e operacionais ao usuário. A economia está por trás do uso 
de motores síncronos em muitas das aplicações deste tipo de motor na indústria. 
As cinco razões mais comuns para se especificar motores síncronos são: 
1. Baixo custo inicial. 
2. Obter altos rendimentos. 
3. Obter correção de fator de potência. 
4. Obter características de partida especiais. 
Página 12 de 13 
 
5. Obter características especiais do motor síncrono. 
Destas cinco vantagens, as quatro primeiras têm um impacto direto no custo geral de 
operação da instalação. 
3.3. Motores Assíncronos 
O motor assíncrono é constituído basicamente pelos seguintes elementos: um circuito 
magnético estático, constituído por chapas ferromagnéticas empilhadas e isoladas entre si, ao 
qual se dá o nome de estator; por bobinas localizadas em cavidades abertas no estator e 
alimentadas pela rede de corrente alternada; por um rotor constituído por um núcleo 
ferromagnético, também laminado, sobre o qual se encontra um enrolamento ou um conjunto 
de condutores paralelos, nos quais são induzidas correntes provocadas pela corrente alternada 
das bobinas do estator. 
O rotor é apoiado num veio, que por sua vez transmite à carga a energia mecânica 
produzida. O entreferro (distância entre o rotor e o estator) é bastante reduzido, de forma a 
reduzir a corrente em vazio e, portanto as perdas, mas também para aumentar o fator de 
potência em vazio. 
3.4 Funcionamento de um Motor Assíncrono 
A partir do momento que os enrolamentos localizados nas cavidades do estator são 
sujeitos a uma corrente alternada, gera-se um campo magnético no estator, 
consequentemente, no rotor surge uma força eletromotriz induzida devido ao fluxo magnético 
variável que atravessa o rotor. A f.e.m. induzida dá origem a uma corrente induzida no rotor 
que tende a opor-se à causa que lhe deu origem, criando assim um movimento giratório no 
rotor. 
Como podemos constatar o princípio de funcionamento do motor de indução baseia-se 
em duas leis do Eletromagnetismo, a Lei de Linz e a Lei de Faraday. Faraday: "Sempre que 
através da superfície abraçada por um circuito tiver lugar uma variação de fluxo, gera-se nesse 
circuito uma força eletromotriz induzida. Se o circuito é fechado será percorrido por uma 
corrente induzida". Linz: "O sentido da corrente induzida é tal que esta pelas suas ações 
magnéticas tende sempre a opor-se à causa que lhe deu origem". O motor elétrico transforma 
a potência elétrica fornecida em potência mecânica e uma reduzida percentagem em perdas. 
 
 
 
Página 13 de 13 
 
REFERÊNCIAS 
CHAPMAN, S. J. Fundamentos de máquinas elétricas. 5. ed. Porto Alegre: AMGH, 
2013. 
CARDOSO, Alex. et al. Motores Sincronos E Assincronos: Definições de motores 
síncronos e assíncronos, Diferenças, Princípios de funcionamento, locais mais usados e tipos. 
Curso Técnico em Eletromecânica. SENAI – Sama, 2012. 
HART, D. W. Eletrônica de potência: análise e projetos de circuitos. Porto Alegre: 
AMGH, 2012. 
LEARN ENGINEERING. Working of synchronous motor. [S. l.: s. n.], 2014. 1 vídeo (4 
min 13 seg). Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=Vk2jDXxZIhs. Acesso em 9 jul. 
2022. 
RASHID, M. H. Eletrônica de potência: dispositivos, circuitos e aplicações. 4. ed. 
São Paulo: Pearson, 2014. UMANS, S. D. Máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley. Porto 
Alegre: AMGH, 2014. 
WEG Equipamentos Elétricos S.A. Motores elétricos assíncronos e síncronos de 
média tensão – especificação, características e manutenção. Disponível em: weg-motores-
eletricos-3785.pdf (kmabrasil.com.br). Acesso em 10 jul. 2022.