cap10 (motores eletricos de inducao)

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Capítulo 10 
 
MOTORES ELÉTRICOS DE INDUÇÃO 
 
 
Esta aula apresenta o princípio de funcionamento dos motores elétricos de indução, suas 
características e relações básicas, bem como suas principais aplicações práticas e forma de 
controle da velocidade. 
Introdução 
Todo motor elétrico converte energia elétrica em energia mecânica. O processo de 
conversão de energia dos motores de indução baseia-se na lei de indução de Faraday e na 
lei de Lenz, daí derivando seu nome. Um motor de indução é um motor elétrico que 
funciona somente em corrente alternada - assim como os transformadores - o que ficará 
claro quando se estudar o seu princípio de funcionamento. 
O motor de indução é o tipo de motor elétrico mais utilizado em geral, sendo largamente 
usado em instalações industriais devido à sua simplicidade, robustez, durabilidade e 
pequena necessidade de manutenção. Normalmente, cerca de 60 % da carga de uma 
instalação industrial é constituída por motores de indução, enquanto que, considerando a 
carga total em regiões industrializadas, os motores de indução são responsáveis por cerca 
de 40 % dessa carga. Por essa razão, os motores de indução são também chamados motores 
industriais. 
Três coisas essenciais para entender motores elétricos 
Além das leis de Faraday e Lenz, já anteriormente apresentadas, é necessário relembrar três 
princípios do eletromagnetismo clássico para entender o funcionamento dos vários tipos de 
motores elétricos, em particular os motores de indução. Esse princípios estão descritos 
abaixo. 
Eletroímã e a regra da mão direita 
Como se sabe, um eletroímã é constituído de uma bobina enrolada em um núcleo de 
material ferromagnético. O primeiro princípio a ser mencionado pode ser enunciado, de 
modo simplificado, da seguinte maneira: “Uma corrente elétrica circulando pela bobina de 
um eletroímã cria um fluxo magnético”. Veja a ilustração na figura abaixo. 
 
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Note que esse fato será verdadeiro seja a corrente da forma contínua ou alternada. Se a 
corrente for alternada senoidal, o sentido do fluxo magnético muda periodicamente, 
seguindo a mudança de sentido da corrente, fazendo a polaridade N-S do eletroímã também 
se inverter. Lembre-se que, por convenção, as linhas de força do fluxo magnético sempre 
vão do pólo Norte para o pólo Sul, no espaço externo ao eletroímã. 
Dada uma certa corrente passando na bobina, para descobrir o sentido do fluxo magnético 
criado e, ao mesmo tempo, a polaridade magnética utiliza-se a regra da mão direita, já 
apresentada: 
• coloque os dedos da mão direita seguindo as espiras da bobina no sentido da 
corrente; 
• o sentido do fluxo magnético será aquele apontado pelo dedo polegar. 
Força eletromagnética e a regra da mão esquerda 
Outro fato essencial do eletromagnetismo pode ser enunciado simplificadamente como 
segue: “Um condutor transportando uma corrente elétrica e atravessado por um fluxo 
magnético fica submetido a uma força de natureza eletromagnética”. Veja a ilustração 
desse princípio na figura abaixo. 
 
Observe que o fluxo magnético pode ser produzido por um imã permanente, como na 
figura, ou um eletroímã. Note ainda que o sentido da força pode mudar se o sentido do 
fluxo ou o sentido da corrente também mudar. O mais importante, porém, é perceber que as 
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direções do fluxo, da corrente e da força eletromagnética são sempre ortogonais entre si, 
ou seja, formam sempre ângulos de . 
Dados os sentidos do fluxo e da corrente, o sentido da força pode ser obtido usando-se a 
regra da mão esquerda: 
• Coloque o dedo indicador no sentido do fluxo; 
• Coloque o dedo médio no sentido da corrente; 
• O sentido da força será aquele apontado pelo dedo polegar. 
Campo girante a partir de três bobinas fixas: uma idéia 
de Nikola Tesla 
Este princípio do eletromagnetismo clássico é extremamente interessante e sua descoberta 
possibilitou o desenvolvimentos dos modernos motores de corrente alternada, em particular 
os motores de indução. De modo sintético, seu enunciado é: “Três correntes alternadas 
senoidais, com mesma amplitude e defasadas de , circulando por três bobinas fixas, 
cujos eixos magnéticos distam entre si, produzem um campo magnético girante de 
intensidade constante”. 
Essa engenhosa maneira de criar um campo girante é uma extensão da descoberta feita por 
Nikola Tesla (1856-1943), um brilhante engenheiro de origem croata, que apresentou no dia 
16 de maio de 1888, em um congresso do American Institute of Electrical Engineers, a 
idéia de construir um motor a partir de duas bobinas dispostas a e alimentadas por 
tensões alternadas senoidais com formas de onda defasadas de . Por isso, Tesla é 
considerado o inventor dos motores de corrente alternada e dos sistemas polifásicos. 
A figura baixo mostra uma montagem de laboratório que ajuda a entender melhor a criação 
do campo girante, onde se vê as três bobinas iguais dispostas de tal modo que seus eixos 
magnéticos longitudinais formem ângulos de . As bobinas são conectadas a um 
sistema alternado trifásico (rede trifásica), garantindo portanto que as correntes que 
circulam por elas sejam de mesma magnitude e defasadas de no tempo. A criação de 
um campo magnético girante é comprovada pelo movimento rotatório de uma bússola ou 
de um rotor gaiola colocados no centro da montagem. 
 
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Tanto o fato de o campo magnético resultante ser girante, quanto ter intensidade 
constante podem ser entendidos com a ajuda da figura abaixo. 
 
A figura mostra, em corte transversal, as três bobinas aa', bb', cc', cujos eixos magnéticos 
distam entre si, em cinco situações diferentes ao longo do tempo. Observe que, em 
cada situação, as correntes alternadas senoidais ia(t), ib(t) e ic(t) que circulam em cada 
bobina possuem amplitudes e sentidos diferentes. Por convenção, em cada bobina, o 
símbolo significa que a corrente está saindo do plano da figura, enquanto que o símbolo 
indica que a corrente está entrando no plano da figura. 
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Analisando a situação 1, por exemplo, percebe-se que a corrente na bobina aa' está no 
instante de amplitude máxima positiva, enquanto que as correntes nas bobinas bb' e cc' 
estão com metade da amplitude máxima negativa. Por essa razão, as correntes saem dos 
terminais a, b' e c' e entram nos terminais a', b e c. O sentido do campo (e portanto do 
fluxo magnético) é dado pela regra da mão direita, ja' que se trata de eletroímãs. Note ainda 
que a amplitude do campo (e do fluxo) é diretamente proporcional à magnitude da corrente 
(quanto maior a corrente, maior o campo criado), e por isso o tamanho do campo criado 
pela bobina aa' é o dobro dos campos criados pelas bobinas bb' e cc'. O campo magnético 
resultante é dado pela soma vetorial dos três campos componentes, indicado na figura em 
vermelho. Estude as cinco situações e observe que o campo (e o fluxo) resultante tem 
intensidade constante e gira no sentido anti-horário à medida que o tempo passa. Por 
último, note que as situações se repetem quando a forma de onda da corrente ia(t) completar 
um período, ou seja, a velocidade de rotação do campo girante depende exclusivamente 
da frequência da tensão trifásica de alimentação, sendo dada por . 
 
A propósito, verifique que, procedendo da mesma maneira como indicado na figura acima, 
é possível criar um campo girante a partir de duas bobinas colocadas a uma da outra 
e alimentadas com tensões alternadas senoidais de mesma amplitude e defasadas deno tempo. Incorpore o espírito de Nikola Tesla e tente. 
Motor de indução: Princípio de funcionamento 
Uma questão fundamental em todo tipo de motor elétrico é entender como se produz o 
movimento rotatório de um eixo (energia mecânica) a partir de corrente elétrica (energia 
elétrica). Em palavras mais técnicas, como se produz um torque eletromecânico no rotor. 
Como se sabe, torque (ou conjugado) é definido pelo produto de uma força por uma 
distância, sendo medido em Newton-metro (N.m) no sistema SI. 
 
Em um motor de indução, a criação do torque no rotor baseia-se na lei de indução de 
Faraday e na lei de Lenz. O princípio de funcionamento de um motor de indução pode ser 
entendido com a ajuda da figura abaixo, onde se mostra um imã permanente em formato de 
ferradura que está suspenso, através de um fio, sobre um leve disco metálico que pode girar 
facilmente em torno de seu eixo, graças a uma suspensão cônica apoiada em uma base fixa. 
 
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Imagine que o imã permanente começa a girar em torno de seu eixo, por exemplo torcendo-
se o fio, enquanto o disco está parado. O fluxo magnético NS produzido pelo imã começa a 
varrer a superfície do disco, caracterizando um fluxo variável ao longo do tempo. Essa 
variação produz a indução de uma tensão no disco, pela lei de Faraday, e conseqüentemente 
a circulação de correntes, pois o disco é metálico. Essas correntes induzidas têm sentido de 
circulação determinados pela lei de Lenz (o fluxo criado por elas deve se opor à variação do 
fluxo), de tal modo que criam no disco polaridades magnéticas opostas aos pólos do imã 
permanente. Sob o pólo norte do imã cria-se um pólo sul no disco, que se atraem. No outro 
pólo acontece a mesma coisa. Em conseqüência, o disco gira no mesmo sentido do 
movimento do imã. Se o sentido de rotação do imã permanente for invertido, também 
inverte-se o sentido de giro do disco. 
 
Essa montagem acima apenas descreve o princípio de funcionamento, sendo que em um 
motor de indução real, o imã permanente girando é substituído por um campo girante 
criado por três bobinas fixas no estator, nas quais circulam correntes alternadas defasadas 
de 120 graus, e o disco metálico é substituído por um rotor cilíndrico na forma de uma 
gaiola metálica, como ilustrado na figura abaixo. Note que a gaiola possui aros metálicos na 
tampa e na base, de tal modo a curto-circuitar as varetas e permitir a circulação de correntes 
por elas. 
 
Motor de indução trifásico 
Em um motor de indução trifásico real, o fluxo girante é produzido por três enrolamentos 
iguais fixados em um núcleo de material ferromagnético (estator) e alimentados por tensões 
de uma rede trifásica. Como a freqüência da rede é constante (60 Hz), então a velocidade de 
rotação do fluxo (ou campo) girante também é constante. Esse fluxo girante ao ir 
atravessando as varetas do rotor tipo gaiola vai induzindo aí correntes que, por sua vez, 
devem criar fluxos (como se fossem eletroímãs de polaridade oposta ao fluxo girante) que 
tendem a se opor ao movimento do fluxo girante (lei de Lenz). Em consequência, o rotor 
gaiola gira no mesmo sentido do fluxo girante, tentando alcançá-lo para reduzir a 
intensidade da indução, que como se sabe é proporcional à variação do fluxo (lei de 
Faraday). Dessa maneira, estabelece-se o torque que faz o rotor gaiola girar. 
 
A figura abaixo mostra um motor de indução trifásico cuja carcaça externa foi recortada 
revelando seu interior. Note as bobinas do estator em corte e o núcleo ferromagnético na 
qual ficam enroladas (em amarelo). Em primeiro plano estão os terminais de ligação da 
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alimentação. Observe que as varetas condutoras do rotor tipo gaiola são de fato incrustadas 
em um núcleo de material ferromagnético usado para potencializar o fluxo magnético, 
formando um conjunto integrado. Por sua construção, percebe-se claramente porque um 
motor de indução é um equipamento robusto e de baixa manutenção. 
 
A propósito, você notou que as varetas da gaiola são inclinadas e não longitudinais ? Você 
saberia dizer a razão desse procedimento ? Pense nisso. 
 
Nem todo motor de indução possui rotor do tipo gaiola. Existem motores cujo rotor é 
constituído por um enrolamento tradicional com várias espiras, sendo chamado rotor tipo 
bobinado. Nesse caso, o enrolamento do rotor deve ser curto-circuitado para permitir a 
circulação das correntes induzidas. Esse tipo de rotor viabiliza algumas técnicas de 
limitação da corrente de partido do motor, mas é bem menos utilizado que os rotores tipo 
gaiola. 
Velocidade do campo girante 
A velocidade do campo girante em um motor de indução é chamada velocidade 
síncrona. Como já mencionado, essa velocidade depende da freqüência da tensão trifásica 
de alimentação do motor. Quanto maior a freqüência, maior a velocidade. Porém, os 
motores de indução podem ser construídos com número de pólos diferentes de dois e, nesse 
caso, o número de pólos precisa ser levado em conta. Para motores de indução, a relação 
entre velocidade do campo girante, freqüência da tensão e número de pólos é a mesma 
deduzida anteriormente para os alternadores, ou seja: 
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em que ns é a velocidade do campo girante (síncrona) em rpm, o número de pólos é p e f é 
a freqüência expressa em Hz. 
 
A propósito, qual é a relação entre a produção de tensões trifásicas em um alternador 
trifásico e a produção de um campo girante a partir de tensões trifásicas ? Como o mundo 
é incrivelmente simétrico ! Pense nisso. 
Velocidade do rotor 
Em qualquer motor de indução, a velocidade do rotor (que é a mesma do eixo) é sempre 
menor que a velocidade síncrona (do campo girante). Se, por hipótese, o rotor conseguisse 
alcançar a velocidade síncrona, então o campo girante e o rotor gaiola estariam 
efetivamente parados (um em relação ao outro), não haveria variação relativa de fluxo e 
portanto indução. Em regime permanente, a velocidade do rotor depende da diferença 
relativa das freqüências da tensão de alimentação e da tensão induzida no rotor, da seguinte 
forma: 
 
 
em que nr é a velocidade do rotor e fr é a freqüência da tensão induzida no rotor, em Hz. 
Escorregamento 
A diferença relativa entre a velocidade do rotor e a velocidade síncrona em um motor de 
indução é expressa através de um parâmetro chamado escorregamento, símbolo s, definido 
da seguinte maneira: 
 
 
Por ser uma grandeza adimensional e menor que um, o escorregamento é expresso 
normalmente em porcentagem. 
 
Para compreender melhor o significado do escorregamento, considere, por exemplo, um 
motor de indução trifásico de 4 pólos sendo alimentado por uma rede de 60 Hz. A 
velocidade do campo girante (síncrona) desse motor é: 
 
 
Se a velocidade do rotor do motor em vazio (sem carga) é 1780 rpm, o escorregamento 
nessa situação será: 
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Por outro lado, se a velocidade do motor quando em plena carga (nominal) é 1200 rpm, 
então o escorregamento será: 
 
 
Como se observa, o escorregamento vai aumentando à medida que a carga mecânica 
exigida do motor aumenta, pois o rotor vai se atrasando para permitir uma maior indução e 
aumentar o torque. 
Curva torque-escorregamento 
A curva torque versus escorregamento, em regime permanente, de um motor de indução 
típico é mostrada na figura abaixo: 
 
Note, antes de mais nada, que o escorregamento s é plotado do maior valor (100 %) para o 
menor valor (0 %), correspondendo aos valores de velocidade do rotor nula (motor parado) 
e igual à velocidade síncrona(impossível), respectivamente. O valor de torque nominal, Tn 
corresponde ao ponto de operação normal para o qual o motor foi projetado, sendo que o 
respectivo escorregamento é o escorregamento nominal, . Geralmente, os motores de 
indução operam em velocidades próximas à velocidade síncrona, vale dizer, com 
escorregamentos bem pequenos. Outros pontos notáveis na curva são: Tp - torque de partida 
(deve ser maior que o torque de carga nominal, senão o motor não parte; Tmax e Tmin - torque 
máximo e mínimo, respectivamente. 
Porque a velocidade varia pouco com a carga 
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Uma característica importante de motores de indução é que sua velocidade (do rotor) varia 
relativamente pouco, mesmo submetido a significativas variações do torque de carga. A 
razão desse comportamento pode ser facilmente entendido através da figura abaixo: 
 
Os motores de indução operam normalmente na parte direita da curva torque-
escorregamento que é quase perpendicular, ou seja, mesmo havendo uma relativamente 
grande variação do torque de carga, a corresponde variação do escorregamento e, 
conseqüentemente, da velocidade do motor será bem reduzida. Devido à essa característica, 
os motores de indução são freqüentemente utilizados em aplicações que requerem 
velocidades de acionamento bem definidas sob variação de carga, tais como bombas, 
ventiladores e compressores. 
Porque a corrente de partida é alta 
Motores de indução (como também outros tipos de motores elétricos) possuem uma 
característica indesejável que é sua grande corrente de partida, que pode variar de 6 a 10 
vezes o valor de regime permanente, colocando em risco a rede de alimentação e o próprio 
motor. A razão dessa corrente de partida tão alta pode ser facilmente entendida 
considerando-se o princípio de funcionamento dos motores de indução. Quando o motor é 
ligado, o rotor está completamente parado, mas o campo girante se estabelece 
imediatamente e, portanto, o rotor sofre uma variação de fluxo muito grande, induzindo-se 
nele uma corrente muito alta. Essa corrente produz um fluxo magnético intenso que tende a 
anular o fluxo produzido pelas bobinas do estator, que criam o campo girante (lei de Lenz). 
Como reação, a corrente do estator também cresce rapidamente para restabelecer o fluxo 
anterior, dando origem ao surto de corrente. Esse mecanismo é semelhante ao que ocorre no 
primário de um transformador em vazio quando se coloca repentinamente carga no 
secundário. 
 
Para minimizar o efeito da corrente de partida alta, utilizam-se técnicas de redução de 
corrente, principalmente em motores de grande potência, tais como partida em tensão 
reduzida, chave estrela-triângulo, reostato no rotor bobinado, partida suave através de 
inversores. 
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Categorias e aplicações 
Os motores de indução são classificados em categorias de acordo com suas características 
torque-escorregamento e corrente de partida. Somente a título de exemplo, a figura abaixo 
mostra a curva torque-escorregamento de algumas categorias mais comuns. 
 
As características mais marcantes e principais aplicações das categorias são listadas abaixo: 
• categoria D : torque de partida alto, corrente de partida normal, grande 
escorregamento, prensas excêntricas (picos periódicos de carga); 
• categoria H : torque de partida alto, corrente de partida normal, pequeno 
escorregamento, correias transportadoras, peneiras, britadores, elevadores, cargas de 
alta inércia; 
• categoria N : torque de partida normal, corrente de partida normal, pequeno 
escorregamento, bombas, ventiladores, máquinas operatrizes. 
Como inverter o sentido de rotação 
O sentido de rotação do eixo de um motor de indução trifásico é imposto pelo sentido de 
rotação do campo girante. Para inverter o sentido de rotação basta trocar a seqüência de 
fases do sistema trifásico, por exemplo, trocando entre si a posição de duas fases. 
Significado dos dados de placa 
As principais especificações de um motor de indução são normalmente informadas pelo 
fabricante através de uma plaqueta fixada no motor. A figura abaixo ilustra uma dessas 
placas de identificação; 
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A interpretação do significado dos principais dados (os demais podem ser encontrados no 
manual dos fabricantes) é descrita em seguida. 
• Se o motor é trifásico, a potência especificada (5 CV) é a potência útil trifásica 
(mecânica no eixo); 
• As tensões especificadas são sempre tensões de linha (valor eficaz); 
• As correntes especificadas são sempre correntes de linha (valor eficaz); valor 
nominal de plena carga; 
• A velocidade especificada é a velocidade nominal do rotor (eixo), geralmente em 
rpm; 
• Os motores freqüentemente podem ser ligados em duas ou mais tensões, 
dependendo de como são conectados os enrolamentos do estator, em delta ou 
estrela; 
Controle de velocidade dos motores de indução 
Em algumas aplicações de motores de indução é necessário controlar a velocidade de 
acionamento da carga, por exemplo, em uma esteira transportadora ou mesmo em veículos 
de transporte. Um modo freqüentemente usado para variar de maneira controlada a 
velocidade de motores de indução é através da variação da freqüência da tensão de 
alimentação. Sabe-se que a velocidade do campo girante é diretamente proporcional ao 
valor da freqüência e que a velocidade do motor depende da velocidade do campo girante. 
A variação da freqüência é obtida através de um conversor de freqüência (também 
chamado inversor de freqüência) que deve ser instalado entre a fonte de tensão e o motor 
a ser controlado, conforme ilustra a figura abaixo: 
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Os principais componentes de um inversor de frequência típico está mostrado na figura 
abaixo: 
 
O bloco retificador converte a tensão trifásica alternada em 60 Hz em tensão contínua, 
enquanto que o bloco inversor re-converte a tensão contínua em tensão trifásica alternada 
cuja freqüência é determinada pelo usuário de acordo com a velocidade desejada, sendo que 
quanto maior a freqüência, maior a velocidade do motor. Um inversor de freqüência 
também serve para controlar a corrente de partida permitindo variar a magnitude da tensão 
aplicada ao motor.