Motores elétricos para elevadores

Os primeiros motores funcionavam com corrente contínua (CC). De fato, a invenção de um motor de CC prático precedeu em muito a percepção de Nikola Tesla de que a corrente alternada (CA) ofereceria benefícios substanciais. Thomas Edison e seus associados insistiram na ideia de que a CC era mais prática, mas a história favoreceu Tesla e George Westinghouse, pelo menos no que diz respeito à "guerra das correntes", como ficou conhecida. Antes que essa questão fosse resolvida, os motores de CC para uso em elevadores já haviam se tornado o padrão da indústria e assim permaneceriam por um bom tempo.

Objetivos de aprendizagem

Após ler este artigo, você deverá ter aprendido:
♦ Como funcionam os motores CC.
♦ Como funcionam os motores síncronos.
♦ Como funcionam os motores de indução.
♦ Como a velocidade de um motor CA é controlada.
♦ Como solucionar problemas em um inversor de frequência (VFD).

Para começar, vamos analisar os requisitos básicos para o funcionamento de motores elétricos. A maioria dos motores elétricos converte energia elétrica em movimento rotativo. (Existe o atuador linear, mas não é o nosso foco agora). Os motores rotativos consistem em um rotor acoplado a um eixo apoiado por dois rolamentos, permitindo sua rotação livre, e um estator que, como o próprio nome indica, é estacionário. Ele é montado na parte interna da carcaça do motor.

Uma polia, engrenagem, lâmina de serra, rebolo ou outra ferramenta pode ser acoplada ao eixo do rotor para que trabalho útil seja realizado. Para girar, o rotor, em conjunto com o estator, utiliza a relação entre eletricidade e magnetismo, observada pela primeira vez por Hans Christian Ørsted em 1820, quando constatou que a agulha de uma bússola se desviava ao ser posicionada próxima a um condutor percorrido por corrente elétrica. Em 1831, Michael Faraday, no Reino Unido, e Joseph Henry, nos Estados Unidos, descreveram independentemente o fenômeno com mais detalhes e, posteriormente, no mesmo século, James Clerk Maxwell forneceu uma extensa análise matemática. Antes desses desenvolvimentos do século XIX, eletricidade e magnetismo eram vistos como fenômenos não relacionados. Agora que a relação estava clara, pesquisadores e inventores buscaram maneiras de explorar esse novo conhecimento. Anteriormente, motores de corrente contínua simples, alimentados por baterias químicas, haviam sido construídos. No entanto, eles não eram potentes e eram incapazes de realizar trabalho útil.

O rotor de um motor CC pode ser acionado, mas somente se houver comutação. Se uma tensão CC constante for aplicada aos enrolamentos do rotor e do estator, o eixo girará, no máximo, parte de uma volta, até que os polos opostos estejam mais próximos, momento em que a rotação cessará. Para que o eixo gire continuamente, a polaridade da corrente elétrica no estator ou no rotor deve ser invertida, de modo que o campo magnético seja periodicamente revertido, fazendo com que os polos mais distantes se atraiam. Dessa forma, o rotor está sempre acompanhando o estator. À medida que os polos se aproximam, a polaridade se inverte, mantendo o movimento rotativo. Essa inversão ocorre interna ou externamente e é conhecida como comutação. Um operador qualificado poderia acionar um interruptor, configurado como um botão, e pulsar a corrente para fazer o rotor girar. No entanto, para um motor prático, a comutação precisa ser automática.

Outro problema é que os fios não podem ser conectados diretamente aos terminais dos enrolamentos montados no rotor, pois se torceriam e quebrariam rapidamente. Esses dois requisitos são atendidos com a fixação de um comutador ao rotor. Escovas de cobre fixas (agora substituídas por barras de carbono que ainda são chamadas de escovas) entram em contato com os segmentos giratórios do comutador, isolados uns dos outros, fornecendo o mecanismo de comutação necessário para a rotação contínua, que leva a corrente ao rotor. Como em qualquer motor, a energia precisa chegar ao rotor e a comutação precisa ocorrer para que a rotação aconteça.

Em vez de enrolamentos tanto no rotor quanto no estator, um deles pode ser substituído por ímãs permanentes (IPs). Estes são frequentemente ímãs de terras raras potentes, fixados com epóxi na parte interna da carcaça do motor. Os campos estáticos dos IPs interagem com o campo eletromagnético comutado associado ao rotor, fazendo o eixo girar. Vários esquemas foram propostos, nos quais IPs tanto no rotor quanto no estator formariam uma máquina de movimento perpétuo rotativa funcional. O problema com essa configuração é que, para funcionar, seria necessária a comutação. Um conjunto de IPs teria que inverter a polaridade nos intervalos corretos. Uma maneira de fazer isso seria invertendo mecanicamente os ímãs, mas isso exigiria mais energia do que a potência de saída do motor. Outra forma de um motor funcionar requer energia nova de forma contínua, que deve ser fornecida ao rotor e/ou ao estator.

Os motores CC possuem duas características importantes que explicam sua persistência em aplicações de elevadores, mesmo em um mundo dominado pela corrente alternada. A primeira dessas características é que a velocidade de um motor CC pode ser controlada variando-se a tensão. À medida que a cabine do elevador se aproxima do seu destino, ela diminui a velocidade, em vez de continuar em velocidade máxima até que o piso da cabine esteja nivelado com o piso do edifício, para então parar abruptamente. Isso seria desconfortável para os passageiros e prejudicial para o mecanismo.

Não é prático variar a velocidade de um motor CA alterando a tensão. A velocidade de um motor CA síncrono ou assíncrono (de indução) depende da frequência. Pode-se diminuir a velocidade de um motor CA reduzindo a tensão até que ele comece a parar, mas essa não é uma boa maneira de variar a velocidade. Alguns motores CA possuem duas velocidades. Eles têm enrolamentos separados para cada velocidade, com um fio para cada velocidade e um fio de retorno comum.

Da mesma forma, os motores CC podem ter seu sentido de rotação invertido pela inversão da polaridade da alimentação elétrica, mas isso não é possível com um motor CA monofásico, já que a polaridade está constantemente sendo invertida. Os motores trifásicos podem ter seu sentido de rotação invertido pela inversão de quaisquer duas das três fases.

Embora os motores CC apresentem vantagens como controle de velocidade suave e reversibilidade simples, exigem um pouco mais de manutenção devido ao desgaste contínuo do conjunto eletromecânico escova-comutador. Se as escovas não forem substituídas em tempo hábil, antes de falharem, podem ocorrer faíscas e o comutador pode ser danificado. Isso implica um reparo mais caro do que simplesmente trocar as escovas. Além disso, as escovas geram poeira e calor dentro do motor, representando riscos potenciais de incêndio. Há também interferência de radiofrequência que pode afetar o funcionamento de equipamentos eletrônicos. Os motores CC sem escovas não apresentam essas desvantagens. Eles são capazes de operar em velocidade variável por meio de um controlador eletrônico. São encontrados em unidades de disco rígido de computadores e em aplicações de controle de movimento em máquinas-ferramenta.

De forma geral, os motores CC, embora conceitualmente simples e capazes de operar com qualidade, são mecanicamente mais complexos e exigem maior manutenção, sendo, portanto, mais caros de operar. Essa visão, porém, não representa toda a história. Se estivermos falando da reforma de um elevador, pode ou não ser apropriado substituir um motor CC em funcionamento, dependendo do investimento inicial no projeto. A decisão deve ser tomada com muita cautela, considerando tanto o custo inicial quanto o benefício a longo prazo do uso de corrente alternada (CA).

Analisando a tecnologia de motores CA, vamos considerá-la sob as perspectivas elétrica e mecânica. Como mencionado, a energia elétrica foi, durante muitos anos, exclusivamente CC. Muitas pessoas participaram da concepção e do desenvolvimento da rede CA. Tesla tornou-se a figura central na ascensão da CA. Graças aos seus esforços, em conjunto com a Westinghouse, a CA estava superando a CC, mas o verdadeiro progresso só ocorreria com o desenvolvimento de um motor CA. Sem dúvida, houve tentativas iniciais de alimentar um motor CC com CA. Logo ficou evidente que seria necessária uma máquina diferente.

Os motores CC conseguem girar porque a eletricidade que alimenta os enrolamentos do rotor é comutada ou chaveada. Em um motor CA, a comutação já existe na rede elétrica, portanto, pode-se dizer que a comutação é externa. Os motores CA podem ser síncronos ou assíncronos (de indução). Em ambos os casos, a corrente CA da rede elétrica alimenta diretamente os enrolamentos do estator. Devido à natureza cíclica dessa energia, um campo magnético rotativo é estabelecido. Se o motor tiver mais de 5 hp, como geralmente ocorre em elevadores, o estator recebe energia trifásica. Três circuitos separados, com fios em comum e defasados ​​em 120°, são derivados da rede elétrica ou de um gerador local por meio de enrolamentos conectados em delta ou em estrela. Três fios conduzem essa energia para a carcaça do motor e se conectam a bobinas espaçadas uniformemente, de modo que os três campos magnéticos girem em conjunto. Todos os motores CA trifásicos têm isso em comum, enquanto os motores CA monofásicos possuem apenas um campo magnético rotativo. Além disso, nem todos os motores CA funcionam da mesma maneira. A diferença entre eles está na forma como o rotor é alimentado.

Um motor síncrono de rotor bobinado é equipado com um sistema de anéis coletores e escovas. Os anéis coletores são fixados ao eixo do rotor, e as escovas estacionárias entram em contato com eles e são conectadas à fonte de alimentação externa. Essa configuração é mais confiável do que a combinação de escovas e comutador em motores CC. Como os anéis coletores, diferentemente do comutador, não são segmentados, há menos desgaste nas escovas. Além disso, a corrente conduzida é menor, apenas o suficiente para alimentar o rotor.

Além disso, existem motores síncronos não excitados que utilizam outros meios para permitir a interação do rotor com o estator. Nesses motores, o rotor é feito de aço maciço. O campo magnético rotativo do estator magnetiza o rotor e, em velocidades síncronas, os dois campos magnéticos giram juntos, fazendo com que o eixo gire e trabalho útil seja realizado. Existem três tipos de motores síncronos não excitados, cada um com um método diferente para permitir que o rotor acompanhe o campo magnético rotativo do estator:

Motor de relutância: O rotor de aço possui saliências, ou polos dentados, que se projetam para fora, ficando próximos ao estator, com folga suficiente para que não haja atrito mesmo com o desgaste dos mancais. O número dessas saliências é igual ao número de polos no estator. Na velocidade síncrona, o movimento do rotor é sincronizado com o campo magnético rotativo do estator. No entanto, esse tipo de motor não inicia por si só, portanto, o rotor de gaiola de esquilo possui enrolamentos suplementares embutidos no corpo de aço. O motor de relutância inicia como uma máquina de indução até se aproximar da velocidade síncrona, momento em que passa para o modo primário. Na velocidade síncrona, a indutância mútua entre o estator e o rotor cessa.

Motor de histerese: Em vez de possuir saliências ou dentes projetados como no motor de relutância, o motor de histerese possui um rotor cilíndrico uniforme de aço. Todas as partes do estator são magnetizadas e acompanham o campo magnético rotativo do estator. Quando a velocidade do rotor alcança a velocidade do campo magnético rotativo do estator, ocorre o travamento e o motor entra no modo síncrono. Este tipo de motor é autoexcitável e não requer um enrolamento de indução, embora este possa ser fornecido para fornecer torque de partida adicional em aplicações onde seja necessário.

Ímãs permanentes (PMs): Os ímãs permanentes são embutidos no rotor para proporcionar o travamento em velocidades síncronas. No entanto, esses motores não são autoexcitáveis ​​e o estator deve ser alimentado por um inversor de frequência (VFD) para facilitar a superação da inércia de repouso do rotor.

Pequenos motores síncronos podem iniciar sozinhos, pois a inércia de repouso do rotor é muito pequena. Em motores com potência superior a 1 hp, muitos motores síncronos são excitados por corrente contínua (CC). Essa energia elétrica é fornecida por uma fonte externa através de anéis coletores.

Motores síncronos de pequeno porte são utilizados onde se exige precisão de temporização, como em relógios de parede e temporizadores. A concessionária monitora de perto a frequência do motor e, caso ocorra uma perda de alguns ciclos ao longo do tempo, acelera momentaneamente o gerador para compensar, garantindo que os relógios e temporizadores permaneçam precisos durante um determinado período. Em motores de grande porte, além do controle preciso de velocidade, os motores síncronos oferecem a vantagem de maior eficiência. Ademais, possuem boa capacidade de correção do fator de potência, compensando as cargas altamente indutivas em instalações industriais.

A outra grande categoria de motores CA consiste em máquinas assíncronas. Elas são conhecidas como motores de indução devido à forma como a energia elétrica é introduzida no rotor. A velocidade de rotação não está sincronizada com a frequência da rede elétrica, mas é altamente dependente da frequência, sendo sempre uma porcentagem específica mais lenta, mas, obviamente, nunca mais rápida.

Apesar das vantagens do motor síncrono, o motor de indução é mais amplamente utilizado por ser simples, econômico e exigir pouca manutenção. Mais de 100 anos após sua época, a presença de Tesla ainda se faz sentir no mundo dos motores de corrente alternada, onde talvez 90% deles sejam máquinas de indução.

Já vimos que o motor síncrono gira devido à interação entre os campos magnéticos do estator e do rotor. O motor de indução funciona da mesma maneira. A única diferença está em como a energia elétrica chega ao rotor. No motor de indução, o estator é, na prática, o primário de um transformador e o rotor é o secundário, portanto não há necessidade de escovas ou anéis coletores, muito menos de um comutador.

Assim que a energia elétrica entra no rotor, um campo magnético é estabelecido e o rotor começa a perseguir o campo magnético do estator, que está sempre em movimento. Na verdade, ele nunca o alcança, pois se as duas velocidades se sincronizassem, a indutância mútua cessaria. Para que haja a indutância mútua característica de um transformador de corrente alternada, os dois campos magnéticos devem estar se movendo um em relação ao outro e, antes que possam se sincronizar, o acoplamento indutivo desapareceria. Por essa razão, o rotor sempre gira uma certa porcentagem mais lentamente do que o campo magnético rotativo do estator. É importante ressaltar que a falta de sincronização do rotor não é apenas uma defasagem de fase, como em formas de onda reativas, mas consiste em uma redução real na rotação por minuto (rpm), de modo que a perda de ciclos é cumulativa e aumenta com o tempo. Portanto, os motores de indução não são adequados para aplicações em relógios e temporizadores. A magnitude dessa redução na velocidade é chamada de "escorregão" e é expressa em porcentagem. O escorregamento não deve ser visto como uma espécie de energia desperdiçada ou perdida, mas sim como um componente essencial do funcionamento normal do motor de indução. Naturalmente, a quantidade de escorregamento aumenta à medida que o motor é submetido a uma carga maior. Devido à maior diferença de velocidades, há um maior acoplamento indutivo e a corrente nos enrolamentos do rotor aumenta. Em resumo, com o aumento da carga, o torque do motor aumenta.

Antes do surgimento dos inversores de frequência, era difícil controlar a velocidade dos motores de indução. Para alimentar elevadores, o motor CC de funcionamento suave atendeu a essa necessidade por muitos anos.

A segunda metade do século XX testemunhou grande inovação e crescimento no campo da eletrônica de potência. Anteriormente, os semicondutores de estado sólido haviam substituído as válvulas eletrônicas na maioria das aplicações de áudio e vídeo. Ao longo de algumas décadas, a tecnologia de estado sólido passou a ser utilizada em aplicações mais poderosas e, concomitantemente, tudo se tornou digital.

Anteriormente, não existiam meios práticos para controlar a velocidade de motores CA com precisão e confiabilidade. Com o desenvolvimento do VFD (inversor de frequência variável), a tecnologia de motores para elevadores mudou drasticamente. (Inversor de velocidade ajustável, inversor de frequência variável e inversor de frequência variável são termos praticamente equivalentes. A única diferença é que, se contiverem a palavra "velocidade", podem se referir a sistemas hidráulicos ou outros sistemas não elétricos. O VFD é o termo mais preciso.)

Um inversor de frequência (VFD) possibilita o controle preciso da velocidade de um motor CA, permitindo que ele opere acima ou abaixo da velocidade nominal, dentro de certas limitações. Normalmente, reduzir a tensão de alimentação de um motor CA apenas reduz sua velocidade, pois ele passa a ser submetido a uma carga maior. O resultado será perda de eficiência, aumento da temperatura e redução da vida útil do motor.

O inversor de frequência (VFD) controla a velocidade de um motor CA alterando a frequência da sua fonte de alimentação. Como vimos, a velocidade de motores síncronos e assíncronos depende da frequência. O campo magnético associado ao estator gira a uma velocidade que depende da frequência da energia que o alimenta, e a rotação do motor também se ajusta a essa frequência. Variar a frequência da fonte de alimentação do motor é uma maneira simples e eficaz de controlar sua velocidade. A velocidade pode ser reduzida sem causar superaquecimento, exceto no caso de um ventilador acoplado ao eixo, que girará mais lentamente com a velocidade reduzida do motor, resultando em menor refrigeração. Por esse e outros motivos, embora qualquer motor CA, síncrono ou de indução, possa ser controlado por um VFD, alguns motores não são adequados. Antes de combinar um VFD com um motor, é necessário realizar algumas pesquisas.

Para uso com inversores de frequência (VFD), um motor síncrono pode ser uma excelente opção de instalação. No entanto, como a sincronização exata não é essencial para um motor de elevador, a maioria das novas construções e substituições de motores CC envolve motores de indução.

O inversor de frequência típico para um motor de elevador CA é bastante simples, fácil de usar e livre de problemas. Há uma entrada trifásica que pode ser identificada, caso não esteja etiquetada, por estar em uma canaleta de grande diâmetro vinda do disjuntor do motor. Além disso, há um pequeno fio de controle vindo do potenciômetro de controle de velocidade, geralmente transportando um sinal de até 10 V CC. Este fio é conectado ao controlador de movimento do elevador e permite a redução da velocidade para nivelamento em cada andar e operação no modo de inspeção. Há ainda outro circuito de controle para inverter a rotação do motor, também em resposta aos comandos do painel de controle do elevador.

No painel frontal do inversor de frequência (VFD), haverá uma interface de usuário com display alfanumérico. Além disso, haverá luzes indicadoras com as etiquetas "Funcionando", "Parar", "Inverter" e "Falha" para indicar o status do sistema. Na saída do VFD, haverá uma alimentação trifásica para o motor. Ela transmite a tensão nominal do motor, mas, em vez da frequência de 50 ou 60 Hz fornecida pela concessionária, a frequência varia conforme necessário para controlar a velocidade do motor. Um botão de partida normalmente aberto e um botão de parada normalmente fechado, localizados na parte externa do gabinete, permitem o acionamento manual. Condutores de baixa tensão, relativamente finos, conectam o motor ao VFD e fornecem um sinal de feedback de um tacômetro conectado ao motor.

A resolução de problemas e o reparo do sistema são simples. Verifique a potência de entrada e saída no inversor de frequência, observando especialmente a presença de uma fase interrompida. Verifique as tensões de controle. Se todas estiverem normais, mas o motor não estiver girando, há um problema com o motor ou a carga travou, o que geralmente resulta no desarme imediato do dispositivo de sobrecorrente.

Se o inversor de frequência apresentar tensões de entrada adequadas, mas nenhuma saída, a falha é interna. Antes de abrir o gabinete, lembre-se de que os capacitores de alimentação de grande capacidade podem reter uma carga letal mesmo após o equipamento ser desconectado da fonte de alimentação. Para dissipar essas cargas, não provoque um curto-circuito nos capacitores. Em vez disso, conecte uma carga de baixa impedância em cada conjunto de terminais.

Examine os componentes eletrônicos do inversor de frequência para verificar se há algum fio ou componente queimado. Caso contrário, é bem provável que um dos diodos da ponte retificadora de onda completa tenha apresentado defeito sem nenhum sinal visível. Eles podem ser verificados com um multímetro no modo de resistência (ohms) para ver se apresentam polarização direta e reversa ao alternar as conexões do multímetro. Frequentemente, um diodo com defeito apresentará leitura de circuito aberto em ambos os sentidos.

Perguntas de reforço de aprendizagem

Utilize as questões de reforço de aprendizagem abaixo para estudar para o Exame de Avaliação de Educação Continuada, disponível online em www.elevatorbooks.com ou na página 103 desta edição.
♦ Quais são os requisitos para o funcionamento de um motor rotativo?
♦ Quais são as duas partes que todos os motores rotativos têm em comum?
♦ Por que um motor CC precisa de um comutador?
♦ O que determina a velocidade de um motor síncrono?
♦ Por que um motor de indução não possui escovas?

A documentação que acompanha o inversor de frequência deve incluir um esquema elétrico. As leituras do osciloscópio devem identificar o componente defeituoso, e essa abordagem é muito melhor do que a substituição de placas de circuito por tentativa e erro, um procedimento caro que pode não resolver o problema na sua origem.