O estudo da velocidade de um motor elétrico e de seu escorregamento é fundamental para qualquer profissional da área elétrica, seja ele iniciante ou experiente. Compreender como o motor converte energia elétrica em movimento mecânico exige a assimilação de conceitos como velocidade síncrona, velocidade real e a relação crucial entre elas, o escorregamento.
Para facilitar a compreensão, utilizaremos a notação $N$ (que representa o número de voltas ou RPM) para as velocidades, embora as fontes também utilizem $V$.
A Velocidade Síncrona ($N_S$)
A velocidade síncrona é definida como a velocidade de rotação do campo magnético girante presente nas bobinas do estator (a parte estática do motor). Este campo surge porque as bobinas do estator são alimentadas por uma corrente elétrica que, ao circular, gera um campo magnético intensificado. O sentido da corrente elétrica nas bobinas determina a polaridade (polo Norte ou Sul).
Em um motor trifásico, a variação constante da corrente em cada fase (representada pela onda senoidal) faz com que os polos magnéticos do estator girem constantemente. Esta rotação magnética é a velocidade síncrona.
A velocidade síncrona é determinada pela frequência da rede elétrica ($F$, em Hertz) e pela quantidade de polos ($P$) do motor. É importante notar que a $N_S$ é instantânea no momento em que o motor é energizado, pois depende unicamente da frequência da rede.
A fórmula para calcular a velocidade síncrona é:
$$N_S = \frac{120 \times F}{P}$$
Onde $120$ é uma constante da fórmula. A quantidade de polos influencia diretamente a velocidade: motores com maior número de polos tendem a ser mais lentos.
A Velocidade Real do Rotor ($N_R$)
A velocidade real, também chamada de velocidade do rotor, refere-se à velocidade mecânica do eixo do motor, medida em rotações por minuto (RPM). É nesta parte móvel (o rotor) que a carga é acoplada. A velocidade real é aquela que pode ser medida fisicamente no eixo, por exemplo, com um tacômetro.
Quando o campo magnético girante do estator (campo síncrono) cruza o rotor, induz uma tensão e uma corrente no rotor, que também se comporta como uma bobina, gerando sua própria polaridade. O rotor, com sua polaridade induzida, busca acompanhar o giro do campo magnético do estator (os polos opostos se atraem e os semelhantes se repelem), resultando no movimento de rotação.
A Velocidade Relativa e o Escorregamento
A velocidade relativa ($N_{RL}$) é a diferença existente entre a velocidade síncrona do campo magnético e a velocidade real do rotor. Esta diferença existe porque as velocidades não são iguais.
O rotor nunca pode girar na mesma velocidade que o campo magnético ($N_S$). Se o rotor girasse na mesma velocidade do campo, ele não conseguiria “enxergar” o campo se movendo (velocidade relativa zero), e a indução de corrente e a geração de torque cessariam. Portanto, para que o motor funcione, deve haver uma diferença de velocidade.
A velocidade relativa é, conceitualmente, a velocidade com que o rotor “enxerga” o campo magnético girante.
$$N_{RL} = N_S – N_R$$
O Escorregamento ($S$) quantifica essa diferença de velocidade, expressando a velocidade relativa em termos percentuais da velocidade síncrona.
$$S = \frac{N_S – N_R}{N_S} \times 100$$
O escorregamento indica quantos por cento a velocidade real do rotor está abaixo da velocidade síncrona. Em um motor parado, a $N_R$ é zero e o escorregamento é máximo (100%). Em condições normais de operação, o escorregamento é pequeno.
Exemplo Prático de Cálculo
Para ilustrar o uso das fórmulas de maneira didática, vamos analisar um motor de seis polos que opera em uma rede de 60 Hz e cuja velocidade real do rotor foi medida como 1164 RPM.
- Cálculo da Velocidade Síncrona ($N_S$): Primeiramente, determinamos a velocidade do campo magnético girante: $$N_S = \frac{120 \times F}{P} = \frac{120 \times 60 \text{ Hz}}{6 \text{ polos}}$$ $$N_S = \frac{7200}{6} = 1200 \text{ RPM}$$
- Cálculo da Velocidade Relativa ($N_{RL}$): Calculamos a diferença entre a velocidade síncrona e a velocidade real medida: $$N_{RL} = N_S – N_R = 1200 \text{ RPM} – 1164 \text{ RPM}$$ $$N_{RL} = 36 \text{ RPM}$$ Neste caso, o rotor “enxerga” o campo girante se movendo a 36 RPM.
- Cálculo do Escorregamento ($S$): Convertendo a velocidade relativa para porcentagem: $$S = \frac{N_S – N_R}{N_S} \times 100 = \frac{36 \text{ RPM}}{1200 \text{ RPM}} \times 100$$ $$S = 0,03 \times 100$$ $$\textbf{S = 3,0%}$$
O escorregamento de $3,0%$ indica que a velocidade real do rotor (1164 RPM) está $3,0%$ abaixo da velocidade do campo magnético (1200 RPM).
Concluímos que a velocidade síncrona, a velocidade real e o escorregamento são conceitos interdependentes. O escorregamento é um fator crucial, pois está ligado diretamente a outros parâmetros essenciais do motor, como o conjugado (torque) e a corrente de partida. Entender essas relações é essencial para a análise de desempenho e a manutenção adequada de máquinas elétricas.
