1. Introdução Agora que temos um bom entendimento de geradores de corrente contínua, podemos começar nosso estudo sobre motores CC. Motores de corrente contínua transformam energia elétrica em energia mecânica. Eles dirigem dispositivos, como guinchos, ventiladores, bombas, calendários, puncionadeiras, e carros. Estes dispositivos podem ter uma característica torque-velocidade definida (tal como uma bomba ou ventilador) ou um altamente variável (como uma talha ou automóvel). A característica torque-velocidade do motor deve ser adaptada ao tipo de carga que este tem de dirigir, e essa exigência deu origem a três tipos básicos de motores: 1. Motores shunt 2. Os motores da série 3. Motores Compostos de corrente contínua. Motores são raramente usados? Em aplicações industriais comuns, porque todos os sistemas de energia elétrica fornecem corrente alternada. No entanto, para aplicações especiais, tais como em siderúrgicas, minas e trens elétricos, às vezes é vantajoso para transformar a corrente alternada em corrente contínua a fim de utilizar motores DC. A razão é que as características torquevelocidade de motores DC podem ser variadas em uma ampla faixa, mantendo alta eficiência. Hoje, esta afirmação geral pode ser contestada porque a disponibilidade de sofisticados drives eletrônicos tornou possível à utilização de motores de corrente alternada para aplicações de velocidade variável. No entanto, há milhões de motores DC ainda em serviço e milhares mais estão sendo produzidos a cada ano.
2. Força contra eletromotriz (Fcem) Motores de corrente contínua são construídos da mesma forma que os geradores são, consequentemente, uma máquina CC pode funcionar como um motor ou como gerador. Para ilustrar, considere um gerador de corrente contínua em que a armadura, inicialmente em repouso, está ligada a uma fonte DC Es por meio de um switch (Fig. 5.1). A armadura tem uma resistência R, e o campo magnético é criado por um conjunto de ímãs permanentes. Assim que a chave é fechada, f echada, um grande fluxo é criado na armadura porque sua resistência é muito baixa. Os condutores individuais da armadura são imediatamente submetidos a uma força, porque eles estão imersos no campo magnético criado pelos ímãs permanentes. Essas forças se somam para produzir um torque poderoso, causando a rotação da armadura.
Por outro lado, assim quando a armadura começa a girar, um segundo fenômeno ocorre: o efeito gerador. Sabemos que uma Eo tensão é induzida nos condutores da armadura, logo que eles cortaram um campo magnético (Fig. 5.2). Isto é sempre verdade, não importa o que faz com que a rotação ocorra. O valor e polaridade da tensão induzida são os mesmos que os obtidos quando a máquina funciona como um gerador. Eo tensão induzida é, portanto, proporcional à velocidade de rotação n do motor e para a F fluxo por pólo, como anteriormente determinado pela equação. 4.1: Eo = ZnF/60 (4.1) Como no caso de um gerador, Z é uma constante que depende do número de voltas na armadura e do tipo de enrolamento. Para enrolamentos sobrespostos Z é igual ao número de condutores da armadura. No caso de um motor, o Eo tensão induzida é chamado de contraeletromotriz força (fcem), porque sua polaridade sempre age contra o Es fonte de tensão. Ela age contra a tensão no sentido de que a tensão de rede atuando no circuito série da Figura. 5,2 é igual a (Es - Eo) volts e não (Es + Eo) volts.
3. Aceleração do Motor A tensão de rede atuando no circuito da armadura na fig. 5.2 é (Es - Eo) volts. O resultado da armadura é limitado apenas pela resistência R armadura, e assim: I = (Es - Eo) IR (5.1) Quando o motor está em repouso, a tensão induzida Eo = 0, e assim a corrente de partida é I = Es / R A corrente de partida pode ser de 20 a 30 vezes maior do que a nominal de plena carga atual do motor. Na prática, isso faria com que os fusíveis explodissem ou os disjuntores a voassem longe. No entanto, se eles estão ausentes, as grandes forças agindo sobre os condutores da armadura produziram um torque poderoso de partida e uma consequente aceleração rápida da armadura.
À medida que aumenta a velocidade, a contagem emf-Eo aumenta, com o resultado que o valor de (Es - Eo) diminui. Decorre Eq. 5.1 que a corrente de armadura cai progressivamente com o aumento da velocidade. Embora a corrente de armadura diminui, o motor continua a acelerar até atingir uma velocidade máxima definida. Em nenhuma carga essa velocidade produz uma fem Eo contraria menor do que o Es fonte de tensão. Com efeito, se Eo foram iguais a Es a tensão de rede (Es - Eo) se tornaria zero e assim o será. As forças motrizes deixariam de agir sobre os condutores, e a resistência mecânica imposta pelo ventilador e os rolamentos de imediato fazer o motor desacelerar. Como a velocidade diminui a tensão de rede (Es - Eo) aumenta, a velocidade deixará de cair assim que o torque desenvolvido pela corrente de armadura for igual ao torque de carga. Assim, quando um motor funciona sem carga, a fem contraria deve ser um pouco menor que a Es de modo a permitir que uma pequena corrente flua, suficiente para produzir o torque necessário. Exemplo 5-1
A armadura de um CC de imã permanente gerador tem uma resistência de 1 W e gera uma tensão de 50 V quando a velocidade é de 500 r / min. Se a armadura é conectado a uma fonte de 150 V, calcule o seguinte: a. A corrente de partida b. A fem contra-quando o motor gira a 1000 r / min. Em 1460 r / min. c. A corrente de armadura em 1000 r / min. Em 1460 r / min.
Solução a. No momento de start-up, a armadura é estacionária, por isso Eo = 0 V (Fig. 5.3a). A corrente de partida é limitada apenas pela resistência da armadura: / = Es / R = 150 V / l W = 150 A b. Porque a tensão do gerador é de 50 V a 500 r / min, a fcem do motor será de 100 V a 1000 r / min e 146 V em 1460 r / min. c. A tensão de líquido no circuito da armadura em 1000 r / min é Es - Eo = 150 - 100 = 50 V O atual correspondente da armadura é I = (Es - Eo) / R
= 50 / 1 = 50 A (Fig.5.3b) Quando a velocidade do motor atinge 1.460 r / min, a fcem será 146 V, quase igual à tensão da fonte. Sob estas condições, a corrente de armadura é apenas / = (Es - Eo) / R = (150 - 146) / 1 = 4A eo torque do motor correspondente é muito menor do que antes (Fig. 5.3c).
4. Rotação de velocidade Quando um motor DC funciona entre uma carga zero a toda a carga, IR cai devido à resistência da armadura que é sempre pequeno quando comparado com o Es, tensão de alimentação. Isto significa que o Es emf contraria é quase igual ao Es. Por outro lado, já vimos que Eo pode ser expresso pela equação Eo = ZnF/60 (4.1)c
onde n = velocidade de rotação [r / min] Es = armadura de tensão [V] Z = número total de condutores da armadura
Esta equação importante mostra que a velocidade do motor é diretamente proporcional à tensão de alimentação da armadura e inversamente proporcional ao fluxo por pólo. Vamos agora estudar como esta equação é aplicada.
5. Controle de velocidade da armadura
De acordo com Eq. 5.7, se o fluxo pelo pólo F é mantida constante (Campo de ímã permanente ou campo com excitação fixa), a velocidade depende apenas da Es tensão de armadura. Aumentando ou diminuindo Es a velocidade do motor sobe e desce na mesma proporção. Na prática, podemos variar Es, ligando o motor M armadura para uma excitação independente variável de tensão dc gerador G (Fig. 5.6). O campo de excitação do motor é mantido constante, mas a excitação do gerador Ix pode variar de zero a no máximo e até mesmo revertida. O gerador de Es tensão de saída variou de zero ao máximo, com a polaridade positiva ou negativa. Consequentemente, a velocidade do motor pode variar de zero ao máximo em qualquer direção. Note que o gerador é acionado por um motor de corrente alternada conectada a uma linha de 3 fases. Este método de controle de velocidade, conhecido como o sistema Ward-Leonard, é encontrada em usinas siderúrgicas, elevadores high-rise, minas e fábricas de papel. Em instalações de modem o gerador é muitas vezes substituído por um conversor de alta potência eletrônico que muda a alimentação CA da concessionária de energia elétrica para dc por meios electrónicos.
6. Controle de Velocidade reostato Outra forma de controlar a velocidade de um motor de corrente contínua é colocar um reostato em série com a armadura (Fig. 5.7). A corrente no reostato produz uma queda de tensão que subtrai da Es fonte de tensão fixa, gerando uma tensão de menor oferta do outro lado da armadura. Este método permite-nos reduzir a velocidade abaixo de sua velocidade nominal. Só é recomendado para motores pequenos, porque um monte de energia e calor é desperdiçado no reostato, e a eficiência global é baixa. Além disso, a regulação de velocidade é baixa, mesmo para um ajuste fixo do reostato. Com efeito, a queda de IR em todo o reostato aumenta com o aumento da corrente de armadura. Isso produz uma queda substancial na velocidade com o aumento da carga mecânica.
7. Motor Compound O motor compound é composto do campo em serie e em paralelo, no motor cumulativo o fmm(força contra eletromotriz) dos campos é somada. O campo shunt é sempre mais forte do que o campo série.A Fig. 5.12 mostra os diagramas de conexão e esquemática de um motor composto. Quando o motor funciona sem carga a corrente de armadura na série de enrolamento é baixa e a fmm do campo série é insignificante. No entanto, o campo shunt é totalmente excitado por I e assim o motor se comporta como uma máquina
shunt, não tendem a dar partida sem carga. A medida que a carga aumenta, a fmm do campo série aumenta, mas o mmf do campo shunt permanece constante. A velocidade do motor cai com o aumento da carga e a velocidade de queda do motor sem carga quando é colocada a plena carga é geralmente entre 10 e 30 por cento.
Se o campo série é conectado de modo que se opõe ao campo shunt, obtemos um motor composto diferencial.
a fmm total diminui com o aumento da carga. A velocidade aumenta à medida que a carga aumenta, e isso pode levar à instabilidade. O motor composto diferencial tem pouquíssimas aplicações.
Fig. 5.13 mostra as Curvas típicas de torque-velocidade do composto shunt e séries de motores em uma base por unidade. Fig. 5.14 mostra uma aplicação típica de motores DC em uma usina siderúrgica. Invertendo o sentido de rotação
a. b. c. Da
Conexões originais de um motor composto. Invertendo as conexões da armadura para inverter o sentido de rotação. Invertendo as conexões de campo para inverter o sentido de rotação. partida de um motor shunt
Se aplicarmos a tensão total de um motor shunt estacionário, a corrente de partida na armadura será muito elevado e corremos o risco de: a. Queimar a armadura; b. Danificar o comutador e as escovas, devido a faíscas; c. Sobrecarga no alimentador; d. Tirar fora do eixo, devido a choques mecânicos; e. Danificar o equipamento acionado por causa da súbita martelada mecânica.
Todos os motores dc devem, portanto, dispor de um meio para limitar a corrente de partida em valores razoáveis, geralmente entre 1,5 e 2 vezes a plena carga atual. Uma solução é ligar um reostato em série com a armadura. A resistência é gradualmente reduzida à medida que o motor acelera e, eventualmente esse problema é eliminado por completo, quando a máquina atingir a velocidade máxima. Hoje, os métodos eletrônicos muitas vezes são usados para limitar a corrente de partida e para fornecer controle de velocidade. 7.1 Face-plate starter
Fig. 5,16 mostra o diagrama esquemático de uma partida diante da placamanual para um motor shunt. Contatos de cobre nu são conectados a um limitador de corrente, resistores R1, R2, R3 e R4. Um braço condutor varre os contatos quando é puxado para a direita através da alça isolada 2. Na posição mostrada, o braço toca o contato M (parado) de cobre e o circuito motor está aberto. A medida que passamos a alça para direita, o braço toca pela primeira vez, estabelecemos o contato em N. O Es é a tensão de alimentação que provoca imediatamente a corrente Ix que flui, mas a corrente de armadura é limitada pelos quatro resistores na caixa de starter. O motor começa a girar e, como o Eo fcem aumenta, a corrente de armadura cai gradualmente. Quando a velocidade do motor deixa de subir mais, o braço é puxado para o próximo contato, eliminando assim resistor R1 do circuito da armadura. A corrente salta imediatamente para um valor maior e o motor rapidamente acelera a velocidade imediatamente superior. Quando os níveis de velocidade cessam, nós nos movemos para o próximo contato, e assim por diante, até que o braço finalmente toca o último contato. O braço é magneticamente mantido nessa posição por quatro eletroímãs pequenos, que estão em série com o campo shunt.
Se a tensão de alimentação é subitamente interrompida, ou se o campo de excitação for cortado acidentalmente, o eletroímã libera o braço, permitindo que ele retorne à sua posição inicial, sob o impulso da spnng 3. Esta característica de segurança impede o motor de reiniciar inesperadamente quando a tensão de alimentação é restabelecida.
8. Parando o motor Há uma tendência em acreditar que parar um motor de corrente contínua é simples, quase trivial. Infelizmente isso nem sempre é verdade. Quando um motor de corrente contínua grande é acoplado a uma carga inerti e pesada, pode demorar uma hora ou mais para que o sistema chegue a um impasse. Por muitas razões, tais como um momento de desaceleração prolongada que muitas vezes é inaceitável e, sob estas circunstâncias, devemos aplicar um torque de frenagem para garantir uma parada rápida. Uma maneira de dar freio ao motor é por fricção mecânica simples, da mesma forma que parar um carro. Um método mais elegante consiste em fazer circular uma corrente inversa na armadura, de modo a frear o motor elétrico.
9. Frenagem dinâmica Considere um motor shunt cujo campo está diretamente ligado a uma fonte Es, e cuja armadura esta conectada com a mesma fonte, por meio de um lançamento duplo-comutador, o comutador conecta a armadura, por uma linha ou a um resistor externo R (Fig. 5,17 ). Quando o motor está funcionando normalmente, a direção da corrente de armadura e I1 a polaridade da fcem Eo são como mostrado na figura. 5.17a. Negligenciando a queda IR da armadura, Eo é igual ao Es. Se de repente abrir o comutador (Fig. 5.17b), o motor continua a girar, mas a sua velocidade vai cair gradualmente devido a perdas de atrito e ventilação. Por outro lado, o campo shunt ainda é excitado, Eo tensão induzida, continua a existir, caindo na mesma velocidade como a velocidade, em essência, o motor agora é um gerador, cuja armadura é em circuito aberto. Vamos fechar o interruptor no segundo conjunto de contatos então a armadura é de repente conectada para o resistor externo (Fig. 5.17c). Eo tensão irá imediatamente produzir uma corrente de armadura I2. No
entanto, esta corrente flui no sentido oposto à corrente original I1 Daqui resulta que um torque reverso é desenvolvido cuja magnitude depende I2. O torque reverso traz a máquina para uma parada rápida, mas muito suave.
Na prática, o resistor R é escolhido de forma que a corrente inicial de frenagem seja duas vezes a corrente nominal do motor. O torque de frenagem inicial é o dobro do torque normal do motor. Como o motor desacelera, a queda gradual em Eo produz uma diminuição correspondente no I2. Consequentemente, o torque de frenagem torna-se cada vez menor, tornando-se finalmente zero quando a armadura deixa de girar. A velocidade cai rapidamente no início e depois mais lentamente, como a armadura deixa de girar. A velocidade diminui exponencialmente, um pouco como a tensão em um capacitor de descarga. Consequentemente, a velocidade diminui pela metade em intervalos de tempo iguais. Para ilustrar a utilidade de frenagem dinâmica. Fig. 5,18 compara as curvas de velocidade-tempo para um motor com frenagem dinâmica.
Podemos parar o motor ainda mais rapidamente, usando um método chamado obstrução. É composto de repente reverter a corrente de armadura, invertendo os terminais da fonte (Fig. 5.19a). Em condições motor normal, corrente de armadura I1 é dada por: I1 = (Es - Eo) IR
onde Ro é a resistência da armadura. Se de repente invertermos os terminais da fonte, a tensão de rede atuando no circuito da armadura torna-se (Eo + Es). O chamado Eo contrafem da armadura já não é contra nada, mas na verdade contribui para o Es tensão de alimentação. Esta tensão na rede produziria uma enorme corrente inversa, talvez 50 vezes maior que a corrente de plena carga da armadura. Esta corrente iria iniciar um arco ao redor do comutador, destruindo segmentos, escovas, e suporta mesmo antes que ás linhas dos disjuntores possam abrir. Para evitar tal catástrofe, devemos limitar a corrente inversa, introduzindo um resistor R em série com o circuito de reversão (Fig. 5.19b). Como em frenagem dinâmica, o resistor é projetado para a corrente de frenagem inicial I2 para cerca de duas vezes a corrente de carga. Com este circuito conectando, um torque reverso é desenvolvido mesmo quando a armadura chega a parar. Com efeito, a uma velocidade zero, Eo = 0, mas I2 = Es / R, que é cerca de metade do seu valor inicial. Assim que o motor pára, devemos imediatamente abrir o circuito da armadura, caso contrário ele irá começar a correr no sentido inverso. A Interrupção do circuito é normalmente controlada por um dispositivo de velocidades automática colocada no eixo do motor. As curvas da Figura. 5,18 nos permitem comparar ligar e frenar dinâmica para a mesma corrente inicial de frenagem. Note-se que ao ligar, o motor pára completamente após um intervalo de 2To. Por outro lado, se a frenagem dinâmica é usada, a velocidade ainda é 25 por cento do seu valor original neste momento. No entanto, a simplicidade comparativa de frenagem dinâmica torna mais popular na maioria das aplicações.
10. Reação da armadura A corrente que flui nos condutores da armadura também cria uma força magnetomotriz que distorce e enfraquece o fluxo proveniente dos pólos. Esta distorção e enfraquecimento de campo ocorrem em motores, bem como em geradores. Lembramos que a ação magnética do FMM de armadura é chamada de reação da armadura.
11. Conclusão
