Capítulo 14. Motor de Corrente Contínua. Analise: Figura Figura 14.2

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1 Cpítulo 14 Motor de Corrente Contínu Neste cpítulo, os objetivos são: entender o princípio de funcionmento e nlisr s crcterístics opercionis do motor de corrente contínu e de um importnte plicção deste tipo de motor: o Motor Universl Regr de Fleming Observe Figur 14.1 onde se tem um espir n qul pode circulr um corrente contínu fornecid por um fonte c.c. trvés ds escovs que estão em contto com néis coletores. Envolvendo espir, tem-se um cmpo mgnético proveniente de dois ímãs. Anlise: Ocorrerá lgum movimento d espir em torno do eixo, prtir do instnte em que corrente contínu circul por el? Figur 14.1 Assumindo-se o sentido do cmpo mgnético proveniente dos ímãs e o sentido d corrente n espir indicdos n Figur 14.1, tem-se, pel Regr de Fleming representd n Figur 14.2, que em cd ldo d espir surge um forç conforme indicdo n Figur Dess form, espir começ girr - no cso, um movimento horário - té que s forçs estejm linhds ms em sentidos opostos, cessndo o movimento de rotção. Figur Comutdor O que ocorrerá se os néis coletores forem substituídos por um nel segmentdo, denomindo comutdor, como ilustrdo ns Figurs 14.3 e 14.4? 172

2 Figur 14.3 Figur 14.4 Devido à energi cinétic existente n espir, el gir lém d posição correspondente o linhmento ds forçs, e o comutdor tu invertendo o sentido d corrente n espir e conseqüentemente invertendo tmbém o sentido ds dus forçs e dess form, espir continu girr Aspectos Construtivos Em um motor de corrente contínu tem-se diverss espirs n peç móvel, o rotor, conectds em série, com seus terminis solddos nos segmentos (lâmins de cobre) que compõem o comutdor (vide Figur 14.5), sobre o qul encontrm-se s escovs de crvão que são conectds ` fonte c.c. (Figur 14.4). Figur 14.5 Genericmente, este enrolmento é denomindo enrolmento de rmdur e estrutur que o contém é conhecid por rmdur. N miori ds máquins c.c., o cmpo mgnético que envolve o rotor é gerdo por um outro enrolmento (eletroímã), no qul circul corrente contínu proveniente d mesm fonte c.c. do rotor ou de um outr. Este enrolmento é denomindo enrolmento de cmpo ou circuito de cmpo. 173

3 14.4 Clssificção Bsicmente em função d conexão do enrolmento de cmpo, s máquins de corrente contínu são clssificds por tipo de excitção desse enrolmento, sendo s seguintes: excitção seprd (independente) o enrolmento de cmpo tem fonte c.c. própri; excitção shunt (prlel) o enrolmento de cmpo está conectdo em prlelo o enrolmento do rotor excitção série - o enrolmento de cmpo está conectdo em série o enrolmento do rotor excitção mist (compost) no esttor há dois enrolmentos, um em série e outro em prlelo com o enrolmento do rotor Ns Figurs 14.6() 14.6(d) tem-se s representções esquemátics destes 4 tipos de excitção: Figur Tipos de excitção ds máquins de corrente contínu Obs.: ) com relção à excitção compost, há vrições deste tipo de ligção conforme o sentido ds correntes que circulm pelos enrolmentos. Miores detlhes consultr bibliogrfi. b) o motor com excitção série possibilit o seu funcionmento tnto com corrente contínu como com corrente lternd, sendo denomindo motor universl Motor Universl N Figur 14.7 tem-se um outr representção do motor série: enrolmento de cmpo conectdo em série com o enrolmento de rmdur. 174

4 Figur 14.7 Seu princípio de funcionmento é o mesmo já descrito no item 14.2, crescentndo-se que qundo se inverte polridde d tensão n fonte (fonte c..), invertem-se simultnemente polridde do cmpo mgnético no esttor e o sentido d corrente no rotor, continundo ser produzido torque no mesmo sentido Crcterístics Opercionis Em um motor c.c., qundo o rotor está em movimento, ocorre o fenômeno d indução de um forç eletromotriz (f.e.m.) devido o movimento ds espirs do rotor em um região com cmpo mgnético gerdo pel corrente que circul no enrolmento de cmpo (Lei de Frdy). E lembrndo d Lei de Lenz, ess f.e.m. (E g ) tem polridde opost à d tensão plicd (U t ) nos terminis d bobin do rotor trvés d fonte c.c. extern, sendo por este motivo denomind forç contreletromotriz (f.c.e.m). Assim sendo, tem-se como equção básic pr um motor c.c.: U = E + R. I ou t g I U E t g = (14.1) R sendo R resistênci d bobin do rotor (resistênci de rmdur) e I corrente de rmdur (rotor). Est expressão pode ser plicd diretmente o motor c.c. com excitção independente e pr outros tipos tem de se considerr, p.ex., resistênci do enrolmento de cmpo no cso do motor c.c. com excitção série. O conjugdo eletromgnético (torque T) pode ser obtido trvés d expressão: P em = T.ω (14.2) sendo P em potênci eletromgnétic (P em = E g.i ) em Wtts e ω velocidde em rd/s. A unidde de T é N.m. Exemplo 14.1: Considere um motor c.c. com s seguintes crcterístics elétrics: 2π U t = 240 V I = 50 A R = 0,08 ohms n = 1000 rpm (1 rpm = rd/s) 60 Nesse cso: E g corresponde 236 V 175

5 Potênci fornecid pel fonte c.c. é de W Potênci eletromgnétic: P em = 11800W Desconsiderndo s perds mecânics: P m = 15,82 HP (corresponde à potênci no eixo) Conjugdo eletromgnético: T = 112,68 N.m Outrs relções: A forç contr-eletromotriz E g pode ser obtid por: E g = k.n.φ sendo k constnte de proporcionlidde n velocidde em r.p.m. φ - vlor do fluxo mgnético (Wb Weber) Dess form, obtém-se: U = k.n. φ + R. I ou t n = Ut R.I k. φ (14.3) Conclusão importnte: velocidde de rotção em um motor c.c. é diretmente proporcionl à tensão de rmdur U t (rotor) e inversmente proporcionl à corrente de cmpo I c (detlhe: φ é diretmente proporcionl I c ). Assim sendo, torn-se necessário lgum tipo de proteção pr evitr celerção excessiv (dispro) do rotor qundo há um diminuição ou, pior ind, interrupção d corrente de cmpo Acionmento de Motores de Corrente Contínu N Figur 14.8 é indicd utilizção de um dispositivo pr prtid e proteção cujo princípio de funcionmento está esquemtizdo n Figur Figur

6 Figur 14.9 Com bse no esquem d Figur 14.8, o cionmento (prtid) do motor c.c. deve ocorrer d seguinte form: 1 o. Ajustr fonte c.c. (cmpo) pr que no respectivo mperímetro tenh-se o vlor d corrente nominl do circuito de cmpo (esttor) d máquin c.c.. 2 o. Ajustr fonte c.c. (rmdur) pr que no voltímetro tenh-se o vlor d tensão nominl do circuito do rotor d máquin c.c.. 3 o. O rotor começ girr o vrir o reostto grdtivmente (Figur 14.9). Este procedimento evit que corrente de prtid tinj vlores entre vezes (ou mis) o vlor d corrente nominl. Note que o procedimento de prtid estbelece como primeiro psso, energizção do enrolmento de cmpo com corrente nominl, evitndo o dispro (celerção excessiv) do rotor. Anlise: 1. Pr desligr o motor c.c., primeiro desligue fonte c.c. do rotor e depois fonte c.c. que liment o circuito de cmpo (esttor). Por quê? 2. N Figur 14.9 o reostto está em posição de chve bert (rotor desligdo) e seu cursor gir no sentido horário té encostr no eletroímã. Descrev o procedimento correto pr utilizção do dispositivo de prtid e justifique como este dispositivo limit corrente de prtid, destcndo função do eletroímã indicdo n Figur Comentários Geris As primeirs fontes de energi elétric inventds pelo ser humno form s bteris e conseqüentemente primeir máquin eletromgnétic rottiv desenvolvid, foi máquin de corrente contínu (máquin c.c.). A primeir centrl gerdor de energi, construíd por Thoms Edison, tinh gerdores de corrente contínu. Com o dvento d corrente lternd, s máquins de indução e síncron sobrepujrm máquin c.c. e hoje, com os extrordinários vnços n eletrônic de potênci, máquin c.c. pss ter um utilizção cd vez menor. 177

7 Sem dúvid, os equipmentos motor constituem mior prte dos equipmentos industriis e bo prte dos equipmentos não-industriis. Neles são utilizdos motores de corrente lternd, motores de corrente contínu e motores universis. A seguir, presentmos lguns comentários reltivos cd um ds máquins. Máquin de Indução A principl plicção d máquin de indução é como motor. Devido à su construção mis simples, o motor de indução, tmbém conhecido como motor ssíncrono, present um custo menor e tmbém devido à su robustez (mnutenções menos freqüentes) é o motor mis utilizdo n indústri, principlmente os com rotor tipo giol. A velocidde do rotor depende d freqüênci d rede elétric e d crg mecânic - velocidde decresce ligeirmente com o créscimo de crg. Pr que máquin de indução poss tur como gerdor, o seu rotor deve ser ciondo um velocidde superior à velocidde síncron e um fonte de energi retiv, conectd o esttor, grnte mgnetizção d máquin. Est energi pode ser suprid pel própri rede ou por um bnco de cpcitores conectdo em prlelo o gerdor e à rede elétric. Máquin Síncron A principl plicção d máquin síncron é como gerdor (lterndor) ns usins gerdors de energi elétric e experimentlmente observou-se como mgnitude e freqüênci d tensão gerd vrim com velocidde do rotor e com mgnitude d corrente de cmpo. Pr que máquin síncron opere como motor, é necessário lgum rtifício pr o seu cionmento pois pel su própri crcterístic físic, ele não tem prtid própri, ou sej, deve-se girr o seu rotor té um velocidde próxim do vlor nominl qundo então, o rotor é conectdo um fonte c.c. o que fz com que o rotor gire com velocidde constnte e idêntic à velocidde do cmpo girnte (velocidde síncron). Assim sendo, qundo em operção, velocidde do rotor do motor síncrono é função somente d freqüênci d rede elétric. Enqunto o motor de indução present um comportmento exclusivmente indutivo, o motor síncrono pode operr com ftor de potênci indutivo, cpcitivo ou unitário, medinte justes n mgnitude d corrente de cmpo. Qunto mior est corrente, tendênci do motor síncrono é presentr um comportmento cpcitivo. Máquin de Corrente Contínu Os motores de corrente contínu são de custo elevdo e necessitm d fonte de corrente contínu, podendo funcionr com velocidde justável num lrg fix. São usdos em equipmentos onde se exigem controles de grnde precisão e flexibilidde. A utilizção dos motores de corrente contínu foi importnte não só pel necessidde de motores com velocidde controlável ms por presentrem torque elevdo em rotções bixs, como por exemplo, no trnsporte ferroviário. No cso do motor c.c. cujos enrolmentos de cmpo e de rmdur são conectdos fontes c.c. distints (excitção independente), o juste d velocidde pode ocorrer trvés d vrição d tensão n rmdur (rotor) e/ou pel vrição d corrente de cmpo (esttor). A versão série do motor c.c., tmbém conhecid por Motor Universl, é um motor que present um conjugdo (torque) bstnte elevdo em rotção bix (pouc velocidde). O Motor Universl é bstnte utilizdo em eletrodomésticos. 178

8 Pr que máquin de corrente contínu opere como gerdor, bst que o seu rotor sej ciondo mecnicmente e prtir do instnte em há cmpo mgnético no esttor, um tensão lternd será induzid n bobin do rotor e retificd pelo comutdor de form que nos terminis ds escovs tem-se um tensão c.c. Anlise s Figurs 14.1 e Leiturs Adicionis Conversão Eletromecânic de Energi L.V. Boffi, M. Sobrl Jr e L.C. Dngelo, Editor Edgrd Blücher Ltd. Máquins Elétrics A.E. Fitzgerld, C. Kingsley Jr. e A. Kusko, McGrw-Hill do Brsil Ltd. Máquins Elétrics e Trnsformdores I.L. Kosow, Editor Globo. Seleção e Aplicção de Motores Elétricos, vols. I e II Orlndo S. Lobosco e José L.P. d Cost Dis, McGrw-Hill do Brsil Ltd - Siemens S.A. Veículos Elétricos à Bteri Celso P. Bottur e Gilmr Brreto, Editor d Unicmp,