Universidade do Minho Escola de Engenharia

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1 Universidade do Minho Escola de Engenharia Victor Manuel Oliveira da Silva Desenvolvimento de duas aplicações de controlo da velocidade de um motor de corrente contínua: Industrial e Pedagógica Tese para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores Trabalho realizado sob a orientação de: Professora Dr.ª Filomena Soares Professora Dr.ª Rosa Vasconcelos Setembro de 2008

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3 Agradecimentos A realização de todo este trabalho, só foi possível devido ao apoio incondicional de algumas pessoas. Não querendo esquecer ninguém, aqui ficam os meus agradecimentos: Desejo agradecer aos meus orientadores à Dra. Filomena Soares e à Dra. Rosa Vasconcelos, bem como ao Eng.º Vítor Carvalho por todo o acompanhamento e apoio prestados ao longo deste trabalho. Quero também agradecer, mencionando o importantíssimo trabalho prestado pelo Sr. Carlos Torres e restantes funcionários das oficinas do Departamento de Electrónica Industrial, que contribuíram para a realização das placas de circuito impresso. A todos os que, de uma forma directa ou indirecta contribuíram para a finalização deste trabalho, o meu Muito Obrigado. Victor Silva iii

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5 Desenvolvimento de duas aplicações de controlo da velocidade de um motor de corrente contínua: industrial e pedagógica Resumo Neste trabalho foram desenvolvidas duas aplicações: uma de carácter industrial e outra de carácter pedagógico. A realização deste trabalho teve como principal objectivo o controlo da velocidade de um motor de corrente contínua, através da aplicação prática da teoria de controlo, recorrendo à utilização de microcontroladores, tanto para a aplicação de carácter industrial como para a aplicação de carácter pedagógico. Relativamente à aplicação industrial, este trabalho está englobado num outro projecto de investigação e desenvolvimento, intitulado Medição de irregularidades e pilosidades no fio têxtil (Parametrização da qualidade do fio) e consistiu no desenvolvimento de um sistema de tracção de fio para doze níveis de velocidade. O sistema de tracção de fio têxtil utilizado no projecto onde esta dissertação se insere era efectuado através de um motor de corrente contínua, no entanto, sem a implementação de um algoritmo de controlo, ou seja em malha aberta. Deste modo, com este projecto de investigação pretende-se implementar um algoritmo de controlo da velocidade de tracção do motor, recorrendo à utilização de um microcontrolador. Relativamente à aplicação de carácter pedagógico, de modo a que o presente trabalho de investigação possa dar o seu contributo para a clarificação da implementação do processo de controlo da velocidade de rotação de um motor, foi desenvolvido um equipamento para fins didácticos, que possibilita definir o valor da velocidade de rotação pretendida, seleccionar diferentes algoritmos de controlo PID, definir os parâmetros do controlador (Kp, Ki, Kd), bem como, monitorizar os valores da velocidade de rotação do motor e do módulo do valor do erro do sistema. v

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7 Development of two applications for velocity control of a DC motor: industrial and educational Abstract In this work were developed two applications for a DC motor speed control: an industrial application and an educational application. The development of this work has as main goal the velocity control of a DC motor, through the practical application of control theory, using microcontrollers, for an industrial application as well as for an educational application. Concerning the industrial application, this work is part of another R&D project, entitled "Yarn Irregularities and Hairiness Measurement" (Yarn quality parameterization) and consisted of the development of a yarn traction system for twelve levels of velocity. The yarn traction system where this dissertation is inserted is performed trough a DC motor, however, without the implementation of a control algorithm, it works in open loop. With this research project it is required to implement a control algorithm, using a microcontroller, for the motor traction velocity. Concerning the educational application and with the purpose that the present work could give a contribution for the clarification of the process implementation of velocity control of a motor, it was developed an equipment for teaching purposes, which allows setting up the desired value of rotation speed, selecting different PID control algorithms, setting up the controller parameters (Kp, Ki, Kd), as well as, monitoring the motor velocity values and the module system error value. vii

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9 Índice Geral AGRADECIMENTOS...III RESUMO...V ABSTRACT...VII ÍNDICE GERAL...IX ÍNDICE DE FIGURAS E TABELAS...XI INTRODUÇÃO...1 CAPITULO I 1. SUPORTE TEÓRICO TIPOS DE ENCODERS Encoders Absolutos Encoders incrementais MOTORES ELÉCTRICOS MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA MOTOR DE CC CONVENCIONAL Tipos de Excitação Motor de Excitação Independente Motor de CC Série Motor de CC Shunt (Paralelo) Motor de CC Composto (Compound) MOTOR DE CC DE ÍMAN PERMANENTE MOTOR DE CC SEM NÚCLEO MOTOR DE CC SEM ESCOVAS MOTORES DE CORRENTE ALTERNADA (CA) Motores Síncronos Motores Assíncronos Motores de Indução Monofásico Motores de Indução Trifásico MOTORES ESPECIAIS Servomotores Servomotores CC Servomotores CA Motores de Passo-a-passo BINÁRIO MICROCONTROLADOR PWM (PULSE WIDTH MODULATION) MOSFET CONTROLADORES Controlo ON-OFF Controlo Proporcional Erro em estado estacionário Controlo PI Erro em estado estacionário Incapacidade de reagir à derivada do erro Controlo PID Acção Diferencial (Análise Qualitativa) PID Implementação Computacional Discretização da expressão do controlador Termo proporcional Termo Integral Termo Derivativo Controlador a 3 Termos Problemas de ruído...54 ix

10 CAPITULO II 2. DESENVOLVIMENTO DO HARDWARE Motor DC utilizado Encoder utilizado Microcontrolador utilizado Esquemas eléctricos Esquema eléctrico da placa de controlo para a aplicação industrial Esquema eléctrico da placa de controlo para o módulo didáctico Programação do microcontrolador Determinação do período mínimo de amostragem Considerações a ter para obtenção da velocidade pretendida Implementação do algoritmo de controlo PID...65 CAPITULO III 3. DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE DE INTERFACE Software de interface para a placa de controlo industrial Software de interface para a placa do módulo didáctico...80 CAPITULO IV 4. RESULTADOS OBTIDOS...81 CONCLUSÃO...83 BIBLIOGRAFIA...85 ANEXO I - DOCUMENTAÇÃO TÉCNICA DOS COMPONENTES ANEXO II - PROGRAMA DO MICROCONTROLADOR RELATIVO À APLICAÇÃO INDUSTRIAL ANEXO III - PROGRAMA DO MICROCONTROLADOR RELATIVO À APLICAÇÃO PEDAGÓGICA x

11 Índice de Figuras e Tabelas FIGURA 1.1 CONSTITUIÇÃO DO MOTOR DE CC (CORRENTE CONTÍNUA)...5 FIGURA 1.2 CONSTITUIÇÃO DO ROTOR DE UM MOTOR DE CC...6 FIGURA 1.3 CONSTITUIÇÃO DO MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA COM 2 PÓLOS....6 FIGURA 1.3 CAMPO MAGNÉTICO DE UM CONDUTOR E DE UMA ESPIRA DO ROTOR...7 FIGURA CAMPO MAGNÉTICO DO ESTATOR E DO ROTOR DE UM MOTOR BIPOLAR...7 FIGURA ALIMENTAÇÃO DOS ENROLAMENTOS DO ROTOR...8 FIGURA 1.6 REGRA ALIMENTAÇÃO DOS ENROLAMENTOS DO ROTOR...8 FIGURA FORÇAS QUE ACTUAM SOBRE UMA ESPIRA...9 FIGURA ESQUEMA DOS ENROLAMENTOS DE UM MOTOR DE CC...10 FIGURA ESQUEMA DA LIGAÇÃO DOS ENROLAMENTOS DE UM MOTOR DE CC DE EXCITAÇÃO INDEPENDENTE...11 FIGURA ESQUEMA DA LIGAÇÃO DOS ENROLAMENTOS DE UM MOTOR DE CC DE EXCITAÇÃO SÉRIE..12 FIGURA ESQUEMA DA LIGAÇÃO DOS ENROLAMENTOS DE UM MOTOR DE CC DE EXCITAÇÃO PARALELA (SHUNT) FIGURA ESQUEMA DA LIGAÇÃO DOS ENROLAMENTOS DE UM MOTOR DE CC DE EXCITAÇÃO COMPOSTA (COMPOUND)...13 FIGURA MOTORES DE CC DE ÍMAN PERMANENTE...14 FIGURA MOTORES DE CC DE ÍMAN PERMANENTE DE 5 PÓLOS...15 FIGURA 1.15 LIGAÇÃO DO MOTOR DE ÍMAN PERMANENTE...15 FIGURA MOTORES DE CC SEM NÚCLEO...16 FIGURA MOTORES DE CC COM ÍMAN PERMANENTE NO EXTERIOR DO ROTOR...16 FIGURA CONSTITUIÇÃO DE UM MOTOR DE CC SEM ESCOVAS...17 FIGURA 1.19 ASPECTO DO ESTATOR DE UM MOTOR INDUSTRIAL DE CC SEM ESCOVAS...18 FIGURA CIRCUITO DE COMANDO TÍPICO DE UM MOTOR BRUSHLESS COM TRÊS FASES...19 FIGURA 1.21 ROTOR EM GAIOLA DE ESQUILO...21 FIGURA 1.22 FLUXO MAGNÉTICO DO MOTOR DE INDUÇÃO MONOFÁSICO DE DOIS PÓLOS...21 FIGURA 1.23 MOTOR DE INDUÇÃO MONOFÁSICO...22 FIGURA 1.24 ESQUEMAS DE LIGAÇÃO DO MOTOR DE INDUÇÃO MONOFÁSICO...23 FIGURA 1.25 FUNCIONAMENTO DO CAMPO GIRANTE DO MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO...24 FIGURA 1.26 ESQUEMAS DE LIGAÇÃO DO MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO...25 FIGURA 1.27 BINÁRIO E CORRENTE DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO...26 FIGURA 1.28 ASPECTO DE UM MOTOR DE PASSO-A-PASSO...29 FIGURA 1.29 MOTOR DE ÍMAN PERMANENTE...30 FIGURA 1.30 CONSTITUIÇÃO DO MOTOR DE ÍMAN PERMANENTE...30 FIGURA 1.31 ROTOR DO MOTOR DE ÍMAN PERMANENTE...30 TABELA 1.1 SEQUÊNCIA DE ALIMENTAÇÃO DOS ENROLAMENTOS DO MOTOR DE ÍMAN PERMANENTE...31 FIGURA FUNCIONAMENTO DO MOTOR DE ÍMAN PERMANENTE...31 FIGURA MODELOS COMERCIAIS DE MOTORES DE RELUTÂNCIA VARIÁVEL...33 FIGURA ASPECTO INTERIOR DE UM MOTOR DE RELUTÂNCIA VARIÁVEL COM TRÊS FASES...33 TABELA 1.2 SEQUÊNCIA DE ALIMENTAÇÃO DOS ENROLAMENTOS DO MOTOR DE RELUTÂNCIA VARIÁVEL FIGURA 1.35 FUNCIONAMENTO DO MOTOR DE RELUTÂNCIA VARIÁVEL...34 FIGURA MOTORES HÍBRIDOS COMERCIAIS...36 FIGURA CONSTITUIÇÃO DO MOTOR HÍBRIDO...36 FIGURA 1.38 VISTA EM CORTE DO MOTOR HÍBRIDO...37 TABELA 1.3 SEQUÊNCIA DE ALIMENTAÇÃO DOS ENROLAMENTOS DO MOTOR HÍBRIDO FIGURA FUNCIONAMENTO DO MOTOR HÍBRIDO...37 FIGURA DENTES DAS MASSAS POLARES SEPARADOS DE MEIO PASSO DE DENTE...38 FIGURA ENROLAMENTOS DO MOTOR COM ALIMENTAÇÃO UNIPOLAR...39 FIGURA 1.42 DISPOSIÇÃO DOS ENROLAMENTOS DE UM MOTOR COM ALIMENTAÇÃO BIPOLAR...40 FIGURA 1.43 EVOLUÇÃO DO BINÁRIO DO MOTOR EM FUNÇÃO DA CARGA MECÂNICA...42 FIGURA 1.44 SINAL DE PWM PARA 0%, 25%, 50%, 75% E 100% DE DUTY-CYCLE FIGURA 1.45 MOSFET DO TIPO MODO DE ENRIQUECIMENTO A) NÃO POLARIZADO; B) POLARIZADO...45 FIGURA 1.46 SÍMBOLOS GRÁFICOS DO EMOS A) N-MOSFET; B) P-MOSFET...45 FIGURA 1.47 SINAL DE CONTROLO DO ALGORITMO ON-OFF...46 FIGURA 1.48 CONTROLADOR ON-OFF FIGURA 1.49 COMPORTAMENTO DO CONTROLADOR ON-OFF COM HISTERESE...47 xi

12 FIGURA 1.50 CONTROLADOR ON-OFF...47 FIGURA 1.51 COMPORTAMENTO DO ALGORITMO PROPORCIONAL...48 FIGURA 1.52 CONTROLADOR PROPORCIONAL...48 FIGURA 1.53 CONTROLADOR PI...49 FIGURA 1.54 DERIVADA DO ERRO...50 FIGURA 1.55 CONTROLADOR PID...51 FIGURA 1.56 EVOLUÇÃO DO ERRO NUM CONTROLADOR PID...52 FIGURA 2.1 DIAGRAMA DE BLOCOS DO HARDWARE DESENVOLVIDO...55 FIGURA 2.2 ASPECTO DO MOTOR DC MAXON RE FIGURA 2.3 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DO MOTOR DC RE36 DA MAXON...56 FIGURA 2.4 CURVA CARACTERÍSTICA DE FUNCIONAMENTO DO MOTOR RE FIGURA 2.5 ASPECTO DO ENCODER HEDS-5540 A11 DA HEWLETT PACKARD...56 TABELA 2.1 CONDIÇÕES MÁXIMAS ADMISSÍVEIS DO ENCODER...57 FIGURA 2.6 APLICAÇÃO DE RESISTÊNCIAS DE PULL-UP NOS CANAIS DO ENCODER...57 FIGURA 2.7 PINOS DO MICROCONTROLADOR PIC16F FIGURA 2.8 ESQUEMÁTICO DA PLACA DE CONTROLO DA VELOCIDADE DO MOTOR...59 FIGURA 2.9 CURVA CARACTERÍSTICAS DO MOSFET (BUZ100)...60 FIGURA 2.10 ASPECTO DO PCB CONCEBIDO DA PLACA DE CONTROLO...61 FIGURA 2.11 ESQUEMÁTICO DA PLACA DO MÓDULO DIDÁCTICO...62 FIGURA 2.12 ASPECTO DO PCB CONCEBIDO DA PLACA DE CONTROLO...62 FIGURA 2.13 FREQUÊNCIA MÁXIMA DE AMOSTRAGEM OBTIDA...63 FIGURA 2.14 FLUXOGRAMA DO CÓDIGO FONTE DESENVOLVIDO PARA A PLACA DE CONTROLO...67 FIGURA 2.15 FLUXOGRAMA DA ROTINA PARA A IMPLEMENTAÇÃO DO CONTROLO PID...68 FIGURA 2.16 FLUXOGRAMA DO CÓDIGO FONTE DESENVOLVIDO PARA O MÓDULO DIDÁCTICO FIGURA 2.17 FLUXOGRAMA DA ROTINA QUE SELECCIONA UM DOS ALGORITMOS DE CONTROLO PID...70 FIGURA 2.18 FLUXOGRAMA DA ROTINA PARA A IMPLEMENTAÇÃO DO ALGORITMO 1 DO CONTROLO PID FIGURA 2.19 FLUXOGRAMA DA ROTINA PARA A IMPLEMENTAÇÃO DO ALGORITMO 2 DO CONTROLO PID FIGURA 2.20 FLUXOGRAMA DA ROTINA PARA A IMPLEMENTAÇÃO DO ALGORITMO 3 DO CONTROLO PID FIGURA 2.21 FLUXOGRAMA DA ROTINA PARA A IMPLEMENTAÇÃO DO ALGORITMO 4 DO CONTROLO PID FIGURA 2.22 FLUXOGRAMA DA ROTINA RESPONSÁVEL PELO CÁLCULO DO ERRO ACTUAL DO SISTEMA..75 FIGURA 2.23 FLUXOGRAMA DA ROTINA RESPONSÁVEL PELO CÁLCULO DO TERMO PROPORCIONAL...75 FIGURA 2.24 FLUXOGRAMA DA ROTINA RESPONSÁVEL PELO CÁLCULO DO TERMO PROPORCIONAL_ FIGURA 2.25 FLUXOGRAMA DA ROTINA RESPONSÁVEL PELO CÁLCULO DO TERMO INTEGRAL...76 FIGURA 2.26 FLUXOGRAMA DA ROTINA RESPONSÁVEL PELO CÁLCULO DO TERMO INTEGRAL FIGURA 2.27 FLUXOGRAMA DA ROTINA RESPONSÁVEL PELO CÁLCULO DO TERMO INTEGRAL FIGURA 2.28 FLUXOGRAMA DA ROTINA RESPONSÁVEL PELO CÁLCULO DO TERMO INTEGRAL FIGURA 2.29 FLUXOGRAMA DA ROTINA RESPONSÁVEL PELO CÁLCULO DO TERMO DERIVATIVO...78 FIGURA 2.30 FLUXOGRAMA DA ROTINA RESPONSÁVEL PELO CÁLCULO DO TERMO DERIVATIVO_ FIGURA 3.1 ASPECTO DA APLICAÇÃO DE INTERFACE PARA A PLACA DE CONTROLO INDUSTRIAL...79 FIGURA 3.2 ASPECTO DA APLICAÇÃO DE INTERFACE PARA O MÓDULO DIDÁCTICO...80 FIGURA 4.1 IMAGEM DO EQUIPAMENTO DESENVOLVIDO PARA A TRACÇÃO DE FIO TÊXTIL (À ESQUERDA) E DO MÓDULO DIDÁCTICO (Á DIREITA) xii

13 Introdução Neste capítulo apresenta-se a motivação e o enquadramento deste trabalho assim como a definição de objectivos propostos e a estrutura do documento. Motivação e enquadramento Este trabalho está inserido num projecto de investigação e desenvolvimento, intitulado Medição de irregularidades e pilosidades no fio têxtil (Parametrização da qualidade do fio). O sistema de tracção de fio têxtil utilizado no projecto onde esta dissertação se insere era efectuado através de um motor DC, funcionando em malha aberta, sem a implementação de um algoritmo de controlo, para quatro níveis de velocidades. Deste modo, com este trabalho pretende-se implementar um algoritmo de controlo da velocidade de tracção, recorrendo à utilização de um microcontrolador. Objectivos e desenvolvimento do trabalho Este trabalho tem com principal objectivo a implementação dos algoritmos de controlo recorrendo à utilização de microcontroladores. Foi desenvolvida uma aplicação industrial e em paralelo, implementou-se uma aplicação de carácter pedagógico, cuja finalidade é dar o seu contributo para a clarificação da implementação do processo de controlo da velocidade de rotação de um motor. Relativamente à aplicação industrial, implementou-se um algoritmo de controlo para a velocidade de tracção do motor, recorrendo à utilização de um microcontrolador. Para além do algoritmo de controlo também é desenvolvido o programa de controlo para 12 velocidades de tracção de fio seleccionáveis por entradas digitais do microcontrolador. Os valores acordados para esses níveis de velocidade foram os seguintes: 6m/min, 12m/min, 24m/min, 50m/min, 75m/min, 100m/min, 150m/min, 200m/min, 250m/min, 300m/m, 350m/min e 400m/min. Para estabelecer os níveis de velocidade propostos, foi necessário ter em consideração o diâmetro do rolo de tracção de fio, acoplado ao veio do motor, que neste caso possui 3.09cm de diâmetro. A selecção destes níveis de velocidade é feita através de um programa desenvolvido em LabVIEW que também possibilita ao utilizador monitorizar a velocidade de rotação do motor bem como iniciar e finalizar o processo utilizando a porta paralela do PC. Relativamente ao trabalho de âmbito pedagógico, foi desenvolvido um equipamento que possibilita definir o valor da velocidade de rotação do motor pretendida, seleccionar diferentes 1

14 algoritmos de controlo PID, definir os parâmetros do controlador (Kp, Ki, Kd), bem como, monitorizar o valores da velocidade de rotação do motor e o módulo do valor do erro do sistema. A ligação ao computador neste caso é estabelecida através da porta série, que obedece ao protocolo de comunicação RS-232. Para a comunicação série foi definido um Baude Rate de 9600 bits/s, 8 bits de dados, paridade par e um Stop Bit. Para interface deste equipamento para com o utilizador, foi desenvolvida uma outra aplicação em LabVIEW. Estrutura da dissertação Este documento está dividido em seis partes. A primeira parte é relativa à Introdução e são apresentados os objectivos e o enquadramento do trabalho. Na segunda parte são abordados os conceitos teóricos necessários à implementação do trabalho. Na terceira e quarta partes, respectivamente, é elaborada uma descrição pormenorizada sobre a implementação prática do hardware e do software de interface, relativo aos equipamentos industrial e pedagógico desenvolvido. Os resultados obtidos são apresentados na parte cinco e as conclusões na última parte. 2

15 Capitulo I 1. Suporte Teórico Neste capítulo são abordados conceitos e noções básicas de elementos e processos utilizados ao longo deste trabalho. 1.1.Tipos de Encoders Actualmente no mercado existem fundamentalmente dois tipos de encoders: Encoders absolutos; Encoders incrementais Encoders Absolutos A principal diferença dos encoders absolutos em relação aos encoders incrementais é que as posições dos discos dos encoders absolutos já estão codificadas em binário, variando entre 8, 10, 12, 16 bits. O sistema binário é codificado em código Gray, ou binário puro. Não necessita de referência ou zero, pois o sistema lê a posição directamente em binário. Como vantagem tem o facto de não necessitar de referência, pois o sistema reconhece a posição imediatamente actual após a sua inicialização. Como desvantagens tem o seu custo elevado e a sua dimensão Encoders incrementais São discos perfurados ou com ranhuras, igualmente distribuídas pela sua circunferência, normalmente dividindo-o em 100, 360, 500, 720, 1000 ou mais partes iguais e uma perfuração de referência chamada de "zero" do encoder. Possuem um sensor óptico, que lê as ranhuras. Os encoders são normalmente alimentados de 5 a 30V DC. Como vantagem o encoder incremental tem o facto de a sua construção ser simples e compacta. Apresenta como desvantagem, o facto de que, quando alimentado, o sistema de controlo que o lê, deve girar o eixo até a posição de referência, e a partir daí determina sua a posição, pois a posição é contada a partir da referência. 3

16 Suporte Teórico Existem encoders incrementais de forma Linear, também conhecidos como Transdutores ópticos lineares, que são usados no lugar das réguas potenciómetricas. Para além da detecção da posição angular de eixos, podem também ser usados como sensores para tacómetros e qualquer medição angular ou linear Motores Eléctricos No mundo de hoje, o motor eléctrico é um elemento imprescindível ao progresso. As máquinas eléctricas, nos tempos actuais, podem-se considerar como parte recorrente do nosso dia-a-dia. O motor eléctrico é o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da utilização da energia eléctrica: facilidade de transporte e facilidade de comando, sendo, para além disso trata-se de uma máquina de construção simples, alto rendimento e baixo custo. Os motores eléctricos possuem praticamente os mesmos elementos principais, contudo com diferenças importantes entre eles. Em alguns casos a bobina da armadura está no estator e não no rotor, o mesmo acontece com a bobina de campo. Outros não possuem escovas, outros ainda não possuem bobina de armadura, e assim por diante. Porém, os nomes dados aos componentes da máquina são gerais e valem para a maioria das máquinas eléctricas. De forma geral os motores eléctricos são classificados como: Motores de Corrente Contínua Motor de CC Convencional; Motor de CC de Íman Permanente; Motor de CC sem Núcleo; Motor de CC sem Escovas (Brushless). Motores de Corrente Alternada Motores Síncronos; Motores Assíncronos. Motores Especiais Servomotores; Motores de Passo. Todos os motores apresentam as suas principais características eléctricas escritas sobre o mesmo ou numa placa de identificação. Os principais dados eléctricos são: tipo de motor, 4

17 Suporte Teórico tensão nominal, corrente nominal, frequência, potência mecânica, velocidade nominal, esquema de ligação, grau de protecção, temperatura máxima de funcionamento e factor de potência Motores de Corrente Contínua O motor de CC (corrente contínua) foi a primeira máquina eléctrica a ser utilizada industrialmente. A principal razão para tal deve-se ao facto de no início da distribuição da eléctrica, a mesma ser feita em corrente contínua. Actualmente, existem diferentes tipos de motores de corrente contínua, vão desde os pequenos motores, para os mais variados accionamentos, até aos motores convencionais, utilizados em accionamentos industriais, com potências que podem chegar às várias centenas de KW (Kilowatts) Motor de CC Convencional O motor de CC (corrente contínua) convencional representado na figura 1 é uma máquina que tem como principal característica o controlo preciso, entre amplos limites, da velocidade. Actualmente, a sua regulação é feita recorrendo a controladores electrónicos. Figura 1.1 Constituição do motor de CC (corrente contínua). Uma máquina eléctrica rotativa é constituída, fundamentalmente, por duas partes distintas, uma que se designa de indutor e outra de induzido. No indutor, também designado por campo, é gerado o campo magnético, e no induzido também denominado por armadura, processam-se fenómenos electromagnéticos. Uma das partes é fixa e a outra é móvel. À parte fixa dá-se o nome de estator e à parte móvel, de rotor representado na figura

18 Suporte Teórico Figura 1.2 Constituição do rotor de um motor de CC. Nas máquinas convencionais de corrente contínua, o circuito indutor encontra-se no estator e o circuito induzido, no rotor. Esta disposição não é igual em todas as máquinas. Na figura 1.3 é possível identificar as diferentes partes internas de um máquina de corrente contínua básica, bem como a sua representação eléctrica. (a) Partes internas. (b) Representação eléctrica. Figura 1.3 Constituição do motor de corrente contínua com 2 Pólos. O motor de corrente contínua apresenta quatro terminais acessíveis, dois para as bobinas de campo (terminais 3 e 4) e dois para as bobinas da armadura (terminais 1 e 2). Em alguns motores de baixa potência, as bobinas de campo são substituídas por ímãs permanentes. Neste caso, o motor apresenta apenas dois terminais de acesso (terminais 1 e 2). O princípio de funcionamento elementar de um motor de corrente contínua está baseado na força mecânica que actua sobre um condutor imerso num campo magnético, quando sobre ele circula uma corrente eléctrica. O motor de CC gira em consequência da interacção do campo magnético do estator com o campo magnético do rotor. O campo principal, o do estator, é criado pelos seus enrolamentos (electroímanes), quando são percorridos por corrente. O segundo campo, o do rotor, é criado pela circulação da corrente nos condutores dos enrolamentos do rotor. Cada condutor do rotor contribui com um campo magnético que roda à sua volta e cujo sentido é determinado pela regra do saca-rolhas. 6

19 Suporte Teórico Figura 1.3 Campo magnético de um condutor e de uma espira do rotor. Os vários campos magnéticos dos condutores do rotor, alimentados num lado por uma escova e no outro lado por outra escova, têm como resultante um pólo N e um pólo S, em lados opostos do núcleo do rotor, representados na figura 1.4. Figura Campo magnético do estator e do rotor de um motor bipolar. Analisando a figura verifica-se que o pólo S do rotor neste caso, localizado na parte superior, será atraído pelo pólo N do estator e o pólo N do rotor, pelo pólo S do estator. Esta atracção exerce uma força continuada sobre o rotor, provocando a sua rotação. O rotor roda uma vez que os enrolamentos vão sendo sucessivamente alimentados, uma vez que estão ligados a pares de lâminas sucessivas do colector. Apesar do rotor estar permanentemente em movimento, o seu campo magnético resultante permanece fixo, tal como está representado na figura 1.4, o pólo S na parte de cima e pólo N na parte de baixo. A disposição das escovas assegura a correcta alimentação dos enrolamentos do rotor. Os condutores que estão situados sob um mesmo pólo do estator são percorridos por correntes com o mesmo sentido. 7

20 Suporte Teórico Figura Alimentação dos enrolamentos do rotor. O binário do motor será tanto maior quanto maiores forem as forças de atracção e repulsão entre os campos magnéticos do estator e do rotor. De modo a se compreender melhor os fenómenos até agora descritos recorre-se aos seguintes princípios: Lei de Laplace Sempre que um condutor de comprimento l é percorrido por uma corrente eléctrica I está sob a acção de um campo magnético de indução B, exerce-se sobre ele uma força F que o faz movimentar; num determinado sentido, perpendicularmente ao plano definido pelo sentido da corrente I e pelo sentido da indução B. F = B I l (eq. 1.1) Regra dos Três Dedos da Mão Direita O sentido da força electromagnética (F) exercida sobre o condutor é obtido, fazendo coincidir três dedos da mão direita, formando entre si ângulos de 90º, com a direcção e sentido das grandezas. Figura 1.6 Regra Alimentação dos enrolamentos do rotor. 8

21 Suporte Teórico Regra do Saca-Rolhas O sentido das linhas de força do campo magnético produzido pela corrente eléctrica é aquele que corresponde à rotação de um saca-rolhas, de modo que a sua progressão corresponda ao sentido da corrente eléctrica. A figura 1.7 mostra o sentido da força electromagnética (F) que actua sobre uma espira quando a mesma é percorrida por uma corrente (I) e é submetida a um campo magnético (B). Sob a acção da força, a espira movimenta-se para a posição vertical, onde a força resultante é nula, não dando continuidade ao movimento. Para que a espira rode, torna-se então necessária a inversão do sentido da corrente que a atravessa. Essa inversão é efectuada pelo colector quando a espira atinge a posição vertical. Assim, e recorrendo à regra dos três dedos da mão direita, como o sentido da corrente se inverte, o sentido da força também se inverte. O campo tem sempre o mesmo sentido e a espira roda continuamente. Figura Forças que actuam sobre uma espira. Também se pode afirmar que o funcionamento de um motor de corrente contínua tem como base as forças resultantes da interacção do campo magnético gerado no indutor com a corrente que circula no induzido. Desta interacção resulta uma força (lei de Laplace) que faz mover o rotor num sentido que depende do sentido do campo magnético do indutor e do sentido da corrente do induzido (regra da mão direita), Explicação idêntica à anterior, uma vez que a corrente que circula nos condutores induzido cria o campo magnético que serviu de fundamento à explicação através da interacção entre os campos magnéticos do estator e do rotor. 9

22 Suporte Teórico Reacção Magnética do Induzido A corrente que percorre o induzido cria um campo magnético que, ao interagir com o campo magnético indutor, altera as linhas de força deste, distorcendo-o tratando-se da reacção magnética do induzido. Esta distorção é proporcional à carga a que o motor está sujeito e provoca o aparecimento de faíscas entre o colector e as escovas, sendo por isso prejudicial para a máquina, uma vez que degrada mais rapidamente as escovas e o colector. De modo a reduzir ou anular este efeito, as escovas têm de ser deslocadas para outra posição, todavia, como o ângulo de deslocação depende da carga aplicada ao motor, este processo não é viável, daí o facto dos motores de CC possuírem pólos de comutação auxiliares ou enrolamento de compensação cuja finalidade é criarem um campo magnético de sentido contrário ao campo da reacção magnética do induzido, reduzindo ou anulando-o. Na figura 1.8 apresenta-se, esquematicamente, os enrolamentos de um motor de CC. A não referência ao enrolamento derivação E1-E2 deve-se ao facto de se poder utilizar o enrolamento independente F1-F2 como substituição. Figura Esquema dos enrolamentos de um motor de CC. Os motores de CC inicialmente eram alimentados por geradores de corrente contínua, o que exigia o uso de três máquinas (sistema Ward-Leonard). Actualmente, utilizam-se conversores estáticos que fornecem tensão contínua variável a partir da rede eléctrica. Para se proceder ao arranque do motor, em vazio, aplica-se, em primeiro lugar, tensão ao campo e de seguida à armadura. O motor deve arrancar de forma suave, sem faiscamento ou ruídos excessivos. Motores pequenos, até l kw, podem arrancar à tensão plena. Acima deste valor devem possuir um sistema de arranque que limite a corrente, pois esta pode danificar o colector. 10

23 Suporte Teórico A rotação do motor pode ser regulada mantendo o fluxo indutor constante e variando a tensão de alimentação do induzido (controlo pela armadura), ou mantendo a tensão de alimentação do induzido fixa e alterando o fluxo indutor (controlo pelo campo). Para se parar o motor é necessário desligar primeiro a armadura e só depois o campo, caso contrário, existe o risco de perda do controlo do motor, em função do disparo do rotor por falta de campo. Para se inverter o sentido de rotação, troca-se a polaridade da tensão de alimentação do induzido ou do indutor (não ambas) Tipos de Excitação Os motores de CC são divididos de acordo com o tipo de ligação entre as bobinas do rotor e do estator. A cada tipo de ligação corresponde um tipo de motor associado ao tipo de excitação magnética. A classificação é a seguinte: Excitação independente Motor Série Auto-excitação Motor Shunt (Paralelo) Motor Compond (Composto) Motor de Excitação Independente Neste tipo de ligação, o motor necessita de duas fontes de alimentação; uma para alimentar o indutor e outra para alimentar o induzido. Apesar desta desvantagem, este tipo de excitação possibilita o controlo da velocidade de forma independente, através da armadura e do campo. Rotação horária: Rotação anti-horária: Figura Esquema da ligação dos enrolamentos de um motor de CC de excitação independente. 11

24 Suporte Teórico Motor de CC Série O motor série é um motor com auto-excitação. Como o seu nome indica, o enrolamento do indutor e do induzido estão ligados em série, por isso, são percorridos pela mesma corrente. Este motor necessita de uma só tensão de alimentação. O motor série tem o enrolamento do indutor formado por fio de secção elevada e com poucas espiras. Esta constituição tem por finalidade baixar a resistência do indutor, uma vez que está em série com o induzido. Rotação horária: Rotação anti-horária: Figura Esquema da ligação dos enrolamentos de um motor de CC de excitação série. No motor série, o binário é proporcional ao quadrado da corrente. Portanto, o motor série pode trabalhar em situações de sobrecarga mecânica, mantendo um consumo de corrente relativamente moderado. Devido a esta característica, o motor série é com frequência em tracção eléctrica. Este tipo de motor possui um elevado binário de arranque e, sem carga, uma velocidade relativamente elevada. A regulação da velocidade é um pouco difícil Motor de CC Shunt (Paralelo) Neste motor, o enrolamento do indutor é ligado em paralelo com o enrolamento do induzido. No motor Shunt, o enrolamento indutor é formado por um elevado número de espiras de fio de pequena secção, sendo a resistência deste enrolamento elevada para que a corrente consumida seja baixa. 12

25 Suporte Teórico Rotação horária: Rotação anti-horária: Figura Esquema da ligação dos enrolamentos de um motor de CC de excitação paralela (shunt). No caso da máquina não possuir na sua constituição o enrolamento shunt, utiliza-se para sua substituição, nesta ligação, o enrolamento independente F1-F2. O motor shunt possui a particularidade da sua velocidade variar pouco com a carga, daí, apresentar uma boa regulação da mesma. O seu binário de arranque é menor que o do motor série Motor de CC Composto (Compound) Este motor possui dois enrolamentos indutores. Um está ligado em série e o outro em paralelo com o induzido, normalmente o enrolamento independente. O enrolamento ligado em série é o que apresenta menor resistência. Na maioria das situações, os dois enrolamentos são acoplados de forma que os fluxos magnéticos se adicionem. Rotação horária: Rotação anti-horária: Figura Esquema da ligação dos enrolamentos de um motor de CC de excitação composta (Compound). 13

26 Suporte Teórico O motor de CC composto reúne as qualidades do motor série e do motor shunt, é por isso um motor com um elevado binário de arranque e uma boa regulação de velocidade. Os motores de corrente contínua têm vindo a perder terreno relativamente aos motores de indução. A sua grande vantagem que era a facilidade na regulação de velocidade, nos dias actuais está facilmente ao alcance dos motores de indução com o controlo electrónico de velocidade. O preço dos motores de corrente contínua também é bem mais elevado que o dos motores de indução e como possuem colector e escovas, órgãos sujeitos a desgaste, a sua manutenção é mais frequente. Apesar disso, o motor de corrente contínua mantém a sua utilização dadas as suas características específicas. O desenvolvimento dos motores de CC sem escovas (Brushless) e a sua utilização em accionamentos industriais também tem contribuído para a diminuição do uso do motor de CC convencionais Motor de CC de Íman Permanente O motor de íman permanente (Permanent Magnet DC Motor) é normalmente fabricado para pequenas potências. O seu rotor possui uma constituição idêntica ao do motor de CC convencional, sendo o seu estator significativamente diferente, uma vez que não possui qualquer enrolamento. O campo magnético indutor é criado por ímans permanentes. Figura Motores de CC de íman permanente. O indutor é constituído por dois ou mais ímans permanentes, sendo o induzido constituído por um núcleo ferromagnético, tipicamente, com três, cinco ou sete pólos e respectivos enrolamentos. A carcaça do motor completa o circuito magnético. 14

27 Suporte Teórico Figura Motores de CC de íman permanente de 5 pólos. O funcionamento do motor de íman permanente é igual ao do motor de CC convencional, a diferença está na forma de como se gera o campo magnético do indutor. Em vez de ser gerado pela corrente eléctrica, como é o caso dos motores de CC convencionais, é gerado através dos ímans permanentes. Não possuindo estes motores enrolamentos no indutor, para a sua alimentação basta ligar os dois condutores que ligam os enrolamentos do induzido, através do conjunto escovas/colector. Figura 1.15 Ligação do motor de íman permanente. Alimentando o motor, ele roda num determinado sentido. Invertendo a polaridade da tensão de alimentação, ele roda em sentido contrário. Aumentando ou diminuindo a tensão de alimentação, a velocidade do motor aumenta ou diminui, respectivamente. Este tipo de motor é de fácil construção e por isso têm um custo baixo. São utilizados em accionamentos de baixa potência, nomeadamente em electrodomésticos, carros eléctricos, comboios eléctricos entre outros Motor de CC sem Núcleo O motor de CC sem núcleo (Coreless DC Motor) é assim designado porque o rotor não possui ferro no núcleo, não é, portanto, magnético. Este motor destina-se, tipicamente, a accionamentos de pequena potência. 15

28 Suporte Teórico Figura Motores de CC sem núcleo. Este tipo de motor não possui núcleo magnético, o seu rotor é formado apenas pelas bobinas, sendo estas, geralmente, auto-suportadas num invólucro de fibra de vidro de forma a constituir uma estrutura rígida. O rotor é oco com a finalidade de se tornar mais leve e ágil. O estator é constituído por íman permanente, podendo o mesmo ser colocado no exterior ou interior do rotor. O conjunto é alojado na carcaça do motor que completa o circuito magnético. Figura Motores de CC com íman permanente no exterior do rotor. O princípio de funcionamento deste tipo de motor é igual ao do motor de CC convencional. A diferença, tal como no motor de íman permanente, está na forma como o campo magnético do estator é gerado. Em vez de ser gerado pela corrente eléctrica, como é nos casos dos motores de CC convencionais, é gerado por íman permanente. Como estes motores não possuem enrolamentos no estator, para a sua alimentação basta ligar os dois condutores que ligam os enrolamentos do rotor, através do conjunto escovas/colector. Estes motores são bastante mais rápidos que os motores de CC com núcleo de ferro. O rotor tem uma baixa inércia, o que possibilita arranques, paragens e variações de velocidade muito rápidas, assim como mudança de sentido de rotação num curto espaço de tempo. Comparativamente com o motor de íman equivalente, este tipo de motor possui um conjunto escovas/colector de menor dimensão e de melhor qualidade, estando, por isso, estes órgãos sujeitos a menos desgaste. Também o ruído eléctrico é menor, a velocidade mais suave e a indutância mais baixa devido à não existência de ferro no núcleo. 16

29 Suporte Teórico A desvantagem do motor sem núcleo (Coreless) é o seu reduzido binário, pois como o fluxo magnético, não é o rotor magnético, não é concentrado e tem de atravessar um entreferro maior. Também possuem baixa refrigeração. O calor gerado nas espiras do rotor, dado que o motor não possui núcleo de ferro, que dissipa grande parte do calor, quando o mesmo é sujeito a um esforço, aquece rapidamente e pode danificar-se. Os motores Coreless também são mais frágeis. Nos motores com íman no interior do rotor, a abertura entre o íman permanente e a carcaça é muito pequena, por isso, as espiras do rotor estão sujeitas a uma densidade de fluxo elevada, o que se traduz num motor mais eficiente. Este tipo de motor destina a accionamentos onde se pretenda um arranque rápido e velocidades elevadas. São utilizados com muita frequência em equipamentos de modelismo, actualmente equipando a nova geração dos servomotores de radiocomando Motor de CC sem Escovas O motor de CC sem escovas (Brushless DC Motor) é uma máquina eléctrica em que a operação de comutação, realizada mecanicamente pelo colector no motor de CC, é aqui efectuada por um comutador electrónico, daí este tipo de motor não possuir colector nem escovas. Este tipo de motor possui um rotor com ímans permanentes, que podem estar colocados no interior ou no exterior do estator, e um estator de material ferromagnético com os respectivos enrolamentos. Esta configuração, relativamente ao motor de íman permanente, está invertida. Figura Constituição de um motor de CC sem escovas. O estator de um motor de CC sem escovas, para accionamentos industriais, é constituído por lâminas de chapa de aço empilhadas, com os enrolamentos colocados nos entalhes e dispostos 17

30 Suporte Teórico axialmente na periferia interna, tal como está representado na figura O estator assemelhase ao de um motor de indução, contudo, os enrolamentos são distribuídos deforma diferente. Os sensores indicados na figura 1.18 detectam o campo magnético, são de efeito Hall, ou seja estando na presença de um campo magnético geram aos seus terminais uma tensão eléctrica, de modos a informar neste caso o controlador electrónico sobre a posição dos pólos do rotor. Figura 1.19 Aspecto do estator de um motor industrial de CC sem escovas. Tipicamente, os motores industriais de CC sem escovas têm enrolamentos de três fases ligadas em estrela, sendo cada fase constituída por várias bobinas e respectivos pólos magnéticos. O rotor de um motor de CC sem escovas é constituído por íman permanente e pode possuir vários pares do pólo, alternadamente N-S. Ao contrário de um motor de CC com escovas, a comutação do motor sem escovas é realizada electronicamente. Para que o motor rode, os enrolamentos do estator têm de ser alimentados com tensão contínua com uma determinada sequência. Deste modo, são criados sequencialmente pares de pólos N-S no estator que atraem os pólos S-N do rotor, e este entra em rotação. A sequência a aplicar terá de fazer rodar o rotor, num sentido ou noutro, para tal, é necessário conhecer-se a sua posição para determinar qual ou quais os enrolamentos que devem ser alimentados. A posição do rotor é detectada, tipicamente, por sensores de efeito de Hall. Normalmente em motores industriais existem três destes sensores colocados no estator. Sempre que os pólos magnéticos do rotor são detectados por estes sensores a electrónica de comando é informada sobre a posição do rotor. Baseado na combinação dos sinais fornecidos pelos três sensores (H1, H2 e H3), o controlador electrónico determina a sequência de alimentação a aplicar aos enrolamentos (fases) do estator para que o rotor rode no sentido desejado e à velocidade pretendida. 18

31 Suporte Teórico O circuito de controlo destes motores permite a regulação de vários parâmetros do motor, tais como: velocidade, sentido de rotação e binário. Na figura 1.20 está representado um circuito de comando típico de um motor Brushless com um estator com três fases ligadas em estrela. Figura Circuito de comando típico de um motor Brushless com três fases. Estes motores apresentam uma baixa manutenção, uma operação silenciosa, um bom rendimento, uma vida útil longa, gama extensa de velocidades e devido ao facto de não possuírem escovas, um desgaste mecânico reduzido e interferências electromagnéticas (EMI) muito baixas. Pelo facto de serem constituídos por um rotor mais leve, constituído por ímans permanentes, a inércia, comparada com rotores em núcleo de ferro, é menor. Isto melhora as características de aceleração, de travagem e a eficiência energética. A necessidade de um controlador electrónico para funcionarem é a sua desvantagem, uma vez que aumenta o custo do projecto. As aplicações dos motores sem escovas incluem entre outras: compressores, bomba ventoinhas, máquinas de lavar, etc. Actualmente, estes motores, com o respectivo controlador, também dominam muito o hardware existente no computador, nomeadamente os discos duros, leitores de CD, leitores de DVD e ventoinhas para refrigeração. A eficiência elevada, baixa manutenção e o tamanho reduzido destes motores torna-os especialmente indicados para aplicações em que a fiabilidade seja um ponto importante. Devido às suas características, os motores de CC sem escovas têm vindo a substituir os motores de CC com escovas em variadíssimas aplicações. 19

32 Suporte Teórico Motores de Corrente Alternada (CA) Neste tipo de motor, o fluxo magnético do estator é gerado nas bobinas de campo pela corrente alternada da fonte de alimentação monofásica ou trifásica, portanto trata-se de um campo magnético cuja a intensidade varia continuamente e cuja polaridade é invertida periodicamente. Relativamente ao rotor, há dois casos a considerar: os Motores Síncronos e os Motores Assíncronos Motores Síncronos No motor síncrono, o rotor é constituído por um íman permanente ou bobinas alimentadas em corrente contínua mediante anéis colectores. Neste caso, o rotor gira com uma velocidade directamente proporcional à frequência da corrente no estator e inversamente proporcional ao número de pólos magnéticos do motor. São motores de velocidade constante e são utilizados somente para grandes potências devido ao seu alto custo de fabricação. A seguinte equação define a velocidade síncrona n S deste tipo de motor: Onde: n S - velocidade de sincronismo ( rpm ); f- frequência da corrente do rotor (Hz); p- número de pólos magnéticos do motor Motores Assíncronos 120. f n s = (eq.1.2) p No motor assíncrono ou de indução, o rotor possui vários condutores conectados em curtocircuito no formato de uma gaiola de esquilo, conforme mostra a figura

33 Suporte Teórico Figura 1.21 Rotor em gaiola de esquilo. O campo magnético variável no estator, figura 1.22, induz correntes sinusoidais nos condutores da gaiola do rotor. Estas correntes induzidas, por sua vez, criam um campo magnético no rotor que se opõe ao campo indutor do estator (Lei de Lenz). Como os pólos se com a mesma polaridade se repelem, então há uma força no sentido de rotação do rotor. O rotor gira com uma velocidade n um pouco inferior à velocidade síncrona, isto é, a velocidade da corrente do campo. Como é um pouco inferior, este motor é conhecido por motor assíncrono, isto é, sem sincronismo. Desta forma este motor não consegue arrancar, isto é, acelerar desde a velocidade zero até a nominal pois as forças que actuam nas barras curto-circuitadas opõem-se umas às outras, impedindo o seu arranque. Para que este motor possa arrancar é usual, utilizar-se uma bobina de campo auxiliar, desfasada de 90 graus das bobinas de campo principais, que cria um campo magnético auxiliar no arranque. Assim, o fluxo resultante inicial está desfasado em relação ao eixo das abcissas, e produz um binário de arranque. Após o arranque, enrolamento auxiliar deixa de ser necessário, pois a própria inércia do rotor compõem as forças necessárias para manter a rotação. Figura 1.22 Fluxo magnético do motor de Indução Monofásico de dois Pólos. 21

34 Suporte Teórico A diferença em valores percentuais entre a velocidade síncrona e a velocidade do motor de indução é conhecida como deslizamento, simbolizada pela letra S. O deslizamento dos motores de indução é variável em função da carga a ser accionada pelo motor, ou seja, é mínimo em vazio (sem carga) e máximo com a carga nominal. O deslizamento dos motores de indução é expresso através da seguinte equação: n - velocidade do eixo do motor (rpm). ns n S = 100 (eq.1.3) n s Através das duas últimas equações é possível verificar que a velocidade dos motores síncronos e assíncronos pode ser controlada através do ajuste do valor da frequência da corrente nas bobinas do estator. Este tipo de accionamento é realizado através de um conversor estático de frequência. Ao contrário dos motores síncronos e de corrente contínua; o motor assíncrono ou de indução é largamente utilizado nas indústrias pela sua simplicidade construtiva, pouca manutenção e baixo custo. Os motores de indução podem ser monofásicos ou trifásicos Motores de Indução Monofásico É um motor eléctrico de pequena ou média potência, geralmente menores que 5 CV. Para a produção do conjugado de partida o motor de indução monofásico necessita de um segundo enrolamento de partida auxiliar (Ea) desfasado de 90º construtivamente do enrolamento de trabalho (Et), conforme é indicado na figura Figura 1.23 Motor de indução monofásico. 22

35 Suporte Teórico O resultado da acção das correntes nos enrolamentos de trabalho e auxiliar é um campo magnético girante no estator, que faz o motor arrancar. Após o arranque o enrolamento auxiliar é desligado através de uma chave centrífuga que opera a cerca de 75% da velocidade síncrona. O conjugado de partida, neste caso, é moderado. Para aumentar o conjugado de partida é usado um condensador, ligado em série com o enrolamento auxiliar e a chave centrífuga. Esta técnica é utilizada para cargas de partida difíceis, tais como: compressores, bombas, equipamentos de refrigeração, etc. O motor de indução monofásico normalmente utilizado apresenta seis terminais acessíveis, sendo quatro para os dois enrolamentos de trabalho Et (1,2,3 e 4), bobinas projectadas para tensão de 127 V, e dois para o circuito auxiliar de partida (5 e 6), também projectado para a tensão de 127 V. A figura 9 mostra o esquema de ligação do motor de indução monofásico para as tensões de alimentação de 127 e 230 V entre fase e neutro. (a) Ligação em paralelo para 127V. (a) Ligação em série para 230V. Figura 1.24 Esquemas de Ligação do Motor de Indução Monofásico. Em alguns motores de baixa potência, o circuito auxiliar de partida é substituído por espiras curto-circuitadas, chamadas de bobinas de arraste. Neste caso, a máquina apresenta dois ou quatro terminais para as bobinas de trabalho. Para a inversão do sentido de rotação no motor de indução monofásico basta inverter as ligações do circuito auxiliar, ou seja, trocar o terminal 5 pelo 6. No motor com bobina de arraste não é possível inverter o sentido de rotação Motores de Indução Trifásico É um motor eléctrico de pequena, média ou grande potência que não necessita de circuito auxiliar de partida, ou seja, é mais simples, menor, e mais leve que o motor de indução 23

36 Suporte Teórico monofásico de mesma potência, por isso apresenta um custo menor. A figura 1.25 mostra o princípio de funcionamento do campo girante do mesmo. Figura 1.25 Funcionamento do campo girante do motor de indução trifásico. O motor de indução trifásico apresenta seis terminais acessíveis, dois para cada enrolamento de trabalho Et e, a tensão de alimentação destas bobinas é projectada para 230V. Para o sistema de alimentação 220/127 V-50Hz este motor deve ser ligado em triângulo e para o sistema 380/220V-50Hz o motor deve ser ligado em estrela conforme mostra a figura

37 Suporte Teórico (a) Ligação em triângulo (Δ) -220V (b) Ligação em estrela (Ү) 380V Figura 1.26 Esquemas de Ligação do Motor de Indução Trifásico. Para a inversão no sentido de rotação nos motores de indução trifásicos basta inverter duas das ligações do motor com as fontes de alimentação. A potência eléctrica PE absorvida da rede para o funcionamento do motor é maior que a potência mecânica PM fornecida no eixo especificado pelo fabricante, pois existe um determinado rendimento η do motor a ser considerado, isto é: P η = P M E = P M 3. VL. I L. 100 (%) (eq.1.4) cosφ A potência mecânica no eixo PM do motor (em W) está relacionada com o momento de torção M ou conjugado (em N.m) e com a velocidade do rotor n (em rpm) através da seguinte operação. 2π P M = n. M ( W ) (eq.1.5) 60 A figura 1.27 mostra as curvas do binário do motor, binário da carga e da corrente absorvida pelo mesmo, ambas em função da velocidade do rotor. 25