Documento da Siemens sobre o funcionamento dos Motores CC

Documento da Siemens sobre o funcionamento dos Motores CC

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Unidade Automação e Controle – Acionamentos e Motores Elétricos PUBLICAÇÃO TÉCNICA

MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA Guia rápido para uma especificação precisa

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1. INTRODUÇÃO

As máquinas de corrente contínua podem ser utilizadas tanto como motor quanto como gerador. Porém, uma vez que as fontes retificadoras de potência podem gerar tensão contínua de maneira controlada a partir da rede alternada, pode-se considerar que, atualmente, a operação como gerador fica limitada aos instantes de frenagem e reversão de um motor.

Atualmente, o desenvolvimento das técnicas de acionamentos de corrente alternada (CA) e a viabilidade econômica têm favorecido a substituição dos motores de corrente contínua (C) pelos motores de indução acionados por inversores de freqüência. Apesar disso, devido às suas características e vantagens, que serão analisadas adiante, o motor C ainda se mostra a melhor opção em inúmeras aplicações, tais como:

· Máquinas de Papel • Bobinadeiras e desbobinadeiras

• Laminadores

• Máquinas de Impressão

• Extrusoras

• Prensas

• Elevadores

• Movimentação e Elevação de Cargas

• Moinhos de rolos

• Indústria de Borracha

• Mesa de testes de motores

O objetivo deste texto é fornecer base técnica sobre o motor de corrente contínua – aspectos construtivos, princípio de funcionamento, controle de velocidade, vantagens e desvantagens –, e auxiliar o leitor em uma correta seleção. O capítulo 2 apresenta o motor C e seus aspectos principais: aspectos construtivos, princípio de funcionamento, controle de velocidade, vantagens e desvantagens, oferecendo um conteúdo técnico suficiente para o leitor poder dimensionar um acionamento. O capítulo 3 contém uma série de fatores que influenciam a instalação do motor, tais como grau de proteção, tipos de refrigeração, forma construtiva, ciclo de carga, classes de temperatura, etc, com a finalidade de definir as características do motor que melhor se adequa ao ambiente de trabalho. Finalmente, o capítulo 4 mostra como selecionar corretamente um motor C, a estrutura de códigos dos motores Siemens e um tutorial passo-apasso na escolha do tipo adequado.

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2. O MOTOR C

2.1. Aspectos Construtivos O motor de corrente contínua é composto de duas estruturas magnéticas:

· Estator (enrolamento de campo ou ímã permanente); • Rotor (enrolamento de armadura).

O estator é composto de uma estrutura ferromagnética com pólos salientes aos quais são enroladas as bobinas que formam o campo, ou de um ímã permanente. A figura 1 mostra o desenho de um motor C de 2 pólos com enrolamento de campo.

Fig. 1 –Desenho (a) e foto (b) de um motor C de 2 pólos

O rotor é um eletroímã constituído de um núcleo de ferro com enrolamentos em sua superfície que são alimentados por um sistema mecânico de comutação (figura 2). Esse sistema é formado por um comutador, solidário ao eixo do rotor, que possui uma superfície cilíndrica com diversas lâminas às quais são conectados os enrolamentos do rotor; e por escovas fixas, que exercem pressão sobre o comutador e que são ligadas aos terminais de alimentação. O propósito do comutador é o de inverter a corrente na fase de rotação apropriada de forma a que o conjugado desenvolvido seja sempre na mesma direção.

Os enrolamentos do rotor compreendem bobinas de n espiras. Os dois lados de cada enrolamento são inseridos em sulcos com espaçamento igual ao da distância entre dois pólos do estator, de modo que quando os condutores de um lado estão sob o pólo norte, os condutores do outro devem estar sob o pólo sul. As bobinas são conectadas em série através das lâminas do

(a) (b)

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Unidade Automação e Controle – Acionamentos e Motores Elétricos w.siemens.com.br/motores comutador, com o fim da última conectado ao início da primeira, de modo que o enrolamento não tenha um ponto específico.

Fig. 2 – Sistema de Comutação

Todos os motores de corrente contínua da Siemens possuem uma estrutura magnética completamente laminada, sendo portanto adequados para utilização com conversor CA/C, e no caso de processos com alta dinâmica, consegue-se uma taxa de aumento da corrente de até

250xIN por segundo.

2.2. Princípio de Funcionamento A figura 3 mostra, de maneira simplificada, o funcionamento do motor C de dois pólos.

Fig. 3 – Princípio de funcionamento do motor C

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A figura acima é um desenho esquemático simples de um motor onde o estator é constituído por ímãs permanentes e o rotor é uma bobina de fio de cobre esmaltado por onde circula uma corrente elétrica. Uma vez que as correntes elétricas produzem campos magnéticos, essa bobina se comporta como um ímã permanente, com seus pólos N (norte) e S (sul) como mostrados na figura.

Comecemos a descrição pela situação ilustrada em (a) onde a bobina apresenta-se horizontal. Como os pólos opostos se atraem, a bobina experimenta um torque que age no sentido de girar a bobina no sentido anti-horário. A bobina sofre aceleração angular e continua seu giro para a esquerda, como se ilustra em (b).

Esse torque continua até que os pólos da bobina alcance os pólos opostos dos ímãs fixos (estator). Nessa situação (c) – a bobina girou de 90o – não há torque algum, uma vez que os braços de alavanca são nulos (a direção das forças passa pelo centro de rotação); o rotor está em equilíbrio estável (força resultante nula e torque resultante nulo). Esse é o instante adequado para inverter o sentido da corrente na bobina. Agora os pólos de mesmo nome estão muito próximos e a força de repulsão é intensa. Devido à inércia do rotor e como a bobina já apresenta um momento angular “para a esquerda”, ela continua girando no sentido anti-horário (semelhante a uma “inércia de rotação”) e o novo torque (agora propiciado por forças de repulsão), como em (d), colabora para a manutenção e aceleração do movimento de rotação.

Mesmo após a bobina ter sido girada de 180o, situação não ilustrada na figura, o movimento continua, a bobina chega na “vertical” – giro de 270o –, o torque novamente se anula, a corrente novamente inverte seu sentido, há um novo torque e a bobina chega novamente à situação (a) – giro de 360o. E o ciclo se repete.

Essas atrações e repulsões bem coordenadas é que fazem o rotor girar. A inversão do sentido da corrente (comutação), no momento oportuno, é condição indispensável para a manutenção dos torques ”favoráveis”, os quais garantem o funcionamento dos motores.

A comutação consiste na mudança de uma lâmina do comutador, onde as bobinas são ligadas em série, para a próxima. Durante esta comutação a bobina é momentaneamente curtocircuitada pelas escovas, o que ajuda a liberar energia a armazenada, antes de a corrente fluir no sentido oposto. Porém, como essa inversão de corrente não é instantânea, uma força eletromotriz é induzida na espira ÷ ł dt diLaa, o que origina uma corrente de curto-circuito que circula no coletor, nas espiras e nas escovas. Após o curto-circuito, a interrupção dessa corrente dá origem ao aparecimento de faíscas nos contatos das escovas com o coletor, que podem gerar arcos elétricos perigosos e que danificam o coletor, tendo portanto que ser eliminadas.

A fim de eliminar as faíscas, torna-se necessário induzir na espira, durante o curto-circuito, uma força eletromotriz que anule a resultante do processo de comutação, conseguido através dos pólos de comutação, de menores dimensões e situados sobre a linha neutra e percorridos pela mesma corrente do rotor. No entanto estes pólos, além de anularem o fenômeno da comutação,

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Unidade Automação e Controle – Acionamentos e Motores Elétricos w.siemens.com.br/motores enfraquecem o fluxo do estator – fenômeno chamado de “reação magnética do rotor”. Nas máquinas de grandes dimensões esse fenômeno é eliminado através dos enrolamentos de compensação que, ligados em série com o rotor e colocados na periferia dos pólos do estator, geram um fluxo com a mesma intensidade e sentido contrário do fluxo de reação, anulando-o.

A figura 4 mostra um desenho esquemático bastante simplificado de um motor C com apenas uma bobina, o comutador e as escovas.

Fig. 4 – Comutador e escovas

Em sua forma mais simples, o comutador apresenta duas placas de cobre encurvadas e fixadas (isoladamente) no eixo do rotor; os terminais do enrolamento da bobina são soldados nessas placas. A corrente elétrica “chega” por uma das escovas (+), “entra” pela placa do comutador, “passa” pela bobina do rotor, “sai” pela outra placa do comutador e “retorna” à fonte pela outra escova (-). Nessa etapa o rotor realiza sua primeira meia-volta. Nessa meia-volta, as placas do comutador trocam seus contatos com as escovas e a corrente inverte seu sentido de percurso na bobina do rotor. E o motor C continua girando, sempre com o mesmo sentido de rotação.

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2.3. Controle de Velocidade nos Motores C O modelo do circuito elétrico do motor C é ilustrado na figura 5.

Fig. 5 – Modelo do circuito elétrico do motor C

EIRUaaa+×=(1)

A Lei de Kirchhoff aplicada ao circuito de armadura resulta em:

Onde: Ua = Tensão de armadura Ra = Resistência da armadura

Ia = Corrente de armadura E = Força Eletromotriz induzida ou Força Contra-Eletromotriz da armadura

Pela Lei da Indução de Faraday, a força eletromotriz induzida é proporcional ao fluxo e à rotação, ou seja:

nkE××=f1(2)

Combinando as eq. (1) e (2), a expressão para a velocidade do motor C é dada por:

a IRU kn

=1(3)

Onde: n = velocidade de rotação k1 = constante que depende do tamanho do rotor, do número de pólos do rotor, e como essas pólos são interconectados.

f = fluxo no entreferro wm, C

If Rf

Lf f Ua Uf

-Circuito de armadura Circuito de campo

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Admitindo-se que a queda de tensão na armadura é pequena, ou seja, 0@×aaIR, a expressão (1) se reduz a:

kn1=(4)

Portanto, a velocidade é diretamente proporcional à tensão de armadura, e inversamente proporcional ao fluxo no entreferro.

O controle da velocidade, até a velocidade nominal1, é feito através da variação da tensão de armadura do motor, mantendo-se o fluxo constante.

Velocidades superiores à nominal podem ser conseguidas pela diminuição do fluxo, mantendo-se a tensão de armadura constante.

Sabendo que o fluxo é proporcional à corrente de campo, ou seja:

f2Ik×=f(5)

Onde: k2 = constante If = corrente de campo

Tais velocidades são atingidas através da diminuição da corrente de campo, mantendo-se a tensão de armadura constante.

f××=aIkC3(6)

O conjugado do motor é dado por:

Onde: C = conjugado eletromagnético do motor k3 = constante

Como dito anteriormente, o controle de velocidade, até à rotação nominal é feito através da variação da tensão da armadura, mantendo-se o fluxo constante. Dessa forma, observando-se a eq. (6) a corrente de armadura se eleva transitoriamente, de forma apreciável, de modo a produzir o conjugado total requerido pela carga, mais o conjugado necessário para a aceleração.

O conjugado acelerador incrementa a velocidade da máquina e, de acordo com a eq. (2), a força eletromotriz induzida no motor também aumenta. Assim, segundo a eq. (1), a corrente transitória cai até um ponto de equilíbrio, que corresponde à manutenção do torque exigido pela carga. Esse ponto de equilíbrio é definido pelo valor da tensão de armadura aplicado e pela queda

1 A velocidade nominal do motor é definida através da corrente de armadura nominal pelos aspectos térmicos do dimensionamento do motor.

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Unidade Automação e Controle – Acionamentos e Motores Elétricos w.siemens.com.br/motores de tensão na resistência de armadura, como mostra a eq. (1). Se o conjugado requerido pela carga for constante, o motor tenderá a supri-lo, sempre absorvendo uma corrente de armadura também praticamente constante. Somente durante as acelerações provocadas pelo aumento da tensão, que transitoriamente a corrente se eleva para provocar a aceleração da máquina, retornando após isso, ao seu valor original. Portanto, em regime, o motor C opera a corrente de armadura essencialmente constante também. O nível dessa corrente é determinado pela carga no eixo. Assim, no modo de variação pela tensão de armadura, até a rotação nominal, o motor tem a disponibilidade de acionar a carga exercendo um torque constante em qualquer rotação de regime estabelecida, como mostra a figura 6, que representa as curvas características dos motores C. Esse torque pode ser qualquer, até o limite do valor nominal, que corresponde a uma corrente de armadura nominal, definida por aspectos térmicos de dimensionamento do motor.

Fig. 6 – Curvas características de um motor C

O controle da velocidade após a rotação nominal é feito variando-se o fluxo e mantendo a tensão de armadura constante e, por isso, chama-se zona de enfraquecimento de campo.

Pela eq. (4), para se aumentar a velocidade, deve-se reduzir o fluxo, existindo entre ambos, uma relação hiperbólica. Ainda, combinando as equações (4) e (6), tem-se:

IUkCaa××=4(7)

Portanto, acima da rotação nominal, como tensão e corrente de armadura são constantes, o conjugado é inversamente proporcional à rotação, como também pode ser visto na figura 6.

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2.4. Tipos de Excitação

As características dos motores de corrente contínua são profundamente afetadas pelo tipo de excitação prevista. A tabela 1 apresenta os diferentes tipos de excitação e suas respectivas características.

Tabela 1 – Tipos de excitação dos motores C

Tipo de excitação Representação Características

Série · Bobinas de campo estão em série com o enrolamento da armadura

• Só há fluxo no entreferro da máquina quando a corrente da armadura for diferente de zero (máquina carregada)

• Conjugado é função quadrática da corrente, uma vez que o fluxo é praticamente proporcional à corrente de armadura

• Conjugado elevado em baixa rotação

• Potência constante

• Velocidade extremamente elevada quando o motor é descarregado, por isso não se recomenda utilizar transmissões por meio de polias e correias

Paralelo • Velocidade praticamente constante

• Velocidade ajustável por variação da tensão de armadura

Independente • Motor excitado externamente pelo circuito de campo

• Velocidade praticamente constante

• Velocidade ajustável por variação da tensão de armadura e também por enfraquecimento de campo

• São os motores mais aplicados com conversores CA/C na indústria

• Aplicações mais comuns: máquinas de papel, laminadores, extrusoras, fornos de cimento, etc.

Composta • Enrolamento de campo independente • Apresenta um fluxo mínimo mesmo com o motor em vazio.

E f

E f

Campo f

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2.5. Vantagens e desvantagens dos acionamentos em corrente contínua

Dependendo da aplicação, os acionamentos em corrente contínua são geralmente os que apresentam os maiores benefícios, também em termos de confiabilidade, operação amigável e dinâmica de controle. Por outro lado, esse tipo de acionamento apresenta algumas desvantagens.

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