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Máquinas e Acionamentos Elétricos - Motores de Corrente Contínua

Capítulo 3 - MOTORES C

3.1 - PRINCÍPIO DO MOTOR C

Embora a construção mecânica de motores e geradores C seja muito parecida, as suas funções são bastante diferentes. A função de um gerador é gerar uma tensão quando os condutores se deslocam através de um campo magnético, enquanto um motor serve para produzir um esforço para a rotação, ou torque, para produzir rotação mecânica.

As relações eletromecânicas fundamentais, que distinguem a máquina operando como gerador da máquina operando como motor, podem ser resumidas como se segue:

Ação Motora Ação Geradora

1. O torque eletromagnético produz (ajuda) a rotação. 1. O torque eletromagnético (desenvolvido no condutor percorrido pela corrente) opõe-se à rotação (lei de Lenz).

2. A tensão gerada fcem (força contraeletromotriz) se opõe à corrente da armadura (lei de Lenz).

2. A tensão gerada fem (força eletromotriz) produz (ajuda) a corrente da armadura.

3.2 - SENTIDO DE ROTAÇÃO DA ARMADURA

Usa-se a regra da mão esquerda para determinar o sentido de rotação dos condutores da armadura (ou rotor). A regra da mão esquerda para os motores é a seguinte: com o polegar, o indicador e o médio da mão esquerda perpendiculares entre si, aponte o indicador no sentido das linhas de fluxo do campo magnético e o dedo médio no sentido da corrente que passa pelo condutor; o polegar indicará o sentido em que o condutor tende a se deslocar (Fig. 3-1(a)). Numa bobina retangular formada por uma única espira paralela a um campo magnético (Fig. 3-1(b)), o sentido da corrente no condutor da esquerda é para fora do papel, enquanto no condutor do lado direito é para dentro do papel. Portanto, o condutor da esquerda tende a se deslocar para cima com uma força F1, e o condutor do lado direito tende a se deslocar para baixo com uma força igual F2. As duas forças agem de modo a produzir um torque que faz a bobina girar no sentido horário. Um motor constituído por uma única bobina é impraticável (Fig. 3-1(b)), porque ele tem centros mortos e o torque produzido é pulsante. Obtem-se bons resultados quando se usa um grande número de bobinas, como no caso de um motor de quatro pólos (Fig. 3-2). À medida que a armadura gira e os condutores se afastam de um pólo passando pelo plano neutro (zona neutra), a corrente muda de sentido nos condutores em virtude da ação do comutador. Assim, os condutores sob um determinado pólo conduzem a corrente no mesmo sentido em todos os instantes.

A necessidade de comutação para reverter a corrente num condutor à medida que se move sob um pólo de polaridade oposta é tão fundamental para um motor de C quanto para um gerador de C. Finalmente, como nenhum torque útil (tangencial à armadura) é produzido por condutores que se encontram na região interpolar, pouco torque é perdido pelos condutores que estão em comutação.

Fig. 3-1 : Aplicações da regra da mão esquerda para os motores.

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Fig. 3-2 : Sentido da corrente nos condutores da armadura de um motor de quatro pólos que gira no sentido anti-horário.

3.3 - TORQUE DO MOTOR C

O torque T produzido por um motor é proporcional à intensidade do campo magnético e à corrente que circula pelos condutores da armadura.

kt → constante que depende das dimensões físicas da máquina.

Ia → corrente da armadura, A φ → número total de linhas de fluxo que entra na armadura por um pólo N, Wb

3.4 - CIRCUITO EQUIVALENTE DO MOTOR C

As relações entre a tensão e a corrente em um circuito equivalente de um motor C (Fig. 3- 3) são as seguintes:

onde: Vta → tensão nos terminais da armadura, V

Vg → tensão gerada na armadura ou força contra-eletromotriz fcem, V Vt → tensão nos terminais do motor, V

Ia → corrente da armadura, A e ra, rs, rf, Is, If e IL representam as mesmas grandezas definidas no circuito equivalente de um gerador C (Fig. 2-10). Uma comparação entre o circuito equivalente de um gerador (Fig. 2-10) e o circuito equivalente de um motor (Fig. 3-3), mostra que a única diferença está no sentido da corrente na armadura e na linha.

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Fig. 3-3 : Circuito equivalente de um motor C (motor composto).

A fcem de um motor, Vg, é gerada pela ação dos condutores da armadura ao interceptar as linhas de fluxo magnético. Se em um motor shunt a Eq. (3.3) for multiplicada por Ia (e rs=0),

Vt⋅Ia é a potência fornecida à armadura do motor; ra⋅ Ia2 é a potência dissipada na forma de calor pela corrente da armadura; e Vg⋅Ia é a potência produzida pela armadura. Mas esta potência produzida pela armadura não representa uma potência útil de saída, pois uma parte dela precisa ser gasta para suprir as perdas mecânicas ou rotacionais do motor. A especificação de saída do motor é igual à entrada (Vt⋅IL) menos as perdas por aquecimento (r⋅ I2) e as perdas rotacionais. As unidades mais usuais para a saída de um motor são:

1. cv de cavalo-vapor cv

Watts Watts = cv= ⇒ ×

2. hp diretamente do inglês “horse-power” hpWatts Watts = hp= ⇒ ×

3.5 - VELOCIDADE DE UM MOTOR

A velocidade é dada pelo número de rotações do eixo com relação ao tempo e é expressa em unidades de rotações por minuto (rpm). Uma redução no fluxo do campo do motor provoca um acréscimo na sua velocidade. Ou, ao contrário, um aumento no fluxo do campo provoca uma diminuição na velocidade do motor. Tais afirmações podem ser comprovadas com uma simples manipulação da Eq. (2.5), resultando em:

n Vk

Pelo fato de a velocidade do motor variar com a excitação do campo, costuma-se empregar uma forma conveniente de se controlar a velocidade variando o fluxo do campo através do ajuste da resistência no circuito do campo.

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3.6 - REGULAÇÃO DE VELOCIDADE NO MOTOR

A regulação de velocidade de um motor é definida como: a variação da velocidade desde a plena carga até a situação de carga nula, expressa em porcentagem da velocidade nominal.

Se um motor puder manter uma velocidade praticamente constante para diferentes cargas, diz-se que o motor apresenta uma boa regulação de velocidade. A regulação de velocidade de um motor é a diferença entre a velocidade do motor sem carga (nSC) e a velocidade do motor com carga máxima (nCM), e é expressa como uma porcentagem do valor da velocidade do motor com carga máxima (ou velocidade nominal).

3.7 - TIPOS DE MOTORES C

3.7.1 - Motor Shunt (Motor em Derivação) Este é o tipo mais comum de motor C. Ele é ligado da mesma forma que o gerador shunt ou gerador em derivação (Fig. 3-4(a)). Suas curvas características de velocidade × carga e torque × carga (Fig. 3-4(b)) mostram que o torque aumenta linearmente com o aumento na corrente da armadura, enquanto a velocidade cai ligeiramente à medida que a corrente da armadura aumenta. A velocidade básica é a velocidade com carga máxima. O ajuste de velocidade é feito inserindo-se uma resistência no campo usando um reostato de campo. Numa posição do reostato, a velocidade do motor, permanece praticamente constante para todas as cargas. Os acionadores ou dispositivos de partida usados com os motores C limitam a corrente de partida da armadura em 125 a 200 por cento da corrente de carga máxima (nominal). Deve-se tomar cuidado para não se abrir o circuito do campo de um motor em derivação que está rodando sem carga, porque a velocidade do motor aumenta descontroladamente até o motor queimar.

(a) Diagrama esquemático. (b) Curvas de velocidade × carga e torque × carga

Fig. 3-4 : Características de um motor shunt (em derivação) típico.

3.7.2 - Motor Série

O campo deste tipo de motor é ligado em série com a armadura (Fig. 3-5(a)). A velocidade varia de um valor muito alto com uma pequena carga até um valor bem baixo com a carga máxima (Fig. 3-5(b)). O motor série é conveniente quando parte com cargas pesadas ligadas a ele (guindastes e guinchos), porque com altas correntes na armadura ele produz um torque elevado e funciona em baixa rotação (Fig. 3-5(b)). Sem nenhuma carga, a velocidade de um motor série aumentará ilimitadamente até o motor se destruir. Entretanto, os grandes motores série são geralmente ligados diretamente à carga e não através de correias ou polias.

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(a) Diagrama esquemático. (b) Curvas de velocidade × carga e torque × carga

Fig. 3-5 : Características de um motor série típico.

3.7.3 - Motor Composto (Compound)

Este tipo de motor C associa as características operacionais dos motores shunt e dos motores série (Fig. 3-6(a) e (b)). O motor composto funciona com segurança sem carga. À medida que se adicionam as cargas, a sua velocidade diminui, e o torque é maior se comparado com o do motor shunt (Fig. 3-7).

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