Apostila motores cc

Apostila motores cc

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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA

COLÉGIO TÉCNICO INDUSTRIAL DE SANTA MARIA

COoRDENADORIA DE ENSINO DE SEGUNDO GRAU

MOTORES CC

Profª. Adriane Dutra

SANTA MARIA

1. VISÃO GERAL DOS MOTORES ELÉTRICOS

O motor elétrico é uma máquina que transforma energia elétrica em energia mecânica, usualmente disponibilizada em um eixo de rotação, como ilustra a Figura 1.

Figura 1. Transformação de energia no motor.

A ação motora é aproveitada no acionamento de diversos tipos de máquinas e equipamentos, tais como: bombas de água, ventiladores, compressores, prensas, tornos, correias transportadoras, entre diversas outras aplicações. Pode-se observar apenas a partir dessas aplicações, que o motor elétrico é a máquina mais largamente utilizada na indústria, no meio rural, no comércio, nos serviços e nas residências. Estima-se que mais de 40% de toda elétrica consumida no país é destinada ao acionamento de motores elétricos em geral. No setor industrial como um todo, pouco mais da metade da energia elétrica é consumida por motores. Os outros pontos de forte consumo são os processos eletroquímicos, aquecimento e iluminação. São comuns as indústrias nas quais mais de 80% do consumo de energia elétrica é de responsabilidade dos motores.

Existem diversos tipos de motores elétricos, desde potências minúsculas de alguns watts até potência na faixa de megawatts, os quais podem ser divididos em duas grandes famílias. A primeira é a família dos motores acionados por corrente contínua (motores CC). A segunda é a dos motores acionados por corrente alternada (motores CA), que podem ser dos tipos síncrono ou assíncrono (também denominado motor de indução).

Devido à simplicidade com que podem ser controlados, os motores CC são usados freqüentemente em aplicações que necessitam de uma gama razoável de velocidades de rotações ou controle preciso do desempenho. Logo, nas próximas seções será apresentada a descrição física dos motores CC bem como o princípio de funcionamento e os tipos de configurações possíveis.

2. CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS

Tanto um gerador quanto um motor de corrente contínua são constituídos de duas partes fundamentais:

  • Estator: conjunto de elementos fixados à carcaça da máquina, destinados a criar e manter um campo magnético uniforme;

  • Rotor: conjunto de elementos em torno do eixo móvel, onde se processa a conversão de energia.

2.1. Estator

O estator de uma máquina de corrente continua consiste basicamente de:

a) Carcaça: tem uma forma cilíndrica e tem a função de conduzir um campo magnético elevado, bem como suportar toda a massa da máquina. Também deve possuir uma resistência mecânica elevada de modo a suportar a máquina sem deformações nem vibrações sensíveis. A carcaça é confeccionada em ferro fundido, pois nela, o fluxo magnético é constante (em regime permanente o campo magnético é invariante no tempo) não ocorrendo perdas de histerese e Foucalt1. Além disso, deve possuir uma permeabilidade magnética elevada.

b) Enrolamento de campo: também chamado de “excitação”, tem a finalidade única de magnetizar o circuito magnético da máquina e permitir a conversão elétrica-mecânica de energia no rotor. Este enrolamento é formado por bobinas em torno do núcleo dos pólos, operando com pequena corrente. Estas bobinas são constituídas por espiras de fio de cobre isolado, percorridas por corrente contínua destinada a criar um campo magnético elevado. São colocadas de modo a obter alternadamente um pólo norte e um pólo sul.

c) Pólos: Os pólos são compostos pelo núcleo e pela sapata polar. Para máquinas de pequeno porte (até 50 kW), o núcleo e a sapata polar são feitos juntos pela superposição de lâminas de aço silício, para diminui as perdas no ferro. Para máquinas de maior porte, o núcleo dos pólos é maciço de ferro fundido e a sapata polar é feita com lâminas de aço silício. Estes têm por funções criar um elevado campo magnético e suportar as bobinas do enrolamento indutor, e devem apresentar reduzidas perdas magnéticas, e elevada permeabilidade magnética. A sapata polar é curvada, e é mais larga que o núcleo polar, para espalhar o fluxo mais uniformemente.

d) Interpolos: têm a função de minimizar o faiscamento no coletor da máquina. Estão localizados entre os pólos principais e conectados em série com o enrolamento da armadura, de modo que a sua força eletromotriz é proporcional à corrente da armadura.

e) Escovas: assim como os interpolos, os elementos chamados de escovas são parte do circuito da armadura. É através das escovas que a corrente do enrolamento da armadura circula para o circuito externo. As escovas usualmente são de carvão e grafite, e são suportadas no estator por um suporte tipo anel, e mantidas nesse suporte por meio de molas, de forma que as escovas manterão um contato firme com os segmentos do comutador.

2.2. Rotor

Por outro lado, o rotor é constituído basicamente de:

a) Eixo da armadura: responsável pela transmissão de energia mecânica para fora do motor, pelo suporte dos elementos internos do rotor e pela fixação ao estator, por meio de rolamentos e mancais.

b) Núcleo da armadura: está conectado ao eixo e é construído de camadas laminadas de material ferromagnético, provendo um caminho de baixa relutância magnética entre os pólos. As lâminas servem para reduzir as correntes parasitas no núcleo, e o material ferromagnético usado dever resultar em uma baixa perda por histerese. O núcleo contém ranhuras axiais na sua periferia para colocação do enrolamento da armadura.

c) Enrolamento da armadura: é constituído por condutores de cobre, isolados, colocados nas ranhuras do núcleo e ligados às lâminas do comutador (coletor).

d) Comutador ou coletor: o comutador é montado no eixo da máquina CC e consiste de segmentos de cobre, individuais isolados entre si e do eixo, eletricamente conectados às bobinas do enrolamento da armadura. Devido à rotação do eixo, providencia o necessário chaveamento para o processo de comutação.

Assim, o rotor das máquinas de CC tem quatro funções principais: (1) permite rotação para ação geradora ou ação motora mecânica; (2) em virtude da rotação, produz a ação de chaveamento necessário para a comutação; (3) contém os condutores que induzem a tensão ou providenciam um torque eletromagnético; e (4) providencia um caminho de baixa relutância para o fluxo magnético.

Rolamentos

Comutador

Escovas

Porta-escovas

Armadura

Enrolamento de campo

Figura 2. Partes construtivas de uma máquina CC.

3. CONCEITOS FUNDAMENTAIS

A conversão eletromecânica de energia de, praticamente, todas as máquinas elétricas girantes, depende de dois princípios básicos do eletromagnetismo, que estão intimamente relacionados, chamados: (1) indução eletromagnética e (2) força eletromagnética. Os princípios básicos desses dois fenômenos serão descritos a seguir.

3.1. Lei de Faraday da indutância eletromagnética

A incomparável contribuição da descoberta de Faraday, em 1831, foi a geração de uma tensão através do movimento relativo entre um campo magnético e um condutor de eletricidade. Faraday chamou esta tensão de “induzida”, pois ocorria apenas quando havia movimento relativo entre o condutor e um campo magnético, sem contato físico entre eles.

A lei de Faraday pode ser a que se segue:

O valor da tensão induzida em uma simples espira de fio é proporcional à razão de variação das linhas de força que passam através da espira.”

Em máquinas elétricas rotativas, a variação do fluxo que concatena cada espira individual devido à rotação não é claramente definida ou facilmente mensurável. É mais conveniente, portanto, expressar essa razão de variação em função de uma densidade média de fluxo (supostamente constante) e da velocidade relativa entre este campo e um condutor singelo movendo-se perpendicularmente através dele. Para um condutor de comprimento ativo l, a força eletromotriz (fem) induzida instantânea pode ser expressa como:

(V)

(0)

onde: B é a densidade de fluxo em Tesla (T),

l é o comprimento da porção ativa do condutor que concatena o fluxo em m,

v é a velocidade relativa entre o condutor e o campo em m/s.

Aumentando ou a densidade de fluxo ou a velocidade relativa (ou ambas) aumentará a razão da variação do fluxo concatenado e, portanto, a fem induzida num dado condutor. É também claramente evidente que um aumento no comprimento total do condutor não aumentara a fem, uma vez que permaneça inalterado o comprimento ativo do mesmo. O comprimento ativo l pode ser aumentado (1) usando-se pólos maiores ou pólos em maior número, ou (2) bobinando o condutor sobre si mesmo, de modo que vários comprimentos ativos sejam ligados em série e apresentados ao campo magnético de tal modo que todos se movem no mesmo sentido.

Deve-se salientar que a equação (0) é válida somente quando o condutor está perpendicular ao campo magnético e quando seu movimento é perpendicular a ele. Como essas restrições não são válidas na operação de máquinas comerciais, os efeitos dessas condições no valor da fem induzida devem ser considerados. Para a fem induzida em qualquer condutor em movimento em qualquer sentido com respeito ao campo magnético, tem-se que:

(V)

(0)

Exemplo 1:

Um condutor singelo, de 2 m, é movido por uma força mecânica em um campo magnético uniforme de 0,5 T, cobrindo uma distância de 5 m/s. Calcule:

  1. A fem induzida quando o movimento é perpendicular ao campo magnético;

  2. A fem induzida quando o movimento ocorre em um ângulo de 60º com relação ao campo magnético.

Solução:

a) e = 5V

b) e = 4,33V

3.2. Sentido da fem induzida – Regra de Fleming

Na seção anterior foi definida a amplitude da fem induzida em função da densidade do fluxo, do comprimento ativo do condutor e da velocidade em que o condutor se move no campo magnético. Porém, o sentido da fem induzida ainda não foi definido.

A relação entre os sentidos da fem induzida, do campo magnético e do movimento de um condutor é convenientemente representada pela regra de Fleming, mostrada na figura abaixo. Quando é empregado o sentido convencional da corrente para determinar o sentido da fem gerada, pode-se chamar a regra de Fleming de “regra da mão direita”.

(a) (b)

Figura 3. Regra da mão direita, de Fleming, para o sentido da fem induzida (corrente convencional).

Usando o polegar para representar o movimento do condutor, o indicador para representar o sentido do campo magnético, e o dedo médio para representar a fem induzida, pode-se verificar o sentido da fem induzida da Figura 3(b), que é oposta à da Figura 3(a) devido ao fato de se ter invertido o sentido do movimento.

3.3. Prova da regra da mão direita por meio da lei de Lenz

A direção da fem induzida para um condutor específico, em movimento num dado campo magnético, também pode ser verificada através da lei de Lenz. Esta técnica requer o uso da “regra do saca-rolhas da mão direita” para a direção do fluxo ao redor do condutor pelo qual circula a corrente, bem como da lei de Lenz. A lei de Lenz estabelece que:

Em todos os casos de indução eletromagnética, uma fem induzida fará com que a corrente circule em um circuito fechado, num sentido tal que seu efeito magnético se oponha à variação que a produziu.”

O movimento ascendente do condutor do lado esquerdo, mostrado na figura abaixo, produziria uma fem e uma corrente cujo campo magnético, opor-se-ia ao movimento ascendente do condutor.

Figura 4. Gerador elementar bipolar.

Este método de verificação indaga: “Que tipo de campo magnético opor-se-á ao movimento do condutor?” O raciocínio indica que um campo magnético de sentido anti-horário se opõe ao movimento do condutor, uma vez que um tal campo produz repulsão acima do condutor e atração abaixo. Convém lembrar que linhas de força na mesma direção produzem repulsão e em direções opostas produzem atração.

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