MOTORES ELÉTRICOS DE CORRENTE CONTÍNUA

MOTORES ELÉTRICOS DE CORRENTE CONTÍNUA Gabriel Almeida Santos1, Leonardo Freire Pacheco2 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia – IFBA Emails: gab.biel2011@gmail.com, leofpacheco2@gmail.com 1 Graduando em Engenharia Elétrica, 2Graduando em Engenharia Elétrica RESUMO Este trabalho apresenta o funcionamento e os fundamentos teóricos utilizados em um motor elétrico de maneira que possa ser explicado através das leis do eletromagnetismo. O trabalho é apresentado mostrando alguns tipos de motores elétricos de corrente contínua (CC) e suas principais aplicações. INTRODUÇÃO “Motores elétricos são uma parte importantíssima do processo produtivo industrial, não só no Brasil, como no mundo. Base de uma infinidade de equipamentos e facilidades como gerador de força motriz, o parque de motores elétricos é responsável pelo consumo de um terço de toda a energia ofertada no país” [Editado] (Garcia, 2003). O motor elétrico é o responsável por converter a energia elétrica que chega em nossas casas, empresas, indústrias, etc. em uma forma de energia mecânica capaz de gerar trabalho, onde será transmitido para mover equipamentos ou substituir trabalho humano. Hoje em dia, o motor elétrico faz parte cotidiano da sociedade estando nos mais diversos equipamentos, desde os mais simples, como os liquidificadores, até os maiores, como elevadores, etc. E é também parte fundamental da automação industrial. 1. ELETROMAGNETISMO A construção final de um motor elétrico e o início do campo de estudo do eletromagnetismo foi possível devido a vários processos que começaram lá atrás no século XIX, onde fenômenos elétricos e magnéticos eram tratados como áreas totalmente distintas. 1.1 O Experimento de Oersted Hans Christian Oersted (Rudkøbing, 14 de Agosto de 1777 — Copenhaga, 9 de Março de 1851) foi um professor e físico dinamarquês que deu início ao estudo do eletromagnetismo. Oersted verificou que uma corrente era capaz de alterar a direção da agulha magnética de uma bússola. Quando havia corrente elétrica percorrendo o fio a orientação da agulha era alterada e se encontrava perpendicular ao fio. Oersted então concluiu que “Todo condutor percorrido por uma corrente elétrica, cria em torno de si um campo magnético”. Dava início a partir daí o estudo da relação entre corrente elétrica e campo magnético. 1.2 Lei de Ampère André-Marie Ampère (Lyon, 20 de janeiro de 1775 — Marselha, 10 de junho de 1836) foi um físico, filósofo, cientista e matemático francês que reformulou o experimento de Oersted. “Em um fio condutor por onde passa uma determinada corrente elétrica, irá gerar um campo magnético com formato circular, perpendicular à direção da corrente”. A lei de Ampère pode ser escrita dessa maneira: �⃗ �� �⃗ = �� � ∮ �� (1). � Onde �0 é a permeabilidade magnética no vácuo e vale 4�10−7 �2 �⃗), ao longo de uma curva C é proporcional a A circulação do campo magnético (� corrente elétrica (�) que passa pela curva. 1.3 Lei de Faraday O físico e químico Inglês, Michael Faraday (Newington, Surrey, 22 de setembro de 1791 — Hampton Court, 25 de agosto de 1867), mostrou que o inverso também podia acontecer. Através de seus experimentos ele demonstrou que a variação de um campo magnético em uma espira provoca uma corrente chamada de corrente induzida, Figura 1. Figura 1: Corrente induzida devido à variação de fluxo magnético. O mesmo acontecia para a variação de corrente em uma espira sobre outra espira. A variação de corrente na primeira espira faz variar o fluxo de campo magnético o que consequentemente gera uma corrente induzida na segunda espira, Figura 2. Figura 2: Corrente induzida devido à variação de corrente. Como uma corrente foi criada, é necessário ter uma força eletromotriz que irá produzir essa corrente induzida. A essa força se dá o nome de força eletromotriz induzida. Faraday mostrou que é a variação do número de linhas de campo que passam através da espira que induz uma força eletromotriz induzida na espira. A variação de fluxo magnético é dada por: �⃗ �� ��⃗ �� = ∫ �� (2). A lei de Faraday diz: “A intensidade da força eletromotriz induzida em um circuito é igual à taxa com que o fluxo magnético que o atravessa varia com o tempo”. Uma outra lei é utilizada para complementar a lei de Faraday. A lei de Lenz diz, “O fluxo do campo magnético devido à corrente opõe-se à variação no fluxo que causa a corrente induzida”. A partir da lei de Lenz, a lei de Faraday pode ser escrita como: �= − ��� �� (3). 2. MOTORES ELÉTRICOS CC 2.1 Princípio de Funcionamento O Princípio de funcionamento de um motor elétrico se baseia num princípio físico relativo ao campo magnético gerado ao redor de um condutor quando percorrido por uma corrente elétrica (Experimento de Oersted) e na interação entre dois campos magnéticos. Campos magnéticos com pólos iguais se repelem e campos magnéticos com pólos diferentes se atraem. O campo criado no estator (fixo) devido à passagem de corrente elétrica no mesmo irá interagir com o campo gerado na bobina do rotor. O objetivo final do motor é utilizar essa atração e repulsão de campos magnéticos para gerar movimento e transmiti-lo a objetos ou máquinas. Os motores são constituídos basicamente de: Estator: Parte fixa do motor, que pode conter um ou mais enrolamento por polo, para receber corrente e produzir o campo magnético fixo. Armadura (ou rotor): É uma parte móvel do motor ligado ao eixo de transmissão de movimento. É um rotor bobinado cujas bobinas também recebem corrente e produzem campo magnético. Comutador: Garante que o sentido da corrente que circula nas bobinas da armadura seja sempre o mesmo, garantindo a repulsão contínua entre os campos do rotor e estator, o que mantém o motor girando. Escovas: Geralmente feitas de liga de carbono, são responsáveis pelo contato elétrico do comutador com a energia de alimentação do motor. Figura 3: Esquema de um motor. Como o próprio nome diz, motor de corrente contínua, é um motor alimentado por uma fonte de corrente contínua. Uma tensão de corrente contínua é aplicada no estator e uma outra tensão de corrente contínua é aplicada no rotor. De acordo a lei Faraday e a lei de Lenz, devido a rotação do rotor, a variação do campo magnético fixo do estator no rotor irá induzir uma força contra eletromotriz no mesmo que irá se opor ao fluxo magnético fixo. Devido a força contra eletromotriz irá aparecer uma nova corrente induzida no rotor que irá se opor aquela já existente. Da lei de Ohm temos que a corrente calculada no rotor é: �= ��� � (4). Porém a verdadeira corrente em um rotor em funcionamento será, devido a força contra eletromotriz: �= ���−���� � (5). Ou seja,a principal aplicação de um motor de corrente contínua está ligada ao controle de sua velocidade, que está relacionada com a força eletromotriz (FEM) e força contra eletromotriz (FCEM). É possível arranjar os elementos do motor de tal forma que se obtenha um resultado, ou aplicação, específica. Esse controle pode ser feito através do controle de tensão no estator ou no rotor 2.2 Tipos de Motores CC 2.2.1 Motor Série Um motor tipo série quer dizer que a ligação do rotor e o enrolamento do estator estão ligados em série. Figura 4: Diagrama de Motor Série. Enrolamento do estator (S1, S2) em série com o rotor (A1, A2). Quando uma tensão for aplicada, a corrente começará a fluir pelo sistema. Devido ao fato de uma ligação série possuir fios de alta bitola, a resistência do sistema será baixa e a corrente inicial será alta. Uma corrente inicial alta quer dizer campos magnéticos iniciais mais forte e um maior torque inicial. Com o aumento da velocidade irá aparecer uma FCEM no sistema e, de acordo a Equação 5, a corrente e o torque irão diminuir de acordo o aumento de velocidade. Se a carga for aumentada o motor sofrerá uma queda considerável na velocidade devido ao aumento de corrente no rotor e no estator. Ou seja, motores CC do tipo série possui um alto torque de partida, porém um controle ruim de velocidade. Como esse tipo de motor possui um torque inicial muito alto é recomendado operá-lo sempre com carga acoplada, se não, haverá o que é chamado de fuga. A corrente de carga será muito baixa e a velocidade será extremamente alta que ele se autodestruirá podendo causar prejuízos e danos a quem estiver operando. Figura 5: Gráfico da Velocidade do motor pela corrente no rotor A partir da Figura 5 pode-se observar que quando a corrente atual no rotor (Equação 5) é baixa, a velocidade do motor é máxima e, quando a corrente aumenta, a velocidade do motor diminui. O motor série é indicado para aplicações em que há alta carga de inércia, como trens e aplicações com forte tração. 2.2.2 Motor Shunt (Paralelo) Diferentemente do motor série, o motor shunt tem a bobina do estator e bobina do rotor ligadas em paralelo, ou seja, possuem a mesma tensão. Neste tipo de motor o enrolamento do estator é feito por um fio de área pequena com muitas voltas na bobina. Como o enrolamento do estator possui fio fino, este não é capaz de resistir a uma corrente muito alta gerando assim um baixo torque de partida, o que não acontece no motor série. Figura 6: Diagrama de Motor Shunt. Enrolamento do estator (F1, F2) em paralelo com o rotor (A1, A2). Assim como o motor série quando o motor shunt começar a girar será criada uma FCEM fazendo com que a corrente no rotor diminua. A quantidade de corrente induzida está diretamente ligada ao tamanho da carga. Como a armadura (rotor) e o enrolamento shunt (estator) estão em paralelo com a alimentação, se não houver variação de tensão haverá uma rotação praticamente constante no eixo do motor. A capacidade do motor para manter um conjunto de rotações a grande velocidade quando há variações de carga é devido às características do campo do estator e do rotor. Se uma carga for adicionada ao eixo do motor a velocidade diminui, entretanto, a corrente no rotor aumenta. O torque no motor aumenta e se iguala ao torque da carga em uma velocidade menor. A velocidade de um motor shunt pode ser controlada de duas maneiras: variação de corrente fornecida ao estator e controlar a corrente fornecida ao rotor. O controle no estator pode ser feito através de um reostato ligado em série com ele. Quando a corrente é reduzida a rotação do motor irá aumentar. Desde que o torque desenvolvido seja maior que o da carga, a velocidade do motor aumenta e diminui a corrente. A redução da corrente diminui novamente o torque que se iguala ao torque da carga em uma velocidade mais alta. O motor shunt possui uma baixa variação de velocidade sob diferentes situações de carga. E é indicado em aplicações como escadas rolantes, linhas de montagem, etc. 2.2.3 Motor Série – Paralelo (Compound) Há também o motor misto que combina o melhor da ligação shunt com o melhor da ligação série. É misturado a excelente regulação de velocidade do motor shunt com o torque de partida do motor série. É indicado para equipamentos como elevadores, furadeiras, serras, etc. 2.2.4 Motor Independente Em um motor de excitação independente as bobinas do estator e do rotor são alimentadas por uma fonte de tensão independente, ou seja, diferentes. Figura 7: Motor com excitação independente O controle de velocidade em motores independentes pode ser feitos através do controle de: • Controle pela tensão aplicada ao rotor (armadura). • Controle pela tensão aplicada ao estator. • Controle por adição de resistência no estator. CONCLUSÃO Assim como praticamente todas as máquinas elétricas, os motores estão intimamente ligados aos princípios do eletromagnetismo. É possível notar de forma bastante clara os fundamentos físicos que regem o funcionamento de um motor. O princípio que foi percebido por Oersted, quando o campo magnético criado pelas bobinas do estator e rotor interagem entre si, fazendo o motor girar. E pode-se também ser notado a lei de Faraday, mas de maneira inversa, ou seja, quando uma corrente induzida é criada devido uma variação de campo magnético em um fio, que também serve para controlar um movimento de um eixo móvel. Através do estudo minucioso do eletromagnetismo, foi possível a criação de motores, e também geradores e transformadores. Suas aplicações podem ser incontáveis e a cada dia novas maneiras de usar esses princípios são descobertos. REFERÊNCIAS • • • • CARVALHO, Geraldo. Máquinas Elétricas. São Paulo: Editora Ética, 4ª Edição, 2011. HALLIDAY, David. RESNICK, Robert. KRANE, Kenneth. Fundamentos da Física - Volume 3. Rio de Janeiro: Editora LTC, 5ª Edição, 2005 OLIVEIRA, João Gabriel. MATERIAIS USADOS NA CONSTRUÇÃO DE MOTORES ELÉTRICOS – Porto Alegre, 2009 http://www.motoreletrico.net/upload/materiais_motores.pdf - Acesso em out/2013 FUENTES, Rodrigo Cardozo. Apostila de Automação Industrial – Santa Maria, 2005 - http://w3.ufsm.br/fuentes/index_arquivos/CA05.pdf - Acesso em out/2013 • DC Series Motors. http://www.ni.com/white-paper/14928/en - Acesso em out/201 • DC Shunt Motors. http://zone.ni.com/devzone/cda/ph/p/id/54 - Acesso em out/2013