PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE MOTORES CC

CÁCERES - MT 2018 REINALDO DE OLIVEIRA PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE MOTORES CC Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso Técnico em Eletrotécnica do SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial, como requisito parcial à obtenção do título de Técnico em Eletrotécnica. Comissão examinadora _____________________________________ Professor 1(Titulação e nome completo) Instituição 1 _____________________________________ Professor 2 (Titulação e nome completo) Instituição 2 _____________________________________ Professor 3 (Titulação e nome completo) Instituição 3 São Bernardo do Campo, ____ de ________ de 2017. agradecimentos resumo Os motores elétricos de corrente contínua são máquinas de muita importância na vida das pessoas e no setor industrial. São encontrados em leitores, toca-discos, unidades de armazenamento magnético, prensas, elevadores, máquinas de corte, furadeiras, usinagem, tecelagem, compressores, aspiradores, ventilação em computadores, vibradores em celulares e máquinas de costura.

Observando este rol de aplicações, percebe-se como estão inseridos no cotidiano dos indivíduos e como é relevante conhece-los. For the student of Engineering, in its several areas, for the professional in the electrical and electronic area, for the operator in the industry, the knowledge about this tooling are indispensable, since its fundamentals, that are the electromechanical conversion of energy and the production of electromagnetism from electricity, fundamental laws such as Faraday and Lenz, which allow to know the electric machines. The present work spoke of the DC motor, history, operation, classification, constitution, its torque and velocity relationships, its most important equations, most used starting methods, speed regulation, ie all the most significant related characteristics to the equipment. Keywords: DC motor. Electric machines. Velocity. Figura 15 Sentido da corrente na armadura de um motor de 4 pólos no sentido anti-horário 27 Figura 16 Reação da armadura e plano neutro nas máquinas de corrente contínua 28 Figura 17 Circuito equivalente de um motor CC (motor composto) 30 Figura 18 Relação entre o torque, a corrente e a velocidade do motor 31 Figura 19 Corrente e conjugado de partida em relação à rotação do motor 33 Figura 20 Curvas de conjugado em função da rotação 33 Figura 21 Corrente e conjugado de partida em relação a rotação do motor 34 Figura 22 Determinação dos valores de corrente e conjugado de partida 35 Figura 23 Corrente e conjugado de partida em relação a rotação do motor 35 Figura 24 Esquema básico de um conversor de frequência 36 Figura 25 Conjugado de partida em relação a rotação do motor 37 Figura 26 As partes principais de uma máquina CC 38 Figura 27  Rotor e estator 38 Figura 28 Vista explodida de uma máquina CC 39 Figura 29 Enrolamentos 39 Figura 30 Motor paralelo.

Figura 31 Motor paralelo com a utilização do reostato 41 Figura 32 Características de um motor shunt típico 42 Figura 33 Motor série 42 Figura 34 Características de um motor série típico 43 Figura 35  Motor composto. Figura 36 Comparação entre as características de motores CC shunt, série e composto 45 Figura 37 Ligações para inversão do sentido de rotação do motor CC 47 Lista de abreviaturas e siglas A - ampère AC – corrente alternada CC – corrente contínua CV – cavalo-vapor DC – direct current Fcem – força contra-eletromotriz Fem – força eletromotriz HP – horse-power V - volt Wb - weber SUMÁRIO 1 Introdução 11 1. QUESTÃO 12 1. Objetivos 12 1. REAÇÃO DA ARMADURA NO MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA 28 2. EQUAÇÃO DO TORQUE 29 2. CIRCUITO EQUIVALENTE 29 2. VELOCIDADE DE UM MOTOR 30 2. regulação de velocidade em motores cc 31 2.

MOTOR SHUNT 40 2. MOTOR SÉRIE 42 2. MOTOR COMPOSTO 44 2. EFICIÊNCIA E PERDAS EM UMA MÁQUINA CC 45 2. INVERSÃO DO SENTIDO DE ROTAÇÃO 46 2. Fonte: (NETTO, s. d) A ideia fundamental deste trabalho é descrever os motores de corrente contínua, falando brevemente do seu histórico, características, aspectos construtivos, funcionamento, equações básicas, circuito equivalente e partida de motores, além do princípio de conservação eletromecânica de energia, produção de eletricidade a partir do eletromagnetismo, lei de Lenz e de Faraday, que constituem pressupostos importantes no entendimento de máquinas elétricas. O capítulo 1 traz a introdução de motores de corrente contínua, a questão envolvida no trabalho que é o motivo de sua confecção, os objetivos do trabalho que estão relacionados com e o aspecto metodológico, que se refere ao uso de referências bibliográficas para conferir todo o aspecto técnico a esta obra.

O capítulo 2 exibe o referencial teórico, o corpo do trabalho, composto dos termos mais relevantes para o seu entendimento: histórico dos motores, aspectos construtivos, principio de conservação eletromecânica de energia, produção de eletricidade a partir do eletromagnestismo, fundamentos das máquinas elétricas, motores CC, tipos de ligação, sentido de rotação e reação da armadura, equação do torque, velocidade do motor e sua regulagem, questões de eficiência e perdas, circuito equivalente, requisitos e métodos de partida de motores e equações básicas dos motores deste tipo. O capítulo 3 apresentará a conclusão, com a síntese de todos os tópicos que o trabalho trouxe, aspectos mais importantes e relevantes observados. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS O presente trabalho se baseia no levantamento bibliográfico de trabalhos disponíveis em meio eletrônico, retirados de trabalhos de monografias, dissertações e outras formas que conferem robustez ao desenvolvimento da temática adotada.

Desta forma, Andrade (2001) destaca que a pesquisa bibliográfica é de grande relevância para a elaboração de diversos trabalhos. A pesquisa bibliográfica é habilidade fundamental nos cursos de graduação, uma vez que constitui o primeiro passo para todas as atividades acadêmicas. Uma pesquisa de laboratório ou de campo implica, necessariamente a pesquisa bibliográfica preliminar. Seminários, painéis, debates, resumos críticos, monografias não dispensam a pesquisa bibliográfica. Em 1832, Dal Negro construiu a primeira máquina de corrente alternada com movimento oscilatório. Em 1833, o britânico W. Ritchie criou o comutador desenvolvendo um pequeno motor elétrico que possuía o núcleo de ferro enrolado que girava ao redor de um ímã permanente. Em um giro completo, a polaridade do eletroímã era alternada a cada metade de volta, através do comutador, que transformava a corrente alternada em contínua pulsante (MARIANO, 2015).

O motor elétrico que alcançou grande êxito foi o concebido em 1838 por Jacobi, conectando-o a uma embarcação. Ele achava que os motores deste tipo só poderiam garantir um rendimento de 50% em relação à potência utilizada. Em 1887, Tesla criou um pequeno motor bifásico com rotor em curto-circuito. Ele também se mostrou com rendimento ruim, mas mesmo assim, chamou a atenção da Westinghouse, que pagou a ele, 1 milhão de dólares pela patente. Entretanto, três anos depois, desistiram de sua produção, graças ao fraco rendimento (MARIANO, 2015). Em 1889, Dobrowolsky, da AEG, fez o pedido da patente de um motor de três fases com rotor de gaiola, caracterizado por entregar 80 W e rendimento de 80% e também, ótimo conjugado de partida (força de arranque necessária para a partida de um motor, para vencer a força de inércia).

PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA A eletricidade pode ser considerada como uma das poucas formas energia cujo uso, controle e conversão em outras formas de energia são um tanto fáceis e, por este motivo, possivelmente, continuará sendo o principal tipo a ser usado pelo ser humano. A origem da possibilidade de trocas entre energia elétrica e mecânica foi mostrada por Faraday, em 1831. A conversão eletromecânica de energia faz a relação entre a força elétrica do átomo com a força mecânica que é direcionada à matéria e ao movimento. Como produto desta relação, a energia mecânica pode ser transformada em energia elétrica, e vice-versa, através das máquinas elétricas (VILLAR, 2006). A energia elétrica produzida através desta conversão pode ser reconvertida diversas vezes, antes mesmo que ela esteja na forma que realmente será usada, como em: • Mecânica (Motores).

O funcionamento dos geradores e motores de corrente contínua e de corrente alternada precisa apenas da interação de campos magnéticos e condutores percorridos por corrente elétrica. Uma força eletromotriz (fem) é induzida em um condutor que se move por um campo magnético. No Brasil, a maior parte da energia elétrica produzida vem de usinas hidrelétricas, que é uma energia considerada limpa e barata. Entretanto, o potencial hidrelétrico não apresenta mais tantas opções e isso exige a busca por outras fontes de energia. Uma das opções são as termelétricas, mas normalmente, trata-se de uma energia mais cara, tem as eólicas que são utilizadas em regiões litorâneas e a solar, que ainda não se difundiu como poderia, como potenciais para substituir, mesmo que parcialmente, a proveniente de hidrelétrica (VILLAR, 2006).

Fonte: ( VILLAR, 2006) Em resumo, pode-se se dizer que quando é movimentado um condutor em um campo magnético, acontece a geração de uma tensão induzida e, para que haja uma corrente induzida, o circuito deve estar fechado. Caso existam uma ou mais destas condições, a tensão induzida terá o seu valor aumentado: maior número de espiras, maior rapidez no movimento efetuado ou maior intensidade de campo magnético. Essas três condições farão com que a fem induzida aumente e, consequentemente, a corrente induzida. Outro aspecto de destaque é que se houver a inversão do sentido do movimento do condutor, a polaridade da tensão induzida também se inverterá e, por consequência, o sentido da corrente. Não existe importância em quem estará em movimento, seja campo magnético ou condutor, pois, o resultado será igual (VILLAR, 2006).

A tensão induzida é gerada pela rotação dos enrolamentos do motor através do campo magnético fixo gerado pelos ímãs, sendo chamada de força contra-eletromotriz (MOURA, 2014). Figura 7 – Diagrama do circuito elétrico do motor de corrente contínua. Fonte: (MOURA, 2014). A partir da lei da malha de Kirchhoff é possível conseguir a equação diferencial que irá descrever o circuito equivalente do motor: A lei de Ohm permite saber a tensão sobre a resistência: A diferença de potencial no indutor é proporcional à variabilidade da corrente no tempo no componente: A força contra-eletromotriz tem uma relação direta com a velocidade do rotor e pode ser descrita como: Fazendo a substituição das equações (4) e (5) na equação (3), chega-se a equação diferencial abaixo: 2.

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Visando mostrar o princípio de funcionamento do motor de corrente contínua, pode-se concentrar em três componentes principais: bobina, campo magnético fixo e comutador (SENAI,2015). Fonte: (SENAI, 2015) O maior valor é conseguido no estágio um ou três, e conforme vai se aproximando do estágio dois, vai tendo a sua força diminuída de acordo com o aumento do ângulo, sendo nula no estágio dois. O motor passa do estágio dois para o três, ou do dois para o um, pois a força produzida no estágio um ou três é o bastante para que ele tenha um deslocamento maior que 90º. Este é o funcionamento básico para os motores CC de um modo genérico. Existe um campo magnético em volta de um condutor que conduz corrente elétrica.

Caso este condutor seja colocado em contato com outro campo magnético, os dois campos irão se interagir. SENTIDO DE ROTAÇÃO DA ARMADURA Pode-se utilizar a regra da mão esquerda para definir o sentido de rotação dos condutores da armadura. A regra da mão esquerda para os motores funciona da seguinte maneira: com o polegar, o indicador e o médio da mão esquerda perpendiculares entre si, direcione o indicador no sentido das linhas de fluxo do campo magnético e o dedo médio na direção da corrente que passa pelo condutor; o polegar mostrará o sentido em que o condutor tende a se deslocar (figura 14a). Em uma bobina retangular constituída por uma única espira paralela a um campo magnético (figura 14b), o sentido da corrente no condutor da esquerda é saindo do papel, ao mesmo tempo que no condutor do lado direito, é entrando no papel.

Logo, o condutor da esquerda terá uma tendência a se movimentar para cima com uma força F1, e o condutor do lado direito tenderá a se movimentar para baixo com uma força igual F2. As duas forças operam, produzindo um torque que faz a bobina girar no sentido horário. Caso utilize o sentido real, as regras deverão ser invertidas. Figura 15 – Sentido da corrente na armadura de um motor de 4 pólos no sentido anti-horário. Fonte: (VILLAR, 2006). REAÇÃO DA ARMADURA NO MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA A presença de corrente nos condutores da armadura gera um campo magnético ao redor dela. Este campo causa uma distorção no campo principal, ou seja, o motor possui uma reação da armadura. A força contra-eletromotriz de um motor, Vg, é causada pela ação dos condutores da armadura ao cruzar as linhas de fluxo magnético.

Caso em um motor shunt, a equação 10 for multiplicada por Ia, com rs=0 (VILLAR, 2006): Figura 17 – Circuito equivalente de um motor CC (motor composto). Fonte: (VILLAR, 2006). O produto Vt⋅Ia é a potência oferecida à armadura do motor; ra⋅ Ia2 é a potência dissipada pela corrente da armadura; e Vg⋅Ia é a potência que a armadura produz. Mas, a última não constitui uma potência útil de saída, pois, parte dela é gasta para suportar as perdas mecânicas do motor. Fonte: (VILLAR, 2006). REQUISITOS DE PARTIDA DE MOTORES CC Existem duas condições para a partida de motores: 1. Deverão encontrar-se protegidos o motor e os condutores das linhas de alimentação contra o excesso de corrente no momento da partida, adicionando-se uma resistência externamente em série com a armadura (VILLAR, 2006).

O valor necessário para limitar a corrente de partida do motor é: Onde Rp é a resistência de partida (ohms); Vt é a tensão do motor (volts); Ip é a corrente de partida desejada na armadura (ampères) e ra é a resistência de armadura (ohms). O torque de partida no motor precisa ser o maior possível para que o motor atinja a sua velocidade máxima no menor tempo deve ser o maior possível para fazer o motor atingir a sua velocidade máxima (nominal) no menor tempo possível. Para que possa ser usado, é preciso que o motor tenha dupla tensão nominal, ou seja, 6 terminais. No momento da partida, o conjugado e a corrente se reduzem a praticamente um terço dos valores nominais, o que exige que para este modelo de partida, o conjugado do motor em estrela seja maior do que o conjugado presente na carga, no eixo do motor (RAMOS, 2005).

A partida começa em estrela sendo que a mudança para triângulo só deverá acontecer quando o motor estiver perto da velocidade de regime e, se for realizada fora do momento correto, poderá causar uma grande elevação na corrente. Tem como benefícios o custo que é barato, tamanho reduzido e grande número de manobras possíveis. Figura 21 – Corrente e conjugado de partida em relação a rotação do motor. m). A figura 21 mostra o conjugado de partida e a corrente em relação a rotação do motor para a chave compensadora: Figura 23 – Corrente e conjugado de partida em relação a rotação do motor. Fonte: (RAMOS, 2005) 2. CONVERSOR DE FREQUÊNCIA O uso dos conversores tem aumentado consideravelmente nos últimos tempos, graças à economia de energia que proporcionam e por serem controlados facilmente.

Possuem capacidade de dar partida em grandes motores com cargas conectadas ao seu eixo, sem provocar queda na tensão e gerar picos altos de corrente, inclusive em aplicações que acionam diversas cargas e que requerem grande variabilidade na velocidade (RAMOS, 2005). Fonte: (RAMOS, 2005) 2. ASPECTOS CONSTRUTIVOS Os motores são compostos das seguintes partes: 1) Estator: é a parte fixa do motor, que pode ter um ou mais enrolamentos de polo, capazes de receber a tensão contínua e produzir o campo magnético fixo. O enrolamento pode ser chamado de enrolamento de campo (SENAI,2015). Armadura: é um rotor bobinado onde as bobinas recebem corrente contínua e gerar o campo magnético. Ela recebe a corrente vinda de uma fonte externa, que faz a armadura girar. São conectores de grafita fixos, construídos sobre molas que possibilitam que eles deslizem (ou “escovem”) sobre o comutador no eixo da armadura.

As escovas estão sempre ligadas a um segmento do comutador e em contato com uma bobina posicionada na zona interpolar. Figura 26 – As partes principais de uma máquina CC. Fonte: (VILLAR, 2006) Figura 27 – Rotor e estator. Fonte: (VILLAR, 2006) Figura 28 – Vista explodida de uma máquina CC. Conclui-se que a fem é aquela que se relaciona com a diferença de potencial aplicada à armadura que irá gerar a corrente que passa por ela. A força contra-eletromotriz é a diferença de potencial induzida na armadura quando ela corta o campo que foi gerado no estator e está em oposição à fem. As três maneiras de se ligar um motor CC são: 2. MOTOR SHUNT Nesta configuração, tanto a armadura quanto o enrolamento shunt do estator estão unidos com a fonte.

A armadura, geralmente, é construída com fio mais grosso e menor número de espiras que o enrolamento shunt do estator, a armadura gasta mais corrente que o estator. O ajuste de velocidade é conseguido inserindo um reostato no campo. Em certa posição do reostato, a velocidade do motor fica praticamente estável para todas as cargas. Os dispositivos de partida utilizados com os motores CC restringem a corrente de partida da armadura em 125 a 200 % da corrente de carga máxima (VILLAR, 2006). Figura 32– Características de um motor shunt típico. Fonte: (VILLAR, 2006) 2. O campo desta categoria de motor é ligado em série com a armadura (figura 32a). A velocidade se altera de um valor muito alto com uma carga leve até um valor bem baixo com a carga máxima (figura 32b).

O motor série é interessante quando utilizado com cargas pesadas ligadas a ele (guindastes e guinchos), pois, com altas correntes na armadura, ele gera um torque elevado e funciona em baixa rotação (figura 32b). Caso funcione a vazio, a velocidade de um motor deste tipo crescerá ilimitadamente até o motor se destruir. Contudo, os grandes motores série são usualmente acoplados diretamente à carga e não através de correias ou polias (VILLAR, 2006). Podem apresentar instabilidade, pois podem disparar em certas situações, quando a corrente da armadura cresce com o aumento da carga, aumentando o campo no enrolamento série. Figura 35 – Motor composto. Fonte: (SENAI, 2015) Um tipo de aplicação do motor composto é um elevador de carga, que utiliza a vantagem do motor série para subir determinada carga (motor série possui grande torque) e para descer, usa o shunt (precisa de controle de velocidade).

Figura 36– Comparação entre as características de motores CC shunt, série e composto. Fonte: (VILLAR, 2006) 2. Perdas rotacionais. Perdas mecânicas. a) Perdas por atrito. i) Atrito nos rolamentos (mancais). ii) Atrito nas escovas. Quando o condutor é posto em um campo magnético, ele se sujeita a uma força resultante da combinação do seu campo magnético com o campo magnético principal. Ela provoca a rotação da armadura em um algum sentido. Caso seja invertido o sentido do campo ou o sentido da corrente na armadura, a rotação do motor também se inverterá. Mas, se os dois forem invertidos simultaneamente, o motor continuará a girar no mesmo sentido. Normalmente, os motores são instalados para funcionar com sentido de rotação constante. Por outro lado, este conhecimento confere ao estudante, condições de estar melhor preparado para as empresas que utilizam esse ferramental.

Referências ANDRADE, M. M. Introdução à Metodologia do Trabalho Cientifico: laboração de trabalhos na graduação. ed. com/tutoriais/motores-e-sensores/>. Acesso em: 17 fev. MOURA, Marcos André da Silva. Modelação e identificação de motor DC. Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Acesso em: 17 fev. RAMOS, Mário César do Espírito Santo. Implementação de motores de alto desempenho em uma indústria de alimentos: estudo de caso. Universidade de São Paulo. São Paulo, SP. Centro Federal de Educação Tecnológica do Rio Grande do Norte. Natal, RN.