motor universal corrente continua

8/3/2019 Motor Universal Corrente Continua

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Captulo 11

MOTORES ELTRICOS DE CORRENTE

CONTNUA E UNIVERSAL

Esta aula apresenta o princpio de funcionamento dos motores eltricos de corrente

contnua, o papel do comutador, as caractersticas e relaes bsicas, bem como asprincipais aplicaes prticas e formas de controle da velocidade desse tipo de motor. Alm

disso, aborda-se rapidamente os motores universais, que, embora sejam motores de corrente

contnua, tambm funcionam com corrente alternada.

IntroduoUm motor de corrente contnua converte energia eltrica em energia mecnica, comoqualquer motor, mas tem uma caracterstica que o individualiza: deve ser alimentado com

tenso contnua. Essa tenso contnua pode provir de pilhas e baterias, no caso depequenos motores, ou de uma rede alternada aps retificao, no caso de motores maiores.Os principais componentes de um motor de corrente contnua (motor CC, por simplicidade)

so descritos como segue:

Estator : contm um enrolamento (chamado campo), que alimentado diretamentepor uma fonte de tenso contnua; no caso de pequenos motores, o estator pode ser

um simples im permanente; Rotor : contm um enrolamento (chamado armadura), que alimentado por uma

fonte de tenso contnua atravs do comutador e escovas de grafite; Comutador : dispositivo mecnico (tubo de cobre axialmente segmentado) no qual

esto conectados os terminais das espiras da armadura, e cujo papel inverter

sistematicamente o sentido da corrente contnua que circula na armadura.

A figura abaixo mostra a estrutura bsica de um motor de corrente contnua elementar com

im permanente no estator. Observe que a armadura possui apenas uma espira (dois plos)

e que o comutador tem apenas dois segmentos. As escovas de grafite so fixas e, medidaque a armadura gira uma volta, ora cada uma delas fica em contato eltrico com uma

metade do comutador, ora com a outra metade. Isso significa que a corrente na espira daarmadura ora tem um sentido, ora o sentido contrrio. Esse mecanismo essencial para ofuncionamento dos motores CC, evitando que a armadura estacione em uma posio de

equilbrio, como ficar claro mais adiante.


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Captulo 11 Motores Eltricos de Corrente Contnua e Universal


Motor de corrente contnua: princpio de funcionamento

O funcionamento dos motores CC baseia-se no princpio do eletromagnetismo clssico peloqual um condutor carregando uma corrente e mergulhado em um fluxo magntico fica

submetido a uma fora eletromagntica. Embora tenha sido explicado anteriormente, esse

princpio repetido aqui por facilidade: Um condutor transportando uma corrente eltricae atravessado por um fluxo magntico fica submetido a uma fora de natureza

eletromagntica.

Observe que o fluxo magntico pode ser produzido por um im permanente, como nafigura, ou um eletrom. Note ainda que o sentido da fora pode mudar se o sentido do

fluxo ou o sentido da corrente tambm mudar. O mais importante, porm, perceber que asdirees do fluxo, da corrente e da fora eletromagntica so sempre ortogonais entre si,ou seja, formam sempre ngulos de .Dados os sentidos do fluxo e da corrente, o sentido da fora pode ser obtido usando-se a

regra da mo esquerda:

Coloque o dedo indicador no sentido do fluxo; Coloque o dedo mdio no sentido da corrente;


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O sentido da fora ser aquele apontado pelo dedo polegar.

No caso de um motor CC, a criao do torque que faz o rotor (armadura) mover-se pode ser

explicada com a ajuda da figura abaixo, que mostra um motor CC elementar de dois plos

(o mais simples possvel) em corte transversal:

Na figura, o enrolamento de campo (estator) est dividido em duas partes ligadas em srie

(a ligao foi omitida na figura por simplicidade) que produzem um fluxo magnticoconstante no sentido norte-sul. A armadura (rotor) formada por vrias espiras enroladas

em um ncleo ferromagntico e cujos terminais so conectadas nos dois segmentos do

comutador (na parte central, em vermelho). A corrente que circula na armadura fornecidapor uma fonte CC e injetada atravs das duas escovas de grafite. Na situao ilustrada na

figura, a corrente sai pela parte superior da armadura e entra na parte inferior. Em motores

com mais de dois plos, a armadura possui vrios enrolamentos distribudos pelo ncleo e ocomutador formado por vrios segmentos. Aplicando-se a regra da mo esquerda,obtm-se os sentidos das foras eletromagnticas que se estabelecem na parte lateral das

espiras, criando um torque eletromecnico que faz a armadura girar no sentido horrio.

O papel do comutador

A funo do comutador trocar periodicamente (duas vezes a cada volta) o sentido dacorrente na armadura de tal modo a garantir que o torque tenha sempre o mesmo sentido

(horrio, por exemplo) e impea que a armadura fique parada em uma posio de

equilbrio. A razo pela qual necessrio comutar a corrente de armadura pode ser melhorcompreendida com a ajuda da figura abaixo, no qual o fluxo magntico produzido por um

im permanente por simplicidade.


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Observe que, sem o mecanismo da comutao, a espira da armadura iria estacionar naposio vertical, que uma posio de equilbrio. Quando a espira passa por uma posio

de equilbrio, o comutador muda a corrente, mudando tambm o sentido do torque eevitando que a espira volte para a posio de equilbrio.


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Motor CC com excitao independente

Existem diversos tipos de motor CC de acordo com a quantidade de fontes CC usadas e da

forma como os enrolamentos de campo e de armadura so conectados. Se for utilizada

somente uma fonte CC, ento os enrolamentos de campo e de armadura devem ser ligados

em srie (dando origem ao motor CC srie) ou em paralelo (dando origem ao motor CC emderivao). Por outro lado, se forem utilizadas duas fontes CC independentes, ento tem-se

um motor CC com excitao independente. Cada um desses tipos de motor CC apresentadesempenho um pouco diferente em termos de curva de torque ou velocidade em funo dacorrente de armadura e, por isso, tem distinta aplicao. Por simplicidade, aqui serconsiderado apenas o motor CC com excitao independente.

O modelo simplificado de um motor CC com excitao independente pode ser visto nafigura abaixo.

Esse tipo de motor CC requer duas fontes CC independentes cujas tenses contnuas sorepresentadas por Va, chamada tenso de armadura, e por Vf, chamada tenso de campo.Na figura, a corrente de armadura representada porIa eRa indica a resistncia hmicado enrolamento de armadura. Esse enrolamento de armadura (rotor), ao girar dentro do

fluxo magntico produzido pelo enrolamento de campo, fica sujeito induo de umatenso de acordo com a lei de Faraday. Afinal, trata-se de um conjunto de espiras

condutoras sofrendo uma variao de fluxo magntico. Essa tenso induzida na armadura

chamada fora contra-eletromotriz e est representada porEg na figura. A velocidade domotor representada por n. No circuito de campo If representa a corrente de campo,enquanto que Rf e Lf indicam a resistncia hmica e indutncia do enrolamento,

respectivamente.As equaes fundamentais de um motor CC com excitao independente so aquelas que

fornecem o torque, a fora contra-eletromotriz e a velocidade do motor:

em que T o torque do motor, o fluxo magntico por plo,Ia a corrente de armadurae k uma constante que depende do projeto construtivo do motor (nmero de plos,


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condutores, caminhos, etc.). Observe que, como seria de se esperar, o torque maior quanto

maior for o fluxo e maior for a corrente de armadura, pois maior ser a foraeletromagntica aplicada.

Por outro lado, a fora contra-eletromotriz ser dada por:

em que a velocidade n normalmente expressa em rpm e K uma constante que dependedo projeto construtivo do motor. Note que a tenso induzida Eg maior quanto maior a

intensidade do fluxo e a velocidade de acionamento, como se esperava.Do circuito do enrolamento de armadura (lado esquerdo na figura) pode-se escrever a

equao:

Combinando esta equao com a anterior, e lembrando que o fluxo produzido pelo campo

, obtm-se a expresso da velocidade do motor:

Observe que essa equao permite concluir que a velocidade de um motor CC

diretamente proporcional tenso de armadura e inversamente proporcional corrente de

campo. Essa equao tambm mostra que se a corrente de campo tender a zero, ento avelocidade tende ao infinito, ou seja, o motor dispara. Por essa razo, os motores CC devem

ter dispositivos de segurana para desligar o motor no caso de o circuito de campo ser

desconectado acidentalmente.

Controle de velocidade de motores CC

Uma das principais aplicaes prticas de motores CC no acionamento de cargas queprecisam ter sua velocidade variada de forma controlada. Os motores CC com excitao

independente, por exemplo, podem ter sua velocidade facilmente controlada atravs de dois

modos com base na equao:

Modo A : Variando-se a tenso de armadura, Va, atravs de um retificador controlado por

tiristores (mantendo as demais variveis fixas ou quase), como ilustra a figura abaixo.


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Modo B : Variando-se a corrente de campo, If, atravs de um retificador controlado portiristores (mantendo as demais variveis fixas ou quase), como ilustra a figura abaixo.

Como inverter o sentido de rotao

O sentido de rotao do eixo de um motor de corrente contnua imposto tanto pela

polaridade norte-sul do fluxo de campo, quanto pelo sentido da corrente de armadura. Parainverter o sentido de rotao basta trocar a polaridade da fonte CC que alimenta o

enrolamento de campo ou da fonte CC que alimenta a armadura, no caso de excitao

independente.

A propsito, o que acontece se as polaridades das duas fontes CC forem trocadas ao

mesmo tempo. Pense nisso.

Porque a corrente de partida altaMotores CC (como tambm outros tipos de motores eltricos) possuem grande corrente departida, algumas vezes maior que o valor de regime permanente, colocando em risco arede de alimentao e o prprio motor. A razo dessa alta corrente de partida pode ser

facilmente entendida considerando-se que, quando o motor ligado, a armadura est

completamente parada e o valor da fora contra-eletromotriz Eg zero (a velocidade nula). Em conseqncia, toda a tenso de armadura, Va fica aplicada sobre a resistncia de


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armadura, Ra, que bem pequena, dando origem a uma grande corrente de armadura. Isso

pode ser visto com a ajuda da equao . Aps a partida, o motor ganha

velocidade,Eg aumenta e a correnteIa diminui.

Para minimizar o efeito da corrente de partida alta, utilizam-se tcnicas de reduo decorrente, principalmente em motores de grande potncia, tais como partida em tenso de

armadura reduzida usando reostatos.

Aplicaes

Os motores CC de pequeno porte so muito utilizados em brinquedos e equipamentos

portteis pelo fato de poderem ser acionados por meio de pilhas e baterias. So tambmmuito comuns em veculos (motor de arranque, limpador de pra-brisas, etc.) pela mesma

razo. Pelo fato de permitirem fcil e precisa variao de velocidade, motores CC so muito

utilizados para trao eltrica de trens, metr e nibus eltricos. Na indstria, usado paraacionar cargas que precisam ter sua velocidade alterada de forma controlada dependendo do

processo. Em geral, um motor CC mais caro que um de corrente alternada de mesmoporte, pois tem mais enrolamentos e o comutador. A manuteno do comutador deve serfeita periodicamente, o que encarece um pouco sua operao.

Motor universal

Chama-se motor universal um tipo de motor de funciona tanto em corrente contnuaquanto em corrente alternada. Na verdade, um motor universal um motor CC comexcitao srie, ou seja, um motor CC cujos enrolamentos de campo e de armadura estoconectados em srie, podendo, portanto ser alimentado por uma nica fonte, que pode ser

contnua ou alternada monofsica. A figura abaixo mostra o modelo de um motoruniversal.

Esse motor quando alimentado por tenso contnua funciona como um motor CC descrito

anteriormente. Porm, ao ser alimentado por tenso alternada senoidal monofsica o motorfunciona do mesmo jeito, pois as correntes de campo e de armadura so as mesmas

(enrolamentos esto em srie) e quando uma muda sua polaridade, a outra muda ao mesmo

tempo. Em outras palavras, o sentido do fluxo produzido pelo campo e o sentido da


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corrente de armadura mudam ao mesmo tempo, mantendo o sentido da fora

eletromagntica e, portanto do torque.

Os motores universais possuem caractersticas de desempenho muito interessantes, o que

determina o tipo de aplicao em que usado. Essas caractersticas esto mostradas na

figura abaixo, em que se apresentam as curvas de torque e de velocidade em funo dacorrente de armadura.

Observe que os motores universais possuem elevado torque em baixa rotao, para umcerto valor de corrente de armadura. Essa caracterstica torna os motores universais

adequados para acionamento, em corrente alternada, de vrios eletrodomsticos(liquidificadores, aspiradores de p, furadeiras), bem como acionamento de veculos

eltricos de transporte de massa (trens, carros eltricos, metr).

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