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MOTORES DE CORRENTE CONTNUAGuia rpido para uma especificao precisaEdio 01.2006

Unidade Automao e Controle Acionamentos e Motores Eltricos PUBLICAO TCNICA

1. INTRODUOAs mquinas de corrente contnua podem ser utilizadas tanto como motor quanto como gerador. Porm, uma vez que as fontes retificadoras de potncia podem gerar tenso contnua de maneira controlada a partir da rede alternada, pode-se considerar que, atualmente, a operao como gerador fica limitada aos instantes de frenagem e reverso de um motor. Atualmente, o desenvolvimento das tcnicas de acionamentos de corrente alternada (CA) e a viabilidade econmica tm favorecido a substituio dos motores de corrente contnua (CC) pelos motores de induo acionados por inversores de freqncia. Apesar disso, devido s suas caractersticas e vantagens, que sero analisadas adiante, o motor CC ainda se mostra a melhor opo em inmeras aplicaes, tais como: Mquinas de Papel Bobinadeiras e desbobinadeiras Laminadores Mquinas de Impresso Extrusoras Prensas Elevadores Movimentao e Elevao de Cargas Moinhos de rolos Indstria de Borracha Mesa de testes de motores

O objetivo deste texto fornecer base tcnica sobre o motor de corrente contnua aspectos construtivos, princpio de funcionamento, controle de velocidade, vantagens e desvantagens , e auxiliar o leitor em uma correta seleo. O captulo 2 apresenta o motor CC e seus aspectos principais: aspectos construtivos, princpio de funcionamento, controle de velocidade, vantagens e desvantagens, oferecendo um contedo tcnico suficiente para o leitor poder dimensionar um acionamento. O captulo 3 contm uma srie de fatores que influenciam a instalao do motor, tais como grau de proteo, tipos de refrigerao, forma construtiva, ciclo de carga, classes de temperatura, etc, com a finalidade de definir as caractersticas do motor que melhor se adequa ao ambiente de trabalho. Finalmente, o captulo 4 mostra como selecionar corretamente um motor CC, a estrutura de cdigos dos motores Siemens e um tutorial passo-apasso na escolha do tipo adequado.

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2. O MOTOR CC2.1. Aspectos Construtivos O motor de corrente contnua composto de duas estruturas magnticas: Estator (enrolamento de campo ou m permanente); Rotor (enrolamento de armadura).

O estator composto de uma estrutura ferromagntica com plos salientes aos quais so enroladas as bobinas que formam o campo, ou de um m permanente. A figura 1 mostra o desenho de um motor CC de 2 plos com enrolamento de campo.

(a)

(b)

Fig. 1 Desenho (a) e foto (b) de um motor CC de 2 plos

O rotor um eletrom constitudo de um ncleo de ferro com enrolamentos em sua superfcie que so alimentados por um sistema mecnico de comutao (figura 2). Esse sistema formado por um comutador, solidrio ao eixo do rotor, que possui uma superfcie cilndrica com diversas lminas s quais so conectados os enrolamentos do rotor; e por escovas fixas, que exercem presso sobre o comutador e que so ligadas aos terminais de alimentao. O propsito do comutador o de inverter a corrente na fase de rotao apropriada de forma a que o conjugado desenvolvido seja sempre na mesma direo. Os enrolamentos do rotor compreendem bobinas de n espiras. Os dois lados de cada enrolamento so inseridos em sulcos com espaamento igual ao da distncia entre dois plos do estator, de modo que quando os condutores de um lado esto sob o plo norte, os condutores do outro devem estar sob o plo sul. As bobinas so conectadas em srie atravs das lminas do

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comutador, com o fim da ltima conectado ao incio da primeira, de modo que o enrolamento no tenha um ponto especfico.

Fig. 2 Sistema de Comutao

Todos os motores de corrente contnua da Siemens possuem uma estrutura magntica completamente laminada, sendo portanto adequados para utilizao com conversor CA/CC, e no caso de processos com alta dinmica, consegue-se uma taxa de aumento da corrente de at 250xIN por segundo.

2.2. Princpio de Funcionamento A figura 3 mostra, de maneira simplificada, o funcionamento do motor CC de dois plos.

Fig. 3 Princpio de funcionamento do motor CC

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A figura acima um desenho esquemtico simples de um motor onde o estator constitudo por ms permanentes e o rotor uma bobina de fio de cobre esmaltado por onde circula uma corrente eltrica. Uma vez que as correntes eltricas produzem campos magnticos, essa bobina se comporta como um m permanente, com seus plos N (norte) e S (sul) como mostrados na figura. Comecemos a descrio pela situao ilustrada em (a) onde a bobina apresenta-se horizontal. Como os plos opostos se atraem, a bobina experimenta um torque que age no sentido de girar a bobina no sentido anti-horrio. A bobina sofre acelerao angular e continua seu giro para a esquerda, como se ilustra em (b). Esse torque continua at que os plos da bobina alcance os plos opostos dos ms fixos (estator). Nessa situao (c) a bobina girou de 90o no h torque algum, uma vez que os braos de alavanca so nulos (a direo das foras passa pelo centro de rotao); o rotor est em equilbrio estvel (fora resultante nula e torque resultante nulo). Esse o instante adequado para inverter o sentido da corrente na bobina. Agora os plos de mesmo nome esto muito prximos e a fora de repulso intensa. Devido inrcia do rotor e como a bobina j apresenta um momento angular para a esquerda, ela continua girando no sentido anti-horrio (semelhante a uma inrcia de rotao) e o novo torque (agora propiciado por foras de repulso), como em ( ), colabora d para a manuteno e acelerao do movimento de rotao. Mesmo aps a bobina ter sido girada de 180o, situao no ilustrada na figura, o movimentoo continua, a bobina chega na vertical giro de 270 , o torque novamente se anula, a corrente

novamente inverte seu sentido, h um novo torque e a bobina chega novamente situao ( ) a giro de 360o. E o ciclo se repete. Essas atraes e repulses bem coordenadas que fazem o rotor girar. A inverso do sentido da corrente (comutao), no momento oportuno, condio indispensvel para a manuteno dos torques favorveis, os quais garantem o funcionamento dos motores. A comutao consiste na mudana de uma lmina do comutador, onde as bobinas so ligadas em srie, para a prxima. Durante esta comutao a bobina momentaneamente curtocircuitada pelas escovas, o que ajuda a liberar energia a armazenada, antes de a corrente fluir no sentido oposto. Porm, como essa inverso de corrente no instantnea, uma fora eletromotriz di induzida na espira La a , o que origina uma corrente de curto-circuito que circula no dt coletor, nas espiras e nas escovas. Aps o curto-circuito, a interrupo dessa corrente d origem ao aparecimento de fascas nos contatos das escovas com o coletor, que podem gerar arcos eltricos perigosos e que danificam o coletor, tendo portanto que ser eliminadas. A fim de eliminar as fascas, torna-se necessrio induzir na espira, durante o curto-circuito, uma fora eletromotriz que anule a resultante do processo de comutao, conseguido atravs dos plos de comutao, de menores dimenses e situados sobre a linha neutra e percorridos pela mesma corrente do rotor. No entanto estes plos, alm de anularem o fenmeno da comutao,Siemens LTDA Unidade Automao e Controle Acionamentos e Motores Eltricos www.siemens.com.br/motores

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enfraquecem o fluxo do estator fenmeno chamado de reao magntica do rotor. Nas mquinas de grandes dimenses esse fenmeno eliminado atravs dos enrolamentos de compensao que, ligados em srie com o rotor e colocados na periferia dos plos do estator, geram um fluxo com a mesma intensidade e sentido contrrio do fluxo de reao, anulando-o. A figura 4 mostra um desenho esquemtico bastante simplificado de um motor CC com apenas uma bobina, o comutador e as escovas.

Fig. 4 Comutador e escovas

Em sua forma mais simples, o comutador apresenta duas placas de cobre encurvadas e fixadas (isoladamente) no eixo do rotor; os terminais do enrolamento da bobina so soldados nessas placas. A corrente eltrica chega por uma das escovas (+), entra pela placa do comutador, passa pela bobina do rotor, sai pela outra placa do comutador e retorna fonte pela outra escova (-). Nessa etapa o rotor realiza sua primeira meia-volta. Nessa meia-volta, as placas do comutador trocam seus contatos com as escovas e a corrente inverte seu sentido de percurso na bobina do rotor. E o motor CC continua girando, sempre com o mesmo sentido de rotao.

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2.3. Controle de Velocidade nos Motores CC O modelo do circuito eltrico do motor CC ilustrado na figura 5.

Ia +

Ra

La

Rf

If +

+Ua E

Lf Uf

Circuito de armadura

m, C

Circuito de campo

Fig. 5 Modelo do circuito eltrico do motor CC

A Lei de Kirchhoff aplicada ao circuito de armadura resulta em:

U a = Ra I a + E

(1)

Onde: Ua = Tenso de armadura Ra = Resistncia da armadura

Ia = Corrente de armaduraE = Fora Eletromotriz induzida ou Fora Contra-Eletromotriz da armadura

Pela Lei da Induo de Faraday, a fora eletromotriz induzida proporcional ao fluxo e rotao, ou seja:

E = k1 nCombinando as eq. (1) e (2), a expresso para a velocidade do motor CC dada por:

(2)

n = k1

U a Ra I a

(3)

Onde: n = velocidade de rotao k1 = constante que depende do tamanho do rotor, do nmero de plos do rotor, e como essas plos so interconectados. = fluxo no entreferroSiemens LTDA Unida