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Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Curitiba SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................................... 1 2. TIPOS DE MOTORES DE CORRENTE CONTINUA ................................................................ 4 3. MOTORES DE EXCITAÇÃO INDEPENDENTE ........................................................................ 5 4. MOTORES DE EXCITAÇÃO SÉRIE ......................................................................................... 7 5. MOTORES SHUNT OU DE DERIVAÇÃO ................................................................................. 8 6. MOTORES DE EXCITAÇÃO COMPOSTA ............................................................................... 9 7. VIDA UTIL DE UM MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA...................................................... 10 8. SENTIDO DE ROTAÇÃO ........................................................................................................ 10 9. ESPECIFICAÇÕES DE UM MOTOR CC ................................................................................ 11 10. ANORMALIDADES EM SERVIÇO ......................................................................................... 12 Acionamentos Industriais 1 Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Curitiba MOTORES DE CORRENTE CONTINUA 1 INTRODUÇÃO Neste tipo de motor, o fluxo magnético do estator é gerado nas bobinas de campo pela corrente contínua, portanto trata-se de um campo magnético cuja a intensidade é contínua. Quanto ao rotor, que podemos chamar de armadura também é alimentado por tensão contínua e a interação dos campos magnéticos do estator (chamado de campo) e da armadura produzem o torque para a movimentação do rotor. 1.1-Principais Partes Construtivas de um Motor de Corrente Contínua O MCC é composto fundamentalmente de duas partes: estator e rotor. 1.1.1-O estator é formado por: Carcaça- É a estrutura suporte do conjunto e tem a finalidade de conduzir o fluxo magnético. Pólos de Excitação- Tem a finalidade de gerar o fluxo magnético. São constituídos de condutores enrolados sobre núcleos de chapas de aço laminadas cujas extremidades possuem um formato que se ajusta a armadura e são chamadas de sapatas polares. Pólos de comutação- São colocados na região interpolar e são percorridos pela corrente de armadura. Compensam o efeito da reação da armadura na região de comutação, evitando o deslocamento da linha neutra em carga, reduzindo a possibilidade de centelhamento. Enrolamento de Compensação- É um enrolamento distribuído na periferia da sapata polar e percorrido pela corrente de armadura. Sua finalidade é também compensar a reação da armadura, mas agora em toda a periferia do rotor, e não somente na região transversal. Evita o aparecimento de faíscas provocadas por uma diferença de potencial entre espiras devido a distribuição não uniforme da indução no entreferro. Conjunto Porta Escovas e Escovas- O porta escovas permite alojar as escovas e está montado de tal modo que possa ser girado para o ajuste da zona neutra. As escovas são compostas de material condutor e deslizam sobre o comutador quando este gira, pressionadas por uma mola, proporcionando a ligação elétrica entre a armadura e o exterior. 1.1.2-O rotor é formado por: Rotor com Enrolamento- Centrado no interior da carcaça, é constituído por um pacote de chapas de aço silício laminadas, com ranhuras axiais na periferia para o enrolamento da armadura. Este enrolamento está em contato elétrico com as lâminas do comutador. Comutador- É o conversor mecânico que transfere a energia ao enrolamento do rotor. O comutador é constituído de lâminas de cobre isoladas por meio de lâminas de mica. Eixo- É o elemento que transmite a potência mecânica desenvolvida pelo motor. Acionamentos Industriais 2 Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Curitiba 1.1.3-Características dos Motores CC A máquina de corrente contínua (MCC) consiste em um enrolamento de campo (no estator), que estabelece o fluxo magnético , e um enrolamento de armadura (no rotor). O funcionamento de um motor de corrente contínua está baseado nas forças produzidas da interação entre o campo magnético e a corrente de armadura no rotor, que tendem a mover o condutor num sentido que depende do sentido do campo e da corrente na armadura. O comutador é o conversor mecânico que transfere a energia ao enrolamento do rotor, possibilitando a circulação de corrente alternada no rotor através de uma fonte de corrente contínua. As escovas são compostas de material condutor e deslizam sobre o comutador quando este gira, pressionadas por uma mola, proporcionando a ligação elétrica entre a armadura e o exterior. Com o deslocamento dos condutores da armadura no campo, surgem tensões induzidas internas (força contra-eletromotriz - f.c.e.m) E atuando no sentido contrário ao da tensão aplicada. A tensão terminal da armadura V diferirá de E pela queda de tensão interna (RaIa). O diagrama do circuito de um motor CC com excitação independente é mostrado abaixo. As equações básicas são: *Tensão Terminal (na armadura do motor) – V= E +Ra.Ia *Força Contra-eletromotriz - Durante a operação de um motor de corrente contínua ocorre simultaneamente a ação geradora, pois com o deslocamento dos condutores da armadura no campo surgem tensões induzidas (força contra-eletromotriz - fcem), atuando no sentido contrário ao da tensão aplicada força contra-eletromotriz Acionamentos Industriais 3 Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Curitiba E = k1.N.   fluxo magnético N  velocidade da armadura em rpm k  constante *Conjugado ou Torque - Conjugado é a medida do esforço necessário para girar o eixo T = k2.Ia. T  torque em N.m. kt e ke  constantes.  fluxo magnético produzido pela excitação. Ia corrente da armadura em A. Ie corrente de excitação ou de campo em A. *Fluxo Magnético (produzido pela excitação) -  = k3.If *Potência Mecânica - T.N = E.Ia onde Ia é a corrente da armadura, If é a corrente do campo, Ra é a resistência da armadura, N é a velocidade e k1, k2 e k3 são constantes de proporcionalidade. A figura abaixo é um motor CC elementar. Ela mostra o sentido das forças que agem sobre uma espira, quando aplicamos uma fonte de tensão CC. Sob a ação da força a espira irá se movimentar no sentido horário até atingir o ponto em que a força resultante é nula (ponto em que o ângulo  é igual a 0o ou 180o), não dando continuidade ao movimento. Torna-se, então, necessária a inversão da corrente na espira para que tenhamos um movimento contínuo. Este problema é resolvido utilizando um comutador de corrente. Este comutador possibilita a circulação de corrente alternada no rotor através de uma fonte CC. Para se obter um conjugado constante durante todo um giro da armadura do motor utilizamos várias espiras defasadas no espaço montadas sobre um tambor e conectadas ao comutador. Acionamentos Industriais 4 Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Curitiba Para motores de baixa potência o circuito magnético está saturado. Resolvendo as equações para explicitar a velocidade, temos: Observando a equação acima, verificamos que a velocidade pode ser variada através da variação do valor médio da tensão aplicada à armadura (V), pelo controle da excitação () ou pela resistência da armadura (Ra). Quando o controle é feito através da variação da tensão da armadura, o campo magnético pode ser mantido constante (=constante) e no seu valor máximo. Desta forma, o máximo torque pode ser desenvolvido. O enfraquecimento do campo (diminuindo ) é normalmente utilizado para obter velocidades acima da nominal. Portanto, como pode ser observado na figura 6.2, o controle da tensão de armadura é feito a torque constante enquanto o controle através do enfraquecimento do campo é feito à potência constante. 2-Tipos de Motores de corrente Contínua: Os motores de corrente contínua se classificação segundo a sua excitação de campo da seguinte forma: Motores com Excitação Independente Motores com Excitação Série Acionamentos Industriais 5 Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Curitiba Motores com Excitação Paralela Motores com Excitação Composta 3-Motor com Excitação Independente A figura abaixo apresenta o diagrama elétrico de uma máquina CC com excitação independente. A rotação do motor pode ser alterada mantendo o fluxo() constante e variando a tensão de armadura (controle de armadura), ou mantendo a tensão de armadura fixa e alterando o fluxo (controle pelo campo). Alterar o fluxo magnético significa modificar a corrente de campo. onde: Vt é a tensão de armadura, IA é a corrente de armadura, VE é a tensão de campo, escova Ia Vt + + VE - Ie IE campo E - Vt IA  RA eixo velocidade N torque T armadura + E + IARA - IE é a corrente de campo, RA é a resistência do circuito da armadura e E é a força contraeletromotriz. E Vt  R A I A Vt  TRA  k t    k . k . k A velocidade N em rpm N Acionamentos Industriais 6 Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Curitiba Observando a equação anterior, verificamos que a velocidade pode ser variada através da variação do valor médio da tensão aplicada à armadura, pelo controle da excitação ou pela resistência de armadura. Quando o controle é feito através da variação da tensão da armadura, o campo magnético pode ser mantido constante (=constante) e no seu valor máximo. Desta forma, o máximo torque pode ser desenvolvido. O enfraquecimento do campo (diminuindo ) é normalmente utilizado para obter velocidades acima da nominal. Portanto, como pode ser observado na figura abaixo, o controle da tensão de armadura é feito a torque constante enquanto o controle através do enfraquecimento do campo é feito à potência constante. A figura mostra um motor CC com excitação independente. Como o torque é proporcional ao produto da corrente de armadura pelo fluxo, é aconselhável manter o fluxo em seu nível de projeto, de maneira a minimizar a corrente de armadura. Para a partida, R2 é zero e R1 é um valor tal que mantenha a corrente da armadura dentro de valores seguros. À medida que a armadura acelera, a força contra-eletromotriz aumenta de zero a um valor proporcional à velocidade. R2 R1 fonte de tensão contínua fixa Velocidade Ia V E If fonte de tensão contínua fixa R2 ajustável R1=0, tensão constante na armadura R2=0 corrente constante de campo R1 ajustável com torque constante Resistência aumentando Variação de velocidade por uso de resistores (a) Circuito (b) Variação a um torque fixo Acionamentos Industriais 7 Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Curitiba Os resistores da figura acima podem ser utilizados para que se obtenha o ajuste da velocidade. A presença de R1 causará uma redução na tensão da armadura e, portanto, uma redução na velocidade. Com uma corrente de campo fixa, a tensão de armadura será aproximadamente proporcional à velocidade. Um enfraquecimento da corrente de campo pela inclusão de R2 reduzirá o fluxo e, portanto, aumentará a velocidade. 4-Motor com excitação série O enrolamento de campo deste tipo de motor é ligado em série com o enrolamento de armadura, sendo que só haverá fluxo no entreferro da máquina quando a corrente de armadura for diferente de zero (máquina carregada). A velocidade varia de um valor muito alto com uma carga pequena até um valor bem baixo com a carga máxima. Portanto, o motor série pode trabalhar em regimes de sobrecarga, sendo o aumento do consumo de corrente relativamente moderado. Esta propriedade é essencialmente valiosa para a tração elétrica, acionamentos de guindastes etc. Deve-se observar que no caso da redução de carga, a velocidade do motor se torna tão grande que as forças centrífugas podem destruir o seu induzido. Por isso, quando a tensão é nominal, não se deve colocar em funcionamento o motor com uma carga muito reduzida. Os grandes motores em série são geralmente ligados diretamente à carga e não através de correias ou polias. Considerando as relações para o motor CC, a velocidade será: N V ks T  V  Ra I a kr Ra  ks k1 onde ks e kr são constantes de proporcionalidade. Existem duas maneiras de se controlar a velocidade de um motor CC série: através da variação do valor médio da tensão da armadura e pelo aumento da resistência da armadura. A figura mostra um conjunto de características torque-velocidade, desprezando Ra. O motor CC série se caracteriza por apresentar um torque de partida elevado. Pode-se verificar que nos motores série o torque é proporcional ao quadrado da corrente Acionamentos Industriais 8 Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Curitiba Existem duas maneiras de se controlar a velocidade de um motor CC série: através da variação do valor médio da tensão da armadura e pelo aumento da resistência da armadura. A figura mostra um conjunto de características torque-velocidade, desprezando Ra. O motor CC série se caracteriza por apresentar um torque de partida elevado. T  kt . .I A  T  I A2 5-Motor com Excitação Shunt ou em Derivação É o tipo mais comum de motor CC. Sua curva característica de torque x carga mostra que o torque aumenta linearmente com o aumento na corrente de armadura. A curva velocidade x carga mostra que a velocidade cai ligeiramente a medida que a corrente na armadura aumenta. A velocidade básica é a velocidade com carga máxima, o seu ajuste é feito inserindo-se uma resistência no campo através de um reostato. Não se pode abrir o circuito de campo de um motor em derivação que está rodando sem carga, porque a velocidade do motor aumenta descontroladamente até o motor queimar. Acionamentos Industriais 9 Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Curitiba 6-Motor com Excitação Composta Este tipo associa as características dos motores em derivação e dos motores em série. O motor composto funciona com segurança sem carga. A medida que se adicionam novas cargas, a sua velocidade diminui, e o torque é maior se comparado com o do motor em derivação. A seguir mostramos o circuito equivalente do motor composto em derivação longa. Este tipo de excitação é ideal para acionamentos com variações bruscas de carga (por exemplo, prensas), e para se obter um comportamento mais estável da máquina. Potência Nominal - É a potência que o motor pode fornecer dentro de suas características nominais, em regime contínuo. O conceito de potência nominal, ou seja, a potência que o motor pode fornecer, está intimamente ligado a elevação de temperatura do enrolamento. Sabemos que o motor pode acionar cargas de potência bem acima de sua potência nominal. O que acontece, porém, é que, se esta sobrecarga for excessiva, isto é, for exigida do motor uma potência muito acima daquela para a qual for projetado, o aquecimento normal será ultrapassado e a vida do motor será diminuída, podendo ele, até mesmo, queimar-se rapidamente. Aquecimento do Enrolamento - A potência útil fornecida pelo motor na ponta do eixo é menor que a potência que o motor absorve da linha de alimentação, isto é, o rendimento é sempre inferior a 100%. A diferença entre as duas potência representa as perdas que são transformadas em calor, o qual aquece o enrolamento e deve ser dissipado para fora do motor, para evitar que a elevação de temperatura seja excessiva Acionamentos Industriais 10 Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Curitiba 7-Vida útil de uma máquina de corrente contínua Se não considerarmos as peças que se desgastam devido ao uso, como escovas e rolamentos, a vida útil de uma máquina CC é determinada pelo material isolante. Este é afetado por muitos fatores, como umidade, vibrações, ambientes corrosivos e outros. Dentre todos estes fatores o mais importante é a temperatura de trabalho dos materiais isolantes. A vida útil da máquina é reduzida pela metade a cada 8oC de operação acima da temperatura nominal da classe. Quando falamos em diminuição da vida útil do motor não nos referimos apenas às temperaturas elevadas, quando o isolante se queima e o enrolamento é destruído de repente. Vida útil da isolação em termos de temperatura de trabalho, bem abaixo daquela em que o material se queima, refere-se ao envelhecimento gradual do isolante, que vai se tornando ressecado perdendo o poder isolante, até que não suporte mais a tensão aplicada e produza o curto-circuito. 8-Sentido de Rotação As máquinas podem funcionar em ambos os sentidos de rotação, horário e anti-horário. Para inverter o sentido de rotação do motor, deve-se inverter a polaridade da ligação da armadura ou do campo. A inversão de ambos não trará resultado. Normalmente considera-se o sentido horário, visto pelo lado acionado (lado do eixo). Regime de Serviço - É o grau de regularidade da carga a que o motor é submetido. Os motores normais são projetados para regime contínuo, em que a carga é constante por tempo indefinido e igual a potência nominal do motor. Os regimes padronizados são: -Regime contínuo (S1)- Funcionamento a carga constante de duração suficiente para que se alcance o equilíbrio térmico. -Regime de tempo limitado (S2)- Funcionamento a carga constante, durante um certo tempo, inferior ao necessário para atingir o equilíbrio térmico, seguido de um período de repouso de duração suficiente para restabelecer a igualdade de temperatura com o meio refrigerante. -Regime intermitente periódico (S3)- Sequência de ciclos idênticos, cada qual incluindo um período de funcionamento a carga constante e um período de repouso. Neste regime o tempo entre uma partida e outra deve ser suficientemente grande para que o calor gerado na partida não afete o ciclo seguinte. -Regime intermitente periódico com partidas (S4)- Sequência de ciclos de regime idênticos, cada qual consistindo de um período de partida, um período de funcionamento a carga constante e um período de repouso. O calor gerado na partida é suficientemente grande para afetar o ciclo seguinte. -Regime intermitente periódico com frenagens elétricas (S5)- Sequência de ciclos de regime idênticos, cada qual consistindo de um período de partida, um período de funcionamento a carga constante, um período de frenagem elétrica e um período de repouso. -Regime de funcionamento contínuo com carga intermitente (S6)- Sequência de ciclos de regime idênticos, cada qual consistindo de um período de funcionamento a carga constante e um período de funcionamento em vazio, não existindo o período de repouso. Acionamentos Industriais 11 Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Curitiba -Regime de funcionamento contínuo com frenagem elétrica (S7)- Sequência de ciclos de regime idênticos, cada qual consistindo de um período de partida, um período de funcionamento a carga constante e um período de frenagem elétrica, não existindo o período de repouso. -Regime de funcionamento contínuo com mudança periódica na relação carga/velocidade de rotação (S8)- Sequência de ciclos de regime idênticos, cada qual consistindo de um período de partida e um período de funcionamento a carga constante, correspondente a uma velocidade de rotação pré-determinada, seguidos de um ou mais períodos de funcionamento a outras cargas constantes, correspondentes a diferentes velocidades de rotação. Não existe o período de repouso. -Regimes especiais- Quando a carga pode variar durante os períodos de funcionamento, a escolha de um motor adequado deve ser feita mediante consulta à fábrica. 9-Especificação de um Motor CC Para a correta especificação do motor, são necessárias as seguintes informações: potência nominal (kW), regime de serviço ou descrição do ciclo de trabalho, velocidade nominal (rpm), velocidade máxima com enfraquecimento de campo (rpm), velocidade mínima de trabalho (rpm), tensão de armadura (VCC), tensão de campo (VCC), fonte (CC pura com gerador ou baterias, conversor trifásico ou monofásico), tensão da rede CA, frequência da rede, grau de proteção da máquina ou especificação da atmosfera ambiente, temperatura ambiente, altitude, proteção térmica, sentido de rotação, sobrecargas ocasionais e momento de inércia da carga. Acionamentos Industriais 12 Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Curitiba 10-Anormalidades em Serviço Anomalia Causas Prováveis Motor não arranca Providências - Circuito de armadura interrompido. - Examinar condutores de entrada e bornes. - Bobinas de comutação ou armadura em curto. - Identificar o curto circuito e recuperar. - Sistema de acionamento defeituoso. - Verificar se há interrupção ou defeito no sistema de acionamento. em vazio - Ajustar a zona neutra. Não se consegue - Tensão diferente da tensão de placa. - Conferir a tensão e providenciar para que a tensão de alimentação seja igual a tensão nominal. dar partida ao motor - Recondicionar o eixo, substituir revestimento do mancal, lubrificando-o adequadamente. - Mancal sem lubrificação ou preso. - Verificar correntes dos enrolamentos e diminuir a carga do motor. - Examinar a lubrificação dos mancais. - Sobrecarga. O motor tenta partir mas o sobrecarga relé - A partida foi dada com campo fraco ou nulo. de - Verificar se o reostato está ajustado corretamente. Verificar se há algum enrolamento aberto na bobina de campo. Verificar se as conexões estão bem atua, apertadas. desligando-o - Verificar a tensão com a indicada na placa. Instalar um motor adequado a carga exigida. - Verificar e retirar qualquer excesso de resistência da linha de alimentação, ligações ou circuitos de comando. - O momento da torção do motor é insuficiente para arrancar com carga. - Acertar as escovas na posição neutra. - Tensão da linha baixa. - Verificar se a carga aplicada não excede a carga admissível para o motor. Acionamentos Industriais 13 Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Curitiba Anomalia Causas Prováveis Aquecimento - Sobrecarga. Providências - Testar tensão e corrente. Eliminar a sobrecarga. anormal em serviço - Volume de ar refrigerante não é suficiente. - Verificar o sentido de rotação da ventilação. Limpar dutos de ar e/ou filtros. Substituir os filtros se necessário. - Verificar os enrolamentos e os pontos de solda. Reparar as bobinas. - Fechá-la. - Curto circuito nos enrolamentos de armadura Aquecimento - Excesso de graxa. - Retirar o excesso. - Graxa em mau estado ou incorreta. - Relubrificar com graxa correta. - Rolamento em mau estado. - Substituir rolamento. - Comutador ovalizado. - Usinar, rebaixar a mica e quebrar os cantos das lamelas. anormal dos rolamentos Faiscamento nas escovas quando o motor enfrenta carga - Limpar o comutador. - Superfície do comutador muito suja. - Adequar as escovas em função da carga. - Formação de estrias sobre a superfície do comutador. - Rebaixar a mica e quebrar os cantos das lamelas. - Isolação entre lâminas saliente (mica). - Verificar, caso necessário, consultar a fábrica. - Mau contato entre o terminal da escova e porta-escova. - Escovas desgastadas. - Substituir por outra de mesmo tipo. - Verificar que sejam usadas apenas escovas do tipo especificado em função da carga. - Tipo de escovas inadequadas. - Substituir escovas. Acionamentos Industriais 14 Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Curitiba Anomalia Faiscamento Causas Prováveis em Providências - Erro na distribuição das escovas. - Verificar a quadratura dos porta-escovas. - Distribuição desigual da corrente. - Verificar uniformidade do entreferro dos pólos de comutação. todas as escovas e em um ou outro braço do porta-escovas - Reapertar os parafusos. - Contato deficientes. Projeção de faíscas - Partículas de impurezas se desprendem das - Limpar o comutador e todos os porta-escovas. Se necessário adequar o tipo das escovas, em função da carga. escovas ou lâminas e se inflamam. Faiscamento escovas das - Sobrecarga - Ajustar os valores de sobrecarga admissíveis. - Rotação excessiva. - Ajustar corretamente a velocidade de rotação. quando aumenta a carga Faiscamento escovas das quando a rotação aumenta muito Acionamentos Industriais 15