1. IntroduoAgora que temos um bom entendimento de geradores de corrente contnua, podemos comear nosso estudo sobre motores CC. Motores de corrente contnua transformam energia eltrica em energia mecnica. Eles dirigem dispositivos, como guinchos, ventiladores, bombas, calendrios, puncionadeiras, e carros. Estes dispositivos podem ter uma caracterstica torque-velocidade definida (tal como uma bomba ou ventilador) ou um altamente varivel (como uma talha ou automvel). A caracterstica torque-velocidade do motor deve ser adaptada ao tipo de carga que este tem de dirigir, e essa exigncia deu origem a trs tipos bsicos de motores: 1. Motores shunt 2. Os motores da srie 3. Motores Compostos de corrente contnua. Motores so raramente usados? Em aplicaes industriais comuns, porque todos os sistemas de energia eltrica fornecem corrente alternada. No entanto, para aplicaes especiais, tais como em siderrgicas, minas e trens eltricos, s vezes vantajoso para transformar a corrente alternada em corrente contnua a fim de utilizar motores DC. A razo que as caractersticas torquevelocidade de motores DC podem ser variadas em uma ampla faixa, mantendo alta eficincia. Hoje, esta afirmao geral pode ser contestada porque a disponibilidade de sofisticados drives eletrnicos tornou possvel utilizao de motores de corrente alternada para aplicaes de velocidade varivel. No entanto, h milhes de motores DC ainda em servio e milhares mais esto sendo produzidos a cada ano.

2. Fora contra eletromotriz (Fcem)Motores de corrente contnua so construdos da mesma forma que os geradores so, consequentemente, uma mquina CC pode funcionar como um motor ou como gerador. Para ilustrar, considere um gerador de corrente contnua em que a armadura, inicialmente em repouso, est ligada a uma fonte DC Es por meio de um switch (Fig. 5.1). A armadura tem uma resistncia R, e o campo magntico criado por um conjunto de ms permanentes. Assim que a chave fechada, um grande fluxo criado na armadura porque sua resistncia muito baixa. Os condutores individuais da armadura so imediatamente submetidos a uma fora, porque eles esto imersos no campo magntico criado pelos ms permanentes. Essas foras se somam para produzir um torque poderoso, causando a rotao da armadura.

Por outro lado, assim quando a armadura comea a girar, um segundo fenmeno ocorre: o efeito gerador. Sabemos que uma Eo tenso induzida nos condutores da armadura, logo que eles cortaram um campo magntico (Fig. 5.2). Isto sempre verdade, no importa o que faz com que a rotao ocorra. O valor e polaridade da tenso induzida so os mesmos que os obtidos quando a mquina funciona como um gerador. Eo tenso induzida , portanto, proporcional velocidade de rotao n do motor e para a F fluxo por plo, como anteriormente determinado pela equao. 4.1: Eo = ZnF/60 (4.1) Como no caso de um gerador, Z uma constante que depende do nmero de voltas na armadura e do tipo de enrolamento. Para enrolamentos sobrespostos Z igual ao nmero de condutores da armadura. No caso de um motor, o Eo tenso induzida chamado de contraeletromotriz fora (fcem), porque sua polaridade sempre age contra o Es fonte de tenso. Ela age contra a tenso no sentido de que a tenso de rede atuando no circuito srie da Figura. 5,2 igual a (Es - Eo) volts e no (Es + Eo) volts.

3. Acelerao do MotorA tenso de rede atuando no circuito da armadura na fig. 5.2 (Es - Eo) volts. O resultado da armadura limitado apenas pela resistncia R armadura, e assim: I = (Es - Eo) IR (5.1) Quando o motor est em repouso, a tenso induzida Eo = 0, e assim a corrente de partida I = Es / R A corrente de partida pode ser de 20 a 30 vezes maior do que a nominal de plena carga atual do motor. Na prtica, isso faria com que os fusveis explodissem ou os disjuntores a voassem longe. No entanto, se eles esto ausentes, as grandes foras agindo sobre os condutores da armadura produziram um torque poderoso de partida e uma consequente acelerao rpida da armadura.

medida que aumenta a velocidade, a contagem emf-Eo aumenta, com o resultado que o valor de (Es - Eo) diminui. Decorre Eq. 5.1 que a corrente de armadura cai progressivamente com o aumento da velocidade. Embora a corrente de armadura diminui, o motor continua a acelerar at atingir uma velocidade mxima definida. Em nenhuma carga essa velocidade produz uma fem Eo contraria menor do que o Es fonte de tenso. Com efeito, se Eo foram iguais a Es a tenso de rede (Es - Eo) se tornaria zero e assim o ser. As foras motrizes deixariam de agir sobre os condutores, e a resistncia mecnica imposta pelo ventilador e os rolamentos de imediato fazer o motor desacelerar. Como a velocidade diminui a tenso de rede (Es - Eo) aumenta, a velocidade deixar de cair assim que o torque desenvolvido pela corrente de armadura for igual ao torque de carga. Assim, quando um motor funciona sem carga, a fem contraria deve ser um pouco menor que a Es de modo a permitir que uma pequena corrente flua, suficiente para produzir o torque necessrio. Exemplo 5-1 A armadura de um CC de im permanente gerador tem uma resistncia de 1 W e gera uma tenso de 50 V quando a velocidade de 500 r / min. Se a armadura conectado a uma fonte de 150 V, calcule o seguinte: a. A corrente de partida b. A fem contra-quando o motor gira a 1000 r / min. Em 1460 r / min. c. A corrente de armadura em 1000 r / min. Em 1460 r / min.

Soluo a. No momento de start-up, a armadura estacionria, por isso Eo = 0 V (Fig. 5.3a). A corrente de partida limitada apenas pela resistncia da armadura: / = Es / R = 150 V / l W = 150 A b. Porque a tenso do gerador de 50 V a 500 r / min, a fcem do motor ser de 100 V a 1000 r / min e 146 V em 1460 r / min. c. A tenso de lquido no circuito da armadura em 1000 r / min Es - Eo = 150 - 100 = 50 V O atual correspondente da armadura I = (Es - Eo) / R

= 50 / 1 = 50 A (Fig.5.3b) Quando a velocidade do motor atinge 1.460 r / min, a fcem ser 146 V, quase igual tenso da fonte. Sob estas condies, a corrente de armadura apenas / = (Es - Eo) / R = (150 - 146) / 1 = 4A eo torque do motor correspondente muito menor do que antes (Fig. 5.3c).

4. Rotao de velocidadeQuando um motor DC funciona entre uma carga zero a toda a carga, IR cai devido resistncia da armadura que sempre pequeno quando comparado com o Es, tenso de alimentao. Isto significa que o Es emf contraria quase igual ao Es. Por outro lado, j vimos que Eo pode ser expresso pela equao Eo = ZnF/60 (4.1)c

onde n = velocidade de rotao [r / min] Es = armadura de tenso [V] Z = nmero total de condutores da armadura Esta equao importante mostra que a velocidade do motor diretamente proporcional tenso de alimentao da armadura e inversamente proporcional ao fluxo por plo. Vamos agora estudar como esta equao aplicada.

5. Controle de velocidade da armadura

De acordo com Eq. 5.7, se o fluxo pelo plo F mantida constante (Campo de m permanente ou campo com excitao fixa), a velocidade depende apenas da Es tenso de armadura. Aumentando ou diminuindo Es a velocidade do motor sobe e desce na mesma proporo. Na prtica, podemos variar Es, ligando o motor M armadura para uma excitao independente varivel de tenso dc gerador G (Fig. 5.6). O campo de excitao do motor mantido constante, mas a excitao do gerador Ix pode variar de zero a no mximo e at mesmo revertida. O gerador de Es tenso de sada variou de zero ao mximo, com a polaridade positiva ou negativa. Consequentemente, a velocidade do motor pode variar de zero ao mximo em qualquer direo. Note que o gerador acionado por um motor de corrente alternada conectada a uma linha de 3 fases. Este mtodo de controle de velocidade, conhecido como o sistema Ward-Leonard, encontrada em usinas siderrgicas, elevadores high-rise, minas e fbricas de papel. Em instalaes de modem o gerador muitas vezes substitudo por um conversor de alta potncia eletrnico que muda a alimentao CA da concessionria de energia eltrica para dc por meios electrnicos.

6. Controle de Velocidade reostatoOutra forma de controlar a velocidade de um motor de corrente contnua colocar um reostato em srie com a armadura (Fig. 5.7). A corrente no reostato produz uma queda de tenso que subtrai da Es fonte de tenso fixa, gerando uma tenso de menor oferta do outro lado da armadura. Este mtodo permite-nos reduzir a velocidade abaixo de sua velocidade nominal. S recomendado para motores pequenos, porque um monte de energia e calor desperdiado no reostato, e a eficincia global baixa. Alm disso, a regulao de velocidade baixa, mesmo para um ajuste fixo do reostato. Com efeito, a queda de IR em todo o reostato aumenta com o aumento da corrente de armadura. Isso produz uma queda substancial na velocidade com o aumento da carga mecnica.

7. Motor CompoundO motor compound composto do campo em serie e em paralelo, no motor cumulativo o fmm(fora contra eletromotriz) dos campos somada. O campo shunt sempre mais forte do que o campo srie.A Fig. 5.12 mostra os diagramas de conexo e esquemtica de um motor composto. Quando o motor funciona sem carga a corrente de armadura na srie de enrolamento baixa e a fmm do campo srie insignificante. No entanto, o campo shunt totalmente excitado por I e assim o motor se comporta como uma mquina

shunt, no tendem a dar partida sem carga. A medida que a carga aumenta, a fmm do campo srie aumenta, mas o mmf do campo shunt permanece constante. A velocidade do motor cai com o aumento da carga e a velocidade de queda do motor sem carga quando colocada a plena carga geralmente entre 10 e 30 por cento.

Se o campo srie conectado de modo que se ope ao campo shunt, obtemos um motor composto diferencial.

a fmm total diminui com o aumento da carga. A velocidade aumenta medida que a carga aumenta, e isso pode levar instabilidade. O motor composto diferencial tem pouqussimas aplicaes. Fig. 5.13 mostra as Curvas tpicas de torque-velocidade do composto shunt e sries de motores em uma base por unidade. Fig. 5.14 mostra uma aplicao tpica de motores DC em uma usina siderrgica. Invertendo o sentido de rotao

a. b. c. Da

Conexes originais de um motor composto. Invertendo as conexes da armadura para inverter o sentido de rotao. Invertendo as conexes de campo para inverter o sentido de rotao. partida de um motor shunt

Se aplicarmos a tenso total de um motor shunt estacionrio, a corrente de partida na armadura ser muito elevado e corremos o risco de: a. Queimar a armadura; b. Danificar o comutador e as escovas, devido a fascas; c. Sobrecarga no alimentador; d. Tirar fora do eixo, devido a choques mecnicos; e. Danificar o equipamento acionado por causa da sbita martelada mecnica.

Todos os motores dc devem, portanto, dispor de um meio para limitar a corrente de partida em valores razoveis, geralmente entre 1,5 e 2 vezes a plena carga atual. Uma soluo ligar um reostato em srie com a armadura. A resistncia gradualmente reduzida medida que o motor acelera e, eventualmente esse problema eliminado por completo, quando a mquina atingir a velocidade mxima. Hoje, os mtodos eletrnicos muitas vezes so usados para limitar a corrente de partida e para fornecer controle de velocidade. 7.1 Face-plate starter Fig. 5,16 mostra o diagrama esquemtico de uma partida diante da placamanual para um motor shunt. Contatos de cobre nu so conectados a um limitador de corrente, resistores R1, R2, R3 e R4. Um brao condutor varre os contatos quando puxado para a direita atravs da ala isolada 2. Na posio mostrada, o brao toca o contato M (parado) de cobre e o circuito motor est aberto. A medida que passamos a ala para direita, o brao toca pela primeira vez, estabelecemos o contato em N. O Es a tenso de alimentao que provoca imediatamente a corrente Ix que flui, mas a corrente de armadura limitada pelos quatro resistores na caixa de starter. O motor comea a girar e, como o Eo fcem aumenta, a corrente de armadura cai gradualmente. Quando a velocidade do motor deixa de subir mais, o brao puxado para o prximo contato, eliminando assim resistor R1 do circuito da armadura. A corrente salta imediatamente para um valor maior e o motor rapidamente acelera a velocidade imediatamente superior. Quando os nveis de velocidade cessam, ns nos movemos para o prximo contato, e assim por diante, at que o brao finalmente toca o ltimo contato. O brao magneticamente mantido nessa posio por quatro eletroms pequenos, que esto em srie com o campo shunt.

Se a tenso de alimentao subitamente interrompida, ou se o campo de excitao for cortado acidentalmente, o eletrom libera o brao, permitindo que ele retorne sua posio inicial, sob o impulso da spnng 3. Esta caracterstica de segurana impede o motor de reiniciar inesperadamente quando a tenso de alimentao restabelecida.

8. Parando o motorH uma tendncia em acreditar que parar um motor de corrente contnua simples, quase trivial. Infelizmente isso nem sempre verdade. Quando um motor de corrente contnua grande acoplado a uma carga inerti e pesada, pode demorar uma hora ou mais para que o sistema chegue a um impasse. Por muitas razes, tais como um momento de desacelerao prolongada que muitas vezes inaceitvel e, sob estas circunstncias, devemos aplicar um torque de frenagem para garantir uma parada rpida. Uma maneira de dar freio ao motor por frico mecnica simples, da mesma forma que parar um carro. Um mtodo mais elegante consiste em fazer circular uma corrente inversa na armadura, de modo a frear o motor eltrico.

9. Frenagem dinmicaConsidere um motor shunt cujo campo est diretamente ligado a uma fonte Es, e cuja armadura esta conectada com a mesma fonte, por meio de um lanamento duplo-comutador, o comutador conecta a armadura, por uma linha ou a um resistor externo R (Fig. 5,17 ). Quando o motor est funcionando normalmente, a direo da corrente de armadura e I1 a polaridade da fcem Eo so como mostrado na figura. 5.17a. Negligenciando a queda IR da armadura, Eo igual ao Es. Se de repente abrir o comutador (Fig. 5.17b), o motor continua a girar, mas a sua velocidade vai cair gradualmente devido a perdas de atrito e ventilao. Por outro lado, o campo shunt ainda excitado, Eo tenso induzida, continua a existir, caindo na mesma velocidade como a velocidade, em essncia, o motor agora um gerador, cuja armadura em circuito aberto. Vamos fechar o interruptor no segundo conjunto de contatos ento a armadura de repente conectada para o resistor externo (Fig. 5.17c). Eo tenso ir imediatamente produzir uma corrente de armadura I2. No

entanto, esta corrente flui no sentido oposto corrente original I1 Daqui resulta que um torque reverso desenvolvido cuja magnitude depende I2. O torque reverso traz a mquina para uma parada rpida, mas muito suave.

Na prtica, o resistor R escolhido de forma que a corrente inicial de frenagem seja duas vezes a corrente nominal do motor. O torque de frenagem inicial o dobro do torque normal do motor. Como o motor desacelera, a queda gradual em Eo produz uma diminuio correspondente no I2. Consequentemente, o torque de frenagem torna-se cada vez menor, tornando-se finalmente zero quando a armadura deixa de girar. A velocidade cai rapidamente no incio e depois mais lentamente, como a armadura deixa de girar. A velocidade diminui exponencialmente, um pouco como a tenso em um capacitor de descarga. Consequentemente, a velocidade diminui pela metade em intervalos de tempo iguais. Para ilustrar a utilidade de frenagem dinmica. Fig. 5,18 compara as curvas de velocidade-tempo para um motor com frenagem dinmica.

Podemos parar o motor ainda mais rapidamente, usando um mtodo chamado obstruo. composto de repente reverter a corrente de armadura, invertendo os terminais da fonte (Fig. 5.19a). Em condies motor normal, corrente de armadura I1 dada por: I1 = (Es - Eo) IR onde Ro a resistncia da armadura. Se de repente invertermos os terminais da fonte, a tenso de rede atuando no circuito da armadura torna-se (Eo + Es). O chamado Eo contrafem da armadura j no contra nada, mas na verdade contribui para o Es tenso de alimentao. Esta tenso na rede produziria uma enorme corrente inversa, talvez 50 vezes maior que a corrente de plena carga da armadura. Esta corrente iria iniciar um arco ao redor do comutador, destruindo segmentos, escovas, e suporta mesmo antes que s linhas dos disjuntores possam abrir. Para evitar tal catstrofe, devemos limitar a corrente inversa, introduzindo um resistor R em srie com o circuito de reverso (Fig. 5.19b). Como em frenagem dinmica, o resistor projetado para a corrente de frenagem inicial I2 para cerca de duas vezes a corrente de carga. Com este circuito conectando, um torque reverso desenvolvido mesmo quando a armadura chega a parar. Com efeito, a uma velocidade zero, Eo = 0, mas I2 = Es / R, que cerca de metade do seu valor inicial. Assim que o motor pra, devemos imediatamente abrir o circuito da armadura, caso contrrio ele ir comear a correr no sentido inverso. A Interrupo do circuito normalmente controlada por um dispositivo de velocidades automtica colocada no eixo do motor. As curvas da Figura. 5,18 nos permitem comparar ligar e frenar dinmica para a mesma corrente inicial de frenagem. Note-se que ao ligar, o motor pra completamente aps um intervalo de 2To. Por outro lado, se a frenagem dinmica usada, a velocidade ainda 25 por cento do seu valor original neste momento. No entanto, a simplicidade comparativa de frenagem dinmica torna mais popular na maioria das aplicaes.

10. Reao da armaduraA corrente que flui nos condutores da armadura tambm cria uma fora magnetomotriz que distorce e enfraquece o fluxo proveniente dos plos. Esta distoro e enfraquecimento de campo ocorrem em motores, bem como em geradores. Lembramos que a ao magntica do FMM de armadura chamada de reao da armadura.

11. Concluso