Como se observa na figura 4.6, o grande anel na parte superior da máquina de Gramme é um imã permanente. Na parte inferior, há um ímã e, entre os polos do imã, um disco preso a uma manivela. Próximo a essa manivela, encontram-se bobinas constituídas de fios de cobre com espiras em volta de um núcleo de ferro de formato circular, conforme ilustra a figura 4.7. Figura 4.7
Ao girar a manivela, as espiras de cobre atravessam o campo magnético uniforme, gerando, então, corrente elétrica. Sabe-se que, pelo princípio da indução eletromagnética, essa corrente será alternada, mas, com o uso do comutador, a corrente obtida era contínua.
Além das pesquisas para tentar aperfeiçoar os motores CC, iniciou-se também o desenvolvimento de motores que utilizassem corrente alternada (a primeira máquina CA havia sido construída em 1832, pelo italiano S. Dal Negro), assim como o estudo e a aplicação do princípio do campo magnético girante, por Galileu Ferraris.
No entanto, com apenas uma bobina, a corrente contínua gerada apresenta pulsação muito elevada. Para solucionar o problema, Gramme utilizou 16 bobinas, combinadas em oito pares, resultando em uma tensão e corrente contínuas quase constantes, como mostra a figura 4.8.
Finalmente, em 1883, Nikola Tesla desenvolveu o primeiro gerador de corrente alternada. Com base nesse modelo, a empresa Westinghouse passou a construir enormes geradores de energia elétrica com capacidade suficiente para aproveitar, por exemplo, a energia hidráulica das cataratas do Niágara e transformá-la em energia elétrica. Tesla também estudou e desenvolveu máquinas com sistema polifásico. Comparado com o gerador de corrente contínua, o gerador de corrente alternada é mais simples de ser fabricado, mais silencioso, mais seguro e de baixa manutenção. Em 1891, o russo Michael von Dolivo-Dobrovolski, que dois anos antes havia patenteado o motor trifásico com rotor de gaiola (figura 4.9), inaugurou uma fábrica em série de motores assíncronos. Figura 4.9
Vale salientar que o dínamo de Gramme também poderia ser usado como motor CC, bastando para isso alimentá-lo com corrente contínua. O dínamo de Gramme foi usado em diferentes aplicações práticas, como para acender as luzes de faróis, nas fábricas e no processo de galvanização de metais. Graças a esse sucesso, Gramme passou a ser conhecido como o inventor do primeiro dínamo capaz de produzir corrente contínua a ser utilizado na prática. É interessante salientar que o fornecimento da energia mecânica para fazer o dínamo funcionar era obtido das máquinas a vapor desenvolvidas por James Watt.
O motor de corrente contínua funciona segundo o princípio da força magnética: quando dois campos magnéticos interagem, manifesta-se uma força de natureza magnética. Figura 4.10 Princípio de funcionamento do motor CC.
Não demorou muito tempo para que se tentasse substituir as máquinas a vapor por motores elétricos. Em 1879, surgiu a primeira locomotiva elétrica, com potência de 2 kW, porém o motor elétrico ainda apresentava desvantagens quando comparado com as máquinas térmicas, entre elas o uso de comutador, de elevado custo de fabricação. 266
Como se pode notar na figura 4.10, ao fornecer corrente elétrica à espira – que representa o rotor –, seu campo magnético interage com o campo magnético do ímã permanente – que representa o estator –,estabelecendo um binário de forças que põe a espira em movimento. Graças ao comutador, a corrente inverte de sentido na espira, fazendo com que ela continue girando. A velocidade do giro é determinada pelo número de rotações do eixo em relação ao tempo (rpm). O torque produzido é proporcional à intensidade do campo magnético e ao valor da corrente elétrica no rotor, também conhecido como armadura. A figura 4.11 mostra detalhes internos de um motor CC.
No rotor, encontram-se os seguintes componentes: • Eixo da armadura – Produz a rotação para o núcleo da armadura, que, por sua vez, é utilizado para reduzir as perdas magnéticas no enrolamento da armadura. • Enrolamento da armadura – Compõe-se de fios enrolados em formato de bobina, por onde a corrente elétrica circula. • Comutador – É responsável pela inversão da corrente elétrica no enrolamento da armadura. Pode-se representar um motor elétrico CC por meio de um circuito elétrico, conforme ilustra a figura 4.12, em que: • Vta é a tensão da armadura (V); • Ia é a corrente da armadura (A); • ra é a resistência da armadura (Ω); • Vg é a força contraeletromotriz (V); • rs é a resistência do campo série (Ω); • r f é a resistência do campo em derivação (Ω); • If é a corrente do campo em derivação (A); • Vt é a tensão nos terminais do motor (V); • IL é a corrente na linha do motor (A).
Para entender as partes que formam o motor, consideramos que ele é formado por estator e rotor. No estator, encontram-se os seguintes componentes: • Carcaça – Serve como suporte dos demais componentes e também fecha o circuito magnético, pois fornece o retorno do fluxo magnético. • Enrolamento de campo – Gera a força magnetomotriz (f.m.m.) necessária à produção do fluxo magnético para gerar o movimento. • Polos – São as ranhuras soldadas na carcaça, que recebem os enrolamentos de campo. • Escovas – Consistem em dois pedaços de grafite que ficam em contato com o comutador, fornecendo a corrente elétrica ao circuito da armadura. 268
4.2.1 Principais tipos de motores de corrente contínua Motor em derivação Também é conhecido como motor paralelo. O torque aumenta proporcionalmente à elevação da intensidade da corrente na armadura, enquanto sua velocidade diminui. Para controlar a velocidade, coloca-se uma resistência variável (reostato) nas bobinas de campo, para controlar a tensão de entrada (figura 4.13). 269
em inglês de brushless direct current). Nesse modelo, os ímãs permanentes ficam no rotor e os eletroímãs, no estator. Seu acionamento se faz por meio de um MOSFET de alta potência, comandado por um computador, que energiza os eletroímãs enquanto o rotor gira. Assim, além de não emitir faíscas e possuir refrigeração mais eficaz, o motor é muito mais preciso. Infelizmente, o alto custo de manufatura desse modelo impede que substitua totalmente o motor CC comum. No entanto, o BLDC é utilizado em hardwares, CDs e DVDs, assim como auxilia na refrigeração de um PC, já que o ventilador (cooler) é um motor CC sem escovas.
Motor de passo É um motor com posicionamento preciso, de maneira que cada impulso elétrico do sinal de alimentação corresponde a um ângulo fixo de rotação. a)
Figura 4.13 Características de um motor em derivação: (a) circuito equivalente e (b) gráfico velocidade · torque.
As bobinas de campo são conectadas em série com a armadura; assim, a velocidade varia inversamente proporcional ao valor da carga aplicada (figura 4.14). Esse tipo de motor gira lentamente com cargas elevadas e rapidamente quando está vazio, por isso pode se danificar facilmente. É utilizado em guinchos e guindastes, pois fornece torque elevado, porém baixa rotação.
Motor composto Associa características dos motores em derivação e série. A eficiência de seu funcionamento depende do valor da carga. Graças aos avanços da tecnologia, foi possível desenvolver um motor de corrente contínua sem escovas (BLDC, sigla
Como se observa na figura 4.15, o estator é composto de quatro polos e o rotor é um ímã permanente. Para entender o funcionamento desse motor, vamos considerar que, ao energizar os enrolamentos, o polo 1 é um polo sul magnético e o polo 3, um polo norte. Nessas condições, o ímã se movimentará até 271
ficar alinhado com esse campo. Se, no próximo pulso, o polo 2 é sul e o polo 4 é norte, o rotor (ímã) executará outro giro de 90°, efetuando mais um passo.
Essa sincronia de passos é possível porque o rotor também é composto por polos, porém em número ímpar, e não par, como o estator; assim, os polos do estator e do rotor nunca estarão alinhados no mesmo momento. Então, o ângulo de passo será determinado pelo número de polos do estator e do rotor, normalmente entre 1,8° e 30°.
No caso do meio passo, o circuito que energiza os enrolamentos magnetiza apenas uma bobina (ou um grupo de bobinas) do estator; assim, em vez de o rotor se alinhar de maneira a apontar para um dos polos do estator, ele fica entre dois polos. As tabelas 4.4 e 4.5 mostram como o motor gira nos sentidos horário e anti-horário para meio ângulo de passo. Uma sequência de comandos do motor de passo de quatro fases (figura 4.16) para os dois sentidos de rotação pode ser vista na tabela 4.1. Tabela 4.1 Sequência de comandos de motor de passo de quatro fases.
Servomotor A tabela 4.6 apresenta a relação de valores de ângulo de passo e de meio ângulo de passo e respectivos números de passos por volta. Tabela 4.6 Relação de valores de ângulo de passo e de meio ângulo de passo e respectivos números de passos por volta.
É um motor que funciona geralmente por corrente contínua. Ele possui um sensor óptico que assegura que seu posicionamento seja bastante preciso. Entre suas características destacam-se: • rotação, suave e uniforme em todas as velocidades; • torque constante; • baixo nível de ruído e vibração; • boa capacidade de sobrecarga.
Os servomotores necessitam de um sinal pulsado como entrada de referência, conhecido como PWM (sigla em inglês de pulse-width modulation – modulação por largura de pulso). O sensor de posicionamento é um dispositivo eletromecânico usado para verificar movimento ou posição, chamado encoder. O encoder utiliza sensores ópticos, que fornecem pulsos que podem ser interpretados como movimento, posição ou direção. Em um servomotor, ele é instalado internamente.
Observando as tabelas 4.2 a 4.5, conclui-se que é possível projetar um circuito de acionamento sequencial de um motor de passo utilizando um dispositivo eletrônico flip-flop JK como contadores síncronos, que são mais apropriados para gerar uma sequência qualquer. Finalizando, a figura 4.17 mostra a relação entre torque e velocidade em um motor de passo, indicando que a velocidade de rotação depende do tempo entre os passos determinados pelo circuito de acionamento. 274
Como mostra a figura 4.18, em um encoder rotativo incremental, instala-se no eixo do motor um disco codificado com fendas composto por um elemento emissor de luz e um elemento fotossensível. Um feixe de luz é emitido e, ao atravessar uma das fendas do disco codificado, aciona o elemento fotossensível. Assim, enquanto o motor girar, o disco acompanhará essa rotação. A passagem e a interrupção contínuas do feixe de luz no elemento fotossensível produzirão um sinal elétrico binário conhecido como trem de pulsos. Esse código binário, ao ser inserido em um circuito, informa a posição angular do eixo do motor.
posição do rotor é informada por uma tensão proporcional, gerada por um circuito, que recebe as amplitudes e fases das tensões induzidas nos enrolamentos secundários. Figura 4.20 Resolver.
Geralmente, o encoder incremental fornece dois pulsos quadrados (dois canais) defasados de 90°. A leitura de um deles fornece apenas a velocidade, enquanto a leitura dos dois fornece também o sentido do movimento. Existe ainda outro sinal, chamado de zero, que informa a posição absoluta “zero” do encoder. Figura 4.19 Encoder rotativo absoluto.
Outro tipo de encoder rotativo é o absoluto (figura 4.19). Seu princípio de funcionamento é o mesmo do incremental, porém ele não fornece um trem de pulsos, e sim um valor numérico específico para cada posição angular, pois o disco codificado é dividido em segmentos transparentes e opacos. A principal diferença entre o encoder incremental e o absoluto é que no incremental a posição é dada por pulsos a partir do pulso zero (referencial), enquanto no absoluto ela é determinada pela leitura de um código específico para cada posição de seu curso. Esse detalhe evita que os motores de passo com encoder absoluto percam a posição real caso aconteça um corte de sinal de alimentação elétrica. Já os motores de passo com encoder incremental perdem a posição real na ausência de sinal elétrico. Outro sensor que pode ser usado em um servomotor é o resolver (figura 4.20), geralmente utilizado em robôs e outras aplicações cujas posições devem ser continuamente determinadas. Sua finalidade é medir o ângulo do eixo, informando a posição do rotor do servomotor; ele faz isso por meio da produção de formas de onda defasadas de 90°. O resolver é um transformador de alta frequência, em que o enrolamento primário está localizado no rotor, e os dois enrolamentos secundários, no estator. A 276
Atualmente, com a utilização de materiais magnéticos conhecidos como terras raras (ver na tabela periódica dos elementos químicos), que possuem grande força coerciva e alta retentividade magnética, os servomotores são, na maioria, motores de corrente alternada sem escovas, com ímãs permanentes elaborados com esses materiais.
4.3 Motores de corrente alternada Na busca de aperfeiçoamento dos motores elétricos de corrente contínua, muitas pesquisas e experimentos foram realizados. Um dos principais resultados foi alcançado por Nikola Tesla, ao desenvolver inventos utilizando a corrente alternada monofásica e, principalmente, trifásica. Graças a esses estudos, passaram a ser produzidas máquinas elétricas mais simples, compactas, leves, com maior durabilidade, melhor rendimento e de fácil manutenção.
4.4 Motores trifásicos Com a descoberta do campo magnético girante, foi possível desenvolver máquinas elétricas cujo sistema de alimentação era composto por três fases de mesma intensidade e defasadas de 120°, mais conhecido como sistema trifásico. 277
A figura 4.21 apresenta detalhes do posicionamento dos enrolamentos e a defasagem de 120° entre as correntes que circulam em suas bobinas em um campo magnético girante.
bobinas resulta em um grande campo magnético que “gira” a certa velocidade, denominada síncrona. Assim, como mostra a figura 4.22, quando se inverte o sentido da corrente em dois dos enrolamentos, o campo magnético resultante vai “girar” para o outro lado.
A ABNT estabelece as seguintes normas básicas para os fabricantes de motores: • NBR 5383 – Prescreve como determinar as características das máquinas de indução. • NBR 5432 – Define a padronização para os motores de indução. • NBR 7094 – Fixa as especificações dos motores de indução. De acordo com a NBR 5410, os motores de aplicação normal acionam cargas industriais de até 200 cv. No setor residencial ou comercial, a aplicação normal pode considerar motores de até 2 cv. Como se observa nas figuras 4.21a e 4.21b, as correntes que serão fornecidas ao motor trifásico são equilibradas (mesma intensidade) e simétricas (defasadas de 120°). A figura 4.21c mostra os enrolamentos do motor trifásico, espaçados fisicamente de 120°. Cada um desses enrolamentos receberá uma corrente elétrica do sistema trifásico. O detalhe é que, como as correntes estão defasadas de 120° e os enrolamentos também, em cada um dos enrolamentos surgirá um campo magnético variável e, se os analisarmos a cada fração de segundo, ou seja, a cada 60°, veremos que sempre dois enrolamentos estarão com campo magnético, e o terceiro não. Nessas condições, olhando com atenção o sentido do fluxo magnético em cada instante, perceberemos que a variação do campo magnético nas 278
Além das normas brasileiras, as normas de instituições como DIN, NEMA e IEC também podem ser aplicadas, dependendo da finalidade de uso.
4.5 Motores assíncronos Se o rotor for inserido no meio de um campo magnético girante, ele será induzido por causa da variação de fluxo magnético; um campo magnético se manifestará no rotor, fazendo-o girar ao tentar acompanhar o campo do estator. Os motores que funcionam segundo o princípio da indução são classificados como motores assíncronos, pois o rotor gira a uma velocidade menor do que a síncrona. 279
4.5.1 Princípio de funcionamento O motor assíncrono funciona por indução pelo campo magnético girante. Vamos fazer uma analogia para compreender melhor a diferença entre as velocidades síncrona e assíncrona. Figura 4.23 Princípio do motor de indução.
em que: • f é a frequência do motor, cuja unidade é o hertz (Hz); • p, o número de polos do motor. A diferença entre as velocidades síncrona e assíncrona chama-se escorregamento, dado por: s=
4.5.2 Componentes de um motor de indução A figura 4.24 mostra um motor TFVE e suas partes internas. A sigla TFVE designa motores elétricos totalmente fechados, com a ventilação fornecida externamente. Figura 4.24
A figura 4.23 apresenta uma montagem que explica o princípio do motor de indução. Um ímã em forma de ferradura está suspenso por um fio sobre um disco de cobre ou alumínio, que, por sua vez, está sobre uma placa de ferro. A função dessa placa é fechar o circuito magnético, completando o percurso do fluxo magnético proveniente do ímã permanente. A função do mancal e do pivô é garantir que o disco possa girar livremente. Se o ímã começar a girar, seu campo magnético também vai girar. Essa movimentação induzirá no disco correntes parasitas (fenômeno de ação geradora), que produzem um campo magnético induzido que se opõe ao movimento do ímã (lei de Lenz). Pode-se dizer que o campo magnético das correntes parasitas produz um polo sul no disco, próximo ao polo norte do ímã, e um polo norte no disco próximo ao polo sul do ímã. Com isso, é estabelecida uma atração entre o disco e o ímã. Como o ímã está em movimento, o disco também entra em movimento (ação motora), tentando acompanhar a rotação do ímã permanente. No entanto, o disco não se movimenta com a mesma velocidade do ímã, pois, se isso acontecesse, seria como se o disco estivesse parado em relação ao ímã, não formando correntes parasitas nem o torque no disco. A velocidade síncrona de um motor de indução em rpm é: NS =
Os principais componentes desse motor são: • Tampa defletora Possui ranhuras que permitem a passagem do ar que vem do ventilador. Também evita que agentes externos como poeiras e outros corpos entrem em contato com o ventilador e com demais partes internas do motor. 281
• Ventilador Está acoplado ao eixo rotor; sua função é refrigerar as partes internas do motor. • Tampas dianteira e traseira Servem para vedar o motor e para assentar o rolamento de sustentação dianteiro do eixo do motor. • Caixa de ligação Armazena os fios da alimentação elétrica dos terminais do enrolamento do estator. Pode ser montada na lateral – para motores com carcaça de ferro fundido – ou na parte superior do motor – para motores com carcaça de alumínio injetado. Dependendo do número de polos e da tensão desejada (220, 380 ou 440 V), os motores de indução podem possuir três, seis, nove ou doze terminais. • Carcaça aletada O invólucro do motor protege e veda o elemento estrutural, para receber o calor produzido internamente. As aletas auxiliam na dissipação do calor, uma vez que estão em contato com a tampa defletora. • Núcleo do estator Concentra e fornece o caminho para o fluxo magnético. Por ser laminado, diminui as perdas por correntes parasitas. Não é diferente no caso do enrolamento do estator, em que o núcleo é feito de lâminas de aço. • Enrolamento do estator Gera o campo magnético rotativo, ao receber, por exemplo, corrente elétrica trifásica. Os grupos de bobinas são isolados eletricamente e separados fisicamente em 120° um dos outros. Os motores TFVE podem ser fabricados com dois, quatro, seis ou oito polos.
Existe outro tipo de rotor cujo enrolamento é semelhante ao do estator, conhecido como rotor bobinado. O acesso a esse enrolamento se dá por três terminais em contato com escovas fixas presentes em três anéis solidários ao eixo do motor.
4.5.3 Circuito equivalente de um motor de indução No capítulo 1, na seção.referente a transformadores, foi utilizado um circuito elétrico equivalente para verificar como o transformador se comporta em situações extremas (ensaio a vazio e em curto), a fim de determinar as perdas no ferro (perdas magnéticas) e as perdas no cobre (efeito Joule), para saber qual é o rendimento de um transformador real. Em um motor de indução por circuito equivalente, é possível verificar parâmetros como corrente no estator, conjugado, potência mecânica etc. por meio de variações de carga, frequência e tensão. Como os enrolamentos trifásicos do motor são semelhantes, eles podem ser considerados uma carga trifásica equilibrada, bastando, então, analisar uma das fases do motor, considerando o rotor bloqueado, conforme a figura 4.25, em que: • U1 é a tensão aplicada por fase ao estator (V); • R1, a resistência do enrolamento por fase do estator (Ω); • XL1, a reatância indutiva por fase devido à dispersão do fluxo no estator (H); • e1, a tensão induzida por fase no estator (V); • I1, a corrente por fase no estator (A); • e2, a tensão induzida por fase no rotor (V); • R2, a resistência por fase do rotor (Ω); • XL2r, a reatância indutiva por fase devido à dispersão do fluxo do rotor (H); R  •  2  é a carga de caráter resistivo que varia com o escorregamento (Ω);  s 
• Rotor Faz parte do núcleo do motor trifásico. Diferentemente do enrolamento do estator, que é composto por grupos de bobinas, o enrolamento do rotor (conhecido como gaiola) é constituído por barras de cobre ou alumínio, sem conexão elétrica com o meio externo. Nesse modelo de rotor, cada par de barras opostas forma uma única espira de uma bobina. O conjunto de barras é fundido no rotor de aço laminado, e elas são curto-circuitadas em suas extremidades por anéis aletados. O campo magnético girante proveniente do enrolamento do estator induz tensão elétrica no rotor, fazendo com que uma corrente induzida de curto-circuito circule pelas barras. Assim, manifesta-se um campo magnético que, ao tentar acompanhar a rotação do campo girante, leva o rotor a girar. 282
Pelo desenho do circuito equivalente apresentado na figura 4.25, nota-se que o estator está sendo comparado ao primário de um transformador, enquanto o 283
Para efetuar uma análise do motor de indução em duas situações extremas (a vazio e rotor bloqueado), o circuito equivalente pode ser simplificado conforme a figura 4.27, em que: Figura 4.27