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DESCRIÇÃO Descrição dos princípios de funcionamento dos sistemas de energia em corrente contínua e em corrente alternada, dos princípios de funcionamento das máquinas de corrente contínua e das máquinas de corrente alternada, além dos conceitos de motores monofásicos e trifásicos. PROPÓSITO Definir os conceitos de corrente contínua e corrente alternada para reconhecer suas diferenças. Descrever os conceitos físicos que envolvem as máquinas elétricas em corrente contínua e em corrente alternada, a fim de compreender suas formas de funcionamento. Identificar os sistemas monofásicos e trifásicos com a finalidade de distinguir cada um deles. PREPARAÇÃO Antes de iniciar os estudos do conteúdo deste tema, separe os seguintes materiais: papel, caneta e uma calculadora, que também pode ser encontrada em seu smartphone ou computador OBJETIVOS MÓDULO 1 Definir os princípios de funcionamento das máquinas elétricas MÓDULO 2 Descrever os princípios de funcionamento dos motores de corrente contínua MÓDULO 3 Descrever os princípios de funcionamento dos motores de corrente alternada A IMPORTÂNCIA DAS MÁQUINAS ELÉTRICAS MÓDULO 1 Definir os princípios de funcionamento das máquinas elétricas DIFERENÇAS ENTRE AS MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA E AS DE CORRENTE ALTERNADA As máquinas elétricas existem há muitos anos e estão presentes em todos os objetos com os quais nos deparamos na sociedade moderna: refrigeradores, freezers, aspiradores de pó, carros elétricos, bombas hidráulicas, entre outros. Praticamente todas as máquinas numa indústria são movimentadas por força motriz e, naturalmente, os geradores fornecem energia elétrica para funcionamento de todos os motores. Imagem: Shutterstock.com É interessante observar que um motor elétrico se adéqua bem em um ambiente onde não são permitidos poluentes associados à combustão. Então, a energia mecânica ou térmica pode ser convertida em sua forma elétrica, tornando-se uma fonte limpa de energia para alimentação de equipamentos elétricos. As máquinas elétricas são dispositivos úteis na conversão de diferentes formas de energia para energia elétrica ou vice-versa. Por exemplo: Imagem: Shutterstock.com Um motor elétrico, por meio do seu eixo rotativo, pode converter energia elétrica em energia mecânica. Imagem: Shutterstock.com Um gerador de energia elétrica utilizará o mesmo princípio de conversão de energia, porém de maneira inversa, ou seja, transformando energia mecânica em energia elétrica. Imagem: Shutterstock.com A energia térmica também é muito utilizada na conversão de energia elétrica, podendo ser observadas nas usinas térmicas. SISTEMA DE ENERGIA ELÉTRICA CC/CA Quando falamos em energia elétrica, estamos mencionando uma grandeza física que relaciona corrente elétrica, tensão elétrica e potência elétrica. Todo equipamento elétrico ou eletrônico necessita de uma fonte de energia elétrica para ser alimentado e essa fonte permitirá que a corrente elétrica flua por meio das ligações elétricas (conectores, cabos e fios) até chegar à carga, que pode ser um motor, uma lâmpada, um aquecedor elétrico, entre outros. Essa corrente elétrica pode ser representada por um sinal alternado ou contínuo. Corrente alternada (AC) Os sistemas que utilizam sinais alternados, ou seja, sinais de corrente que apresentam mudanças de polaridade (positiva e negativa) ao longo de um dado intervalo de tempo, apresentam corrente alternada (AC). Corrente contínua (CC) Os sistemas que utilizam sinais contínuos, isto é, que não mudam de polaridade ao longo de um dado intervalo de tempo, apresentam corrente contínua (CC). Cada equipamento elétrico/eletrônico necessita de uma fonte de alimentação para o seu funcionamento, e essa fonte entregará a energia necessária por meio de sinais contínuos ou alternados, dependendo do tipo de equipamento. EXEMPLO As máquinas elétricas podem ser alimentadas por fontes AC ou CC, e aprenderemos mais sobre elas a seguir. Imagem: Shutterstock.com A Figura 1 mostra o comportamento de um sinal de corrente contínua (linha amarela) e alternada (linha verde). Imagem: Raphael de Souza dos Santos Figura 1. Corrente alternada (linha verde) e corrente contínua (linha amarela). SINAIS ALTERNADOS Imagem: Shutterstock.com Um sinal alternado é aquele que apresenta uma alternância de polaridade (Sinal positivo ou negativo) ao longo do tempo. Essa mudança de sinal ocorre de forma mais intensa (mais rápida) quanto maior for a frequência do sinal. EXEMPLO Um exemplo de sinal alternado é a tensão elétrica disponível nas tomadas das residências. Imagem: Shutterstock.com O SEP (Sistema Elétrico de Potência) brasileiro possui um predomínio no uso de sinais alternados para a geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Por isso, ocorre a preferência pelo uso de máquinas CA nos meios industrial, comercial e residencial. A Figura 2 ilustra o percurso do fornecimento de energia elétrica desde a geração até o consumidor final. Imagem: Raphael de Souza dos Santos Figura 2. Sistema Elétrico de Potência. A representação matemática de um sinal alternado consiste, basicamente, em representá-lo por meio de uma função. Um exemplo são os sinais senoidais: SINAIS SENOIDAIS Sinais que variam de acordo com a função seno. Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Observando-se a equação, percebe-se que alguns parâmetros são fundamentais para descrever o comportamento do sinal . São eles: – Valor de pico, parâmetro que descreve o valor máximo (positivo e negativo) produzido pelo sinal após um ciclo completo de trabalho. – Função que descreve o comportamento do sinal alternado. – Frequência angular do sinal. É definida por e retrata a frequência do sinal. Sua unidade é medida em radiano por segundo (rad/s). – Intervalo de tempo no qual o sinal é amostrado (observado). Sua unidade é medida em segundo (s). UM CICLO COMPLETO DE TRABALHO v(t)= Vmáximosen(ωt) v(t) Vmáximo sen ω ω = 2 ⋅ π ⋅ f t javascript:void(0) javascript:void(0) De forma resumida, durante um ciclo de trabalho, a máxima amplitude produzida por esse sinal será seu valor de pico. A unidade depende do sinal que se está medindo. Sinais alternados são periódicos; logo, se repetem em intervalos fixos de tempo. Esses intervalos são chamados de períodos do sinal (T) e sua unidade é medida em segundo (s). A frequência (f) corresponde ao número de ciclos (períodos completos) de um dado sinal dentro de 1 segundo. Por esse motivo, a unidade da frequência é o Hertz (Hz), definida por s-1. VOCÊ SABIA? No Brasil, a frequência da rede elétrica é 60Hz. A Figura 3 ilustra um sinal de tensão alternada, em que é possível observar que a amplitude do sinal (pico máximo) é de . A frequência angular é . Imagem: Raphael de Souza dos Santos. Figura 3. Exemplos de sinal alternado. VOCÊ SABIA? ± 200 V 628 rad/s A frequência é definida como o inverso do período . Sendo assim, a unidade da frequência é o Hertz (s-1), já que a unidade do período é medida em segundo (s). SINAIS CONTÍNUOS Diferentemente dos sinais alternados, os sinais contínuos mantêm sua polaridade (sinal negativo ou positivo) durante todo o tempo, como as pilhas e as baterias. ATENÇÃO Vale destacar que, apesar de não mudar sua polaridade, os sinais contínuos podem variar seu valor, ou seja, não são necessariamente constantes. A Figura 4 ilustra casos de sinais contínuos pulsantes (linha azul) e sinais contínuos constantes (linha vermelha). Imagem: Raphael de Souza dos Santos Figura 4. Exemplos de sinais contínuos. O fato de não mudarem de polaridade os torna contínuos. As principais características dos sinais contínuos são: f = 1/T POLARIDADE Se os sinais são positivos ou negativos. INTENSIDADE Valor medido. UNIDADE DE MEDIDA Para que se saiba o que está sendo medido. Uma característica que distingue sinais contínuos de sinais alternadosé o seu valor médio, o qual representa a componente contínua que existe (se existir) dentro de um sinal alternado. Por exemplo, considere o sinal da Figura 5. Imagem: Raphael de Souza dos Santos Figura 5. Valor médio de um sinal alternado. Esse sinal é alternado e seu valor médio pode ser obtido pelo somatório das suas áreas dividido pelo período do sinal. Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Assim, o valor médio do sinal alternado da Figura 5 é calculado com o somatório das áreas 1 e 2. Então: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Já na Figura 6, um sinal contínuo pode ser visto. V alor médio = Áreas Período V alor médio = Área 1+Área 2 Período V alor médio = ( 6 ⋅ 12 ) +(−6 ⋅ 12)24 V alor médio = 72+(−72)24 V alor médio = 024 V alor médio = 0 Imagem: Raphael de Souza dos Santos Figura 6. Valor médio de um sinal contínuo. O valor médio do sinal contínuo é calculado tomando-se como referência um determinado intervalo de tempo (período). Assim, define-se o período que se deseja analisar, para que seja possível determinar a área do sinal. Por exemplo, considerando-se o mesmo intervalo de tempo do sinal da Figura 5 (t = 24s), a área é definida como na Figura 7. Imagem: Raphael de Souza dos Santos Figura 7. Valor médio de um sinal contínuo em área limitada. O valor médio é definido por V alor médio = Área Período Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Percebe-se que os valores médios são muito diferentes. Sinal alternado Como os dois ciclos são iguais, há simetria entre os ciclos e o valor médio é nulo. Sinal contínuo Tem sempre um valor médio diferente de zero. POTÊNCIA ELÉTRICA Apesar de o valor médio ser zero para sinais alternados que apresentam simetria, o mesmo não pode ser afirmado em relação à potência elétrica. A tensão e a corrente elétricas, tanto contínuas quanto alternadas, são relacionadas entre si pela Lei de Ohm: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Quando se fala na potência elétrica a relação muda, sendo definida por: V alor médio = (6 ⋅ 24)24 V alor médio = 6 V V = R ⋅ I Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Entretanto, ao combinar as duas equações, pode-se relacionar a potência com a tensão elétrica ou a corrente elétrica e a resistência da carga considerada. Assim: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal ATENÇÃO É possível perceber que tanto a tensão quanto a corrente aparecem elevadas ao quadrado. Dessa maneira, não haverá valores negativos de potência (tendo em vista que as resistências são sempre positivas). Essa característica faz com que, mesmo para sinais alternados simétricos, a potência apresente um valor médio. ENERGIA ELÉTRICA ALTERNADA A produção de energia elétrica alternada segue por princípio a Lei de Faraday ou Lei da indução magnética, como pode ser observado a seguir. VOCÊ SABIA? P = V ⋅ I P = V 2 R P = R ⋅ I 2 A Lei de Faraday prevê que um campo magnético pode interagir com um circuito elétrico para produzir uma tensão elétrica. Imagem: Shutterstock.com Energia elétrica alternada – Lei de Faraday Ao rotacionarmos a uma espira composta de material condutor, localizada entre os ímãs (campo magnético), provocamos a interação entre um campo magnético e um condutor elétrico, produzindo uma tensão alternada. Imagem: Shutterstock.com Energia elétrica alternada – Lei de Faraday O gráfico acima ilustra como essa tensão alternada varia entre seus valores mínimo e máximo, em sincronia com a posição da espira em relação ao campo magnético. ENERGIA ELÉTRICA CONTÍNUA A energia elétrica contínua é aquela gerada a partir de pilhas, baterias, painéis solares, entre outros. Essas fontes produzem a energia fornecida por meio de reações químicas, físicas ou físico-químicas. As pilhas passam por reações eletroquímicas em seu interior e produzem a corrente e a tensão elétrica fornecidas pela carga. Já os painéis solares (Figura 9), ao receberem a incidência dos fótons por meio dos raios solares, têm seu nível energético aumentado e acabam liberando elétrons que entram em condução, produzindo uma corrente e um potencial elétrico contínuos. FÓTONS Partículas de energia na forma de radiação eletromagnética provenientes do Sol. Imagem: Shutterstock.com Figura 9. Energia elétrica contínua representada em painel solar. PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO DE MÁQUINAS ELÉTRICAS CC javascript:void(0) As máquinas elétricas de corrente contínua (máquinas elétricas CC) são, basicamente, motores que convertem energia elétrica em energia mecânica, transformando eletricidade em movimento. Elas também podem ser utilizadas como geradores, que por sua vez convertem energia mecânica em energia elétrica. Veja uma representação de duas máquinas de corrente contínua, nas Figuras 10A e 10B. A figura representa um motor elétrico CC cujo fornecimento de energia elétrica é realizado mediante a tensão de uma fonte contínua (VCC). Essa energia elétrica é transformada em energia mecânica, sendo representada pela saída da máquina (giro do eixo do motor). As variáveis torque (T) e velocidade angular (W) são grandezas mecânicas inerentes ao giro do eixo. O torque é a variável responsável pela capacidade do motor de produzir força motriz (movimento giratório). Já a velocidade angular corresponde à rapidez do giro do eixo: quanto maior a velocidade angular, mais rápido girará o eixo do motor. Imagem: Raphael de Souza dos Santos Figura 10A. Ilustração de máquinas de corrente contínua utilizada como motor de corrente contínua. RESUMINDO O funcionamento de uma máquina elétrica CC aplicada a motores se dá por meio de uma fonte de tensão contínua CC que fornece uma corrente elétrica contínua responsável por produzir um campo magnético que, por sua vez, atuará sobre a estrutura mecânica, fazendo com que um “bloco girante” conectado ao eixo, o rotor, inicie o movimento de rotação. A velocidade do giro do eixo pode ser variada por meio do valor da tensão (intensidade de VCC) colocado na entrada, tornando as máquinas CC úteis em aplicações que necessitam de valores mais precisos (melhor controle) da velocidade de rotação. Na figura, é possível observar o comportamento de um gerador de energia elétrica CC. De maneira contrária aos motores, esse tipo de máquina elétrica transforma a energia mecânica aplicada em sua entrada (representada pelo eixo de rotação) em energia elétrica na saída (representada pelos terminais de tensão positivo e negativo). Por meio da rotação do rotor, é possível produzir um campo magnético que é transformado em corrente elétrica contínua, a qual, devido às resistências internas da máquina (enrolamentos, contatos, entre outras) e à Lei de Faraday, é responsável por produzir uma diferença de potencial em VCC na saída da máquina. Imagem: Raphael de Souza dos Santos Figura 10B. Ilustração de máquinas de corrente contínua utilizada como gerador de corrente contínua. EXEMPLO Os aerogeradores são um exemplo que pode utilizar a geração de energia elétrica em CC. Por intermédio do giro das turbinas pelo fluxo de vento, essa energia mecânica é transformada em energia elétrica. Imagem: Shutterstock.com VOCÊ SABIA? O dínamo, que corresponde a uma pequena máquina elétrica de corrente contínua utilizada como gerador CC, ainda hoje é bastante utilizado em faróis de bicicletas. Quando o ciclista inicia o movimento de pedalar, a lanterna se acende e, quanto mais rápido o ciclista pedala, mais intenso é o brilho do farol. Algumas lanternas também têm sido utilizadas com esse mesmo princípio e com pequenas baterias recarregáveis. Dessa maneira, o próprio usuário poderá recarregar a lanterna sem a necessidade de uma fonte elétrica externa de alimentação. Imagem:Shutterstock.com PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO DE MÁQUINAS ELÉTRICAS CA As máquinas elétricas de corrente alternada (máquinas elétricas CA) são aquelas que convertem energia elétrica alternada em energia mecânica, sendo possível observar tal conversão no funcionamento dos motores. De maneira similar, as máquinas elétricas CA também são utilizadas como geradores de energia elétrica, sendo responsáveis por converter energia mecânica em energia elétrica. O motor interno desse gerador inicia sua rotação pela força mecânica aplicada e faz com que as cargas elétricas se movimentem por meio de um condutor elétrico. A frequência do sinal elétrico gerado depende da velocidade de rotação do motor (como os 50Hz ou 60Hz das redes elétricas). Imagem: Shutterstock.com SAIBA MAIS Esse princípio de funcionamento é o mesmo observado nas usinas hidrelétricas e termelétricas. Há dois tipos de máquinas elétricas de corrente alternada: Máquinas síncronas A velocidade do motor é constante. Esse motor entra em funcionamento quando as bobinas que compõem os enrolamentos do campo (estator) recebem tensão elétrica contínua (embora o estator seja alimentado com corrente alternada, o rotor, que corresponde à parte girante, é alimentado com corrente contínua, proveniente de um pequeno dínamo acoplado ao eixo do próprio motor). Em resumo, as máquinas síncronas englobam todos os geradores e motores que possuem corrente de campo magnético fornecida por uma fonte CC específica. Máquinas assíncronas São os motores e geradores que possuem corrente de campo fornecida por indução magnética em seus enrolamentos de campo. Nessas máquinas, o rotor é inserido em um campo magnético girante. A variação do campo magnético se manifesta sobre o rotor, fazendo com que ele tente acompanhar o campo girante do estator. Um detalhe importante é que a velocidade dos motores assíncronos será sempre menor do que a velocidade dos motores síncronos. VERIFICANDO O APRENDIZADO 1. CONSIDERE O SINAL QUADRADO EM MEIA ONDA DA FIGURA A SEGUIR. DETERMINE O VALOR MÉDIO DESSE SINAL. A) 3V B) 6V C) 9V D) 12V E) 18V 2. OBSERVE O SINAL ALTERNADO A SEGUIR. CONSIDERANDO A EXPRESSÃO V = 10.SENΩT (VOLTS) E Π = 3,14, DETERMINE O VALOR DA FREQUÊNCIA ANGULAR. A) 10rad/s B) 3,14rad/s C) 314rad/s D) 6,26rad/s E) 628rad/s GABARITO 1. Considere o sinal quadrado em meia onda da figura a seguir. Determine o valor médio desse sinal. A alternativa "A " está correta. A determinação do valor médio consiste na equação: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal O período do sinal é 24 segundos, tendo em vista que é o tempo necessário para que o sinal se repita. A área do gráfico é definida pelo pulso com amplitude de 6V e duração de 12s. Assim: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal 2. Observe o sinal alternado a seguir. Considerando a expressão V = 10.senωt (Volts) e π = 3,14, determine o valor da frequência angular. A alternativa "E " está correta. A frequência angular de um sinal é definida pela equação: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal V alor médio = Área Período V alor médio = (6 ⋅ 24) 24 V alor médio = 72 24 V alor médio = 3 V ω = 2 ⋅ π ⋅ f Sabendo-se que o valor de , basta determinar o valor da frequência (f) para calcular a velocidade angular. O período do sinal, que corresponde ao tempo necessário para que o sinal encerre 1 ciclo completo e se repita, é igual a 10,0ms (T = 10,0ms). Como a frequência é definida como o inverso do período, é possível calcular a frequência da seguinte forma: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Assim: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal MÓDULO 2 Descrever os princípios de funcionamento dos motores de corrente contínua π = 3,14 f = 1 T f = 1 10m f = 1 10 ⋅ 10−3 f = 1 0,01 f = 100 Hz ω = 2 ⋅ π ⋅ f ω = 2 ⋅ 3,14 ⋅ 100 ω = 628 rad/s A IMPORTÂNCIA DOS MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA (CC) Um motor de corrente contínua (motor CC) é alimentado por corrente contínua (CC), fornecida por uma bateria ou alguma outra fonte de alimentação CC. Seu funcionamento pode ser dado por meio da troca de energia entre o rotor e o estator, que, por sua vez, pode ocorrer por escovas ou sem escovas (brushless). ATENÇÃO A velocidade de um motor CC pode ser controlada apenas pela variação da intensidade da tensão de alimentação, diferentemente de um motor de corrente alternada, no qual esse controle é feito por meio da variação da frequência da tensão de alimentação da fonte CA. Os motores CC são adequados em aplicações nas quais os equipamentos utilizam tensões contínuas de alimentação, como 12VCC ou 24VCC, o que ocorre nos veículos urbanos (motos e carros por meio das baterias). Esse tipo de motor também é muito utilizado nas indústrias nas quais é necessário um controle de alta precisão da velocidade dos equipamentos, como as esteiras rolantes e as ferramentas de precisão. A estrutura interna de um motor de corrente contínua pode ser vista na Figura 11: Imagem: Raphael de Souza dos Santos Figura 11. Estrutura interna de um motor de corrente contínua. As partes que compõem um motor de corrente contínua são divididas em partes do estator e partes do motor. Dentre as partes que compõem o estator, são identificadas: PEDESTAL Apoio do motor. Possibilita sua fixação em uma base. O uso de calços permite a redução de ruídos promovidos pela máquina. CARCAÇA Faz o fechamento do fluxo magnético e serve como apoio para as demais partes do motor. ENROLAMENTO DE CAMPO (POLAR/INTERPOLAR) Necessários para a produção do campo magnético, responsável pelo movimento de rotação do motor. POLOS São as partes da carcaça que recebem os enrolamentos de campo. Cada polo é composto pelo núcleo do polo e pela sapata polar. ESCOVAS São feitas de grafite e ficam em contato com o comutador. São responsáveis por fornecerem a corrente elétrica ao circuito da armadura. Dentre as partes que compõem o rotor, tem-se: EIXO DO ROTOR Produz o movimento de rotação do núcleo da armadura. ENROLAMENTO DA ARMADURA Por onde circula a corrente elétrica. COMUTADOR Promove a inversão da corrente elétrica no enrolamento da armadura. Assim, a corrente elétrica fornecida ao rotor interage com o campo magnético do ímã permanente (estator), formando um binário de forças que coloca o rotor em movimento. O comutador, por sua vez, promove a inversão do sentido da corrente, fazendo com que o rotor continue girando. O torque produzido é proporcional à intensidade do campo magnético e ao valor da corrente elétrica fornecida ao rotor. MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA UNIVERSAL Um motor CC é constituído de um eixo acoplado ao rotor (A parte girante do motor) , parte em que também se encontra uma bobina que é alimentada pelo comutador e que permite um fluxo de corrente elétrica. O estator é formado por ímãs de polaridades diferentes (norte e sul) nos quais é produzido o campo magnético que estabelece um binário de forças com o rotor, favorecendo o movimento de rotação. A Figura 12 esboça de maneira simplificada os principais componentes de um motor CC universal. Imagem: Raphael de Souza dos Santos. Figura 12. Detalhamento de um motor universal. Os motores do tipo universal podem ser alimentados tanto por corrente contínua como por corrente alternada. ATENÇÃO Embora essa máquina funcione em ambos os regimes, cada motor é otimizado para um tipo de alimentação específica. Com isso, ao ligar um motor universal de corrente alternada em corrente contínua, devido aos seus detalhes construtivos, a eficiência será menor, podendo ocorrer centelhamento e até mesmo a queima do equipamento. MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA EM POTÊNCIA Os motores de corrente contínua em potência têm diferentes aplicações. Em nosso estudo,será dada ênfase ao uso desses motores na indústria. Dentre as vantagens e desvantagem dos motores CC no âmbito industrial, vale destacar: Vantagens: Controle de velocidade simples, feito basicamente utilizando a variação da tensão de alimentação. Essa variação serve para valores de velocidade acima ou abaixo do valor nominal. Não sofre influências de harmônicos. Não possui consumo de potência reativa, que contamina a rede elétrica. Cálculos simplificados de dimensionamento por não possuir variáveis complexas, sendo possível trabalhar apenas no domínio dos Números Reais. A velocidade pode ser variada mantendo-se um torque constante. Possui um alto conjugado de partida; ou seja, alta capacidade de força de arranque (torque). Facilidade em frear, acelerar e inverter o sentido de rotação do eixo de forma rápida. Desvantagens: Comparado aos motores de corrente alternada, possui maior necessidade de manutenção em decorrência dos desgastes entre as escovas e o comutador. Em ambientes explosivos, os motores de corrente contínua não podem ser utilizados em decorrência da centelha entre as escovas e os comutadores, entretanto, o motor CC do tipo brushless não apresenta essa limitação. Custo mais elevado que os motores CA de mesma potência. Os motores de corrente contínua também podem ser classificados de acordo com o modo de conexão do indutor das bobinas induzidas, como: motor série, motor paralelo, motor composto, motor de excitação independente, motor de passo e servomotor. MOTOR SÉRIE Esse tipo de motor possui os enrolamentos do indutor conectados em série com a armadura. Sua principal característica é que oferece ao eixo um alto torque e rápida aceleração. A velocidade varia de maneira inversamente proporcional à carga aplicada. RESUMINDO Quanto mais pesada for a carga, menor será a velocidade e, para cargas mais leves, maior será a velocidade. Esse tipo de motor é muito utilizado em aplicações que necessitam de maior tração, como trens elétricos, bondes elétricos e guinchos elétricos. MOTOR PARALELO O motor paralelo também é chamado de motor de derivação ou motor shunt. Nesse tipo de motor, o indutor e os enrolamentos induzidos são ligados em paralelo. O torque aumenta de maneira proporcional à elevação da intensidade da corrente na armadura e, por outro lado, a velocidade diminui. O seu principal atributo é a fácil regulagem de velocidade, sendo muito utilizado em máquinas, ferramentas, elevadores e esteiras. Nessa configuração, a velocidade pode ser controlada por uma resistência variável colocada com as bobinas do campo (reostato), permitindo controlar a tensão de entrada. MOTOR COMPOSTO Esse tipo também é conhecido como motor misto e apresenta as ligações paralela e em série entre os indutores e os enrolamentos. As suas características de torque e velocidade variam de acordo com a carga aplicada. Sua principal aplicação é em máquinas que podem ser submetidas a bruscas variações de cargas, tais como prensas e tesouras mecânicas. MOTOR DE EXCITAÇÃO INDEPENDENTE Esse motor possui esse nome porque seu indutor e sua armadura são alimentados por duas fontes de energia independentes. Esse tipo de motor é utilizado em máquinas operatrizes que necessitam de torque constante em todas as faixas de rotações, como ferramentas de avanço, bombas de pistão, compressores, entre outros. MOTOR DE PASSO Esse tipo de motor é especificamente utilizado quando há necessidade de um controle preciso de posicionamento, já que a sequência de pulsos elétricos do sinal de alimentação corresponde a 1 ou mais passos. Cada passo faz referência a um ângulo fixo de rotação; logo, uma rotação completa é dada em um determinado número de passos: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Na Figura 13, é possível ver uma ilustração da estrutura de um motor de passo. O estator é formado por quatro polos que, quando energizados, são magneticamente opostos. Assim, caso o polo 1 seja norte magnético, o polo 3 será sul magnético. número de passos = 360 o ângulo do passo Imagem: Raphael de Souza dos Santos Figura 13. Ilustração de um motor de passo. Como o rotor é um ímã permanente, ele se movimenta buscando um alinhamento com o campo do estator. Entretanto, o alinhamento perfeito nunca será possível, uma vez que o rotor é composto por um número ímpar de polos. Assim, cada sequência de pulsos pode ser responsável pela magnetização de um par diferente de polos, levando a passos diferentes. Os motores de passo podem ser separados, de acordo com seu modo de passo, em: MOTOR DE PASSO COMPLETO São motores de 200 passos completos por rotação. Cada bobina é energizada por vez, duas bobinas energizadas juntas, de maneira sequencial. MOTOR DE MEIO PASSO Sequencialmente, energiza-se uma bobina e, posteriormente, duas bobinas. Isso fará com que apenas meio passo seja dado pelo motor. Assim, 400 passos seriam necessários para uma rotação. MOTOR DE MICROPASSO É feito baseado no controle da intensidade da corrente em cada bobina. Dessa forma, é possível realizar uma divisão no número de posição entre os polos, podendo chegar a dezenas ou centenas de posição intermediárias. Vale destacar que a inversão no sentido do movimento de um motor de passo é promovida pela inversão no sentido de energização de suas bobinas. Dessa maneira, uma energização na sequência 1 – 2 – 3 – 4 realiza um movimento contrário a uma energização na sequência 4 – 3 – 2 – 1. Dentre as características do motor de passo, é possível destacar: O ângulo do movimento de rotação é proporcional à sequência de pulsos do sinal de entrada. O motor apresenta um torque total quando parado (com bobinas energizadas). Posicionamento preciso. Rápida resposta de partida, inversão e parada. Tende a apresentar uma extensa vida útil, já que dispensa o uso de escovas no motor. Variação de velocidade simples, já que é proporcional à frequência dos pulsos de entrada. SERVOMOTOR Esse tipo de motor funciona, geralmente, por corrente contínua. É utilizado um encoder óptico ou mecânico para realizar a medição da posição e garantir que seu posicionamento seja bastante seguro e preciso. Algumas vantagens do servomotor são: Rotação uniforme e suave independentemente da velocidade do giro do motor. Torque constante. Baixo ruído e baixa vibração. Suporta boa sobrecarga. Em seu funcionamento, os servomotores utilizam a modulação por largura de pulso. A rotação dos servomotores é proporcional à largura do pulso aplicado em sua entrada; assim, quanto mais largo o pulso, maior será o movimento de rotação. A determinação ou o controle da posição pode ser feita a partir de um sensor de posicionamento denominado encoder (Figura 14). Esse sensor permite determinar o ângulo de giro do motor ou o número de voltas dadas pelo servomotor durante um movimento. Imagem: Shutterstock.com Figura 14. Ilustração de um encoder óptico. VERIFICANDO O APRENDIZADO 1. OS MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA POSSUEM DIVERSAS APLICAÇÕES E UMA ESTRUTURA COMPLEXA E COMPOSTA POR DIVERSAS PARTES. FALANDO ESPECIFICAMENTE DO ESTATOR DE UM MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA, A ESTRUTURA NECESSÁRIA PARA PRODUÇÃO DO CAMPO MAGNÉTICO RESPONSÁVEL PELO MOVIMENTO DE ROTAÇÃO DO MOTOR É: A) o rotor. B) o pedestal. C) a carcaça. D) o enrolamento de campo. E) o comutador. 2. CONSIDERANDO-SE UM MOTOR DE PASSO COM ÂNGULOS DE PASSO DE 2O (DOIS GRAUS), QUANTOS PASSOS SERÃO NECESSÁRIOS PARA QUE UMA VOLTA COMPLETA SEJA DADA? A) 360 passos. B) 180 passos. C) 120 passos. D) 90 passos. E) 60 passos. GABARITO 1. Os motores de corrente contínua possuem diversas aplicações e uma estrutura complexa e composta por diversas partes. Falando especificamente do estator de um motor de corrente contínua, a estrutura necessária para produção do campo magnético responsável pelo movimento de rotação do motor é: A alternativa "D " está correta. Dentre as partes que compõem um motor de corrente contínuae, mais especificamente, o estator, o enrolamento de campo é fundamental para a produção do campo magnético, sendo responsável pelo movimento de rotação do motor. 2. Considerando-se um motor de passo com ângulos de passo de 2o (dois graus), quantos passos serão necessários para que uma volta completa seja dada? A alternativa "B " está correta. Em um motor de passo, os pulsos do sinal de entrada responsáveis pela rotação do motor são chamados de passos. Cada passo faz referência a um ângulo fixo de rotação, sendo a relação entre os passos e o ângulo de cada passo definida por: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal MÓDULO 3 Descrever os princípios de funcionamento dos motores de corrente alternada número de passos = 360 o ângulo do passo número de passos = 360 o 2o número de passos = 180 passos A IMPORTÂNCIA DOS MOTORES DE CORRENTE ALTERNADA MOTORES DE CORRENTE ALTERNADA (CA) O motor elétrico de corrente alternada é um equipamento utilizado em toda a indústria brasileira e mundial. VOCÊ SABIA? Os motores elétricos em geral são mais eficientes que os motores a combustão, tendo o comparativo de rendimento em 96,5% e 33%, respectivamente. Os motores de corrente alternada (CA) são mais utilizados que os motores de corrente contínua (CC). Além de serem menos custosos do ponto de vista da sua fabricação e manutenção, a alimentação destes motores é feita diretamente pela rede elétrica, sem a necessidade de utilização de equipamentos como inversores, retificadores ou baterias. REDE ELÉTRICA Sinal fornecido pelas empresas concessionárias de energia elétrica. Em geral, os motores CA são mais simples em construção mecânica que os motores CC, e isso resulta em menor custo de manutenção, quando comparados aos motores CC de mesma potência. Os motores CA possuem duas principais partes fundamentais para seu funcionamento, que são o rotor e o estator. O rotor é conectado mecanicamente ao eixo de saída do motor e, consequentemente, o giro desse eixo se dá por meio do giro do rotor. O rotor gira por causa do campo magnético induzido pela corrente alternada que percorre as bobinas instaladas no estator, que é semelhante a um anel de metal com pequenas lacunas que prendem essas bobinas de fio em um núcleo de aço. Com isso, a corrente alternada passa por esses fios isolados e produz um campo magnético girante que move o eixo da máquina. Os motores elétricos CA possuem dois tipos: os síncronos e os assíncronos. Em ambos os casos, a velocidade do eixo pode ser controlada por meio da variação da frequência (Hz) da alimentação CA do motor. VOCÊ SABIA? javascript:void(0) Na América do Norte e no Brasil é utilizada a frequência de 60Hz, porém a frequência mais utilizada do mundo, na rede elétrica, é 50Hz. SAIBA MAIS Em motores de potência aeroespaciais, a frequência utilizada pode chegar a 400Hz. MOTORES SÍNCRONOS Os motores síncronos são aqueles que possuem o giro do rotor na mesma velocidade do campo magnético girante (campo magnético do estator). Esse tipo de motor tem uma corrente CC de magnetização que flui no rotor e auxilia no campo magnético que faz o rotor girar. Os motores síncronos de corrente alternada possuem velocidade constante. Inclusive, existem no mercado motores síncronos que possuem ímãs permanentes inseridos em seu rotor, os quais geram esses campos induzidos e dispensam, assim, a necessidade das correntes contínuas de magnetização. Essencialmente, esse motor entra em rotação quando o enrolamento do estator recebe a tensão elétrica fornecida pela rede de forma alternada. Por sua vez, o rotor recebe a tensão elétrica da rede de forma contínua; isso acontece porque a tensão é fornecida por meio de dois anéis coletores. Os motores síncronos funcionam com velocidade constante, característica interessante no uso de cargas variáveis, em que uma velocidade estável seja necessária. Quando um dos polos do campo magnético, gerado pelo enrolamento de campo do rotor, interagir com o campo girante resultante do estator, tentará se alinhar com o polo de sinal oposto ao do rotor. Como o polo do campo girante do estator está em rotação, surgirá no rotor um binário de forças que serão responsáveis por gerar um torque de forma que o rotor iniciará uma rotação, mantendo o campo do enrolamento do rotor e o campo girante do estator alinhados. RESUMINDO As tensões aplicadas aos enrolamentos do estator são alternadas (monofásicas ou trifásicas), então circulará neles uma corrente alternada de mesma frequência que a tensão. Essa corrente produzirá campos magnéticos também alternados e que variam no tempo. Com o surgimento do torque, o rotor girará seguindo o sentido e a velocidade do campo girante do estator; logo, a velocidade angular do motor síncrono estará sincronizada com a frequência da tensão alternada aplicada aos enrolamentos do estator. O motor síncrono tem uma velocidade de rotação (em rotações por minuto – rpm), denominada velocidade de sincronismo, constante e rigorosamente definida pela frequência da corrente e pelo número de polos, estabelecida pela seguinte expressão: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal MOTORES ASSÍNCRONOS Quando o rotor é inserido em um campo magnético girante, um campo magnético é induzido sobre ele pela variação do fluxo magnético do campo. Por esse motivo, ele começa a girar na tentativa de acompanhar o movimento do campo do estator. SAIBA MAIS Por isso, os motores assíncronos também são chamados de motores de indução e possuem o giro do rotor mais lento que o giro do campo magnético girante. Nesse tipo de motor, ocorre um fenômeno físico chamado de escorregamento, que corresponde a uma diferença entre as velocidades síncrona e assíncrona do motor, sendo dada velocidade síncrona (rpm) = 120 ⋅ frequência número de polos javascript:void(0) por: ESCORREGAMENTO Fenômeno obtido por meio da diferença entre o campo magnético girante do estator e o giro do eixo do motor. Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A velocidade síncrona é medida em rpm e calculada pela mesma equação anterior. MOTORES CA MONOFÁSICOS Os motores de corrente alternada monofásicos são aqueles que possuem apenas um conjunto de bobinas. Sua ligação elétrica é do tipo fase e neutro (F + N). EXEMPLO Esses motores são utilizados para a movimentação de cargas que necessitam de motores de baixa potência, como ventiladores, frigoríficos e máquinas de furar portáteis. escorregamento = ( velocidade síncrona−velocidade assíncrona ) ⋅100 velocidade síncrona Imagem: Shutterstock.com Esse tipo de motor, diferentemente dos motores trifásicos, possui um campo magnético pulsante que varia através do semicírculo positivo e negativo do sinal senoidal da única fase da alimentação monofásica. Isso faz com que o rotor e o estator estejam sempre em fase, gerando um torque resultante igual a zero. Assim, esse tipo de motor não consegue girar o próprio eixo. Para que isso seja corrigido é necessário o auxílio de alguns artifícios elétricos, de forma a retirar o rotor do momento de inércia. Algumas técnicas são utilizadas com esse intuito como, por exemplo: Apenas uma bobina auxiliar em paralelo com o motor. Apenas uma bobina auxiliar em série com um capacitor e ambos em paralelo como o motor. Uma bobina auxiliar em série com um capacitor e ambos em paralelo com um capacitor permanente e o motor. MOTORES CA TRIFÁSICO O motor de indução trifásico é o tipo mais utilizado na indústria e seu uso vem aumentando em ambientes doméstico, majoritariamente devido aos sistemas atuais de distribuição de energia elétrica serem trifásicos de corrente alternada. O princípio de funcionamento do motor de indução trifásico é o mesmo de todos os motores elétricos, ou seja, baseia-se na interação do campo magnético com uma corrente em um condutor, resultando numa força que atua nessecondutor. Essa força é proporcional às intensidades de campo e da corrente elétrica. O campo magnético induz no rotor uma força eletromotriz que cria um campo magnético girante. Ao tentar se alinhar com o campo magnético girante do rotor, o campo do estator produz o movimento de rotação do rotor. ATENÇÃO A velocidade do rotor é inversamente proporcional à quantidade de polos e é fornecida pela mesma equação da velocidade síncrona. Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A utilização de motores de indução trifásicos é aconselhável a partir dos 2kW, para potências inferiores justifica-se o monofásico. O motor de indução trifásico apresenta vantagens quando comparado ao monofásico, por exemplo: Maior força de arranque ou torque. Menor ruído e custos menores para potências superiores a 2kW. A Figura 15 demonstra dois tipos diferentes de ligações possíveis para fechamento de um motor trifásico 380/220V. velocidade síncrona (rpm) = 120 ⋅ frequência número de pólos Imagem: Raphael de Souza dos Santos Figura 15. Ligações possíveis para motores trifásicos: a) ligação em Delta 220V; b) ligação em Estrela 380V. FECHAMENTO DE MOTORES MONOFÁSICOS O fechamento de motores monofásicos é essencial pois, através dele, é possível ligar um motor com a mínima tensão possível ou com a máxima tensão disponível. EXEMPLO No caso de um motor monofásico 220/110 V, é possível ligá-lo tanto em 220V quanto em 110V, desde que ele tenha 4 ou 6 terminais. Os motores com 2 terminais podem ser ligados apenas de uma forma e em uma tensão específica. Imagem: Shutterstock.com MOTORES MONOFÁSICOS DE 4 TERMINAIS São os motores que têm 4 terminais para as conexões de fechamento, podendo ser a maior ou a menor tensão, conforme a Figura 16. O valor de tensão maior é sempre igual a duas vezes o valor de menor tensão, sendo que os valores mais utilizados são 220V para os de maior tensão e 110V para os de menor tensão. Não é possível inverter o sentido de rotação desse motor. Imagem: Raphael de Souza dos Santos Figura 16. Ligação a 4 terminais: a) ligação de maior tensão (220V); e b) ligação de menor tensão (110V). MOTORES MONOFÁSICOS DE 6 TERMINAIS Com esse tipo de motor, é possível efetuar a ligação em dois tipos diferentes de tensão de alimentação. Também é possível fazer a inversão no sentido de giro desse motor. Entretanto, é necessário ressaltar que não é possível fazer a inversão com o motor em movimento. É preciso desligá-lo para que possa ser dada a partida na direção inversa. O enrolamento principal é representado por duas bobinas, sendo os seus inícios os números 1 e 3 e os seus finais 2 e 4, respectivamente. O enrolamento auxiliar é representado pelos bornes numerados com início da bobina em 5 e final em 6, conforme a Figura 17 (a). Os terminais 1 a 4 são conectados às duas metades do enrolamento, como nos motores de quatro terminais. Os terminais 5 e 6 estão ligados em separado e têm como função a inversão do sentido de rotação, bastando inverter a ligação dos terminais 5 e 6 para que a rotação seja invertida. Já a ligação do motor a maior tensão (220V) é feita como no motor a quatro terminais. Nesse enrolamento estão um capacitor e uma chave centrífuga, responsável pelo desligamento desse enrolamento quando o motor atingir 75% de sua velocidade nominal. As Figuras 17 (b) e 17 (c), mostram o esquema de ligação para a tensão maior. Para inverter o sentido de rotação, basta trocar as conexões dos terminais 5 e 6, como mostrado nas Figuras 17 (d) e 17 (e). Imagem: Raphael de Souza dos Santos Figura 17. Ligações a 6 terminais: a) circuito com bobinas com 6 terminais; b) ligação de maior tensão (220V); c) ligação de maior tensão (220V) com inversão de rotação; d) ligação de menor tensão (110V); e) ligação de menor tensão (110V) com inversão de rotação. FECHAMENTO DE MOTORES TRIFÁSICOS O fechamento de motores trifásicos é de grande importância tendo em vista as especificações de dimensionamento de circuitos preestabelecidas pela planta elétrica. A ligações elétricas de fechamentos de motores trifásicos podem ser delta (também chamada de triângulo) ou estrela. Fechamento em delta Não existe diferença entre tensão de linha, que corresponde à tensão entre duas fases (F-F) e a tensão de fase, que corresponde à tensão entre uma fase e o neutro (F-N), entretanto, a corrente de linha é maior que a corrente de fase: Quando na placa de identificação de um motor trifásico vem a indicação como maior tensão (maior valor possível de tensão do motor), é referente à ligação em delta. Fechamento em estrela Não existe diferença de amplitude entre a corrente de linha (F-F) e a corrente de fase (F-N), entretanto, a tensão de linha é maior que a tensão de fase: Quando na placa de identificação de um motor trifásico vem a indicação como menor tensão (menor valor possível de tensão do motor), refere-se à ligação em estrela. A Figura 18 ilustra os dois tipos de fechamentos possíveis para os motores. Ilinha = √3 ⋅ Ifase Vlinha = √3 ⋅ Vfase Imagem: Raphael de Souza dos Santos Figura 18. Ilustração da ligação para motores trifásicos: a) fechamento de motor em delta; b) fechamento de motor em estrela. VERIFICANDO O APRENDIZADO 1. UM MOTOR DE CORRENTE ALTERNADA SÍNCRONO ESTÁ SENDO ALIMENTADO POR UMA TENSÃO MONOFÁSICA DE 127V E 60HZ. SABENDO-SE QUE ESSE MOTOR POSSUI 6 POLOS, QUAL SERÁ A VELOCIDADE SÍNCRONA EM RPM? A) 1200 B) 600 C) 1800 D) 2400 E) 900 2. UM MOTOR TRIFÁSICO SERÁ CONECTADO A UMA TENSÃO (F-F) DE 330V NA LIGAÇÃO DELTA. CONHECENDO-SE AS CARACTERÍSTICAS DESSE TIPO DE LIGAÇÃO, QUAL É A DIFERENÇA ENTRE AS TENSÕES DE FASE E DE LINHA? A) 330V B) 0V C) 572V D) 165V E) 110V GABARITO 1. Um motor de corrente alternada síncrono está sendo alimentado por uma tensão monofásica de 127V e 60Hz. Sabendo-se que esse motor possui 6 polos, qual será a velocidade síncrona em rpm? A alternativa "A " está correta. A velocidade de rotação de motores de corrente alternada síncronos é dada pela equação: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Como a frequência da rede elétrica é 60Hz e o número de polos é igual a 6: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal 2. Um motor trifásico será conectado a uma tensão (F-F) de 330V na ligação delta. Conhecendo-se as características desse tipo de ligação, qual é a diferença entre as tensões de fase e de linha? velocidade síncrona (rpm) = 120 ⋅ frequência número de polos velocidade síncrona (rpm)= 120 ⋅ 60 6 velocidade síncrona (rpm) = 120 ⋅ 10 velocidade síncrona (rpm) = 1200 A alternativa "B " está correta. Nas conexões de motores trifásicos, as ligações delta e estrela são as principais. No fechamento em delta, não existe diferença entre a tensão de linha e a tensão de fase. CONCLUSÃO CONSIDERAÇÕES FINAIS Neste tema, foram apresentados os conceitos referentes às máquinas elétricas e aos sistemas de energia elétrica contínua e energia alternada, bem como os principais tipos e características dos motores de corrente contínua e dos motores de corrente alternada. No primeiro módulo, os princípios de geração e as principais características das fontes de energia contínua e das fontes de energia alternadas foram destacados. Também foram ilustrados os princípios de funcionamento das máquinas de corrente contínua e de corrente alternada. No segundo módulo, foram apresentadas as características dos motores de corrente contínua e seus principais tipos. Características construtivas e princípios de funcionamento também foram mostrados. Por fim, no terceiro módulo, os motores de corrente alternada foram apresentados. As características dos motores de corrente alternada e os princípios de funcionamento dos motores de corrente alternada foram discutidos e apresentados. AVALIAÇÃO DO TEMA: REFERÊNCIAS ALMEIDA, K. C. Conversão eletromecânica de energia. UFSC, 2003.ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5410: instalações elétricas de baixa tensão. Rio de Janeiro. 2004. BIM, E. Máquinas elétricas e acionamentos. Rio de Janeiro: Elsevier, 2009. CASTRO, R. C. G. Manual de comandos elétricos. Fortaleza: CEFET, (s.d.). CREDER, H. Instalações elétricas. São Paulo: (LTC), 2007. FALCONE, G. A. Eletromecânica. São Paulo: Edgard Blucher Ltda., 1979. FITZGERALD, A. E. et al. Máquinas elétricas com introdução à eletrônica de potência. 6. ed. Porto Alegre: Bookman, 2006. MARQUES, G. Máquinas de indução polifásica. 2001. SILVA, M. E. Curso de comandos elétricos. FUMEP, 2006. TIPLER, P. A.; MOSCA, G. Física para cientistas e engenheiros: física moderna: mecânica quântica, relatividade e a estrutura da matéria. São Paulo: Grupo Gen, 2000, 3 v. EXPLORE+ Se você deseja se aprofundar neste conteúdo, recomendamos explorar o site do Museu WEG de Ciência e Tecnologia. Nele, são compartilhados conteúdos sobre eletricidade, magnetismo e eletromagnetismo. Também são apresentados curiosidades e fatos históricos sobre a evolução dos motores ao longo dos tempos. CONTEUDISTA Raphael de Souza dos Santos CURRÍCULO LATTES javascript:void(0);
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