Motores Elétricos

Generalidades sobre Motores Elétricos.

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Motor elétrico é a máquina destinada a transformar energia elétrica em energia mecânica. É o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da utilização de energia elétrica – baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando – com sua construção simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos. Os tipos mais comuns de motores elétricos são descritos a seguir.

Motores de corrente contínua

São motores de custo mais elevado e, além disso, precisam de uma fonte de corrente contínua, ou de um dispositivo que converta a corrente alternada comum em contínua. Podem funcionar com velocidade ajustável entre amplos limites e se prestam a controles de grande flexibilidade e precisão. Por isso, seu uso é restrito a casos especiais em que estas exigências compensam o custo muito mais alto da instalação.

Motores de corrente alternada

São os mais utilizados, porque a distribuição de energia elétrica é feita normalmente em corrente alternada. Os principais tipos são:

Motor síncrono: Funciona com velocidade fiz; utilizado somente para grandes potências (devido ao seu alto custo em tamanhos menores) ou querendo se necessita de velocidade invariável.

Motor de indução: Funciona normalmente com uma velocidade constante, que varia ligeiramente com a carga mecânica aplicada ao eixo. Devido sua grande simplicidade, robustez e baixo custo, é o motor mais utilizado de todos, sendo adequado para quase todos os tipos de máquinas acionadas, encontradas na prática. Atualmente é possível controlarmos a velocidade dos motores de indução com o auxilio de inversores de freqüência.

Conceitos Básicos de Motores

Vamos apresentar agora os conceitos de algumas grandezas básicas, cuja compreensão é necessária para melhor entender o funcionamento do freio eletromagnético como um todo.

Conjugado

O conjugado (também chamado torque, momento ou binário) é a medida do esforço necessário para girar um eixo.

É sabido, pela experiência prática que, para levantar um peso por um processo semelhante ao usado em poços a força F que é preciso aplicar à manivela depende do comprimento l da manivela. Quanto maior for a manivela, menor será a força necessária.

No exemplo a seguir, se o balde pesa 20N e o diâmetro do tambor é 0,20m, a corda transmitirá uma força de 20N na superfície do tambor, isto é, a 0,10m do centro do eixo. Para contrabalancear esta força, precisam de 10N na manivela, se o comprimento l for de 0,20m. Se l for o dobro, isto é, 0,40m, a força F será a metade, ou seja 5N.

Como vemos, para medir o “esforço” necessário para girar o eixo não basta definir a força empregada: é preciso também dizer a que distância do eixo a força é aplicada. O “esforço” é medido pelo conjugado, que é o produto da força pela distância, F x l.

Neste exemplo, o conjugado vale:

C = 20N x 0,10m = 10N x 0,20m = 5N x 0,40m = 2,0N.m.

C = F.l (N . m)

Energia e Potência Mecânica

A potência mede a “velocidade” com que a energia é aplicada ou consumida. No exemplo anterior, se o poço tem 24,5 metros de profundidade, a energia gasta, ou trabalho realizado para trazer o balde do fundo até a boca do poço é sempre a mesma, valendo 20N x 24,5m = 490N.m (note que a unidade de medida de energia mecânica, N.m, é a mesma que usamos para o conjugado – trata-se, no entanto, de grandezas de naturezas diferentes, que não devem se confundidas).

W = F . d (N . m)

Obs.: 1N.m = 1J = W . Dt

A potência exprime a rapidez com que esta energia é aplicada e se calcula dividindo a energia ou trabalho total pelo tempo gasto em realiza-lo. Assim, se usarmos um motor elétrico capaz de erguer o balde de água em 2,0 segundos, a potência necessária será:

P1 = 490 / 2,0 = 245W

Se usarmos um motor mais potente, com capacidade de realizar o trabalho em 1,3 segundos, a potência necessária será:

P2 = 490 / 1,3 = 377W

A unidade mais usual para medida de potência mecânica é o cv (cavalovapor), equivalente a 736W. Então as potências dos dois motores acima serão:

P1 = 245 / 736 = 1 / 3cv

e

P2 = 377 / 736 = 1 / 2cv

Pmec = F . d / t ( W )

Como, 1 cv = 736W

Pmec = F . d / 736 . t ( cv)

Para movimentos circulares

C = F . r ( N . m )

v = p . d . n / 60 ( m/s )

Pmec = F . d / 736 . t ( cv)

Onde:

C = Conjugado em N.m

F = Força em N

l = braço de alavanca em m

r = raio da polia em m

v = velocidade angular em m/s

d = diâmetro da peça em m

n = velocidade em rpm

Rendimento

O motor elétrico absorve energia elétrica da linha e a transforma em energia mecânica disponível no eixo. O rendimento define a eficiência com que é feita esta transformação.

Chamando “Potência útil” Pu a potência mecânica disponível no eixo e “Potência absorvida” Pa a potência elétrica que o motor retira da rede, o rendimento será a relação entre as duas, ou seja:

h = Pu(W) / Pa(W) = 736 x P(cv) / Ö3 . U . I . cosj = 1000 x P(kW) / Ö3 . U . I . cosj

ou

h% = (736 x P(cv) / Ö3 . U . I . cosj) x 100

Relação entre Conjugado e Potência

Quando a energia mecânica é aplicada sob a gorma de movimento rotativo, a potência desenvolvida depende do conjugado C e da velocidade de rotação n. As relações são:

P(cv) = C(kgfm) x n(rpm) / 716 = C(Nm) x n(rpm) / 7024

P(kW) = C(kgfm) x n(rpm) / 974 = C(Nm) x n(rpm) / 9555

Inversamente:

C(kgfm) = 716 x P(cv) / n(rpm) = 974 x P(kW) / n(rpm)

C(Nm) = 7024 x P(cv) / n(rpm) = 9555 x P(kW) / n(rpm)

Curva Conjugado x Velocidade

O motor de indução tem conjugado igual a zero à velocidade síncrona. À medida que a carga vai aumentando, a rotação do motor vai caindo gradativamente, até um ponto em que o conjugado atinge o valor máximo que o motor é capaz de desenvolver em rotação normal. Se o conjugado da carga aumentar mais, a rotação do motor cai bruscamente, podendo chegar a travar o rotor. Representando num gráfico a variação do conjugado com a velocidade par um motor normal, vamos obter uma curva com aspecto representado a seguir:

Co : Conjugado Básico – É o conjugado calculado em função da potência e velocidade síncrona.

Cn : Conjugado Nominal ou de Plena Carga – É o conjugado desenvolvido pelo motor à potência nominal, sob tensão e frequência nominais.

Cp : Conjugado com rotor bloqueado ou conjugado de partida ou, ainda, conjugado de arranque – É o conjugado mínimo desenvolvido pelo motor bloqueado, para todas as posições angulares do rotor, sob tensão e freqüência nominais.

Motor de Passo

O motor de passo (“Stepping Motor’) é um transdutor que converte pulsos elétricos em movimento mecânico. A rotação do eixo do motor é caracterizada por um especifico ângulo incremental de passo para cada pulso de excitação. Esse ângulo incremental é repetido precisamente em cada pulso, gerado por um apropriado circuito excitador. O erro que possa existir num determinado ângulo incremental, é geralmente menor que 5%, sendo este erro não acumulativo.

O resultado é preciso e de movimento fixo, sendo que a cada pulso temos o movimento de um único ângulo incremental de passo, possibilita um eficiente controle de posição. Sendo assim, o motor de passo possibilita um controle de velocidade, direção e distância, podendo em certos casos, dispensar o controle em malha fechada (ou realimentação), bastando para tal haver uma segurança que o torque produzido pelo motor seja suficiente para movimentar a carga acoplada.

O circuito excitador é constituído por um circuito seqüencial e um estágio amplificador de saída. O circuito seqüencial pode ser projetado para que o motor gire seu ângulo incremental de passo a cada pulso na sua entrada, ou para que o motor gire apenas meio ângulo de passo.

A tabela descrita a seguir, ilustra os valores de ângulos de passo dos motores comumente encontrados no mercado, com seus respectivos números de passos por volta.

0,72 -500

1,8 -200

2,0 -180

2,5- 144

5,0 -72

7,5- 48

15,0 -24

Relação dos valores de ângulo de passo e respectivos passos por volta.

O estágio amplificador de saída pode excitar o motor por fonte de tensão ou fonte de corrente. Sendo adotada a fonte de tensão por ser de mais fácil acesso.

Outros parâmetros, estão relacionados a seguir:

- “Holding Torque”: É a potência necessária para o motor sair da posição parado.

- “Torque Residual”: É o resultado do fluxo magnético permanente que age nos pólos do estator.

- “Resposta de Passo”: É o tempo de atraso para o motor dar um passo comandado. Esse tempo é função do quociente torque/inércia. Para o motor sem carga é da ordem

de milisegundos.

- “Ressonância”: O motor de passo possui uma certa freqüência natural característica, sendo que quando o motor atinge esta freqüência, ocorre um aumento de ruído, vibração e o motor pode ainda perder alguns passos ou até oscilar. O valor dessa freqüência depende do motor, carga, e circuito driver. Sendo assim, podemos modificar esse valor através de projeto.

- “Slew Rate”: Impossibilidade de parar, começar ou reverter o movimento instantaneamente.

Estes e outros parâmetros evidenciam que o motor de passo é utilizado em movimentos que requerem baixa velocidade de operação, mesmo porque, seu limite superior é determinado em aproximadamente 500 passos/segundo em alguns modelos de motores.

Modos de Acionamentos de Motores de Passo

Independente do tipo de alimentação ser unipolar ou bipolar, os enrolamentos do motor de passo podem ser acionados segundo 4 modos :

- Modo manual

- Modo wave

- Modo meio passo

- Modo micro passo

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