Motor CC: Saiba como Funciona e de que forma Especificar.

Um motor cc nada mais é do que um motor alimentado por corrente contínua (CA), sendo esta alimentação proveniente de uma bateria ou qualquer outra de alimentação CC. A sua comutação (troca de energia entre rotor e estator) pode ser através de escovas (escovado) ou sem escovas (brushless) e com relação a velocidade, o motor cc pode ser controlado apenas variando a sua tensão, diferentemente de um motor elétrico de corrente alternada (CA) cuja a velocidade é variada pela frequência. Vejamos mais a frente como funciona este tipo de motor.

Como explicado, os motores elétricos CA necessitam de uma mudança na frequência caso houver a necessidade de variar sua velocidade, envolvendo assim um controle de velocidade mais complexo e dispendioso. Por outro lado, o motor cc precisa apenas de uma mudança no nível de tensão para que possamos variar sua velocidade- Assim, ele torna-se mais adequado para equipamentos alimentados por níveis de tensão de 24 Vcc ou 12 Vcc como no caso dos automóveis, ou aplicações industriais que exigem um controle fino de velocidade.

Ao selecionar um motor cc, é fundamental que você identifique as principais especificações de desempenho, além dos requisitos de potência e tamanho. Também é importante considerar os requisitos ambientais para a sua aplicação.

Este artigo foi escrito de forma a explicar como o motor cc funciona e  visa facilitar o processo de seleção de motores elétricos de corrente contínua. Assim, após entender os conceitos envolvidos no funcionamento, vamos poder analisar quais são as características importantes para a correta especificação de um motor CC.

1 – Como Funciona o Motor CC?

Um motor CC é composto por um eixo acoplado ao rotor que é a parte girante do motor. Na Figura 1, o estator é composto por um ímã e o comutador tem a função de transferir a energia da fonte de alimentação ao rotor. Na Figura 1 é também é possível observar as partes que compõem um motor CC.

1.1 – O Princípio de Funcionamento

Na Figura 2, o estator é constituído pelos ímãs (norte e sul) e o rotor é representado por uma bobina que é alimentada pelo comutador em que circula uma corrente I.

O princípio básico de funcionamento do motor CC é o seguinte: “Sempre que um condutor conduzindo uma corrente elétrica (em vermelho) é colocado em um campo magnético (em azul), este condutor experimenta uma força mecânica (em verde)” gerando o torque e o giro do eixo do motor.

1.2 – A Corrente

Ao alimentar o comutador com tensão CC, é gerada uma corrente contínua que é transferida para a bobina através do contato das escovas do comutador com esta bobina. Assim, a função do comutador é ser o elo entre a fonte de alimentação e o rotor do motor CC e ele é composto por escovas condutoras que fazem o contato com o eixo girante do motor CC. Aqui, chamamos a corrente que circula pela bobina de I.

1.3 – O Campo Magnético

O campo magnético é gerado entre os pólos norte e sul do ímã e possui um sentido partindo do norte para o sul. O torque que vai impulsionar a bobina e por sua vez o rotor, como podemos observar na Figura 5 será proporcional ao campo magnético entre os ímãs. A densidade de fluxo magnético é chamada aqui de B.

1.4 -A Força e o Torque

A direção da força mecânica é dada pela regra da mão esquerda de Fleming e sua magnitude é dada por:

F = ILB, onde:

·         B = densidade de fluxo magnético,

·         I = corrente da bobina,

·         L = comprimento do condutor no campo magnético

2 – Especificação de um Motor CC

2.1 – Especificações Básicas ou Primárias

Existem três fatores principais que você precisa levar em consideração quando for selecionar um Motor CC: A velocidade, o torque e a tensão. Sabendo estas três especificações, você será capaz de saber qual o motor e fabricante atenderá suas necessidades.

Velocidade do eixo: Um motor CC aplica uma tensão (V) para rodar um eixo a uma velocidade de rotação proporcional (ω). As especificações de velocidade do eixo geralmente se referem à velocidade sem carga, que é a velocidade máxima que o motor pode alcançar quando não há torque aplicado. Tipicamente, a velocidade do eixo é dada em rotações ou rotações por minuto (RPM). Estas rotações ou revoluções também podem ser representadas em radianos por segundo (rad/s) e para cálculos numéricos, o valor em radianos pode ser mais conveniente. A seguinte fórmula descreve a relação entre radianos por segundo e rotações ou rotações por minuto.

ω_rad/s = ω_rpm · (2π/60)

Para um motor CC ideal (que não possui perdas), a velocidade rotacional é proporcional à tensão fornecida, sendo:

ω = j · V

onde j é uma constante de proporcionalidade, dada em rad/(s.V).

Torque de saída: A rotação do eixo gera uma força de rotação chamada torque (τ). O torque é dado em unidades de força-distância (lb-ft, oz-in, N-m, etc.) ele pode ser de dois tipos: torque de partida ou torque contínuo. O torque de partida é o τ no qual a velocidade do eixo é zero ou o motor está parado. Já o torque contínuo é o máximo τ em condições normais de funcionamento. 

Observe abaixo pela fórmula que o torque (τ) de um motor CC é proporcional à corrente de indução (I), sendo que neste caso temos a constante de torque (k). A seguinte equação descreve as relações entre torque e corrente.

τ = k · I   ou   I = τ / k

A importância da constante de torque é evidenciada na equação acima. Para um dado torque, um valor alto de k limita a corrente a um valor baixo. Esta é uma medida de eficiência, uma vez que um menor consumo de corrente significa menor dissipação de energia (calor). Conhecendo a constante de torque e o torque produzido podemos calcular a corrente através da armadura, que é utilizada para sabermos a classificação de temperatura (como será mostrado mais adiante). Como o toque é proporcional à velocidade, podemos traçar um gráfico de torque x velocidade conforme Figura 7:

Tensão disponível: Os motores de corrente contínua podem ser projetados para operar a uma tensão específica caso houver a necessidade. No entanto sempre devemos observar a disponibilidade de fonte de alimentação adequada para cada aplicação. As fontes de alimentação mais comuns no mercado são 12Vcc e 24Vcc, mas é comum conversores que realizam a retificação de tensões em 110V e 220V a fim de fornecer qualquer nível de tensão necessário para a sua aplicação. Não se esqueça que como a velocidade depende da tensão, a alimentação poderá ser um limitante caso não for feita uma especificação adequada do motor CC.

2.2 – Especificações Derivadas ou Secundárias

As folhas de dados dos motores CC também possuem parâmetros que são derivados ou relacionados com os requisitos fundamentais (tensão, velocidade e torque). Podemos citar:

Potência de saída: Uma especificação comum e importante é a potência nominal de saída (Po) que representa o produto do torque pela velocidade do motor. Na forma de equação, a potência de saída é dada por:

Po = τ · ω

A potência máxima de saída ocorre quando o motor está em 50% da velocidade sem carga e 50% do torque de parada e muitos fornecedores especificam a potência de saída em termos de CV ou HP. Lembre-se que para converter um valor calculado de potência de unidades de watts (W) para unidades de HP, divida a potência em Watts por 746.

Dissipação de potência: A corrente produzida em um motor de corrente contínua aquece o mesmo e cria uma potência dissipada (Pdis). A valor de Pdis está relacionado com a resistência total do sistema (RT), que é a resistência de todo o conjunto do motor incluindo as perdas por atrito no estator (Rstator) e no rotor (Rrotor). Através da corrente do motor, podemos calcular a dissipação de potência e, por sua vez, o aumento da temperatura do rotor (ΔT) devido à rotação. A partir de ΔT, a temperatura total do motor (TM) pode ser calculada pela adição da temperatura ambiente (Tamb). As seguintes equações ilustram os passos utilizados para calcular a temperatura final do motor:

P_dis = I²R_T

R_T = R_rotor + R_stator (exceto para o motor cc de íma permanente)

ΔT = P_dis(R_tot)

T_M = Tamb + ΔT

2.3 – Parâmetros de Construção

A adequação de um motor CC para uma aplicação também depende da sua construção, outro aspecto do processo de seleção. Existem vários tipos diferentes de motores de corrente contínua, cada um dos quais oferece vantagens e desvantagens com base na sua construção. Vejamos abaixo as características de cada um no que tange à construção:

Os Motores de Derivação apresentam variação mínima de velocidade através da faixa de carga e podem ser configurados para potência constante em uma faixa de velocidade ajustável. Eles são usados para aplicações onde há necessidade de controle preciso de velocidade e torque. Na Figura abaixo você pode ver uma curva típica de velocidade x torque para um motor de derivação, onde o torque permanece relativamente constante em uma grande faixa de velocidade.

Os Motores Bobinados em Série exibem altos torques de partida para cargas permanentemente conectadas que são necessárias a fim de evitar danos em condições de alta velocidade. Estes motores desenvolvem um grande torque e podem ser operados a baixas velocidades. Eles são mais adequados para aplicações industriais pesadas que exigem cargas maiores movendo-se lentamente ou cargas mais leves movendo-se rapidamente. Abaixo, podemos ver uma curva típica de velocidade x torque para motores com bobina em série:

Os Motores Bobinados Compostos são projetados com bobinas derivadas compostas para aplicações de velocidade constante que requerem torque mais elevado. Eles são freqüentemente usados onde a carga primária requer um torque de partida alto e a velocidade ajustável não é necessária. As aplicações incluem elevadores, guindastes e equipamentos para lojas industriais. Abaixo podemos ver uma curva típica de velocidade x torque para os motores de bobina compostos, combinando características de derivação em série:

Motores CC de ímã permanente possuem um ímã permanentemente embutido em sua montagem (no estator). Eles oferecem velocidade constante com carga variável (escorregamento zero) e excelente torque de partida. Comparado com os outros tipos, a construção de ímã permanente proporciona maior eficiência e menores ajustes de velocidade. Abaixo podemos ver uma curva de velocidade para motores de ímã permanente, com proporcionalidade de torque e velocidade linear.

Motores CC com armadura em forma de disco, também chamados de “panquecas” ou “discos impressos”, utilizam rotores planos movidos por um campo magnético alinhado axialmente. Sua construção fina permite baixa inércia, resultando em alta aceleração. Esses motores são bons para aplicações que exigem uma rá PID a inicialização e desligamento enquanto acoplados a uma carga constante, como em um veículo elétrico. Veja abaixo o desenho de uma armadura a disco:

Os Motores CC sem Núcleo e sem ranhura incorporam um enrolamento cilíndrico que está fisicamente fora de um conjunto de ímãs permanentes. Devido ao fato do enrolamento ser laminado e não existir gaiola de ferro, motores cc sem núcleo possuem inércia muito menor. Possuem alta aceleração, eficiência e excelente controle de velocidade com pouca ou nenhuma vibração. Eles são comumente usados como servo motor para aplicações de controle de processo.

Comutação

A comutação do motor de CC pode ser com ou sem escovas (brushless), sendo que cada tipo oferece vantagens específicas.

Os motores elétricos escovados usam escovas de contato que se conectam com o comutador para alimentar o rotor. A construção escovada é menos onerosa do que o motor sem escovas e o controle é mais simples e barato. Outra característica é que o escovado pode operar em ambientes extremos devido à sua ausência interna de componentes eletrônicos. Por outro lado, motores escovados exigem manutenção periódica para substituição das escovas desgastadas.

Os motores sem escovas ou Brushless usam um ímã permanente incorporado no conjunto do rotor. Eles podem usar um ou mais dispositivos de Efeito Hall para detectar a posição do rotor  e uma eletrônica de acionamento associada a ele controla a rotação do eixo (velocidade). Os motores Brushless são similares aos motores CA, mas são comutados eletronicamente (ESM) de modo que possam ser alimentados em CC.

A comutação sem escovas (Brushless) é mais eficiente, requer menos manutenção, gera menos ruído e tem uma maior densidade de potência e faixa de velocidade se comparado ao motor de comutação escovada. No entanto, a eletrônica dos motores brushless geralmente contribuem para o seu custo de aquisição, que também possuem maior complexidade e maiores limitações ambientais.

2.4 – Tamanho e Considerações Ambientais

Ao selecionar motores de corrente contínua, você deve considerar também o design e os fatores ambientais como veremos a seguir:

2.4.1 – Considerações de dimensionamento

Se um motor CC tiver que se encaixar em um espaço ou satisfazer uma exigência de peso, então as características físicas podem ser fatores de seleção importantes. A configuração do eixo e o redutor, caso for aplicado também são considerações que devem receber atenção.

A configuração do eixo determina como o motor é montado e conectado ao sistema que ele irá acionar e é essencial sua correta seleção de forma com que ele seja compatível com o sistema. A seleção ideal do eixo aumenta a eficácia e pode economizar tempo e custo durante a montagem. As configurações podem incluir tipos côncavos, redondos, quadrados, sextavados, ranhurados, em degrau ou parafusos.

A redução ou redutor é usada no motor CC para aumentar ou reduzir a velocidade do eixo mecanicamente. Utilizando o redutor, o motor tende a ter volume ou peso menor. Os tipos de redutores que são usados em motores elétricos de corrente contínua podem incluir redutores de engrenagem, planetários, sem-fim ou cônicos.

2.4.2 – Considerações ambientais  

Finalmente, ao selecionar o motor de corrente contínua, você pode ter que considerar as condições ambientais ou requisitos de aplicação quando da utilização do produto.

A temperatura de operação deve ser considerada quando se utiliza algum equipamento eletrônico sensível ou quando o ambiente não está à temperatura de 40°C, ou ainda quando o ambiente for sensível à dissipação de calor do motor. Mecanismos de refrigeração adicionais podem ser instalados para neutralizar o aquecimento excessivo do motor ou do ambiente circundante.

A proteção contra corrosão deve ser considerada em ambientes onde o motor está exposto a radiação, poeira ou substâncias perigosas que possam degradar o motor. O invólucro e os materiais apropriados do motor podem ser selecionados para assegurar proteção contra a contaminação.

A proteção da água deve ser considerada quando um motor for operar exposto à água. Os níveis de proteção vão desde a proteção contra gotejamento vertical mínimo até à submersão total sob pressão.

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Nesta postagem apresentaremos técnicas de frenagem de motores utilizadas em inversores de frequência e demonstrar que dependendo das características da carga acionada, a substituição de um sistema de frenagem dissipativa por um sistema regenerativo, torna-se uma opção muito interessante e com retorno relativamente rápido de investimento.

Tratando-se de inversores de frequência no controle de velocidade de motores, ações do tipo: desacelerar, parar e mudar de rotação requer antes de tudo um mecanismo de frenagem eficiente.

Frenagem, nada mais é do que a remoção da energia absorvida pelo motor durante o processo de aceleração.

Partindo da rotação zero, o eixo encontra-se obviamente parado e por inércia tende a ficar assim. Para romper esta barreira e elevar a rotação até um valor desejado, o inversor entrega determinada quantia de energia elétrica, que é então convertida em energia mecânica no eixo do motor. Produzindo assim a rotação desejada.

Uma vez acionado, para o motor retornar ao repouso é preciso frenar o eixo. No momento da frenagem, parte da energia entregue - que agora se encontra na forma de energia mecânica - ou é convertida em calor ou se transforma novamente em eletricidade e é devolvida para o inversor.

Quando o rotor de um motor a indução gira com velocidade menor que a frequência aplicada, ele transforma energia elétrica em energia mecânica, A este processo denomina-se “motorização”. Quando o rotor gira mais rápido que a velocidade de sincronismo definida pelo inversor - durante uma rampa, o motor passa então a transformar a energia mecânica absorvida em energia elétrica.

Em função deste comportamento - que depende das características da carga e do tipo de frenagem escolhido - necessitamos de um dispositivo ou técnica que seja capaz, para quando necessário, desviar a energia excedente e impedir a sobre tensão no barramento CC do inversor. A este procedimento damos o nome de frenagem.

Sobre o ato de frenar, duas considerações importantes precisam ser feitas: Como remover esta energia? E o que fazer com ela?

Podemos desviá-la de maneira mecânica ou elétrica, podendo ser diretamente convertida em calor, ou reaproveitada em equipamentos específicos para regeneração de energia.

FORMAS DE DESVIO

Desvio Mecânico

Através de um dispositivo mecânico, composto por um atuador e pastilhas de freio, sempre que for necessário parar o eixo do motor, as pastilhas são acionadas, e toda a energia mecânica do eixo se converte em calor nas pastilhas.

Desvio Elétrico

Neste caso, a energia mecânica contida no motor é convertida em energia elétrica, e nesta condição, ou é dissipada em forma de calor sobre resistores especiais e também no próprio motor, ou é regenerada e devolvida para a rede de alimentação C.A.

Desta forma se diz que quando o resultado da frenagem é convertido em calor, o método empregado é do tipo dissipativo; e quando o seu resultado é a geração de energia elétrica, o método é do tipo regenerativo. [3]

 

FATORES A SEREM OBSERVADOS NA ESCOLHA DE UM MÉTODO DE FRENAGEM.

Primeiramente devemos salientar que na escolha de um inversor de frequência para controle de um motor de indução, e por consequência, na escolha do método de frenagem, o foco principal deve ser exclusivamente as exigências requeridas pela aplicação em que o motor será utilizado. Ficando, portanto em segundo plano, observar se existe ou não possibilidade de reaproveitar parte da energia entregue ao conjunto inversor/motor/carga.

Considerando isto, os principais fatores a serem observados são:

a) Quantidade de frenagem necessária em cada ciclo de operação;

b) Qualidade do controle da frenagem exigida; e por último,

c) Tempo de resposta entre uma ação e outra.

Assumindo que a frenagem do tipo mecânica não oferece outra opção senão converter esta energia em calor, vamos nos limitar em estudar somente a respeito da frenagem elétrica.

 

FRENAGEM ELÉTRICA

Frenagem por injeção de CC (DC injection braking)

Através da injeção de corrente contínua no estator do motor, um campo magnético fixo é criado. Este se opõe ao movimento do eixo, que por sua vez tende a diminuir a sua rotação. Este procedimento resulta em calor, que é então dissipado pelo próprio motor.

Deve, portanto, ser utilizado de maneira intermitente, e com um rigoroso controle do tempo de inserção da corrente, afim de não danificar precocemente o motor. Como vantagem, dispensa a aquisição de hardware adicional.

 

Frenagem por Fluxo (Flux Braking)

Nesta técnica a corrente de fluxo é elevada quase ao valor da corrente nominal, aumentando assim as perdas no motor. Da mesma maneira que na injeção de CC, a energia do eixo é convertida em calor e dissipada pelo próprio motor. De mesmo modo, requer cautela e uso intermitente para não danificar o motor, e sua vantagem também reside no fato de não exigir hardware adicional.

Frenagem Dissipativa (Dinâmica)

Assim que o inversor começar a diminuir a velocidade do motor, por inércia imposta pela carga, o eixo tende a continuar na mesma rotação. Em função disto, o motor se comporta como um pequeno gerador devolvendo energia elétrica ao inversor.

A magnitude desta energia é diretamente proporcional à derivada da desaceleração do eixo que, por sua vez, está intimamente ligada com a inércia e energia mecânica (cinética) armazenada pelo conjunto carga/motor.

Este processo faz com que a tensão do barramento CC do inversor suba, e possa assumir valores acima do limite de segurança suportado pelo inversor. Em função disto, o inversor monitora o valor da tensão do barramento CC e sempre que esta ultrapassar os valores pré-definidos, ele gera um comando para um módulo extra, comumente chamado de “Braking Unit”. Este tem por função comutar em paralelo com os capacitores do barramento CC, um resistor especial. Desta forma, toda energia “extra” é por ele desviada, e dissipada por efeito Joule.

Esta técnica é muito eficiente, consegue atingir elevados torques de frenagem, e apesar de ser uma solução simples, sua resposta dinâmica é muito satisfatória.

Em contrapartida, existe o custo adicional para compra e instalação dos dois dispositivos necessários: o módulo de comutação (braking unit) e o resistor de dissipação. E além de toda a energia mecânica ser dissipada em forma de calor - sem nenhum benefício, a quantidade de frenagem em ciclo contínuo é limitada em função da capacidade de dissipação do resistor.

 

Frenagem Regenerativa

Nesta configuração, toda a energia gerada pelo motor no momento da frenagem, também é desviada para um módulo extra. Neste, a energia recebida é regenerada, sincronizada e devolvida para a rede de alimentação principal.

Este sistema de frenagem é, sem dúvida, o mais caro se comparado somente o custo de aquisição e instalação perante aos demais. Porém, é altamente eficiente e além de ser a melhor solução para ciclos de frenagem contínua, ela proporciona economia de energia elétrica.

Entretanto, seu emprego somente se torna viável quando instalado em cargas que tenham características regenerativas consideráveis.

 

CARGAS REGENERATIVAS

Teoricamente, a grande maioria das cargas acionadas por motores de indução comandados por inversores de frequência forma um conjunto com características regenerativas que, em maior ou menor magnitude, devolvem energia para o inversor no momento da desaceleração.

Como a magnitude desta energia devolvida é diretamente proporcional à energia mecânica (cinética) absorvida pelo conjunto carga/motor, somente cargas com grande potencial de absorção desta energia, são consideradas como cargas regenerativas. E, portanto, aplicações onde à possibilidade de um sistema de frenagem regenerativa se torna tanto economicamente como tecnicamente viável.

Exemplos de cargas que podem ser regenerativas são:

a) Elevadores de grande porte;

b) Bomba centrífuga;

c) Pontes rolantes;

d) Esteiras de transportes;

e) Grandes máquinas de usinagem.

De modo geral, aplicações que requerem a elevação, transporte de cargas pesadas, ou processos de relativa inércia com taxas de frenagem bruscas, são fortes candidatas a serem regenerativas.

 

FRENAGEM DISSIPATIVA X REGENERATIVA

Como exemplo, vamos utilizar uma determinada aplicação onde a potência média manipulada pelo conjunto inversor/motor/carga é da ordem de 75kW/h.

O processo consiste em elevar cargas extremamente pesadas a certa altura por uma ponte rolante, e reposicioná-las em lugares diferentes. Sendo, portanto um exemplo clássico de carga regenerativa.

No momento da desaceleração, observou-se que era requerido 80% do torque máximo, durante 20% do ciclo de operação. Neste caso, a solução tradicional seria utilizar um freio dissipativo e desviar toda a energia devolvida pelo motor no momento da desaceleração em um resistor.

Entretanto, face ao grande potencial regenerativo e a considerável potência manipulada, a substituição do sistema tradicional por um sistema de frenagem regenerativa, pode reaproveitar parte da energia consumida pelo inversor/motor e tornar-se uma proposta interessante.

SOLUÇÃO POR FRENAGEM DISSIPATIVA (DINÂMICA)

Juntando os dados de placa do motor com a inércia da carga, relação da caixa redutora, perfil de velocidade, torque, potência total da aplicação e ciclo de frenagem requerido, calcula-se a inércia total do sistema.

Através deste parâmetro, chega-se ao valor do pico máximo de potência devolvida ao inversor no momento da frenagem. Este valor servirá de base para determinar o valor ôhmico do resistor de freio, bem como a capacidade de comutação do módulo de chaveamento (braking unit).

Em seguida, deve-se ajustar no inversor, o parâmetro que define o máximo percentual de sobre passagem do valor nominal da tensão do barramento CC.

Feito isso, sempre que a tensão no barramento exceder o limite ajustado - em função de uma frenagem - um comando é gerado, e o módulo de frenagem comutará o resistor calculado, em paralelo como os capacitores do barramento CC. Com isso toda a energia “extra” será dissipada em forma de calor - devido ao efeito Joule-, evitando assim danos ao inversor.

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