Introduo ao funcionamento dos motores elctricos

Automação e Computadores - Mecatrónica
Identificação dos principais tipos
de motores eléctricos
Introdução
Leis do Electromagnetismo (Lei de Laplace)
“A força electromagnética exercida sobre um
condutor rectilíneo é directamente proporcional à
indução magnética B, à intensidade de corrente I
que percorre o condutor, ao comprimento l do
condutor e ainda ao seno do ângulo (sem α)
formado pelo vecto indução e pelo condutor”
B – Indução,
dedo polegar;
I – Corrente,
dedo médio;
F – Força gerada,
dedo indicador;
F = B.I. l .sen α
Criação de um
binário de forças
gerado numa
espira de um
motor por efeito da
Lei de Laplace
d
M=F.d
l
Exemplo de um motor com
várias bobines e
respectivas lâminas no
colector...
1 - Motores de Corrente Contínua (CC)
1a – De íman permanente (baixas potências)
Íman permanente
Tensão
DC
Rotor
Escovas
1b – De estator bobinado (para aplicações que exigem média e grandes
potências)
Motor de CC
de excitação
independente
(o rotor e o
estátor têm
alimentações
independentes)
DC
DC
M
excitação série
M
excitação paralelo
Constituição de um motor CC
Curvas características dos motores de Corrente Contínua série
Característica de velocidade:
É a curva que representa a
variação da velocidade n com a
corrente absorvida pelo motor,
mantendo constante a tensão
de alimentação.
Característica do binário:
É a curva que representa a
variação do binário motor M
com a corrente I absorvida pelo
motor, mantendo constante a
tensão de alimentação.
Característica mecânica:
É a curva que representa a
variação do binário motor M
com variação da velocidade n
do motor, mantendo constante a
tensão de alimentação.
2 - Motores de Corrente Alternada /
motores de indução ou assíncronos
Princípio de funcionamento
Observe a seguinte experiência exemplificativa
do princípio de funcionamento do
motor de indução assíncrono:
ns
1 - O íman em rotação faz com que o seu
campo magnético também rode em torno
de uma espira em curto-circuito...
2 – a variação do campo magnético B faz
gerar na bobine uma corrente induzida i
3 – como a bobine é um circuito fechado
aquela corrente induzida gera por sua
íman girante/
vez um segundo
campo
magnético B
campo magnético;
girante
4 – este segundo campo magnético criado
na bobine inter- age com o campo magnético
do íman permante obrigando a bobine a rodar
com uma velocidade inferior ao campo magnético
do íman...
i
n1
Num motor de
indução a bobine
rotativa é substituida
por uma gaiola de
esquilo, que são
barras condutoras...
B
espira em
curto-circuito
Rotor, com a
Estator, que gera o
campo magnético rotativo gaiola de esquilo
2A - Motores de indução monofásicos
(de rotor de gaiola em curto circuito)
Para utilizaões de pequena e média potência
Binário
mecânico
estator
rotor
rotor
2B – Motores de polos sombreados ou de espira em curto
circuito
2C – Motores Universais
AC ou DC
Podem ser ligados a CA e CC. São
semelhantes a um motor série de CC
Rotor
mas são calculados de modo a operar
correctamente em CA monofásica. Em
geral têm potências baixas e em vazio
podem atingir velocidades bastantes
elevadas (vários milhares de rotações por
minuto).
Têm um estator e um rotor com os
enrolamentos/bobines ligados em série através do
colector/escovas.
O custo do motor universal é relativamente baixo e
fornece um bom binário de arranque e por isso é usado
em situações que exigem aquele binário de arranque
Para inverter o sentido de rotação no motor
elevado e também baixo peso, como é o caso de
universal deve-se inverter o sentido da corrente
no rotor em relação ao estátor...
máquinas ferramentas (berbequins, serras) e também
em electrodomésticos como aspiradores, secadores de cabelo,
varinhas mágicas, moinhos de café, máquinas de lavar, etc. A sua
grande desvantagem é possuir colector e escovas, orgãos sujeitos a
desgaste e susceptíveis a avarias.
O controlo da velocidade é obtido por
M
binário M em
variação da tensão aplicada: quanto maior,
função da
maior será a velocidade. Este controlo pode
ser
velocidade N
realizado, por exemplo, por um circuito
gerador de PWM.
A inversão do sentido de rotação é obtido por
N (rpm)
troca da polaridade da tensão de
alimentação do rotor em relação ao estator (não de ambos
simultaneamente).
Quando o enrolamento do estator é alimentado, cria um campo magnético que atravessa o
enrolamento do rotor. Como o enrolamento do rotor é alimentado em série com o estator, os
condutores que estão situados sob o mesmo
polo são perocrridos por correntes com o
220V AC
mesmo sentido, sendo portanto, segundo a lei
de Laplace, sujeitos a forças com o mesmo
sentido. Os condutores situados sob o outro
polo são sujeitos a forças iguais mas com
sentido oposto. As duas forças criam um
binário que faz girar o rotor.
Como a alimentação é alternada sinusoidal,
em cada período há inversão do sentido da
campo magnético do estator e da corrente no
rotor, como os enrolamentos dos rotor e do
estator estão ligados em série, a inversão
acontece em simultâneo, logo o binário não
inverte e a máquina roda continuamente no
mesmo sentido.
3 – Servomotores
Os servomotores são motores eléctricos utilizados em
aplicações de posicionamento. Recebem sinais
eléctricos que transformam em movimentos de rotação
ou em deslocamentos lineares precisos. Há diferentes
tipos de servos. Os aqui tratados são usados em
posicionamentos de pequena dimensão, braços
robotizados, etc.
São constituidos por pequenos motores DC, um
circuito electrónico de controlo, um pequeno
potenciómetro que roda solidário com o eixo do servo,
um conjunto de engrenagens e três condutores de
ligação. A redução de velocidade obtida através das
engrenagens permite não só um posicionamento de
preciso como também um binário considerável.
O circuito electrónico de controlo e o potênciómetro
formam um sistema de realimentação (feedback). O
eixo roda entre 0º e 180º. O potenciómetro existente
está solidário com o eixo e funciona como sensor de
posição: a tensão obtida no cursor do potenciómetro é
proporcional à posição angular do eixo. O circuito
electrónico permite comparar o sinal recebido com a
tensão/posição angular. Se o eixo está na posição
correcta o motor não roda; senão, o motor roda até ser obtida a tensão/posição angular adequada.
Este processo e circuito designa-se por controlo em malha fechada.
A posição angular é determinada pela duração do impulso (tempo ON) que se aplica na
entrada de comando, sinal este do tipo PWM (período constante). A largura máxima e
mínima dependem do tipo de servo.
Controlo do ângulo de rotação
1ms
Angulo mínimo
Posição neutra
1,5ms
2ms
Ângulo máximo
Oº
Exemplo de um Programa
Basic de Controlo para
Picaxe
ciclo:
servo 4, 75 ‘ move o servo para
9Oº
uma das posições finais
pause 2000‘ espera 2 segundos
servo 4, 150 ‘move o servo para
a posição central
pause 2000 ‘ espera 2 segundos
servo 4, 225 ‘move o servo para
18O a posição final oposta
pause 2000
goto ciclo ‘ volta para ciclo
Binário
O binário (ou torque) permite avaliar a força que os servos são
capazes de exercer. Um servo standart tem um binário de 3kg.cm
a 4,8V, o que é bastante.
Modificação do servo
Pode-se modificar um servo com o objectivo de o tranformar em
motor DC. Esta modificação implica remover o potenciómetro
(que deverá ser substituido por duas resistências para se manter
a divisão de tensão...) e também a fixação deste com o eixo. O
seu controlo permanece o mesmo e o servo rodará
continuamente pois já não possui o controlo da posição angular. Note-se que a utilização do servo
como motor DC significa que o circuito de comando deverá ser capaz de suportar a corrente
continuamente.
Fichas técnica de servos
HS-311 (http://www.hitecrcd.com)
Exemplo de um circuito
comando de um servo
(criação de um sinal PWM)
de
4 – Motores Passo a Passo PaP
(Stepper Motor)
O motor passo-a-passo é um dispositivo
electromecânico que converte impulsos eléctricos
em deslocamentos angulares precisos. A cada
impulso de comando o eixo do motor roda um pequeno
ângulo (passo) e permence nessa posição até novo
impulso. Aplicando-se diversos impulsos sucessivos o
motor roda até uma determinada posição, ou, se os impulsos se mantiverem, o motor roda por
pequenos saltos com um velocidade proporcional à frequência de impulsos. Devido a estas
características estes motores são geralmente associados a sistemas digitais e sistemas robóticos
que requeiram um posicionamento angular preciso.
Não tem escovas e apresentam um binário razoável a baixa rotação.
Podem ser do tipo: íman permanente, relutância variável e hibrido e todos têm uma constituição
diferente.
4a – Motor de íman permanente (bipolar)
São muito usados em impressoras. Como a força magnética mantemse mesmo desligados, podem ser identificados por o seu eixo manterse resistente quando são forçados a rodar.
O estátor é formado por duas secções, cada uma com o seu
enrolamento e vários conjuntos de pólos magnéticos (com a forma de
dentes) dispostos radialmente em
torno do rotor. O rotor é formado por
conjuntos de ímans permanentes NS dispostos radialmente em torno do
veio.
O princípio de funcionamento baseia
na atracção e repulsão entre polos
magnéticos.
Quando
os
enrolamentos
do
estator
são
alimentados, criam pólos N e S nos
dentes de cada secção: em todos os
dentes superiores de cada secção
criam-se polos N e em todos os
dentes inferiores, pólos S.
Como pólos de nome contrário se
atraem, os polos N do rotor que
estiverem mais próximos são
atraídos pelos dentes do estator com
polos S e os polos S do rotor pelos
dentes com pólos N, rodando o rotor
no sentido do alinhamento dos
campos magnéticos.
Portanto, para fazer rodar o rotor, basta criar um campo magnético rotativo, alimentando
sucessivamente os dois enrolamentos do
estator (enrolamentos A e B), como se
MODELO/EXPLICAÇÂO SIMPLIFICADA
indica.
PASSOS
1
2
3
4
FASE/
BOBINE A
FASE/
BOBINE B
1
2
3
4
Terminal Terminal Terminal Terminal
A1
A2
B1
B2
5V
0V
0V
0V
0V
0V
5V
0V
0V
5V
0V
0V
0V
0V
0V
5V
OBS: a tensão de 5V é apenas indicativa da
polaridade positiva. Podemos ter outras tensões.
Explicação do modelo:
Passo 1: o enrolamento A é alimentado,
passando a corrente no sentido indicado,
sendo criados os polos N-S no estator que
atraem os polos S-N do rotor. Não há
nenhuma corrente no enrolamento/fase B;
Passo 2: idem para o enrolamento B e
também para o enrolamento A, pelo que
o rotor roda 90º;
Passo 3: o enrolamento é novamente
alimentado, mas desta vez com sentidos
de corrente trocados, o que origina polos
no estator contrários aos do passo 1. O rotor roda mais 90º. Não é aplicada corrente no
enrolamento/fase B.
Passo 4: Ao enrolamento B é novamente alimentado, agora em sentido contrário, criando-se polos
no estator com polaridade oposta à criada no passo 2. O rotor é novamente atraído e desloca-se
mais 90º.
Neste modelo (não real!) uma rotação realiza-se em 4 passos. Para inverter o sentido de rotação, a
sequência deve ser também invertida.
Repare que o para comandar este motor é necessário garantir os dois sentidos de circulação
da corrente em cada bobine de modo a obtermos polaridades inversas em cada uma. Ou seja
uma alimentação bipolar.
Um motor PaP real de íman permanente não roda por passos de 90º como o “modelo
simplificado” sugere, o que seria manifestamente insuficiente em termos de
posicionamento. Na prática temos motores de passos menores, como 7,5º. Estes motores
possuem um rotor formado por 12 conjuntos de pólos N-S e duas secções no estator, com
12 + 12 pólos cada. No total existem 48 pólos no estator, o que corresponde, em 360º, a 48
passos de 7,5º.
(texto de apoio criado a partir do livro Motores Eléctricos, de António Francisco,
editado pela ETEP (Edições Técnicas e Profissionais)
4b – Motor de relutância variável / VR Stepper Motor (unipolar)
Nos motores de relutância variável o rotor não é
magnetizado, isto é, não apresenta polos, mas é constituido
por material de boa permeabilidade magnética; assim, cada
extremidade do rotor é atraído pelas extremidades/bobines
do estator independentemente da polaridade magnética
destas. Uma forma de verificar que o motor é deste tipo é
verificar que ele roda livremente quando desligado e forçado
a rodar. A corrente circula nas bobines apenas num sentido:
chamam-se também por isso unipolares.
Os dentes do rotor procuram se posicionar face aos dentes
de cada fase/bobine do estator de modo a serem atraídos o
mais possível, quer dizer, de modo a que o circuito
magnético apresente uma relutância o menor possível.
ESTATOR
ROTOR
No estator deste motor existem, tipicamente, três
conjuntos de enrolamentos A, B e C, cada qual
com duas bobines colocadas em pólos
diametralmente opostos e ligadas em série,
formando
uma
fase.
Alimentando
sucessivamente cada par de bobines opostas
do estator o rotor roda.
PASSOS
1
2
3
4
5
6
...
FASES
AA
1
0
0
1
0
0
1
BB
0
1
0
0
1
0
0
CC
0
0
1
0
0
1
0
1
2
3
4
5
6
Passo 1: Quando a bobine A é activada os dentes do
rotor procuram a melhor posição, ou seja, os dentes 1
e 3 alinham com os polos N-S da bobine A;
Passo 2: Se a seguir for activada a fase B, os dentes
2 e 4 são atraídos pela aquela fase/bobine e o rotor
avança 30º;
Passo 3: Se a fase C for agora activada são agora
atraídos os dentes 1 e 3 e o rotor avança mais 30º;
Passo 4: Voltando a activar a fase A..., são novamente atraídos os dentes 2 e 4 e o rotor
Ligação unipolar
Já vimos que na ligação unipolar a corrente de excitação circula nos enrolamentos sempre no mesmo
sentido.
Comando dos motores PaP
DRIVER
DE
POTÊNCIA
CONTROLO
MOTOR
PASSO
A
PASSO
No bloco “controlo” são geradas as sequência de comando, que pode ser constituido por um
microcontrolador ou por um CI específico. No driver de potência efectua-e o aumento de potência
(tensão e intensidade) a fim de se poder activar adequadamente os enrolamentos do motor.
Indicam-se a seguir alguns exemplos de CIs para Controlo e Driver de potência dos motores PaP.
Motor Bipolar
Motor Unipolar