Controle de Velocidade do Motor CC: Controle de Resistência da Armadura e Controle de Fluxo do Campo

Um motor DC é um dispositivo que converte energia mecânica em energia elétrica de corrente contínua. Uma das características mais notáveis de um motor DC é sua capacidade de ajustar facilmente sua velocidade de acordo com requisitos específicos usando métodos simples. Este nível de controle de velocidade conveniente não é tão facilmente alcançável com um motor AC.

Os conceitos de regulação de velocidade e controle de velocidade são distintos. No caso da regulação de velocidade, a velocidade do motor muda espontaneamente em resposta a várias condições de operação. Por outro lado, em um motor DC, as mudanças de velocidade são iniciadas intencionalmente, seja manualmente por um operador ou automaticamente através de dispositivos de controle. A velocidade de um motor DC é determinada pela seguinte relação:

A equação (1) ilustra claramente que a velocidade de um motor DC depende de três fatores-chave: a tensão de alimentação V, a resistência do circuito de armadura Ra e o fluxo de campo ϕ, gerado pela corrente de campo.

• Quando se trata de controlar a velocidade de um motor DC, a manipulação da tensão, da resistência da armadura e do fluxo de campo são considerações cruciais. Existem três técnicas principais para o controle de velocidade de um motor DC, conforme descrito abaixo:

• Variação da Resistência no Circuito de Armadura (Controle de Resistência de Armadura ou Controle Reostático)

• Variação do Fluxo de Campo (Controle de Fluxo de Campo)

• Variação da Tensão Aplicada (Controle de Tensão de Armadura)

Uma exploração mais aprofundada de cada um desses métodos de controle de velocidade é fornecida posteriormente.
Controle de Resistência de Armadura de Motor DC (Motor de Derivação)
O diagrama de conexão para implementar o controle de resistência de armadura em um motor de derivação é ilustrado abaixo. Nesta abordagem, um resistor variável Re é inserido no circuito de armadura. Notavelmente, as mudanças no valor deste resistor variável não afetam o fluxo magnético, pois o enrolamento de campo está diretamente conectado à rede de alimentação.

A característica de corrente de velocidade do motor de derivação é mostrada abaixo.

Motor em Série
Agora, vamos examinar o diagrama de conexão para controlar a velocidade de um motor DC em série usando o método de controle de resistência de armadura.

Quando a resistência do circuito de armadura é ajustada, isso afeta simultaneamente a corrente que flui pelo circuito e o fluxo magnético dentro do motor. A queda de tensão através do resistor variável diminui efetivamente a tensão disponível para a armadura. Consequentemente, esta redução na tensão aplicada à armadura leva a uma diminuição na velocidade de rotação do motor.

A curva de característica de velocidade-corrente de um motor em série, que ilustra a relação entre a velocidade do motor e a corrente que passa por ele, é apresentada na figura abaixo.

Quando o valor da resistência variável Re é aumentado, o motor opera em uma velocidade de rotação menor. Dado que a resistência variável conduz toda a corrente de armadura, ela deve ser projetada para lidar continuamente com a corrente de armadura nominal total sem superaquecer ou falhar.

Desvantagens do Método de Controle de Resistência de Armadura

• Uma quantidade significativa de energia elétrica é dissipada como calor na resistência externa Re, resultando em ineficiências e desperdício de energia.

• Este método de controle de resistência de armadura é limitado a reduzir a velocidade do motor abaixo de sua velocidade de operação normal; ele não permite aumentar a velocidade além do nível normal.

• Para qualquer valor específico da resistência variável, o grau de redução de velocidade não é fixo, mas sim flutua dependendo da carga aplicada ao motor, tornando difícil alcançar uma regulagem de velocidade precisa.

• Devido às suas ineficiências inerentes e limitações, este método de controle de velocidade é tipicamente adequado apenas para motores de pequeno porte.

Método de Controle de Fluxo de Campo de Motor DC

O fluxo magnético dentro de um motor DC é gerado pela corrente de campo. Portanto, o controle de velocidade usando este método é realizado ajustando a magnitude da corrente de campo.

Motor de Derivação

Em um motor de derivação, um resistor variável RC é conectado em série com os enrolamentos de campo de derivação, conforme ilustrado na figura abaixo. Este RC é comumente referido como um regulador de campo de derivação, desempenhando um papel crucial na modificação da corrente de campo e, subsequentemente, do fluxo magnético do motor.

A corrente de campo de derivação é dada pela equação mostrada abaixo:

Quando o resistor variável RC é inserido no circuito de campo, ele restringe o fluxo de corrente de campo. Como resultado, o fluxo magnético gerado pelos enrolamentos de campo é diminuído. Esta diminuição de fluxo tem um impacto direto na velocidade do motor, fazendo com que ela aumente. Consequentemente, o motor opera em uma velocidade de rotação que excede sua velocidade normal, inalterada.

Esta característica única torna o método de controle de fluxo de campo altamente útil para dois propósitos principais. Primeiro, ele permite que o motor atinja velocidades maiores que sua velocidade de operação padrão, fornecendo flexibilidade em aplicações que exigem taxas de rotação elevadas. Segundo, pode ser empregado para contrariar a queda natural de velocidade que ocorre quando o motor está sob carga, mantendo efetivamente uma velocidade mais consistente sob condições de carga variáveis.

A curva de velocidade-torque para um motor de derivação, que ilustra graficamente a relação entre a velocidade de rotação do motor e o torque que ele pode produzir, é apresentada abaixo. Esta curva oferece insights valiosos sobre as características de desempenho do motor em diferentes cenários de operação quando o método de controle de fluxo de campo é aplicado.

Motor em Série

No caso de um motor em série, a alteração da corrente de campo pode ser realizada por um dos dois métodos: usando um desviador ou implementando o controle de campo com torneiras.

Usando um Desviador

Como ilustrado na figura abaixo, uma resistência variável Rd é conectada em paralelo com os enrolamentos de campo em série. Esta configuração permite a manipulação da distribuição de corrente no circuito, influenciando assim a força do campo magnético gerado pelos enrolamentos de campo em série.

O resistor paralelo nesta configuração é conhecido como desviador. Quando o desviador com resistência variável Rd é conectado, ele desvia uma certa fração da corrente principal dos enrolamentos de campo em série. Consequentemente, a função principal do desviador é diminuir a magnitude da corrente que passa pelo enrolamento de campo. À medida que a corrente de campo diminui, o fluxo magnético gerado pelo campo também diminui. Esta redução de fluxo leva a um aumento na velocidade de rotação do motor.

O segundo método para alterar a corrente de campo em um motor em série é através do controle de campo com torneiras. O diagrama de conexão correspondente, que ilustra as conexões elétricas e componentes específicos envolvidos neste método, é apresentado abaixo.

No método de controle de campo com torneiras, as ampere-voltas são ajustadas alterando o número de voltas de campo ativas. Esta configuração específica é altamente aplicável em sistemas de tração elétrica. Ao manipular o número de voltas de campo, o fluxo magnético gerado pelo enrolamento de campo do motor é alterado, permitindo um controle preciso sobre a velocidade do motor.

A curva de característica de velocidade-torque de um motor em série, que ilustra graficamente a relação entre a velocidade de rotação do motor e o torque que ele pode produzir em várias condições de operação, é mostrada abaixo. Esta curva fornece insights valiosos sobre as capacidades de desempenho do motor quando o método de controle de campo com torneiras é empregado, ajudando engenheiros e técnicos a entender como o motor responde a mudanças na carga e nas configurações de velocidade.

Vantagens do Controle de Fluxo de Campo
O método de controle de fluxo de campo oferece vários benefícios notáveis, conforme descrito abaixo:

• Facilidade de Uso: Esta abordagem é direta e amigável, facilitando a implementação e operação simples.

• Baixa Perda de Energia: Dado que o campo de derivação geralmente tem um requisito de corrente relativamente pequeno, a energia dissipada no campo de derivação permanece mínima, contribuindo para uma eficiência geral melhorada.

• Mecanismo de Aumento de Velocidade: Devido à saturação do núcleo de ferro no circuito magnético, o fluxo magnético geralmente não pode ser aumentado além de seu valor normal. Como resultado, o controle de fluxo de campo se concentra principalmente em enfraquecer o campo, o que efetivamente leva a um aumento na velocidade de rotação do motor.

• Faixa de Aplicação Controlada: No entanto, é importante notar que este método é aplicável apenas dentro de uma faixa restrita. O enfraquecimento excessivo do campo pode levar à instabilidade na operação do motor, limitando seu uso a cenários específicos onde o controle preciso e a estabilidade são cruciais.