Responda e justifique os itens abaixo relacionados às máquinas CC:
O que acontece quando o motor CC shunt tem, em pleno funcionamento, o seu circuito de campo aberto?

Passo 1

Você pergunta o que acontece quando um motor CC do tipo shunt, em pleno funcionamento, tem o seu circuito de campo aberto. Informações dadas pelo enunciado: o motor é do tipo shunt (o enrolamento de campo está ligado em paralelo com o armadura) e o circuito de campo abre enquanto o motor está rodando. O que devemos responder: quais efeitos elétricos e mecânicos imediatos e em seguida, e quais os riscos/práticas a serem observadas.

Passo 2

Entendendo a topologia e as grandezas principais (explicação didática, passo a passo). Em um motor CC shunt temos duas partes principais: o enrolamento de campo (que cria o fluxo magnético) e a armadura (onde circula a corrente que gera o torque). Essas duas partes estão ligadas em paralelo à mesma tensão de alimentação V. Vamos definir as grandezas e as fórmulas que usamos para raciocinar:
E_a = k\,\varphi\,\omega
I_a = \frac{V - E_a}{R_a}
T = k\,\varphi\,I_a
Explique o que cada símbolo significa:
  • \varphi: fluxo magnético produzido pelo enrolamento de campo (proporcional à corrente de campo).
  • \omega: velocidade angular do rotor.
  • k: constante do motor (depende de construção; relaciona fluxo, velocidade e tensão).
  • E_a: força contra-eletromotriz (f.e.m.) induzida na armadura.
  • I_a: corrente no circuito da armadura.
  • R_a: resistência elétrica do circuito da armadura.
  • T: torque eletromagnético produzido pelo motor.
Vou explicar cada equação em palavras: a primeira diz que a f.e.m. induzida na armadura cresce com a velocidade \omega e com o fluxo \varphi. A segunda é a lei de Ohm aplicada ao circuito da armadura: a corrente da armadura é a diferença entre a tensão aplicada V e a f.e.m. E_a dividida pela resistência R_a. A terceira diz que o torque produzido é proporcional ao produto do fluxo pelo corrente da armadura.

Passo 3

O que acontece instantaneamente quando o circuito de campo abre (primeiro instante). Ao abrir o circuito de campo, a corrente de campo cai praticamente a zero e, portanto, o fluxo \varphi cai para um valor muito pequeno (praticamente zero). Pode haver uma pequena resposta transitória por causa da indutância do enrolamento de campo, mas em poucos instantes o fluxo é muito reduzido. Substituindo isso nas equações, note:
  • Se \varphi fica muito pequena, então para qualquer velocidade finita \omega a f.e.m. E_a = k\,\varphi\,\omega também fica muito pequena.
  • Com E_a muito pequeno, a corrente de armadura fica, pela segunda equação,
I_a \approx \frac{V}{R_a},
ou seja, um grande valor, porque a queda da f.e.m. deixa quase toda a tensão aplicada para forçar corrente através de R_a. Isso é um pico de corrente imediato na armadura.

Passo 4

Dinâmica subsequente: por que a velocidade sobe (runaway). Com a abertura do campo temos simultaneamente fluxo \varphi\downarrow e corrente de armadura I_a\uparrow. O torque é
T = k\,\varphi\,I_a.
Note que \varphi caiu, mas I_a aumentou muito. O resultado líquido pode ser um torque excedente que acelera o rotor porque, logo após a abertura, a corrente de armadura lhes dá torque suficiente para acelerar (além disso, muitos carregamentos têm torque que decresce com a velocidade, então a aceleração não é contrabalançada). Para manter um determinado torque de carga T_{\text{carga}} quando \varphi diminui, seria necessário
I_a = \frac{T_{\text{carga}}}{k\,\varphi},
ou seja, uma corrente muito grande quando \varphi é pequena. Assim o motor tende a acelerar muito (porque o sistema elétrico/ mecânico não consegue ajustar instantaneamente para a nova condição), aumentando \omega. Porém, mesmo com \omega maior, como \varphi é muito pequena, a f.e.m. E_a=k\varphi\omega segue sendo relativamente pequena, de modo que a corrente de armadura continua alta. Esse fenômeno de aceleração descontrolada é conhecido como runaway — o motor tenta correr até limites mecânicos ou até que as perdas (resistivas, sopro/arrasto, engrenagens) equilibrem o torque gerado.

Passo 5

Consequências práticas e riscos — por que isso é perigoso. A abertura do campo enquanto o motor está funcionando pode provocar:
  • Pico de corrente na armadura com aquecimento rápido por perdas I_a^2 R_a, que pode queimar o enrolamento da armadura.
  • Mau comutação: com fluxo muito baixo a comutação entre lâminas do comutador fica ruim, gerando faíscas intensas nos brushes e desgaste/ dano ao comutador e às escovas.
  • Aceleração descontrolada (runaway): risco de atingir rotações além das especificações do projeto → falha mecânica do rotor, soltura de peças, acidente.
  • Falha de isolação devido ao aquecimento e centelhamento, podendo inutilizar o motor.
    Portanto é uma condição que costuma causar danos graves se não houver proteção.

Passo 6

Ilustração numérica simples (apenas para sentir a magnitude, não assume dados do seu caso). Suponha um motor com V=220\\ \text{V} e R_a=0{,}5\\ \Omega. Se E_a cair a quase zero, então
I_a \approx \frac{220}{0{,}5}=440\\ \text{A},
um valor muito superior à corrente nominal típica; isso exemplifica o pico destrutivo que pode ocorrer.

Passo 7

Proteções e procedimento correto (o que fazer na prática). Para evitar esse problema projeta-se:
  • Relé de supervisão de corrente de campo (campo aberto detectado e aciona proteção).
  • Dispositivos de corte de alimentação ou freio de emergência que desenergizam a armadura se o campo falhar.
  • Limitadores de corrente sobre a armadura e proteções de sobrevelocidade.
    Se uma abertura de campo ocorrer, o procedimento seguro é desligar a alimentação da armadura imediatamente (ou acionar o freio) para evitar aceleração e danos.

Resposta

Abertura do circuito de campo em um motor CC shunt em funcionamento faz o fluxo \varphi cair quase a zero, provocando imediata redução da f.e.m. E_a=k\varphi\omega e, portanto, um pico de corrente na armadura I_a\approx V/R_a; o torque resultante e as condições dinâmicas levam à aceleração descontrolada (runaway), mau comutação, faíscas, superaquecimento e possível dano mecânico/ elétrico sério. Em resumo: é uma condição perigosa que normalmente causa sobrecorrente, sobrevelocidade e danos ao motor.

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