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?
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
. Vamos definir as grandezas e as fórmulas que usamos para raciocinar:
Explique o que cada símbolo significa:
-
: fluxo magnético produzido pelo enrolamento de campo (proporcional à corrente de campo). -
: velocidade angular do rotor. -
: constante do motor (depende de construção; relaciona fluxo, velocidade e tensão). -
: força contra-eletromotriz (f.e.m.) induzida na armadura. -
: corrente no circuito da armadura. -
: resistência elétrica do circuito da armadura. -
: 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
e com o fluxo
. A segunda é a lei de Ohm aplicada ao circuito da armadura: a corrente da armadura é a diferença entre a tensão aplicada
e a f.e.m.
dividida pela resistência
. 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
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
fica muito pequena, então para qualquer velocidade finita a f.e.m. também fica muito pequena. - Com
muito pequeno, a corrente de armadura fica, pela segunda equação,
ou seja, um grande valor, porque a queda da f.e.m. deixa quase toda a tensão aplicada para forçar corrente através de
. 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
e corrente de armadura
. O torque é
Note que
caiu, mas
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
quando
diminui, seria necessário
ou seja, uma corrente muito grande quando
é pequena. Assim o motor tende a acelerar muito (porque o sistema elétrico/ mecânico não consegue ajustar instantaneamente para a nova condição), aumentando
. Porém, mesmo com
maior, como
é muito pequena, a f.e.m.
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
, 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
e
. Se
cair a quase zero, então
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
cair quase a zero, provocando imediata redução da f.e.m.
e, portanto, um pico de corrente na armadura
; 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.