Controlo de velocidade para motores de corrente alternada

 

Permite controlar a velocidade de rotação de um motor eléctrico alimentado pela tensão da rede.

Figura 1 - Variando o ângulo de condução de um triac, consegue-se modificar a potência aplicada à carga.

 

Ao utilizar motores eléctricos que funcionam com tensão alternada, não é raro deparar-se com a necessidade de regular a sua velocidade, especialmente em determinadas aplicações como no caso de bombas para líquidos, aparelhos para testes mecânicos, secadores de cabelo, ou berbequins.

Se, por exemplo possuir um berbequim de velocidade fixa, pode ser necessário variar a sua velocidade, para usar diversas brocas.

Na realidade, uma de 10 mm não deve girar à mesma velocidade que uma de 2 mm, porque cada uma requer uma velocidade específica. Uma ponta muito fina, por exemplo, de 2 mm de diâmetro, deve girar a um regime elevado, como 4000 rpm, que uma broca de 10 mm suportaria durante muito pouco tempo.

Existem muitas aplicações nas quais pode ser necessário variar a velocidade dum motor eléctrico de corrente alternada. Para resolver este problema, pode-se recorrer normalmente a duas soluções: ou se varia a amplitude da tensão alternada com a qual se alimenta o motor, ou se controla o motor com impulsos de tensão, de comprimento variável.

Neste último caso pode dizer-se que se varia o valor médio da tensão de alimentação. Variar a amplitude da tensão de alimentação é, indubitavelmente, um método válido, mas para tal seria necessário um gerador de tensão com amplitude variável.

 

Como se produz a regulação

Um sistema para variar a tensão dum motor consiste em dispor em série uma resistência variável de grande potência. No entanto, à parte as dimensões da referida resistência, devido à potência que deveria dissipar (tanto maior quanto maior for a potência do motor), deve considerar-se o que acontece carregando o motor.

É sabido que, em vazio, um motor tem um certo consumo de corrente, enquanto que se for submetido a esforço, a corrente aumenta de forma imprevisível.

 

O motor sob esforço

Se com um determinado valor de resistência em série com o motor em vazio, se tiver uma determinada tensão, sob esforço esta tensão cai sensivelmente, porque aumenta a necessidade de corrente por parte do motor.

Como a queda de tensão na resistência é função da corrente que a atravessa, se for imposta uma determinada velocidade e se se travar o eixo do motor, aumenta a corrente requerida e decresce a tensão de alimentação. Portanto, a velocidade não se pode manter como em vazio, reduzindo-se sensivelmente.

Por esta dificuldade é preferível abandonar a ideia da variação da amplitude da tensão, para aproveitar outra alternativa que consiste em regular o comprimento dos impulsos de tensão com os quais se alimenta o motor.

Suponhamos que se tem de alimentar um motor que funciona com 230V alternados. Com a alimentação de onda completa (normal), o motor gira à velocidade máxima; porém, se se cortar meia onda, por exemplo, ligando um diodo em série com o motor, o seu eixo girará mais lentamente.

De facto, agora acontecerá que o motor será alimentado com uma tensão cujo valor se dividiu e, portanto, poderá dispor de metade da potência em relação ao caso da alimentação com onda completa.

No entanto, para variar o valor médio da tensão de alimentação, é suficiente fazer preceder o motor em questão, por um circuito electrónico que fornece cada meia onda, em retardo em relação à passagem pelo zero.

Trata-se, praticamente, de um interruptor que se fecha e se abre com cada meia onda da tensão alternada, mas que o faz também com um certo retardo em relação ao instante em que se inicia a referida meia onda.

 

O método do valor médio

O sistema mais simples para variar a velocidade de rotação dum motor eléctrico, ou a luminosidade duma lâmpada, consiste em variar a tensão que o alimenta. Como não é simples variar a amplitude, recorre-se a simples circuitos que permitem variar a energia e com isso a potência entregue à carga.

Aproveitando adequadamente os interruptores controlados, no nosso caso um triac, pode-se intervir de modo que a tensão alimente as cargas com maior ou menor retardo. Falamos, logicamente, duma tensão sinusoidal ou rectangular.

Com referência à figura 1, podemos ver que variando o valor da tensão de alimentação com a qual o triac passa a conduzir, se pode variar o ângulo de condução indicado pela letra alfa (α).

Nos gráficos estão ilustrados dois casos; no de cima, o ângulo de condução é maior do que no de baixo. As zonas tracejadas representam o espaço de tempo que decorre desde a passagem pelo zero até que a sinusoidal pode atingir a carga.

A forma segundo a qual varia o valor médio da sinusóide pode compreender-se facilmente, considerando a zona entre o eixo horizontal e a sinusóide como o máximo valor de energia proporcionada à carga.

A zona de traços representa a parte da tensão que não chega à carga; quanto maior for, menor será a superfície encerrada na sinusóide correspondente à carga.

Para conseguir que a tensão da rede chegue à carga com retardo em relação à passagem pelo zero, controla-se a própria carga com um triac cuja porta está ligada à saída de um divisar de tensão.

Variando a impedância do divisor, muda o tempo necessário para que a sinusóide possa alcançar o valor suficiente para excitar a porta e, portanto, para que o triac conduza.

 

Figura 2 - Esquema eléctrico do circuito. Um potenciómetro permite variar a velocidade de rotação do motor simplesmente controlando o ângulo de condução dum triac.

 

Descrição do circuito

O circuito que apresentamos neste artigo, e cujo esquema se mostra na figura 2, realiza a função descrita. Consiste num interruptor electrónico que usa um triac como elemento de comutação, e que permite alimentar o motor com meias ondas mais ou menos estreitas.

Para decidir do valor médio da tensão de alimentação do motor, ou seja, o comprimento dos impulsos com os quais se controlará, o nosso circuito prevê que o triac seja excitado com um certo retardo em relação a todas as passagens pelo zero da tensão sinusoidal.

Esta missão é desempenhada por uma malha R-C, que permite excitar a porta do triac TH2 com mais ou menor retardo em relação ao início de cada meia onda. Mais claramente, R1, R2, R3 e C2 constituem a malha de retardo. O potenciómetro permite mudar a constante de tempo da referida malha, de forma a variar o retardo.

Quanto maior for a constante de tempo, mais elevado será o tempo necessário para que a tensão aplicada à porta do triac possa alcançar e ultrapassar o valor de excitação. Portanto também será maior o retardo com o qual o triac fechará a alimentação do motor, a cada meia onda.

 

Como influi a reactância

As coisas podem também ser vistas de outro modo, considerando que o condensador C2 tem uma reactância, ou seja, uma determinada impedância eléctrica. Em tal caso não é de estranhar que, juntamente com R1 e R3 e com o potenciómetro, o condensador constitui um divisor de tensão.

Deslocando o cursor de R2 pode seleccionar-se a relação de divisão e, como consequência, o valor da tensão de entrada do circuito (230V da rede) com o qual se alcança na porta do triac a necessária tensão de excitação.

De facto, a sinusóide aumenta de valor, ao longo do tempo, até ao seu pico. Antes de atingir o valor necessário para excitar o triac (partindo do instante em que se produz a passagem pelo zero), decorre um certo tempo igual a um meio período menos o tempo decorrido pela passagem pelo zero no momento da excitação.

Deve-se observar que o triac se acende e se apaga com cada meia onda. Se se levar à condução, depois de um determinado tempo, na meia onda positiva, esta mantém a condução até que a tensão entre os seus terminais MT2 e MT1 volte a zero e se inverta (instante de passagem de valores positivos para negativos).

À meia onda negativa chega apagado e deve ser excitado novamente. Isso produz-se ao mesmo valor em que se tem a excitação em meia onda positiva, uma vez que o triac pode ser excitado por tensões de porta tanto positivas como negativas.

No circuito da figura 2, o diac TH1 serve para reduzir a tensão de alimentação da porta do triac. O diac é um componente com três junções de estrutura PNPN, que é normalmente não condutor e que entra em condução só acima de um determinado valor da tensão aplicada aos seus terminais (tensão de break-over).

Depois de ter entrado em condução, esta pode descer sensivelmente e o estado de condução mantém-se até que passa para um valor de corrente superior ou igual à de manutenção (Holding currente).

Os condensadores C1 e C3, juntamente com a bobine L1, formam um filtro em pi, adequado para atenuar as perturbações produzidas pelo triac, de cada vez que desliga o motor da tensão da rede. Se não se atenuassem estes impulsos, propagar-se-iam livremente ao longo da rede eléctrica de 230V, provocando o aparecimento de perturbações noutros aparelhos ligados à rede.

 

Realização prática

A figura 3 reproduz o desenho do circuito impresso, em tamanho natural, enquanto que na figura 4 está representada a implantação dos componentes.

 

Figura 3 - Traçado do circuito Impresso.

 

Figura 4 - Implantação dos componentes.

 

Os primeiros componentes a montar são R1, R3 e o diac. Este pode aplicar-se como se se tratasse de uma resistência, uma vez que carece de polaridade: é bidireccional.

A seguir montam-se os condensadores, o triac e o potenciómetro. A bobine L1 é construída enrolando duas camadas sobrepostas, cada uma delas constituída por 20 espiras de condutor de cobre esmaltado, de 0.8mm ou de 1mm de diâmetro.

O diâmetro interno da camada interna deverá ser de 5 ou 6mm, ficando o enrolamento no ar (ou seja, que não se deverá realizar sobre um núcleo de material ferromagnético [ferro, aço, ferrite, etc.]).

As principais características do variador de velocidade para motores de corrente alternada, a corrente e a potência controláveis dependem do triac que se utilizar. Para elevar a potência poderia recorrer-se a um triac de 400V 8A (potência até aproximadamente 1.7KW) ou de 400V 16A (para uma potência de aproximadamente 3.3KW).

No entanto, nestes casos é necessário realizar L1 com um condutor de 1.3mm de diâmetro, e cobrir com estanho (depositando-o com o ferro de soldar quente) as pistas que conduzem da entrada de 230V aos terminais MT1 e MT2 do triac e aos pontos de saída.

 

Utilização do variador

Ligar um motor eléctrico (de corrente alternada) aos pontos SAL, deslocando a seguir o cursor do potenciómetro para R3 (no sentido dos ponteiros do relógio) e fornecendo uma tensão de 230V.

A seguir, girar lentamente o potenciómetro no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio, pelo que num determinado ponto o veio do motor girará cada vez mais rapidamente.

Verifica-se, assim, que girando o eixo do potenciómetro muda a velocidade de rotação do veio. Podem efectuar-se ensaios com um berbequim eléctrico, um ventilador, etc., e comprovar o efeito do circuito.

Para finalizar, duas recomendações, a primeira das quais referente ao triac; escolhe-se um modelo muito sensível, isto é, com baixa corrente de disparo. O circuito foi concebido para um triac como o TIC206 ou TAG8414.

A segunda recomendação consiste em chamar a atenção para o facto de o circuito estar directamente sob a tensão da rede, pelo que se deve ter muito cuidado ao mexer nele.

 

Lista de material

Resistências 1/2W ±5%

 

Condensadores

 

Semicondutores

 

Diversos

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