Como parar um motor DC, explicado com diagramas de circuito interativos ── roda livre, freio e regeneração

Parte 2 da série “Proteção e falhas de circuitos de comando, com diagramas de circuito interativos”

Como você sabe, o motor não para no instante em que a chave é desligada. A rotação carrega embalo (inércia), e ainda circula corrente pelos enrolamentos. Então, para onde vão esse embalo e essa corrente? As diferentes respostas a essa pergunta são exatamente o que distingue os termos parada por inércia (roda livre), freio por curto-circuito, resistor de frenagem e regeneração ── termos que exigem atenção à segurança. ── Se você só quer definições, qualquer glossário as tem. Mas em qual laço a corrente circula, onde o calor aparece, se algo volta ou não para a fonte ── um diagrama estático raramente deixa isso claro.

Neste artigo, observamos o que acontece logo depois de cortar o acionamento de um motor DC, usando diagramas de circuito interativos e gráficos de tensão e corrente em tempo real. As quatro formas de parar compartilham o mesmo esqueleto de circuito e os mesmos controles, de modo que as diferenças no caminho da corrente e no destino da energia ficam visíveis a olho nu. Todas as figuras são interativas: alterne o acionamento pelo botão e confira o gráfico com os próprios olhos enquanto lê.

O que este artigo cobre

Dúvidas comuns e as seções que as respondem.

Pergunta	Seção
O que acontece com a corrente e a rotação do motor depois que o acionamento é cortado?	§1
O que acontece se você só cortar o acionamento e não fizer nada (roda livre)?	§2 (figura interativa)
Por que o freio por curto-circuito funciona? Por qual laço a corrente circula?	§3 (figura interativa)
Qual a diferença entre um resistor de frenagem e um simples curto?	§4 (figura interativa)
O que é exatamente a “regeneração”? O que acontece quando a energia volta para a fonte?	§5 (figura interativa)
Como escolher entre as quatro formas de parar?	§6 (tabela comparativa) / FAQ
Qual a relação com a força contraeletromotriz da bobina da Parte 1?	§1 · FAQ

1. Um motor é um gerador girando ── parar é decidir para onde vai a energia

Dentro de um motor DC há uma bobina (a armadura) girando entre ímãs. Isso significa que o motor herda a propriedade da bobina que vimos na Parte 1 ── ele detesta ter a corrente alterada de repente. Mas o motor acrescenta uma segunda propriedade que a bobina de um relé não tinha: enquanto gira, ele gera tensão por conta própria. Motor e gerador têm a mesma construção; girado por fora, ele gera. No momento em que o acionamento é cortado, um motor que ainda gira pela inércia é, literalmente, um gerador.

Vamos fazer o inventário da energia envolvida. Na Parte 1, o problema era a energia armazenada no campo magnético da bobina ── ela aparece como um único surto breve. O motor também a tem, mas guarda algo muito maior: a energia cinética da rotação. Ela supera de longe a energia magnética e demora muito mais para sumir. Por isso, “parar um motor” é, no fundo, uma decisão de projeto: onde, e em quê, essa energia cinética será dissipada (ou recuperada)? As opções são a roda livre, o freio por curto-circuito, o resistor de frenagem e a regeneração.

Todas as figuras a seguir compartilham um mesmo esqueleto. À esquerda da divisória vertical está o lado externo (o motor); à direita, o lado da chave de acionamento. O caminho é: fonte de 24 V → resistor série de 50 Ω → chave de acionamento → motor DC → 0 V. O botão “Lógica Y0” do painel faz o papel do comando de partida. A única coisa que muda de figura para figura é o caminho de parada adicionado em torno dos terminais do motor.

A instrumentação é a mesma da Parte 1: os gráficos em tempo real acima de cada figura traçam 【V1】 (a tensão no terminal + do motor) e 【I1】 (a corrente do motor) numa janela deslizante de aproximadamente os últimos 0,05 segundo de tempo simulado. Para recomeçar do zero, o botão “Reiniciar o circuito”, no canto superior direito de cada painel, recarrega a figura ao estado inicial.

V1 Tensão no terminal + do motor ── observe o pico, ou o teto, logo após o OFF I1 Corrente do motor ── observe a rapidez do decaimento e o caminho que ela toma

2. Roda livre ── cortar o acionamento sem preparar caminho algum (Fig. 1)

A primeira figura não tem caminho de parada nenhum. Corte a chave de acionamento e o circuito do motor fica simplesmente aberto. Isso é a parada por inércia (roda livre), e todas as outras formas de parar deste artigo são lidas contra essa referência. Ligue “Lógica Y0”, veja a corrente circular e a velocidade subir, depois desligue antes de a velocidade chegar ao máximo ── e não tire os olhos do gráfico de 【V1】 logo após o OFF.

No instante do OFF, a corrente que restava nos enrolamentos perde o caminho, e o mesmo surto momentâneo da Parte 1 aparece em 【V1】 (o enrolamento do motor é uma bobina, então até aqui é revisão). O que vem depois é o verdadeiro assunto deste artigo. Mesmo depois que a corrente morre, o motor continua girando pela inércia e, como gerador, mantém tensão nos terminais ── mas o circuito está aberto e nenhuma corrente circula. Não há frenagem elétrica alguma, e a velocidade cai devagar, apenas pelo atrito dos mancais e da carga. “Desliguei e continua girando” ── a roda livre é a forma de parar que deixa a energia cinética inteiramente por conta do atrito.

Observação: as figuras 1 a 3 incluem uma pequena rede RC em série que representa a capacitância e as fugas da fiação real, adicionada para que a oscilação após o OFF não continue indefinidamente. Ela não faz parte do caminho principal.

3. O freio por curto-circuito ── ligue os terminais e a corrente continua girando (Fig. 2)

Agora adicionamos uma chave de parada entre os terminais do motor. Corte o acionamento, feche essa chave, e os dois terminais do motor ficam curto-circuitados. Um motor girando é um gerador ── e um gerador em curto faz circular corrente. A corrente continua girando pelo pequeno laço motor → chave de curto → motor, e a fonte dessa energia é a própria rotação. Em outras palavras, a rotação é freada. Este é o freio por curto-circuito (uma forma de frenagem dinâmica).

Na figura abaixo, esse caminho de parada está num botão. Primeiro deixe “Freio por curto-circuito: não”, faça um ciclo ON → OFF e confirme o surto da Fig. 1. Depois, após o OFF, mude o freio para “sim” e repita os mesmos passos. Mesmo circuito, mesmos controles ── o pico de 【V1】 é domado, e em vez dele você vê a corrente circular pelo laço do curto.

Uma verificação importante enquanto você está aqui: a corrente do freio por curto-circuito nunca volta para a fonte. Ela circula apenas entre o motor e a chave de curto, e a energia da rotação é consumida principalmente como calor na resistência da armadura (o enrolamento). É tentador imaginar que “frear = devolver eletricidade à fonte”, mas essa é a história do §5 (a regeneração). O freio por curto-circuito simplesmente converte a energia em calor ali mesmo e a descarta.

	Freio em “não” (roda livre)	Freio em “sim”
【V1】 logo após o OFF	Pico brusco momentâneo	Pico domado
Caminho da corrente após a parada	Nenhum (aberto)	Laço motor ↔ chave de curto
Como a velocidade cai	Devagar, só pelo atrito	Rápido, por frenagem geradora
Para onde vai a energia	Surto · atrito	Principalmente calor na armadura
Volta para a fonte?	Não	Não

4. O resistor de frenagem ── escolher onde o calor aparece (Fig. 3)

O freio por curto-circuito tem dois pontos fracos ── o calor vai parar na armadura, e a corrente é enorme. Os dois se aliviam de uma vez trocando o curto por um resistor com o valor que você escolher. Esse é o resistor de frenagem. Na figura abaixo, o caminho de parada entre os terminais do motor é um resistor de 150 Ω em série com uma chave. Os controles são os da Fig. 2: faça o OFF com “Resistor de frenagem: não” para ver o surto, depois repita com “sim”.

Compare com a Fig. 2 e você verá 【I1】 decair mais suavemente do que com o curto puro. Resistência maior significa menos corrente de frenagem e freio mais suave; menor, e você volta na direção do freio por curto-circuito. E o calor agora aparece principalmente no resistor de frenagem externo, em vez da armadura. Deixar que um resistor com dissipação bem projetada absorva a energia cinética, em vez do motor, sensível ao calor ── é por isso que existem “resistores de frenagem” (muitas vezes vendidos como “resistores de regeneração”) em volta de servoacionamentos e inversores. O projetista escolhe ao mesmo tempo a força da frenagem e o lugar onde o calor aparece ── essa é a diferença essencial em relação ao curto puro.

5. A regeneração ── construir um caminho de volta para a fonte (Fig. 4)

O último método tem caráter diferente dos outros três. Ao circuito da Fig. 1 acrescentamos um único diodo do terminal + do motor para o barramento de 24 V (anodo do lado do motor, catodo do lado da fonte). Depois que o acionamento é cortado, sempre que a tensão de terminal do motor girando tenta subir acima da fonte, o diodo conduz e a corrente flui para o lado da fonte. Em vez de queimar a energia cinética como calor, nós a devolvemos como eletricidade ── esta é a porta de entrada da regeneração.

Os controles, como sempre: ON → OFF. Desta vez, logo após o OFF, observe os pontos de corrente atravessarem o diodo rumo à fonte. E em vez do pico afiado da Fig. 1, 【V1】 bate no teto perto da tensão da fonte ── a corrente que não tinha para onde ir agora tem um caminho de volta para casa.

6. Escolhendo entre as quatro ── pelo caminho da corrente e pelo lugar do calor

Aqui está tudo o que as quatro figuras mostraram, numa única folha. Não se trata de um método ser melhor que os outros: escolhe-se respondendo a três perguntas ── por qual laço a corrente circula, onde a energia é descartada e com que rapidez o motor precisa parar. Essa é a conclusão deste artigo.

Método	Caminho da corrente após a parada	Para onde vai a energia	Rapidez da parada	Em uma linha
Roda livre (Fig. 1)	Nenhum (aberto)	Atrito (+ surto do OFF)	Lenta, sem controle	Uma parada que nunca foi projetada
Freio por curto-circuito (Fig. 2)	Laço dos terminais em curto	Principalmente calor na armadura	Rápida (corrente grande)	Potente, mas o motor arca com o calor
Resistor de frenagem (Fig. 3)	Laço dos terminais + resistor	Calor no resistor externo	Ajustável pela resistência	Força e lugar do calor, por projeto
Regeneração (Fig. 4)	De volta para a fonte	Lado da fonte (recuperada, no ideal)	Depende do receptor	Tudo depende de ter a quem devolver

Mais uma coisa, seja qual for o método escolhido: o surto do instante do OFF continua precisando de proteção própria (o diodo e companhia da Parte 1). No breve instante antes de a chave do caminho de parada fechar, a corrente do enrolamento não tem para onde ir. Projetar a parada, e proteger contra o surto ── como dois trabalhos separados, ambos feitos. Esse é o fio prático que liga a Parte 1 a este artigo.

Em produtos reais, você raramente montará esses circuitos nus: drivers de motor e pontes H já vêm com o freio por curto-circuito (modo brake) e os caminhos de regeneração embutidos. Mas quando um datasheet diz “brake”, “coast” ou “regenerative”, as quatro figuras deste artigo são exatamente o mapa do que essas palavras significam.

Resumo ── “parar” é decidir o caminho da corrente e o destino da energia

• Cortar o acionamento não apaga nem a corrente nem a rotação do motor. Um motor girando é um gerador, e projetar uma parada é escolher para onde vai a energia cinética (§1).
• A roda livre não tem caminho: sem frenagem elétrica, a parada fica por conta do atrito, e o surto do instante do OFF aparece pela mesma razão da Parte 1 (§2).
• O freio por curto-circuito faz a corrente circular num laço entre terminais, convertendo o embalo da rotação em calor na armadura para uma parada rápida. Nada volta para a fonte (§3).
• O resistor de frenagem é “um curto com os Ω escolhidos”: o projetista define a força da frenagem e onde o calor aparece (§4).
• A regeneração é um caminho de volta para a fonte ── mas a maioria das fontes reais não consegue aceitá-la, o que gera o próximo problema: a subida da tensão do barramento (§5, continuação planejada).
• Seja qual for o método, a proteção contra o surto do OFF é uma exigência à parte, adicional (§6).

As fundações deste artigo ── “a bobina detesta mudanças bruscas de corrente” e “onde o surto cai” ── estão na Parte 1, “A força contraeletromotriz da bobina, explicada com diagramas de circuito interativos ── o papel do diodo de roda livre”, e o estágio de saída que aciona o motor é tratado em “Relé, transistor ou triac? Entenda os tipos de saída de um CLP (PLC) com diagramas de circuito interativos”, ambos com o mesmo tipo de figuras interativas.

FAQ

Q1. Roda livre, freio por curto-circuito, regeneração ── cada um em uma linha?

R. Roda livre: não oferecer caminho algum e esperar o atrito. Freio por curto-circuito: criar um laço entre os terminais e queimar a energia como calor ali mesmo, parando rápido. Regeneração: criar um caminho para a fonte e devolver a energia como eletricidade. O eixo que os separa é por qual laço a corrente circula depois da parada.

Q2. Qual a diferença em relação ao surto da bobina da Parte 1?

R. A Parte 1 tratava da energia armazenada num campo magnético ── um único surto breve, combatido com uma “rota de fuga momentânea” como o diodo de roda livre. Este artigo trata do descarte da energia cinética da rotação ── muito maior, muito mais duradoura, e combatida projetando a própria parada. Num motor as duas coisas acontecem ao mesmo tempo, então proteção contra surto e projeto da parada são necessários como dois itens separados.

Q3. A corrente do freio por curto-circuito volta para a fonte?

R. Não. A corrente circula apenas no laço entre o motor e a chave de curto, e a energia se dissipa principalmente na resistência da armadura, como calor. A energia só volta para a fonte quando existe um caminho até ela, como na Fig. 4 (regeneração).

Q4. “Resistor de frenagem” e “resistor de regeneração” são a mesma coisa?

R. Como componente, ambos são resistores de potência; o nome costuma seguir o contexto. Mas há duas ligações distintas: entre os terminais do motor, como na Fig. 3, ou no barramento CC de um inversor ou servo, onde ele queima a subida de tensão do barramento causada pela regeneração (continuação planejada). Quando um catálogo diz “resistor de regeneração”, normalmente se refere ao segundo caso.

Q5. O freio por curto-circuito pode ser aplicado a qualquer momento?

R. Não. Como a resistência do laço é mínima, a corrente de frenagem no momento da aplicação é grande, e a partir de alta velocidade ou muita inércia ela pode ultrapassar os valores nominais da chave ou do motor. Drivers e motores reais especificam as condições (velocidade, frequência de uso etc.) em que o freio pode ser usado. Na dúvida, prefira um resistor de frenagem que limite a corrente.

Q6. O que dá errado, concretamente, quando a energia regenerada volta para a fonte?

R. O problema é o receptor. A fonte ideal da Fig. 4 absorve a corrente, mas a maioria das fontes DC reais não foi feita para receber corrente. Sem destino, a corrente carrega os capacitores do barramento e a tensão do barramento sobe. Os “desarmes por sobretensão” dos inversores, os resistores de frenagem regenerativa no barramento e os conversores regenerativos são, todos, respostas a esse fenômeno.

Q7. Por que as figuras pedem para desligar antes de a velocidade chegar ao máximo?

R. Porque quando um motor sem carga atinge a velocidade final, a tensão gerada (força contraeletromotriz) quase iguala a fonte e a corrente praticamente para de circular. Desligue nesse estado, e sobra pouca corrente para perder ── o surto também fica pequeno. Desligue durante a aceleração ── enquanto ainda há corrente ── e o comportamento da corrente ao perder o caminho aparece com clareza.

Q8. Qual destes é o “modo brake” de uma ponte H ou de um driver de motor?

R. Normalmente o freio por curto-circuito da Fig. 2: as duas chaves de baixo (ou as duas de cima) da ponte ligam ao mesmo tempo, curto-circuitando os terminais do motor. Na linguagem dos datasheets, coast (roda livre) corresponde à Fig. 1, brake à Fig. 2, e regenerative braking à família de caminhos da Fig. 4.

Q9. O mesmo raciocínio vale para motores AC (de indução)?

R. O esqueleto ── decidir para onde vai a energia cinética ── é o mesmo, mas os caminhos são construídos de outro jeito. Com um motor AC acionado por inversor, a desaceleração regenera através do inversor para o barramento CC, entrando direto no mundo da continuação da Fig. 4: subida do barramento, resistores de frenagem e conversores regenerativos. Também existem métodos próprios de AC, como a frenagem por injeção de corrente contínua.

Q10. Em que a simulação difere do hardware real?

R. Ela foi reduzida ao esqueleto do princípio. As constantes do motor (constante de torque, inércia, atrito) são valores didáticos escolhidos para deixar o comportamento visível, e o resistor série de 50 Ω também serve para desacelerar os pontos de corrente na tela. A pequena rede RC série das figuras 1 a 3 representa a capacitância e as fugas da fiação real, apenas para amortecer a oscilação ── ela não faz parte do caminho principal. A fonte da Fig. 4 é uma fonte de tensão ideal, então a subida de tensão do barramento que castiga o hardware real não acontece. Use as figuras para entender o princípio, e os datasheets de motores e drivers para os números do projeto real.