6.a Aula_N5CV1_Motor de Corrente Continua

Conversão de Energia I
N5CV1
Prof. Dr. Cesar da Costa
6.a Aula: Motor de Corrente Contínua (1ª Parte)
Motor de Corrente Contínua
 Nos motores DC a energia elétrica DC de uma fonte externa é
fornecida para a bobina da armadura por meio de escovas.
 Neste enrolamento instala-se uma corrente
, que na presença do
campo magnético
, interage e produz o torque T, que faz o motor
girar.
 A presença do comutador segmentado (girando com o rotor) e das
escovas (fixas) permite sempre manter a mesma posição relativa
entre o fluxo induzido e o produzido pela bobina da armadura, de
maneira que o torque sempre atua no mesmo sentido.
Motor de Corrente Contínua
Fig.1 . Ilustração motor de corrente contínua
Motor de Corrente Contínua
 Assim, que o motor começa a girar a bobina da armadura gera uma
F.E.M , que depende tanto do induzido
, como da velocidade n de
rotação.
 Conforme a Lei de Lenz a F.E.M (E) opõe-se a causa que a gerou, isto
é, inversamente proporcional com relação a corrente
e por isso, é
denominada como força contra eletromotriz.
 Para que a corrente ainda possa fluir , a fonte externa (U) tem que
fornecer uma tensão igual a :
 Onde
representa a resistência interna do motor (a própria
resistência da armadura, resistência dos interpolos, escovas, etc)
Motor de Corrente Contínua
 Força Contra Eletromotriz (C.F.E.M)
 Antes da partida (motor parado), a força contra eletromatriz é igual a
zero (E=0), de forma que se conectarmos a armadura a uma fonte
externa com tensão igual a U, então a corrente será limitada somente
pela resistência interna .
 E o resultado poderia ser uma corrente excessivamente ALTA.
 A necessidade de reduzir o valor da corrente absorvida na partida é
então evidente, e isso pode ser feito por meio de um Ra, conectado
em série com a armadura até que a força contra eletromatriz se
estabilize.
Motor de Corrente Contínua
 Força Contra Eletromotriz (C.F.E.M)
 Depois que o motor atinge o regime e o reostato Ra é desligado, podese verificar situações, que o fluxo induzido
independente da carga.
a) Motor sem carga
 A corrente de armadura apresenta um valor razoável, porque o torque tem
que ganhar só as perdas do ferro, fricção e ventilação, neste caso a tensão
aplicada U é igual a força contra eletromotriz E.
Motor de Corrente Contínua
 Força Contra Eletromotriz (C.F.E.M)
b) Motor com carga
 Quando um torque resistente é aplicado ao motor, em princípio verifica-se
uma redução na velocidade. Portanto, uma redução na força eletromotriz,
que desta maneira produz um acréscimo na corrente da armadura, visto
que a tensão aplicada U fica igual a E.
 Este aumento de corrente produz um aumento proporcional de torque,
então o motor só reduz a sua velocidade o estritamente necessário para
contrabalancear a ação do freio.
Motor de Corrente Contínua
 Força Contra Eletromotriz (C.F.E.M)
b) Motor com carga
 Por outro lado se a carga reduz, o motor tende a acelerar porque o torque
está no momento mais alto, que o necessário. A força contra eletromotriz
eleva-se para reduzir a corrente da armadura a um valor necessário para
satisfazer a nova condição da carga.
 A força contra eletromatriz age deste modo como um dispositivo regulador,
que faz com que o motor DC identifique-se como uma máquina com autoregulaçao, absorvendo somente a corrente requerida pela carga. .
Motor de Corrente Contínua
 Sistema de Excitação
 O campo magnético estatórico é produzido por meio do circuito indutivo
composto dos principais polos, onde os enrolamentos do campo estão
bobinados e alimentados, por meio de corrente contínua.
 A alimentação do enrolamento excitado pode depender da tensão ou
corrente de armadura, no caso de excitação paralela, série ou composta.
 A alimentação do enrolamento excitado não depende da tensão ou
corrente de armadura, no caso de excitação independente.
 O tipo de excitação define o tipo de operação do motor CC.
Motores de Corrente Contínua
 Nos motores de CC, as bobinas utilizadas para produzir o campo
magnético estatórico têm aspectos diversos, de acordo com o tipo de
excitação, permitindo a divisão das máquinas de CC em categorias que
são:
1) Motores auto-excitados:
ƒ Motor com excitação em série
 No motor com excitação em série as bobinas de campo, que
constituem os eletroímãs, ficam em série com o enrolamento da
armadura e ambos constam de poucas espiras de fio grosso, o que
garante ao motor um alto conjugado de partida e sua aplicação em
bondes, ônibus e trens elétricos.
Motores de Corrente Contínua
 Motor com excitação em paralelo:
 No motor com excitação em paralelo ou shunt ou derivação o
conjunto das bobinas de campo fica em paralelo com o enrolamento
da armadura e são feitas com um grande número de espiras de fio
fino porque a corrente elevada necessária na condição de plena
carga circula através do enrolamento de armadura. Este motor tem
uma velocidade praticamente constante, mesmo com ampla variação
de carga.
Motores de Corrente Contínua
 Motor com excitação composta
 O motor com excitação composta ou série-paralela é uma combinação
do motor série com o paralelo. A parte em série do enrolamento de
campo auxilia (composto cumulativo) ou se opõe (composto
diferencial) à parte paralela do enrolamento de campo, sendo a
composição diferencial pouco usada.
 O motor composto cumulativo tem a velocidade e a característica de
partida entre os motores série e shunt, tendo mais conjugado de
partida que o motor shunt por causa da parte série do campo.
Motores de Corrente Contínua
2) Motores com excitação independente.
 No motor com excitação independente as bobinas de campo
apresentam características semelhantes às do motor shunt e são
alimentadas por uma fonte de tensão CC independente.
Motores de Corrente Contínua
 O controle de velocidade e torque em motores CC com excitação
independente:
 O controle de velocidade e torque em motores CC com excitação
independente pode ser dividido basicamente em:
• Controle pela tensão aplicada na armadura (V);
• Controle pela tensão aplicada no campo (Φ);
• Controle por adição de resistência na armadura (Ra).
Motores de Corrente Contínua
 Controle pela tensão aplicada na armadura (V)
 No controle pela armadura mantém-se a tensão e a corrente no
campo constantes, desta forma o fluxo magnético produzido no
campo também é constante. Varia-se a tensão aplicada na armadura
(V) e por conseqüência a rotação da máquina, seguindo uma relação
direta entre a tensão da armadura e a rotação da máquina.
 Neste método o torque permanece constante e a potência varia
proporcionalmente com a velocidade.
Motores de Corrente Contínua
 Controle pela tensão aplicada na armadura (V)
 Os motores CC com excitação independente e controle pela tensão
aplicada na armadura são utilizados normalmente em acionamentos
de máquinas operatrizes, tais como: ferramentas de avanço, bombas
a pistão, compressores, etc. Aplicações onde é necessário um torque
constante em toda a faixa de rotação.
Motores de Corrente Contínua
 Controle pela tensão aplicada no campo (Φ)
 No controle pelo campo, mantém-se a tensão de armadura constante
e varia-se a corrente de excitação (If). Como o fluxo magnético é
proporcional a corrente de excitação, diminuindo-se If diminui-se o
fluxo magnético (Φ) e aumenta-se a velocidade de rotação Nda
máquina. No controle de campo a potência permanece constante
enquanto a rotação se eleva e o torque se reduz.
 Este processo de aumento da velocidade de rotação pela diminuição
do fluxo é conhecido por enfraquecimento de campo.
Motores de Corrente Contínua
 Controle pela tensão aplicada no campo (Φ)
 O controle pelo campo é utilizado em acionamentos de máquinas de
corte periférico, como chapeamento de tiras, tornos, bobinadeiras,
máquinas têxteis, etc.
Motores de Corrente Contínua
 Controle por adição de resistência na armadura (Ra)
 Além dos métodos de controle pelo campo e controle pela armadura,
verifica-se que variando a resistência da armadura também se obtém
uma variação na velocidade do motor. Para se conseguir esta
variação coloca-se em série um reostato com a armadura do motor e
através da variação do valor do reostato consegue-se variar a
velocidade do motor.
 Neste método existe uma perda considerável de energia devido à
potência dissipada no reostato adicional.
Motores de Corrente Contínua
 Controle por adição de resistência na armadura (Ra)
Motores de Corrente Contínua
 Controle pela tensão aplicada na armadura (V) e no Campo (Φ)
 Neste método são aplicadas as duas técnicas anteriormente
abordadas proporcionando um controle integral da operação do
motor de corrente contínua. Esta técnica permite varias alternativas
de conjugado e rotações.
 Esta técnica vem sendo empregada nos modernos conversores
para acionamento em corrente contínua.
As equações básicas do Motor CC
TIPOS DE MOTORES DC
Circuito equivalente de um motor dc
Como o motor cc é a mesma máquina física do gerador cc, seu
circuito equivalente é exatamente o mesmo do gerador com
exceção da direção do fluxo de corrente.
A tensão interna gerada na máquina é dada abaixo:
EA=KΦω
O torque desenvolvido pela máquina é dado por:
T=KΦIA
As duas equações acima, juntamente com a lei de Kirchhoff do
circuito de armadura e a curva de magnetização da máquina
são ferramentas necessárias para analisar o comportamento e o
desempenho de um motor cc.
MOTORES SHUNT E DE EXCITAÇÃO SEPARADA
Um motor cc de excitação separada pode ser definido como
aquele cujo circuito de campo é suprido a partir de uma fonte
de potência constante.
No caso de um motor shunt, o circuito de campo é alimentado
diretamente através dos terminais de armadura do motor.
A Fig.1 mostra o circuito equivalente de um motor cc de
excitação separada, enquanto a Fig.2 mostra o do shunt.
Obs: Quando a tensão de alimentação do motor é assumida
constante não existe diferença real entre o comportamento das
duas máquinas.
MOTORES SHUNT E DE EXCITAÇÃO SEPARADA
Características terminais de um Motor Shunt CC
A característica de terminal (saída) é um gráfico que relaciona
as variáveis de saída entre si.
Para o motor, as variáveis de saída são o torque no eixo e a
velocidade. Ou seja, é o gráfico do torque de saída versus
velocidade.
A pergunta é: Como um motor shunt responde a aplicação da
carga ?
Suponha que a carga no eixo do motor é elevada. Então o
torque da carga excederá o torque desenvolvido da máquina, e
dessa forma ocorrerá uma redução da velocidade.
Acontece que quando a velocidade do motor diminui, há uma
queda na tensão interna EA = KΦω Entretanto, a corrente de
armadura IA = (VT – EA )/RA aumenta. Como a corrente de
armadura aumenta, o torque desenvolvido no motor aumenta
Tdes = KΦIA . E finalmente, o torque desenvolvido igualará ao
torque da carga em uma velocidade mecânica de rotação
menor.
A dedução da equação que relaciona a velocidade e o torque interno
desenvolvido é mostrada abaixo:
CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES CC
SHUNT
 Como é possível controlar a velocidade de um motor cc
shunt ?
1) Ajuste da resistência de campo ( e assim o fluxo de campo)
2) Ajuste da tensão terminal aplicada a armadura
 Mudança na resistência de campo
 Para compreender o que acontece quando a resistência de
campo é variada, assuma que a resistência de campo
aumenta.
 Se a resistência de campo aumenta, então a corrente de
campo diminui.
CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES CC
SHUNT
IF = VT / RF
Com a redução da corrente de campo, o fluxo também
diminui.
 Uma redução no fluxo causa uma redução instantânea na
tensão interna gerada EA=KΦω, causando um grande aumento
na corrente de armadura da máquina.
IA = (VT – EA )/RA
 O torque no motor é dado por Tdes=KΦω. Desde que o fluxo
na máquina diminui enquanto a corrente de armadura aumenta,
o que prevalecerá ?
CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES CC
SHUNT
O aumento da corrente predomina sobre o decréscimo no
fluxo, e o torque desenvolvido aumenta:
Tdes=KΦIA
 Desde que o torque desenvolvido é maior que o torque de
carga, a velocidade do motor aumenta.
 Entretanto, quando a velocidade aumenta a tensão interna
também aumenta o que provoca uma redução da corrente de
armadura.
CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES CC
SHUNT
 A redução da corrente de armadura faz com que o torque
desenvolvido também se reduza. E finalmente, mais uma vez o
torque se iguala ao torque de carga numa velocidade mais alta
que a velocidade inicial.
RESUMO DO CONTROLE DE VELOCIDADE ATRAVÉS DO REOSTATO
DE CAMPO
CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES CC
SHUNT
 Variação da tensão de armadura
 Nesse método, envolve a mudança na tensão aplicada à armadura sem
mudar a tensão aplicada ao campo. Semelhante ao caso de excitação
separada.
=kI A
CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES CC
SHUNT
 Quando a velocidade aumenta, a tensão interna gerada EA
aumenta, o que provoca a redução da corrente de armadura.
E A  k
 A redução da corrente de armadura provoca a redução do
torque desenvolvido internamente, fazendo com que o torque
desenvolvido seja igual ao torque resistente (torque da carga),
entretanto numa velocidade superior.
=kI A
CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES CC
SHUNT
 RESUMO SOBRE O CONTROLE DE VELOCIDADE ATRAVÉS DA
TENSÃO DE ARMADURA
CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES CC
SHUNT
 O gráfico acima mostra o efeito na velocidade quando
aumenta-se a tensão de armadura.
CONTROLE DE VELOCIDADE DE
MOTORES CC SHUNT
 Inserindo um resistor em série com o circuito de
armadura
CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES CC
SHUNT
 No controle através da resistência de campo, quanto menor
a corrente de campo mais rápido o motor gira. Isto se aplica
também ao motor de excitação separada.
 Já o aumento da corrente de campo causa um decréscimo da
velocidade e por este motivo existe uma velocidade mínima
que se consegue atingir através deste controle. O aumento
da corrente de campo será limitada pelo limite de
aquecimento dos enrolamento de campo.
CONTROLE DE VELOCIDADE DE
MOTORES CC SHUNT
 VELOCIDADE BASE
 Se o motor estiver operando com sua tensão terminal
nominal, potência e corrente de campo então ele está
funcionando na velocidade nominal, também conhecida
como velocidade base.
CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES CC
SHUNT
Exercício 1:
Através da resistência de campo pode controlar a
velocidade do motor acima da velocidade base, mas não
para velocidades abaixo da base. Por que?
CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES CC
SHUNT
Exercício 2:
Através da armadura, pode-se controlar a velocidade do
motor para velocidades abaixo da velocidade base, mas não
para velocidade acima da base. Por que?
MOTOR SÉRIE
VT  E A  IA (R A  R S )
 Torque desenvolvido no motor cc série
 Sabemos que o torque desenvolvido pela máquina é dado
por:
  kI A
 De maneira simplificada, o fluxo é proporcional a corrente
de armadura.
De maneira simplificada, o fluxo é proporcional a corrente
de armadura.
  cI A
Substituindo a equação acima na equação do torque
desenvolvido.
  kI A  kcI 2A
Como podemos interpretar a equação acima?
Característica terminal de um motor cc série
Para encontrar a característica terminal de um motor cc série, a
análise será feita baseando-se no comportamento linear da
curva de magnetização.
 A suposição para curva de magnetização linear implica que
o fluxo no motor é dado por:
  cI A
 A dedução da característica torque-velocidade
estabelecida a partir da lei de Kirchhoff:
é
VT  E A  IA (R A  R S )
Da equação   kI A  kcI 2A, a corrente de armadura é dada por:

IA 
kc
Como E A  k, substituindo na equação geral da máquina:

VT  k 
 R A  RS 
kc
A corrente de armadura é dada por:

IA 
c
O torque desenvolvido é dado por:
k 2
 
c
O fluxo pode ser calculado como:

c

k

c

k
VT  k 
.

 R A  RS 
kc
c

VT  k
 
 R A  RS 
k
kc
kc   VT
VT


kc 
R A  RS 


kc
 R A  RS 
kc

Gráfico que ilustra a característica velocidade x torque de um
motor série.
.
Quais conclusões podemos tirar sobre o gráfico?
MOTOR COMPOSTO CUMULATIVO
.
a) Shunt longa
b) Shunt curta
MOTOR COMPOSTO CUMULATIVO
A lei Kirchhoff para o motor composto:
VT  E A  IA (R A  R S )
A força magnetomotriz resultante é dada por:
FR  FSH  FSE
O sinal positivo está associado com o motor composto
cumulativo e o sinal negativo com o composto diferencial.
MOTOR COMPOSTO CUMULATIVO