7 - máquinas cc

Máquina de Corrente Contínua

Prof.: Welbert Rodrigues Coltec/MG

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Introdução Máquinas Elétricas são equipamentos

destinados à Conversão Eletromecânica de Energia;

Possibilitam o intercâmbio entre a energia elétrica e a mecânica;

Essa conversão se dá através do campo magnético gerado por um imã ou por uma corrente que percorre uma bobina;

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Introdução As máquinas elétricas podem funcionar

como motores e como geradores;

Motores Elétricos: fazem a conversão de energia elétrica aplicada aos seus terminais para energia mecânica, disponibilizada no eixo.

Geradores Elétricos: fazem a conversão de energia mecânica aplicada ao eixo para energia elétrica, disponibilizada nos seus terminais.

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Introdução Neste texto será analisado as

máquinas funcionando como motores.

O funcionamento dos geradores podem facilmente ser estudados com os mesmos princípios aqui abordados;

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Introdução Fluxo de Potência de um motor;

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Introdução Um motor elétrico é constituído

essencialmente de duas partes:

1) Estator: composto de todo o conjunto de elementos fixados à carcaça da máquina;

2) Rotor: é uma parte móvel do motor, ligada ao eixo de transmissão de movimento, localizado internamente ao Estator;

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Introdução

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Introdução No Rotor e no Estator dos motores são

montados os enrolamentos, os quais vão gerar os campos magnéticos;

A interação entre esses dois campos é responsável por gerar a força (torque/conjugado) para girar o eixo do motor;

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Introdução Ao redor de uma bobina (enrolamento)

percorrida por uma corrente elétrica existe um campo magnético;

Podendo ser vista como um imã;

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Introdução Enrolamento de Campo: são as

bobinas onde haverá criação de um fluxo magnético, fonte primária de fluxo;

Motores de imã permanente não possuem enrolamentos de campo;

Imãs permanentes são geralmente usados em máquinas pequenas, de menor potência.


Introdução Enrolamento de Armadura: são as

bobinas nas quais serão induzida a tensão desejada;

As bobinas são enroladas sobre núcleos de ferro laminado, para que o caminho do fluxo seja o mais eficiente possível e as perdas por Corrente de Foucault menores.


Introdução Conversão Eletromecânica de

Energia

Sistema

Elétrico

Sistema

Mecânico

Campo de

Acoplamento

V e I T e ωm


Introdução Os motores elétricos mais

comuns são:

1) Motor de Corrente Contínua;

2) Motor de Indução;

3) Motor Síncrono;


Motor de Corrente Contínua

O motor de corrente contínua é composto de duas estruturas magnéticas:

Estator: onde é montado o enrolamento de campo ou ímã permanente;

Rotor: onde é montado o enrolamento de armadura.



O Motor CC consiste de uma bobina fixa (Estator) e uma móvel (Rotor);

Sendo necessário duas fontes para alimentá-las;



Para essa máquina funcionar como um Gerador CC é necessário uma fonte para alimentar o enrolamento de campo (bobina fixa - Estator);

E uma força externa pra girar o rotor da máquina;



Tanto o enrolamento de campo (Estator), quanto o enrolamento de armadura (Rotor) são alimentados com corrente contínua;

Razão pelo nome: Motor CC;



A figura mostra o desenho de um motor CC de 2 pólos;



Motor CC de 2 e 4 Pólos;



Caminho do campo magnético gerado pelo enrolamento de campo;



Os enrolamentos do rotor são alimentados por um sistema mecânico de comutação;



Esse sistema é formado por um comutador, acoplado ao eixo do rotor, que possui uma superfície cilíndrica, com diversas lâminas (Coletor) às quais são conectados os enrolamentos do rotor;

E por escovas fixas, que exercem pressão, através de uma mola, sobre o comutador e que são ligadas aos terminais de alimentação;



Desenho esquemático bastante simplificado de um motor CC com apenas uma bobina, o comutador e as escovas.



Princípio de funcionamento do motor CC de 2 pólos;

Veja links: http://www.walter-fendt.de/ph14s/electricmotor_s.htm e http://fisik.free.fr/ressources/MccComplet.swf

http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/java/dcmotor/index.html e

http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/index.php?topic=1266.0

Vídeo 1

Vídeo 2



Na prática os rotores possuem diversas bobinas e para cada uma delas o sistema de comutação possui um par de anéis coletores;



Corte transversal de uma máquina CC;



Sentido dos campos magnéticos de uma máquina CC;

Veja link: http://www.ece.umn.edu/users/riaz/animations/dcmachine.html



Como os enrolamentos CC são comumente montados o sentido dos campos magnéticos estão sempre defasados de 90º;



Detalhes do sistema de comutação;



A figura mostra uma estrutura típica das escovas e seu conjunto de suporte;

A escova é colocada no porta escovas, e é comprimida por meio de uma mola contra o coletor;



Detalhes da construção do rotor. O rotor é fabricado de ferro

laminado, para evitar as perdas por Corrente de Foucault.



A medida que o rotor gira é alterado os pares de coletores que possuem contato com as escovas;



Rotor



Rotor

Vídeo 3



Enrolamento de campo (Estator) de um motor CC;



Vista do Estator e do Rotor;

Vídeo 4

Vídeo 5



Corte longitudinal do Motor CC



d



D



d



Acoplamento entre grandeza elétrica e mecânica;

Tensão induzida:

Força exercida sobre os condutores do rotor:

Torque no eixo do rotor:

Sistema Elétrico

Sistema Mecânic

o

Campo de

Acoplamento

V e I T e ωm

e NBlv

F NBil

T NBilr



Velocidade linear e angular:

As duas grandezas elétricas, e as duas grandezas mecânicas são acopladas através do campo B.

E são relacionadas pela lei da conservação da energia. Dividindo as equações anteriores:

v r

me NBlv

T NBilr i

mei T



Potência Elétrica e Potência Mecânica

A conversão eletromecânica de energia deve envolver dois componentes:

Um é o enrolamento de campo, que é a parte da máquina que produz o campo de acoplamento B;

E o outro é o enrolamento de armadura, que é a parte na qual existem a fem “de trabalho” e e a corrente i.

mei T



Exercício: Um motor elétrico CC consome 180W de potência elétrica e possui um rendimento de 80%. O seu rotor possui um comprimento de 0,2m e um raio de 0,1m com 20 espiras no enrolamento de armadura. O campo magnético gerado pelo enrolamento de campo é de 0,4T. Ao fornecer 5A de corrente ao enrolamento de armadura, determine:



a) o fluxo magnético máximo que enlaça a bobina do rotor. Resp.: 50,3mWb

b) e o fluxo mínimo. Resp.: 0mWb c) o torque desenvolvido. Resp.: 1,6Nm d) velocidade, em rpm, dessa máquina.

Resp.: 860rpm e) a potência mecânica no eixo do motor.

Resp.: 144W f) sem utilizar a potência, determine a tensão

no enrolamento de armadura (rotor). Resp.: 28,8V



A figura abaixo mostra o modelo do circuito elétrico do motor CC.



Ia = corrente de armadura (rotor) Va = tensão de alimentação na armadura Ra = resistência da armadura La = indutância da armadura If = corrente de excitação (campo) Vf = tensão de excitação (campo) Rf = resistência do enrolamento de excitação Lf = indutância do enrolamento de excitação Φ = fluxo magnético entre armadura e estator



A lei de kirchhoff aplicada ao circuito de armadura:

Onde E é a força eletromotriz induzida nos enrolamentos de armadura.

a a aV R I E



Pela Lei da Indução de Faraday, a força eletromotriz induzida é dada por:

ωm velocidade da máquina (rad/s); Φ fluxo no entreferro;

KT é uma constante (Torque) que depende do tamanho do rotor, do número de pólos, e como esses pólos estão interconectados;

p é nº de pólos; N é o nº de condutores e a é o nº de caminhos paralelos;

. .T mE K

2T

pNK

a



O Torque desenvolvido por um motor é dado por:

Como já apresentado o torque também é dado por:

. .T aT K I

a a

m

V IT



Combinando as equações:

Tem-se que:

Admitindo que a queda de tensão na armadura é pequena (RaIa≈0), a expressão se reduz a:

a a aV R I E . .T mE K

a a am

T

V R I

K

1. a

mT

V

K



Portanto, a velocidade é diretamente proporcional à tensão de armadura, e inversamente proporcional ao fluxo no entreferro.

O controle da velocidade, até a velocidade nominal, é feito através da variação da tensão de armadura do motor, mantendo-se o fluxo constante.

Velocidades superiores à nominal podem ser conseguidas pela diminuição do fluxo, mantendo-se a tensão de armadura constante.

. am

Vk



Modelo do circuito elétrico do Gerador CC.

a a aV E R I



ExercícioUm motor CC em derivação de 20HP, 230V e 1150rpm tem quatro pólos, quatro percursos de armadura paralelos e 882 condutores de armadura. A resistência do circuito de armadura é 0,188Ω. Na velocidade nominal a corrente de armadura é 73A e a de campo 1,6A. Calcule:a) o torque eletromagnético; b) o fluxo por pólo;c) as perdas rotacionais; d) o rendimento; e) A carga no eixo;



ExercícioA carga do eixo do motor da questão anterior permanece fixa, mas há uma redução de 80% no fluxo de campo por meio do reostato de campo. Determine a nova velocidade de operação do motor.Gabarito: 1) a)132Nm b) 0,0128Wb c) 870W

d) 86,9%

e)124Nm

2) 1414rpm



Controle de velocidade A variação de velocidade desses motores é

obtida de diversos modos, sendo os mais comuns a variação da tensão aplicada ao induzido (armadura) e

a variação do fluxo no entreferro pelo controle da corrente de campo (excitação);

O controle da velocidade pela variação da tensão de armadura pode ser feita através de conversores;

. am

Vk



Controle de velocidade utilizando um buck;

.out inV DV



Regulação de Velocidade

ω0 => velocidade em vazio; ωn => velocidade em plena

carga;

0 .100n

n

RV



Um motor de corrente contínua, em geral, não pode ser ligado à rede diretamente, pois a resistência do induzido é reduzida e, no momento da partida, não haverá ainda tensão primária (força contra-eletromotriz).

O alto valor da corrente que aparece no momento da partida poderá ser diminuído com uma resistência em série com o rotor ou pelo controle da tensão. Esta resistência pode ser desligada gradativamente, já que a tensão primária se encarrega da regulagem na admissão da corrente logo que o rotor aumente sua rotação.



Os motores CC podem ser classificados quanto ao tipo de excitação:

a) Motores de CC com excitação independente;b) Motores de CC com enrolamento em série;c) Motores de CC com enrolamento em paralelo;d) Motores de CC com enrolamento composto (compound);e) Motores de CC de imã permanente;



Excitação Independente

Toque possui relação linear com acorrente de armadura



Excitação em Derivação (paralelo/shunt)



Excitação Série Bobinas de campo estão em série com o

enrolamento da armadura; Só há fluxo no entreferro da máquina quando a

corrente da armadura for diferente de zero (máquina carregada);

A velocidade varia com a carga e o conjugado de partida é muito grande;

O motor série gira lentamente em grandes cargas e rapidamente em pequenas;

Não podem partir a vazio;



ExercícioUm motor CC em derivação de 20HP, 230V e 1150rpm tem uma resistência do circuito de armadura de 0,188Ω. Na velocidade nominal o motor solicita uma corrente da rede de 74,6A e uma corrente de campo de 1,6A.a) Calcule a velocidade quando a corrente da rede for 38,1A.b) Qual a velocidade em vazio, se Irede=1,9A.

c) Determine a regulação de velocidade;



Exercícioa) Ean=230 – (74,6-1,6).0,188 = 216,3V

Ea1=230 – (38,1-1,6).0,188 = 223,14V KTΦ=constante

. .T mE K

1

1

an a

mn m

E E

1 1186,4m rpm



Exercíciob) Ea0=230 - (1,9-1,6).0,188 => Ea0=229,9V

c)

0

0

an a

mn m

E E

0 1223,3m rpm

1223,3 1150.100 6,29%

1150RV



Como principal vantagem sobre os demais motores, o motor de CC possui fácil controle de velocidade;

Como eles são alimentados com corrente contínua e sua velocidade está diretamente relacionada com a sua tensão de alimentação, o seu controle pode ser feito usando um conversor CC-CC;



Uma aplicação bastante comum desse tipo de motor é em motor de partida de veículos movidos a motores de combustão, onde se dispõe de uma fonte de corrente contínua (bateria) e se requer altos torques a baixa rotação.



As características técnicas de um motor deste tipo, como por exemplo a relativa facilidade com que se consegue controlar a sua velocidade e os altos níveis de torque a baixas rotações, lhe garante aplicações específicas como tração elétrica (trens, bondes) e usos em processos industriais que requerem esses propriedades como laminadores e acionamentos para posicionamentos de cargas mecânicas (sistemas automatizados e robôs).



Desvantagem: Operar em corrente contínua, uma

vez que a rede elétrica pública opera em corrente alternada;

Portanto, necessitam de um sistema de retificação da tensão da rede;

Manutenção muito alta, devido as escovas (comutador);



Desvantagem: São maiores e mais caros que os

demais motores, para uma mesma potência;

Geram arcos e faíscas devido à comutação de corrente por elemento mecânico (não pode ser aplicado em ambientes perigosos);

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