máquinas cc

Máquinas Elétricas – Transformadores – Prof. João Victor 1

MÁQUINAS ELÉTRICAS

Máquinas de corrente contínua

Professor: João Victor M. Caracas

2 Máquinas Elétricas – Máquinas CC – Prof. João Victor

Introdução

• Máquinas de corrente contínua são aquelas que trabalham exclusivamente com tensões CC nos seus terminais.

• Elas podem operar como motores ou geradores, dependendo da aplicação e forma de acionamento.

• Fisicamente um motor ou gerador CC são iguais.


Aplicações

• Máquinas CC têm como principais aplicações aquelas em que é preciso o controle de velocidade.

• Aplicações:

– Máquinas de papel

– Bobinadeiras e desbobinadeiras

– Laminadores

– Máquinas de impressão

– Prensas

– Elevadores

– Mesa de teste de motores


Principais características

• Fácil controle de velocidade

• Fabricação cara quando comparada a outros motores

• Cuidados na partida (máquinas grandes)

• Uso em declínio

• Operação como gerador e motor


Principais características

• Atualmente, o desenvolvimento das técnicas de acionamentos de corrente alternada (CA) e a viabilidade econômica têm favorecido a substituição dos motores de corrente contínua (CC) pelos motores de indução acionados por inversores de frequência.


Componentes básicos

• As máquinas CC têm duas estruturas magnéticas:

• Estator

– Parte fixa

– Enrolamento de campo ou imã permanente

• Rotor

– Parte móvel

– Enrolamento de armadura


Princípios fundamentais

• Gerador elementar

– Estator: imãs produzem um campo magnético

– Rotor: uma única espira



• Pela lei de Faraday

– Um condutor que “vê” um campo magnético variante apresenta uma tensão induzida sobre ele



• A espira girando em uma campo magnético uniforme, com velocidade angular constante gera uma tensão alternada

• Por principio esta seria uma máquina CA.



• Aplicando-se a lei de Faraday a tensão gerada pela espira seria:

• 𝐸 = 𝐵. 𝑙. 𝑣. sin 𝜃

• Aonde:

E - tensão gerada

B - Densidade do fluxo magnético

L - Comprimento da espira

v - velocidade do movimento relativo

- ângulo entre a espira e as linhas de campo



• Para se aumentar a tensão gerada usam-se múltiplas espiras no enrolamento, dessa forma a tensão total do enrolamento é a soma da tensão de cada espira.



• Em geral a tensão gerada por qualquer máquina dependerá de 3 fatores:

– O fluxo magnético

– A velocidade de rotação

– Uma constante representando a construção da máquina


Principio da retificação mecânica

• Transformar a tensão CA em CC na própria máquina

• Substitui-se os anéis coletores da máquina elementar por seguimentos semicirculares



• Assim a cada meia-volta da armadura (rotor) o comutador troca o terminal ligado ao circuito externo.

• Isso origina uma tensão de intensidade variável mas sempre com a mesma polaridade



• As escovas devem ser sempre colocadas na região onde a tensão produzida pelos enrolamentos é nula.

• Isto é pela passagem por zero da tensão.

• Esta região chama-se “linha neutra”

• Caso contrário haveria faíscamento quando as escovas curto-circuitassem enrolamentos com alguma tensão



• Para melhorar a forma da tensão pulsada de saída e aproximá-la de uma tensão CC acrescentam-se enrolamentos defasados uns dos outros


Máquina CC comercial

• Cada enrolamento é construído por múltiplas espiras, dessa forma aumenta-se a tensão gerada.



• Em uma máquina real existem vários enrolamentos defasados um dos outros, dessa forma a tensão de saída é praticamente CC.



• O campo magnético é produzido por um enrolamento no estator e não por imãs. Chama-se enrolamento de campo


Estrutura máquina CC comercial



• Motor de partida automotivo


Tensão gerada

• Aplicando as leis de Faraday as modificações feitas para melhorar o motor têm-se:

• 𝐸 =∅.𝑍.𝑁.𝑃.10−8

60.𝑎

• Aonde: E - tensão gerada

∅ - é o fluxo magnético por pólo

Z - é o numero de condutores da armadura

a - numero de caminhos paralelos na armadura

N - é a velocidade em RPM

P - numero de pólos


Tensão gerada

• A maioria dos termos depende de características construtivas da máquinas e não podem ser alteradas

• A equação pode ser simplificada por: 𝐸 = 𝐾. ∅. 𝑁

• Aonde K é um parâmetro que varia de máquina para máquina


Circuito elétrico gerador CC

• Modelo de circuito equivalente para uma máquina CC:



• O enrolamento de campo (estator) é uma bobina (indutor) e possui uma resistência em série.



• O enrolamento de armadura também possui característica indutiva, possui uma fonte representando a tensão induzida e uma resistência.


Circuito elétrico de armadura

• Entre a tensão interna (gerada) e os terminais externos da máquina existe uma resistência do enrolamento de armadura

• Queda de tensão nas escovas


Circuito elétrico de armadura

• Logo a tensão nos termais é a tensão gerada menos as quedas de tensão:

𝑉𝑎 = 𝐸𝑎 − 𝑅𝑎. 𝐼𝑎


Tipos de máquina CC

• As máquinas CC podem ser classificadas de acordo com a forma de conexão do enrolamento de campo.

• Ele pode ser conectado em série ou paralelo com a armadura



• Máquina série : enrolamentos de poucas espiras e fios grossos

• Máquina shunt ou paralela: enrolamentos de muitas espiras e fios finos

• Máquina composta: possui enrolamentos série e shunt


Classificação de geradores

• Gerador auto-excitado

– Não dependem de uma fonte externa para começar a gerar energia.

– Dependem do magnetismo residual existente nos pólos do gerador

– Podem ter ligações série, shunt ou composta



• Gerador série

– Toda a corrente de armadura passa pelo enrolamento de campo

– Não consegue efetuar sua auto-excitação se estiver em vazio

– A intensidade do fluxo de campo depende da corrente de carga e por isso sua tensão varia.



• Gerador shunt

– A corrente de campo depende da tensão do gerador

– Pode se auto-excitar a vazio (sem carga)

– A tensão cai com o aumento da corrente de carga, por conta da queda de tensão na resistência da armadura



• Gerador composto

– Possui um enrolamento de campo em série e outro em paralelo

– Pode se auto-excitar a vazio (sem carga)

– Ligação diferencial: campo série e shunt produzem fluxos opostos



• Gerador composto

– Ligação cumulativa: campos série e shunt produzem fluxo no mesmo sentido

– No gerador composto é possível compensar a queda de tensão e efeito da variação de corrente, obtendo uma tensão quase que independente da carga



• Gerador com excitação independente

– A corrente do campo é fornecida por um circuito externo ou um imã permanente

– A tensão do gerador pode ser ajustado ajustando-se a corrente de campo

– Controle preciso da tensão


Resumo

• A tensão interna de um gerador CC depende:

– Da suas características construtivas (quantidade de espiras, enrolamentos, tamanho)

– Do fluxo magnético (tipo de enrolamento de campo)

– Da velocidade em que ele gira

• A tensão nos terminais deve levar em conta as quedas de tensão

𝐸𝑎 = 𝐾. ∅. 𝑁



Exercícios

• Um gerador CC de imã permanente tem uma resistência de armadura de 1,5 ohms. Quando opera a vazio a uma velocidade de 2100 RPM gera 200 Volts em seus terminais. Calcule: – A) A tensão caso fosse conectada uma carga consumindo 10 A ?

– B) A velocidade que seria necessária para gerar apenas 50V a vazio ?

– C) A potência fornecida a carga caso ele fosse acionado a 1050 RPM com uma carga consumindo 5A ?


Exercícios

• Um gerador CC com excitação série tem uma resistência de armadura de 1 ohms e quando conectado a uma carga de 100 Ohms a tensão medida em seus terminais foi de 99V para uma velocidade de 300RPM. Admita que o enrolamento de campo não sofre saturação e a corrente saída é proporcional ao fluxo de campo. Calcule: – A) Qual a tensão interna gerada ?

• Considerando que este gerador foi conectado a uma carga consumindo 2A e sua velocidade foi aumentada para 600 RPM calcule: – A) A nova tensão interna

– B) A tensão nos seus terminais

– C) A resistência e potências da nova carga


Reação de armadura

• Normalmente a linha neutra aonde devem ser localizadas as escovas é perpendicular aos pólos da maquina ou as linhas de campo



• Porém quando considera-se o fluxo produzido pela armadura (espiras circulando em uma corrente produzem um fluxo) ocorre um deslocamento da linha neutra



• O deslocamento da linha neutra depende portanto do fluxo da armadura, e portanto depende da corrente/carga na qual a máquina está trabalhando.

• Quando a máquina está a vazio a linha neutra coincide com a linha neutra geométrica, que fica perpendicular aos pólos magnéticos.

• E é aonde as escovas estão localizadas



• O deslocamento da linha neutra faz com que a comutação das escovas aconteça no local errado.

• As escovas comutam com uma tensão não nula, gerando um centelhamento proporcional a carga.

• Nos geradores a linha neutra é deslocada no sentido de rotação e nos motores no sentido contrário.



• Existem duas soluções comuns para isso.

• Deslocar as escovas até um ponto que reduza o centelhamento quando o motor está com carga nominal.

– Isso não garante o funcionamento correto para cargas diferentes

• Cria-se enrolamentos de interpolo ou pólos de comutação para compensar a reação de armadura


Enrolamentos de interpolo

• São colocados entre os pólos principais da máquina no estator (série, shunt ou composto) e são ligados em série com a armadura da máquina



• De tal forma que a corrente que circula pela armadura seja a mesma que circula pelo interpolo.



• Desta forma toda variação na corrente de armadura gera um fluxo que vai se opor a reação de armadura. Fazendo com que ela seja compensada de forma automática.

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MÁQUINAS ELÉTRICAS

Motores CC

Professor: João Victor M. Caracas


Motores CC

• Os motores CC têm exatamente a mesma forma construtiva que os geradores

• Se baseiam no princípio eletromagnético da força de Lorentz

• “Todo condutor, percorrido por uma corrente elétrica, imerso em um campo magnético, está sujeito a uma força magnética”


Motor CC fundamental

• O funcionamento é semelhante ao funcionamento de um gerador elementar

– Um enrolamento imerso em um campo magnético, porém dessa vez ao invés de movimentar a espira aplica-se a ela uma tensão

– Surge uma corrente e um campo magnético de armadura

– A interação dos campos de armadura e estator criam a força que move a espira (rotor)



• As escovas/anel comutador realizam a comutação nos terminais das espiras para garantir que sempre exista um torque (conjugado) no eixo o motor



• O comutador faz com que a corrente na armadura seja invertida no momento em que cessa a força que o fez descolar-se. E dessa cria um movimento contínuo do rotor.


Força contra-eletromotriz

• Assim como no gerador elementar a rotação (feita pelo próprio motor) do enrolamento de armadura dentro do campo magnético faz com que apareça uma tensão induzida no enrolamento de armadura.

• “Quando quer que aconteça uma ação motora, uma ação geradora é simultaneamente desenvolvida”


Circuito elétrico motor CC

• É exatamente o mesmo que o de um gerador porém com a inversão no sentido da corrente de armadura



• Nos terminais externos de um motor conecta-se uma fonte e não uma carga como era o caso dos geradores



• Mesmo na operação como motor existe uma tensão interna e ela é chamada de tensão “contra-eletromotriz”



• Observe que o sentido da queda de tensão nas escovas depende do sentido da corrente, que no caso do motor inverteu-se.


Operação motora x geradora

• Se a máquina é exatamente a mesma e o circuito equivalente dela é exatamente o mesmo, o que determina a operação como motor ou gerador ???



• O sentido da corrente de armadura !

• Dependendo do sentido da corrente a máquina pode estar fornecendo ou consumindo energia elétrica



• O sentido da corrente é determinado pelas diferenças entre a tensão interna (Ea) e a tensão nos terminais (Va)



• Para um gerador:

• Para um motor:

𝐸𝑎 ≥ 𝑉𝑎

𝑉𝑎 ≥ 𝐸𝑎



• No gerador a tensão externa é a tensão interna menos as quedas

• No motor a tensão interna é a tensão externa menos as quedas:


𝐸𝑎 = 𝑉𝑎 − 𝑅𝑎. 𝐼𝑎


Torque motor CC

• O torque depende da interação entre os dois fluxos magnéticos da máquina, e equivale a:

• Quanto maior for o torque de carga aplicado à maquina mais corrente ela vai demandar.

𝑇 = 𝐾. ∅. 𝐼𝑎


Velocidade motor CC

• Sabemos que para um motor:

• Logo:

• Podemos calcular a velocidade como:


𝐸𝑎 = 𝐾. ∅. 𝑁

𝐾. ∅. 𝑁 = 𝑉𝑎 − 𝑅𝑎. 𝐼𝑎

𝑁 =𝑉𝑎 − 𝑅𝑎. 𝐼𝑎

𝐾. ∅


Velocidade motor CC

• Para uma tensão e fluxos constantes a velocidade do motor varia conforme a corrente de armadura.

• A corrente de armadura depende da carga mecânica aplica ao eixo do motor


𝐾. ∅


Velocidade motor CC

• Quando maior for o conjugado de carga (quanto mais “pesada” for a carga) maior a corrente de armadura

• Quanto maior a corrente de armadura menor a velocidade


𝐾. ∅


Tipos de motores

• Assim como nos geradores os motores são classificados de acordo com a disposição do enrolamento de campo.

• Série, Paralelo ou shunt, Composto


Motor série

• Fluxo depende da corrente de armadura (Ia) e do torque

𝑇 = 𝐾. ∅. 𝐼𝑎


Motor série

• O torque varia com o quadrado da corrente

• Aonde K2 representa a constante que relaciona a corrente da bobina de campo e a intensidade de campo produzida nela

𝑇 = 𝐾. ∅. 𝐼𝑎

∅ = 𝐾2. 𝐼𝑎

𝑇 = (𝐾. 𝐾2). 𝐼𝑎2


Motor série

• A velocidade de um motor é dada por:

• Como no motor série


𝐾. ∅

∅ = 𝐾2. 𝐼𝑎


𝐾. 𝐾2. 𝐼𝑎


Motor série

• A velocidade de forma inversa a carga

• Este motor não deve ser operado a vazio, pois a corrente tende para valores baixos e a velocidade para valores muito altos.


𝐾. 𝐾2. 𝐼𝑎


Motor shunt

• Neste motor o fluxo não depende da carga, e portanto o torque vai variar linearmente com a corrente.

𝑇 = 𝐾. ∅. 𝐼𝑎


Motor shunt

• O aumento de carga gera um aumento na corrente Ia

• A velocidade varia proporcionalmente a carga


𝐾. ∅


Motor composto

• Devido ao fato de ele ser uma junção entre os motores série e shunt as características dele também serão.


Característica de torque


Característica de velocidade


Partida do motor CC

• Na partida a velocidade é zero e portanto a tensão interna também:


0 = 𝑉𝑎 − 𝑅𝑎. 𝐼𝑎

𝑅𝑎. 𝐼𝑎 = 𝑉𝑎

𝐼𝑎 =𝑉𝑎

𝑅𝑎


Partida do motor CC

• Normalmente a resistência de armadura tem um valor baixo, e por isso as corrente de partida são muito elevadas

• Para se resolver este problema pode-se utilizar uma fonte com tensão controlada, começando em zero e crescendo gradativamente a medida que o motor for ganhando velocidade

𝐼𝑎 =𝑉𝑎

𝑅𝑎


Partida do motor CC

• Pode-se utilizar um reostato em série com a armadura da máquina, de forma a limitar a corrente de partida

𝐼𝑎 =𝑉𝑎

𝑅𝑎 + 𝑅𝑟


Potência e rendimento motor CC

• Para um motor sabe-se que:

• Para calcular as potências basta multiplicar as tensões pela corrente de armadura


𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑛𝑎 𝑎𝑟𝑚𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 = 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎 − 𝑄𝑢𝑒𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜

𝐸𝑎. 𝐼𝑎 = 𝑉𝑎. 𝐼𝑎 − 𝑅𝑎. 𝐼𝑎2



• Aonde:

- Potência mecânica desenvolvida pela armadura

- Potência elétrica entregue ao motor

- Perdas em calor na resistência da armadura

𝐸𝑎. 𝐼𝑎 = 𝑉𝑎. 𝐼𝑎 − 𝑅𝑎. 𝐼𝑎2

𝐸𝑎. 𝐼𝑎

𝑉𝑎. 𝐼𝑎

𝑅𝑎. 𝐼𝑎2



• O rendimento ou eficiência é a razão entre potência de saída e potência de entrada

• No caso do motor:

𝑛 =𝑃𝑠𝑎í𝑑𝑎

𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎



=𝑃𝑚𝑒𝑐â𝑛𝑖𝑐𝑎

𝑃𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎



• Rendimento:

• Normalmente

– Máquinas pequenas n=80%

– Máquinas grande n=90 ou 95%



=𝑃𝑚𝑒𝑐â𝑛𝑖𝑐𝑎

𝑃𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎

=𝐸𝑎. 𝐼𝑎

𝑉𝑎. 𝐼𝑎 =

𝐸𝑎

𝑉𝑎


Controle de velocidade em motores CC

• Pode se variar:

– Va – Controle por tensão de armadura

– Ra – Controle por resistência de armadura

– ∅ - Controle por fluxo dos pólos

• A corrente 𝐼𝑎 não serve para controle pois ela é uma função (depende) da carga


𝐾. ∅



• Controle por tensão

– É o mais utilizado

– A tensão pode ser variada de zero até a tensão nominal da máquina

– Não altera a capacidade de fornecer conjugado da máquina


𝐾. ∅



• Controle por resistência de armadura

– Utiliza-se um reostato em série com o motor

– Apresenta alta dissipação de calor e baixíssimo rendimento

– Toda a corrente da máquina passa pela resistência

– Pouco utilizado


𝐾. ∅



• Controle por fluxo dos pólos

– É o método mais simples de controle nos motores shunt e composto

– Pouco utilizado no motor série

– A variação do fluxo altera tanto a velocidade quanto a capacidade da máquina em produzir torque


𝐾. ∅



• Para realizar a inversão do sentido de rotação basta alterar a polaridade da tensão de armadura OU o fluxo

• Alterando-se ambos o sentido permanece o mesmo



• Motores CC normalmente são acionados por

– Chaves contactoras (com e sem reversão)

– Retificadores controlados

– Inversores eletrônicos

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