Conversão de Energia I N5CV1

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Uploaded: 2017-12-09T17:26:19+00:00
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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. 2

Fig.1 . Ilustração motor de corrente contínua 3

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) 4

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. 5

Força Contra Eletromotriz (C.F.E.M) Depois que o motor atinge o regime e o reostato Ra é desligado, pode-se verificar situações, que o fluxo induzido independente da carga. 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. 6

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. 7

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 auto-regulaçao, absorvendo somente a corrente requerida pela carga. . 8

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. 9

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: Motores auto-excitados: 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. 10

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. 11

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. 12

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. 13

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). 14

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. 15

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. 16

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. 17

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. 18

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. 19

Controle por adição de resistência na armadura (Ra) 20

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. 21

As equações básicas do Motor CC
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Circuito equivalente de um motor dc
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. 23

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 ? Ajuste da resistência de campo ( e assim o fluxo de campo) 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.

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 ?

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.

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

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.

Quando a velocidade aumenta, a tensão interna gerada EA aumenta, o que provoca a redução da corrente de armadura. 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.

RESUMO SOBRE O CONTROLE DE VELOCIDADE ATRAVÉS DA TENSÃO DE ARMADURA

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

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.

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?

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 Torque desenvolvido no motor cc série Sabemos que o torque desenvolvido pela máquina é dado por: De maneira simplificada, o fluxo é proporcional a corrente de armadura.

De maneira simplificada, o fluxo é proporcional a corrente de armadura.
Substituindo a equação acima na equação do torque desenvolvido. 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:
A dedução da característica torque-velocidade é estabelecida a partir da lei de Kirchhoff: Da equação , a corrente de armadura é dada por: Como , substituindo na equação geral da máquina:

A corrente de armadura é dada por:
O torque desenvolvido é dado por: O fluxo pode ser calculado como:

Gráfico que ilustra a característica velocidade x torque de um motor série.
Quais conclusões podemos tirar sobre o gráfico?

MOTOR COMPOSTO CUMULATIVO
. Shunt longa Shunt curta

A lei Kirchhoff para o motor composto: A força magnetomotriz resultante é dada por: O sinal positivo está associado com o motor composto cumulativo e o sinal negativo com o composto diferencial.

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