Maq Sincronas - Cap 3

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3 –MOTORES CC 
 
A máquina de corrente contínua pode operar tanto como gerador assim como motor. Isso é ilustrado na 
figura 3.1 
 
 
 
 
 
 
 (a) (b) 
Fig. 3.1 – Reversibilidade de uma máquina CC. (a) gerador, (b) motor 
 
De fato, a máquina CC é mais usada como motor do que como gerador. 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 com conversores de freqüência. Apesar disso, o 
motor CC ainda se mostra a melhor opção em algumas aplicações, tais como: máquinas de papel, máquinas de 
impressão, extrusoras, prensas, elevadores, acionamentos de transporte e elevação de cargas 
 
Princípio de Funcionamento 
 
A Fig. 3.2 mostra, de maneira simplificada, o funcionamento do motor CC. A figura é um desenho 
esquemático simples de um motor onde o estator é constituído por ímãs permanentes e o rotor é uma bobina de fio 
de cobre esmaltado por onde circula uma corrente elétrica. Uma vez que as correntes elétricas produzem campos 
magnéticos, essa bobina se comporta como um ímã permanente, com seus pólos N (norte) e S (sul) como 
mostrados na figura. 
 
 
Fig. 3.2 – Princípio de funcionamento do motor CC 
 
Começando a descrição pela situação ilustrada em (a) onde a bobina 
apresenta-se horizontal. Como os pólos opostos se atraem, a bobina 
experimenta um torque que age no sentido de girar a bobina no sentido anti-
horário. A bobina sofre aceleração angular e continua seu giro para a esquerda, 
como se ilustra em (b). 
Esse torque continua até que os pólos da bobina alcance os pólos opostos dos 
ímãs fixos (estator). Nessa situação (c) – a bobina girou de 90º– não há torque 
algum, uma vez que os braços de alavanca são nulos (a direção das forças 
passa pelo centro de rotação); o rotor está em equilíbrio estável (força 
resultante nula e torque resultante nulo). Esse é o instante adequado para 
inverter o sentido da corrente na bobina. 
Máquina 
CC 
Pmec Pel
e, i T, n 
If para 
estabelecer o fluxo 
Máquina 
CC 
Pmec Pel
e, i T, n
If para 
estabelecer o fluxo 
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Agora os pólos de mesmo nome estão muito próximos e a força de repulsão é intensa. Como a bobina já 
apresenta um momento angular “para a esquerda”, ela continua girando no sentido anti-horário (semelhante a uma 
“inércia de rotação”) e o novo torque (agora propiciado por forças de repulsão), como em (d), colabora para a 
manutenção e aceleração do movimento de rotação. 
Mas, mesmo após a bobina ter sido girada de 180º, situação não ilustrada na figura, o movimento continua, 
a bobina chega na “vertical” – giro de 270º –, o torque novamente se anula, a corrente novamente inverte seu 
sentido, há um novo torque e a bobina chega novamente à situação (a) – giro de 360º –. E o ciclo se repete. 
Essas atrações e repulsões bem coordenadas é que fazem o rotor girar. A inversão do sentido da corrente 
(comutação), no momento oportuno, é condição indispensável para a manutenção dos torques “favoráveis”, os 
quais garantem o funcionamento dos motores. 
Note-se que este torque eletromagnético se opõe á rotação num gerador e auxilia (atual no mesmo sentido) 
a rotação num motor. Como o torque é função do fluxo e da corrente da armadura, é independente da velocidade do 
motor ou do gerador. O torque disponível na ponta de eixo do motor é menor que o torque desenvolvido, devido às 
perdas rotacionais que requerem e consomem uma porção do torque desenvolvido durante a ação motora. 
 
? Em ambos modos de operação (gerador e motor), circula corrente nos enrolamentos de armadura que giram em 
um campo magnético. Portanto, as mesmas equações básicas do gerador são úteis tanto na ação geradora como 
na ação motora: 
 
 a a mE K= φω a a aT K I= φ 2a
PN Z PK
a
= =π π 
 
Z = nº total de condutores 
N = nº total de espiras em série entre os terminais da armadura. 
 
? Com a atual disponibilidade de fontes de alimentação versáteis, confiáveis e econômicas, a tendência atual é 
alimentar os motores CC por meio de fontes independentes, o que permite um controle muito mais preciso das 
características de interesse num motor (principalmente velocidade de rotação e torque do eixo). Ainda assim, 
devido à tradição, ainda é comum classificar os motores de acordo com a maneira como estão ligados seus circuitos 
de armadura e de campo. Os tipos possíveis são explanados a seguir, acompanhados de seus diagramas e gráficos 
típicos de velocidade e torque em função da corrente. 
 
 
3.1 MOTORES DE EXCITAÇÃO INDEPENDENTE E DERIVAÇÃO (SHUNT) 
 
? Um diagrama esquemático de um motor CC shunt é mostrado na Fig. 3.3. 
 
? Como ambos, o circuito de campo e o circuito da armadura, são conectados para uma fonte cc de tensão fixa, as 
conexões para excitação independente e excitação shunt são as mesmas. 
 
? O comportamento do circuito de campo é independente do circuito da armadura. 
 
? A corrente de armadura Ia e a velocidade do moto ωm dependem da carga mecânica conectada ao eixo do motor. 
 
 
Fig. 3.3 – Circuito equivalente do motor shunt 
Equações em R.P.: 
t a a aV E +R I= ⋅ (3.1) 
tI = (3.2) 
a a mE K= φω (3.3) 
aE = (3.4)
 
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3.2 FLUXO DE POTÊNCIA E EFICIÊNCIA 
 
 Considerar para exemplo uma máquina CC composta derivação curta. As diversas perdas na máquina são 
identificadas e suas magnitudes como percentagens da potência de entrada são apresentadas na Fig 3.4. 
 
 
Fig. 3.4 – (a) Máquina CC composta derivação curta, 
(b) Perdas de potência em geradores CC e (c) Perdas de potência em motores CC 
 
Comentários: 
 
Pin: 
 
% Pin: 
 
Pin – [perdas mecânicas] = 
 
[perdas elétricas] = 
 
Pelet,out = Pconv - [perdas elétricas] = 
 
 
Eficiência = Pout /Pin 
 
 
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3.3 CARACTERÍSTICAS TORQUE X VELOCIDADE 
 
 Aplicação de motores: acionamento de cargas mecânicas em 
velocidade constante ou 
velocidade controlada em uma ampla faixa 
 
 
? Regulação de velocidade (RV): 
 
É definida como a variação da velocidade desde a plena carga até a situação de carga nula, expressa em 
percentagem da velocidade nominal. Em forma de equação, a regulação de velocidade torna-se: 
 
 
_ _ ._ _ _ g
._ _ _ g
velocidade em vazio veloc a plena car aRV
veloc a plena car a
−= 
 
? Necessidade do conhecimento da relação entre conjugado e velocidade 
 
 
 Considere o MOTOR DE EXCITAÇÃO INDEPENDENTE mostrado na figura 3.5 
 
 
Fig 3.5 – Motor CC excitação independente 
 
Considerando Vt = cte, If cte ? Φ = cte, a característica torque x velocidade é como a mostrada na Fig. 3.6 
a seguir. Notar que existindo R.A. (redução do fluxo) ocorre uma melhora da regulação de velocidade em um motor 
CC. 
 
Fig 3.6 – Característica Torque x velocidade do motor CC excitação independente 
 
A equação (3.8) ( )2
t a
m
a a
V R T
K K
ω = −φ φ sugere que o controle de velocidade em uma máquina CC pode 
ser feito pelos seguintes métodos: 
- Controle por Tensão Terminal da Armadura (Vt) 
- Controle de Campo (por Reostato Campo Derivação) (If) 
- Controle por Resistência no Circuito da Armadura (Ra) 
 
 
Tensão, corrente, velocidade e conjugado são relacionados por: 
 
 
ωm 
-a a m t a aE k V R Iφω== ⋅ (3.5)
a aT k Iφ= (3.6)
(3.7)
(3.8)
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3.4 CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES SHUNT (e de excitação independente) 
 
3.4.1 Controle por Tensão Terminal da Armadura 
 
Vt é a variável para controlar a velocidade 
Ra e If são mantidos constantes 
 
 1 2m tk V k Tω = − (3.9) 
em que 
 
k1 = ------------ e k2 = ------------ 
 
 
Fig. 3.7 – Controle da tensão de armadura (terminal) de um MCC: 
(a) torque de carga constante (por ex: elevador) – variação linear da velocidade com Vt variável, 
(b) Torque de carga variável - velocidade é ajustável por meio de Vt, 
(c) Operação sob torque constante (Ia constante) – variação linear da velocidade ωm com Vt, 
(d) operação com Ra = 0 - variação linear da velocidade, Ea e P com Vt. 
 
Para um torque de carga constante, tal como um elevador, a velocidade mudará linearmente com Vt, como 
mostrado na Fig. 3.7(a). Se a tensão terminal é mantida constante e o torque de carga varia, a velocidade de rotação 
cai ligeiramente com o aumento dessa corrente e pode ser ajustada por Vt, como mostrado na Fig. 3.7(b). 
Em uma aplicação real, quando a velocidade é variada pela mudança da tensão terminal, a corrente é 
mantida constante (necessita operação em malha fechada). Como se pode ver na Fig. 3.7(c, d), o torque permanece 
constante até que a velocidade de rotação atinja um determinado valor, chamado de velocidade base do motor 
(nbase). 
Essa velocidade corresponde à plena tensão de armadura em conjunto com o pleno valor de fluxo 
magnético no campo. A região do gráfico de n = 0 (zero) a n = nbase é chamada de região de torque constante. Para 
girar o motor a uma velocidade superior à velocidade base, é necessário fazer o que se chama de enfraquecimento 
do campo. 
 
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3.4.2. Controle de Campo (por Reostato Campo Derivação) 
 
O controle de velocidade além da velocidade base é obtido pela diminuição de If, chamado 
enfraquecimento de campo. Na velocidade base, Vt é seu valor nominal. Se Ia não exceder seu valor limite (limite 
de aquecimento), o controle além da velocidade base é restrito a potência constante, conhecida como operação em 
potência constante. 
 
Fig. 3.8 – Controle de If por meio de reostato de campo 
Ra e Vt constantes 
 
velocidade controlada pela variação de If 
 
Considerando linearidade magnética 
KaΦ = Kf If (3.10) 
Das equações 3.8 e 3.9 , 
 
 (3.11) 
A vazio, T ≅ 0. De 3.11 
 
 
 
? A velocidade varia inversamente com a corrente de campo: 
 
 
 
 
 
? Em um valor particular de If 
 3 4m k k Tω = − 
em que 
 
k3 = ------------ 
 
 
k2 = ------------ 
 
 
? 
 
 
 
Lembrar: como visto em 3.4.1, o controle de velocidade desde 
zero até a velocidade base é normalmente obtido pelo 
CONTROLE DA TENSÃO DE ARMADURA. 
 
Fig. 3.9 – Controle da velocidade por 
intermédio de Rfc (If ). 
 
Operação em potência constante: 
 
P = 
 
 
 
 
T = 
 
 
Portanto, o torque decresce com a velocidade na região de 
enfraquecimento de campo. 
O Controle de campo tem implementação mais simples, é 
mais barato, pois feito no nível de baixa potência, porém mais 
lento, devido a grande indutância do circuito de campo. 
 
Fig. 3.10 – Controle da velocidade por 
intermédio de Vt e If . 
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3.4.3 Controle por Resistência no Circuito da Armadura 
 
Vt e If constantes, mantidos em seus valores nominais, a velocidade é controlada pela variação de Ra. 
Adiciona-se um reostato Rae no circuito da armadura para esta finalidade, como mostrado na Fig. 3.11a. 
 Fácil implementação, menor eficiência, reostato mais robusto que o usado no controle de campo. 
 
(3.12) 
 
Para Vt e φ permanecendo constantes 
 
 5 6m k k Tω = − 
em que 
 
k5 = ------------ 
 
 
k6 = ------------ 
 
 
 As características velocidade x torque para vários valores de resistência externas no circuito da armadura 
são mostradas na Fig. 3.11b, as quais indicam a resistência Rae necessária para ajuste da velocidade do motor 
operando em um determinado T*. A Fig. 3.11c mostra a variação da velocidade correspondente a variação da 
resistência do reostato para operação em torque constante. 
 A velocidade pode ser variada de 0 a ωb em T constante pela variação da resistência externa, como 
mostrado na Fig 3.11d. 
 
 
 
 
Fig. 3. 11 – Controle por Resistência no Circuito da Armadura 
 
 
 
 
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3.5 MOTOR SÉRIE 
 
Em um motor em série, o induzido (armadura) é conectado em série com o enrolamento de campo 
apropriadamente projetado, como é mostrado na Fig 3.12. A alimentação é geralmente uma fonte de tensão 
constante em série com um resistor de partida ou de controle Rae. 
 
Φ é produzido por Ia circulando em Nsr. 
Considerando linearidade magnética: 
a sr ak k Iφ = , a sr a mE k I= ω , 2a sr aT k I= (3.13) 
 
Portanto, a corrente do motor aumenta “somente” com a raiz 
quadrada do torque em contraste com a máquina shunt, na qual o 
torque e a corrente do motor são proporcionais. 
 
( )a t a a ae srE V I R R R= − + + 
 
t a ae sr
m
sr a sr
V R R R
k I k
+ +ω = − 
 
 
Fig. 3.12 – Motor série. Rae = resistência 
externa. 
 
ωm = (3.14) 
 
 
Observa-se na eq. 3.14 que para um valor particular de Rae , a 
velocidade é aproximadamente proporcional ao inverso da raiz 
quadrada do conjugado. Características velocidade x torque para 
vários valores de Rae são mostradas na Fig. 3.13. 
 
O motor série proporciona uma característica de velocidade 
variável em um amplo intervalo de valores de conjugado. 
Alto torque ? baixa velocidade 
Baixo torque ? alta velocidade 
 
 
 
Fig. 3.13 – Características velocidade-
torque para vários valores de Rae 
Aplicação: 
Este tipo de ligação é apropriado para acionamento de cargas mecânicas, em que são necessários grandes 
torques, de partida ou em baixa velocidade, tais como em elevadores, metrôs, guindastes, motores de partida 
automotivos. 
O decréscimo significativo na velocidade com o aumento no torque de carga é desejável para muitos tipos 
de cargas mecânicas. Por exemplo, em aplicações de tração, uma velocidade baixa quando em subida, com alto 
torque, e uma velocidade alta deslocando-se na horizontal, com baixo torque, permitem que potência 
aproximadamente constante seja tomada da linha de alimentação. 
O grande inconveniente desse tipo de ligação é a tendência ao disparo, isto é, o aumento ilimitado da 
velocidade de rotação, caso não haja nenhuma carga ligada ao seu eixo, o que pode até mesmo provocar danos 
irreversíveis ao motor. Esse comportamento pode ser compreendido através da equação, que mostra que o torque é 
inversamente proporcional ao quadrado da velocidade, ou seja, para velocidades baixas haverá alto torque e para 
baixos torques ocorrerá alta velocidade. 
 
 
3.5.1 MOTOR UNIVERSAL 
 
Os motores CC conectados em série possuem uma característica peculiar: se a polaridade da tensão de 
alimentação for invertida, determinando a inversão da corrente do motor, o motor continua a girar no mesmosentido, pois a direção do torque T não se altera (eq. 3.13). Isso ocorre porque tanto o sentido da corrente de 
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armadura como o sentido da corrente de campo se invertem simultaneamente, pois a corrente de campo e a corrente 
de armadura tratam-se, de fato, de uma mesma e única corrente. 
Diante dessa característica, conclui-se que um motor CC conectado em série pode ser alimentado tanto com 
corrente contínua como com corrente alternada. Por esse motivo, são chamados de motores universais. O torque é 
proporcional ao quadrado da corrente e pulsa entre zero e duas vezes o seu valor médio. Supondo que esse tipo de 
motor seja alimentado, por exemplo, a partir da rede de 60 Hz, a polaridade da alimentação (e o sentido da 
corrente) irá mudar a cada 8,3 ms, o que produzirá um pico no torque 120 vezes por segundo. No entanto, as 
flutuações na velocidade serão praticamente imperceptíveis devido à inércia da armadura do motor. 
Para que um motor possa ser efetivamente utilizado como universal, certos cuidados têm que ser tomados 
em seu projeto e fabricação. São requeridos pólos laminados e culatras também laminadas, para evitar perdas 
excessivas por correntes parasitas. A armadura é totalmente laminada, para reduzir as correntes parasitas geradas 
pela alimentação CA. A potência desses motores é geralmente baixa, como o motor mostrado na Fig. 3.14, inferior 
a 1 KW, devido às piores características de comutação e centelhamento. 
As grandes vantagens dos motores universais sobre os motores CA convencionais são: a alta velocidade de 
rotação (até 12000 rpm, contra 3600 rpm dos motores CA comuns) e a simplicidade no controle de velocidade. Por 
essas razões, os motores universais são amplamente utilizados em eletrodomésticos como furadeiras, ventiladores 
de teto, processadores de alimento, etc. 
 
 
Fig. 3.14 – Motor universal 
 
 
3.6 MOTOR COMPOSTO (compound) 
 
Este tipo de ligação procura associar as características positivas das ligações série e paralela. Assim, o 
enrolamento de campo é dividido em duas partes, uma das quais fica em série com o circuito de armadura e a outra 
em paralelo. Com esse tipo de conexão o motor funciona com segurança mesmo sem carga conectada ao seu eixo, 
ou seja, não dispara. Seu torque se situa entre o de um motor série e o de um motor shunt nas mesmas condições de 
alimentação. Como no caso da operação como gerador existem duas possibilidades para a ligação composta: a 
ligação de campo curto e a ligação de campo longo 
Algumas aplicações requerem um acionamento com a característica atenuante de velocidade-torque do 
motor em série, mas também requerem uma velocidade sem carga definida, como no motor derivação. Estes 
aspectos são combinados no motor composto. 
Combinando o enrolamento derivação com o enrolamento série é possível ter uma máquina com diferentes 
características. 
 
Contribuição do campo série (φsr): ( )
( )t a a s
m
a sh sr
V I R R
K
− +ω = φ ± φ 
 
A velocidade sem carga é inversamente dependente da corrente de campo shunt, como em máquinas em 
derivação. À medida que o torque da carga é aumentado, a corrente de armadura fluindo através do campo série 
provoca um aumento (ou redução) no fluxo de pólo e um conseqüente decréscimo (ou acréscimo) na velocidade de 
estado estacionário. 
 
As características de torque e de velocidade dos vários tipos de motores CC são comparadas na próxima 
seção. 
 
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3.7 COMPARATIVO DAS CARACTERÍSTICAS DOS MOTORES CC COM APLICAÇÃO DE CARGA 
 
3.7.1 CARACTERÍSTICAS DO TORQUE ELETROMAGNÉTICO DOS MOTORES CC 
 
Motor Shunt 
Neste motor, na equação básica do torque, o fluxo é 
essencialmente constante e, se a corrente de armadura 
aumenta com a aplicação da carga mecânica, a 
equação do torque pode ser expressa por uma relação 
linear T = Ka’·Ia, como mostra a Fig. 3.15. 
 
Motor Série 
Neste motor a corrente de campo e a corrente de 
armadura são as mesmas e o fluxo produzido pelo 
campo série é em todo instante proporcional à corrente 
da armadura Ia. A equação básica do torque torna-se 
então T = Ka’’·Ia2, ou seja a relação entre o torque e a 
corrente de carga no motor série é quadrática, como se 
vê na Fig. 3.15. 
 
Motor Compound 
Quando enrolamentos de campo série e shunt são 
instalados nos pólos das máquinas CC, o efeito do 
campo série poderá ser cumulativo ou diferencial. A 
equação básica do torque para o motor cumulativo 
torna-se T = Ka·(φf + φs)·Ia, onde o fluxo do campo 
série é função da corrente de armadura. Para o motor 
diferencial a equação é T = Ka·(φf – φs)·Ia. Pelas 
equações é possível afirmar que o motor diferencial 
produz uma curva de torque que é sempre menor do 
que a do motor shunt (Fig. 3.15). 
 
 
 
 
Figura 3.15 – Comparação das características torque – 
carga em uma máquina CC. 
 
3.7.2 CARACTERÍSTICAS DE VELOCIDADE DOS MOTORES CC 
A equação fundamental da velocidade é aa aIm
a
V R
K
ω φ
−= . 
É possível predizer como a velocidade de cada um dos motores vistos anteriormente, variará com a aplicação da 
carga. 
 
Motor Shunt 
Supondo que um motor shunt atingiu a 
velocidade nominal e está operando sem carga. 
Como o fluxo polar pode ser considerado 
constante, a velocidade do motor pode ser 
expressa em função da equação básica da 
velocidade. Quando uma carga mecânica é 
aplicada ao eixo do motor, a fcem decresce 
pouco e a velocidade cai proporcionalmente 
pouco, como visto na Fig. 3.16. 
 
 
Motor Série 
A equação básica da velocidade, modificada 
para o motor série é: 
( )a a s aV R R In
Kφ
− += Fig. 3.16 – Comparação das características carga – 
velocidade em uma máquina CC. 
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Como o fluxo produzido pelo campo série é proporcional à corrente de armadura, a velocidade pode ser reescrita 
como; 
' ( )a a s a
a
V R R In K
I
⎡ ⎤− += ⎢ ⎥⎣ ⎦
 
Se a carga mecânica for pequena Ia também será, fazendo com que o numerador da equação acima seja grande e o 
denominador seja pequeno, resultando em uma velocidade muito alta. Por esta razão o motor série é sempre 
operado acoplado com uma carga, como em guindastes, elevadores ou tração de trens. 
Com o aumento da carga o numerador diminui mais rapidamente do que aumenta o denominador e a velocidade cai 
rapidamente, como se vê na Fig. 3.16. A linha tracejada representa a porção da característica associada a cargas 
extremamente leves, na qual os motores série não são operados. Como em sobrevelocidade o motor série apresenta 
corrente de armadura reduzida, significando que fusíveis ou relés térmicos não serão efetivos para esta situação. 
Deve-se adotar como proteção do motor algum dispositivo que detecte o aumento súbito desta velocidade. 
 
Motor Compound 
Para o motor compound cumulativo a equação básica da velocidade para um motor composto cumulativo pode ser 
escrita como:
( )a a s a
f s
V R R In K φ φ
⎡ ⎤− += ⎢ ⎥+⎢ ⎥⎣ ⎦
 
Fica evidente que, com o aumento da carga e da corrente da armadura, o fluxo produzido pelo campo série também 
aumenta, enquanto a fcem cai. O denominador da equação acima, portanto, cresce, enquanto o numerador decresce 
proporcionalmente mais do que no motor shunt. O resultado é que a velocidade de um motor shunt com a aplicação 
de carga (Fig. 3.16). 
 
Para o motor compound diferencial a equação acima é modificada para mostrar o efeito da oposição da fmm do 
campo série. A velocidade será:
( )a a s a
f s
V R R In K φ φ
⎡ ⎤− += ⎢ ⎥−⎢ ⎥⎣ ⎦Com o aumento da carga e consequentemente da corrente de armadura Ia, o numerador da equação acima decresce, 
porém, o denominador decresce mais rapidamente. A velocidade pode cair ligeiramente para cargas leves; mas, 
com o aumento da carga, a velocidade aumenta. Esta condição estabelece uma condição de instabilidade dinâmica. 
Devido a esta instabilidade inerente, os motores compound diferenciais são raramente utilizados. 
 
 
As características de torque - velocidade dos vários tipos de motores CC, considerando que os terminais do motor 
são alimentados a partir de uma fonte de tensão constante e que todos têm em comum a velocidade na carga 
nominal são mostradas na Fig. 3.17 
 
Fig. 3. 17 – Características torque-velocidade de diferentes motores CC, tendo em comum a velocidade na carga 
nominal. 
 
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3.8 DISPOSITIVOS DE PARTIDA PARA MOTORES CC 
 
 Se um motor CC é conectado diretamente a um alimentador CC, a corrente de partida seria perigosamente 
alta. 
 
Fig. 3.18 – Dispositivo de partida de um motor CC 
 
 A corrente de partida pode ser limitada em um valor seguro pelos seguintes métodos: 
1. Inserindo uma resistência externa, Rae, durante a partida (figuras 3.19 e 3.20) 
2. Usando um baixo valor de tensão terminal (Vt) na partida 
 
 Com uma resistência externa: 
A fcem Ea aumenta com o aumento da velocidade, portanto a resistência externa Rae pode ser retirada 
gradualmente enquanto a velocidade aumenta sem que a corrente de armadura ultrapasse um certo limite. 
 
Fig. 3.19 - Arranque do motor derivação 
 
Fig. 3.20 - Arranque do motor série 
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3.9 CONTROLE DE VELOCIDADE 
 
De todos os tipos de máquinas elétricas rotatórias, a máquina CC tem maior flexibilidade e é, portanto, a 
melhor escolha para muitas aplicações de controle. Em acionamentos que algumas das propriedades da saída 
devem ser controladas precisamente é que as máquinas CC (comutadoras) encontram suas maiores aplicações. 
A velocidade de uma máquina CC (MCC) pode ser controlada através de 3 variáveis: a tensão terminal, o 
fluxo de entreferro e a resistência de armadura. 
O controle pela resistência de armadura era feito notadamente em sistemas de tração, com resistências de 
potência conectadas em série com a armadura (e com o campo, já que se utilizava excitação série). Tais resistências 
iam sendo curto-circuitadas à medida que se desejava aumentar a tensão terminal de armadura e, 
consequentemente, aumentar a velocidade da MCC. Era um controle essencialmente manual, comandado pelo 
operador do veículo. Embora historicamente tenha se utilizado em grande escala a conexão série para aplicações 
em tração (devido ao alto torque de partida que produz), com o advento dos conversores eletrônicos de potência 
passou-se a utilizar a excitação independente, em virtude da maior flexibilidade que apresenta em termos do 
controle da MCC. 
O controle da velocidade pelo fluxo de entreferro é utilizado em acionamentos independentes, mas quando 
se deseja velocidade acima da velocidade base da máquina. Ou seja, tipicamente opera-se com campo pleno (para 
maximizar o torque) e, ao ser atingida a velocidade base, pelo enfraquecimento do campo pode-se ter uma maior 
velocidade, às custas de uma diminuição no torque. 
A figura 3.21 ilustra um perfil típico de acionamento. 
 
Figura 3.21 - Controle de MCC pela armadura e pelo campo 
 
Dada a elevada constante de tempo elétrica do enrolamento de campo (para enrolamento independente), 
não é possível fazer variações rápidas de velocidade por meio deste controle. Esta é uma alternativa com uso 
principalmente em tração, onde as exigências de resposta dinâmica são menores. 
Do ponto de vista de um melhor desempenho sistêmico, o controle através da tensão terminal é o mais 
indicado, uma vez que permite ajustes relativamente rápidos (sempre limitados pela dinâmica elétrica e mecânica 
do sistema), além de, adicionalmente, possibilitar o controle do torque, através do controle da corrente de 
armadura. É o método geralmente utilizado no acionamento de MCC em processos industriais. 
 
? Controle abaixo e acima da velocidade base; 
? Numerosas aplicações: tecelagem, moinhos, guindastes, elevadores, locomotivas, etc; 
? Mais simples e mais baratos que aquele aplicado para motores CA. 
 
Uma máquina girante, por ser reversível, pode operar como motor ou como gerador e pode fazê-lo tanto 
girando em um sentido como em sentido contrário. Dessa maneira, combinando funções e sentidos de rotação, e 
associando a eles os quadrantes formados por um sistema de eixos cartesianos ortogonais, podem-se representar o 
sentido de rotação e a tarefa da máquina em um determinado instante de operação por meio dos QUADRANTES 
DE OPERAÇÃO. 
Do ponto de vista do acionamento da MCC, pode-se definir, no plano torque x velocidade, quatro regiões 
de operação, como indicado na Fig. 3.22. 
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Fig. 3.22 - Regiões de acionamento de MCC. 
No quadrante I tem-se torque e velocidade 
positivos, indicando, que a máquina está operando como 
motor e girando num dado sentido. Em termos de tração, 
poder-se-ia dizer que se está operando em tração para frente. 
No quadrante III, tanto o torque quanto a velocidade 
são negativos, caracterizando uma operação de aceleração 
em ré. 
Já o quadrante II se caracteriza por um movimento 
em ré (velocidade negativa) e torque positivo, implicando, 
assim, numa frenagem. 
No quadrante IV, tem-se velocidade positiva e 
torque negativo, ou seja, frenagem. Tem-se um movimento 
de avanço, mas com redução da velocidade. 
 
Sintetizando, tem-se a seguinte tabela: 
 
Quadrante Torque Velocidade Sentido de Variação da 
 (Ia) (Ea) rotação velocidade 
I >0 >0 avante acelera 
II >0 <0 à ré freia 
III <0 <0 à ré acelera 
IV <0 >0 avante freia 
 
 
3.9.1 Acionamento por um gerador eletromecânico (Sistema Ward-Leonard) 
 
Método clássico (foi introduzido em 1890) para controle da tensão terminal. Habitualmente a energia 
elétrica e fornecida sob a forma alternada, sendo necessário equipamento retificador como, por exemplo, um 
conjunto motor-gerador CC (M-G) para alimentar e controlar a velocidade do motor CC. O motor do conjunto M-G 
(geralmente um motor de indução) opera com velocidade (quase) constante. Variando a corrente de campo do 
gerador CC, a tensão nos seus terminais é variada, o que faz variar a velocidade de acionamento do motor CC. O 
conjunto se denomina sistema Ward-Leonard (figura 3.23). 
 
3.9.2 Controle com dispositivos semicondutores 
 
O desenvolvimento de retificadores controlados de estado sólido, capazes de lidar com vários kilowatts, e 
de baixo custo, veio possibilitar uma outra forma mais econômica e prática de controlar a tensão de armadura. 
Assim, atualmente, para comandar motores de corrente contínua são usados conversores estáticos como 
retificadores controlados (Fig. 3.24) e choppers que fornecem a corrente contínua regulada para o motor cujas 
variáveis se quer controlar. As estruturas fornecidas pela eletrônica de Potência possibilitam as ferramentas para 
implementação de operações de controle nos quatro quadrantes, o que antes exigia um elevado custo e um elevado 
número de máquinas rotativas para realizá-lo. 
 
Figura 3.23: Método de controle de velocidade por 
controle de tensão na armadura: esquema Ward-
Leonard. 
 
Fig. 3.24 – Retificadores controlados para controle das 
tensões de armadura e de campo. 
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3.10 CONVERSORES SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA 
 
3.10.1 CONVERSORES CA-CC (RETIFICADORES) 
 
ACIONAMENTOS MONOFÁSICOS 
 
Acionamentos com Conversores Monofásicos DE MEIA –ONDA 
 
Revisão: 
Com carga resistiva: 
 
Com carga indutiva (RL) 
 
 
 
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Com carga RLE (altamente indutiva) e diodo de comutação: 
 
 
A tensão média do circuito de armadura é: 
 
( ) ( )21 cos 1 cos
2 2
m S
a a a
V VV = + α = + απ π 
 
 
 
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SEMICONTROLADO: 
 
 
( )1 cosma aVV = + απ 
 
 
CONTROLADO: 
 
 
2 cosma a
VV = απ 
 
 
 
Acionamentos com Conversores DUAIS Monofásicos: 
 
 
 
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ACIONAMENTOS TRIFÁSICOS 
 
Acionamentos com Conversores Trifásicos DE MEIA –ONDA: 
 
 
3 3 cos
2
m
a a
VV = απ 
 
 
 
Acionamentos com Conversores Trifásicos Semicontrolados: 
 
( )3 3 1 cos
2
m
a a
VV = + απ 
 
Acionamentos com Conversores Trifásicos Controlados: 
 
3 3 cosma a
VV = απ 
 
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3.10.2 CONVERSORES CC-CC PARA ACIONAMENTO DE MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA 
 
Ao invés do uso de reguladores de tensão série, a tensão média (Vm) aplicada ao motor (e assim a 
velocidade) é regulada por uma chave eletronicamente controlada (tiristor, transistor de potência, igbt, mosfet). 
Tais conversores são denominados “chopper”, em inglês. Em português recebem diferentes denominações, como: 
recortador, pulsador, chaveador, modulador, etc. 
 
 
 
 
Topologias de conversores para acionamento de MCC: 
 
A grande maioria dos acionamentos é feita utilizando-se conversores abaixadores de tensão, ou seja, 
aqueles nos quais a tensão média aplicada à carga é menor do que a tensão de alimentação do conversor. 
 
 
 
Conversores elevadores de tensão são usados quando se deseja frear a máquina, com envio de energia para 
a fonte (frenagem regenerativa). 
Neste caso não existe a preocupação com a filtragem da tensão antes de aplicá-la à carga. Assim, a tensão 
terminal instantânea é a própria tensão sobre o diodo de circulação, enquanto a corrente é filtrada pela indutância 
de armadura. 
O comando usual é por Modulação por Largura de Pulso, com uma freqüência de chaveamento cujo 
período seja muito menor do que a constante de tempo elétrica da carga, a fim de permitir uma reduzida ondulação 
na corrente e, portanto, no torque. Outra possibilidade, usada quando se deseja um controle de torque mais preciso 
é o controle por MLC (histerese)