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Motor CC I Apresentação As máquinas CC podem ser construídas com diversas combinações de enrolamentos de campo, apresentando assim várias características de tensão versus corrente. Pela sua facilidade de controle, têm sido usadas frequentemente em aplicações que exigem ampla faixa de velocidades. No motor de CC, a energia elétrica é convertida em mecânica. Existem três tipos de motores CC: o motor em derivação, o motor composto e o motor série. O motor composto recebe a palavra "aditivo" para salientar que as conexões ao enrolamento de campo série são tais que asseguram que o fluxo de campo série se soma ao fluxo de campo em derivação. O motor série, diferentemente do gerador série, tem ampla aplicação, especialmente para cargas de tração. Nesta Unidade de Aprendizagem, você vai estudar sobre os aspectos construtivos, o circuito equivalente e tipos de excitação do motor CC. Bons estudos. Ao final desta Unidade de Aprendizagem, você deve apresentar os seguintes aprendizados: Identificar os aspectos construtivos das máquinas de corrente contínua.• Descrever o circuito equivalente da máquina de corrente contínua.• Diferenciar os tipos de excitação da máquina de corrente contínua.• Infográfico Motores CC são classificados em dois grandes grupos: motores com e sem escovas. De alguns anos para cá, o mercado vem sofrendo uma mudança pela qual o uso de motores sem escova vem ganhando espaço. No Infográfico, você irá ver as diferenças entre motores CC com e sem escovas. Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar. https://statics-marketplace.plataforma.grupoa.education/sagah/85310b63-3f92-47f8-b5bc-25972e4f5fdf/e86dc2ca-d538-4332-b605-b7a594ee60d5.jpg Conteúdo do Livro Os motores CC foram de grande importância para os processos que precisavam de controle de velocidade em uma época em que a eletrônica de potência ainda não era capaz de levar essa funcionalidade a outros motores. No capítulo Motor CC I, da obra Máquinas elétricas I, você vai ter acesso de maneira mais detalhada aos aspectos construtivos desse motor. Você será capaz de definir seu circuito equivalente e descrever dois métodos de excitação dessa máquina. Boa leitura. MÁQUINAS ELÉTRICAS I Erick Costa Bezerra Motor CC I Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados: � Identificar os aspectos construtivos das máquinas de corrente contínua. � Descrever o circuito equivalente da máquina de corrente contínua. � Diferenciar os tipos de excitação. Introdução As máquinas de corrente contínua (CC), quando em funcionamento com ação geradora, convertem a energia mecânica em energia elétrica CC e, com ação motora, convertem a energia elétrica CC em energia mecânica. O fluxo de potência é parecido. Na verdade, a saída CC dessa máquina é feita por um mecanismo que converte tensões e corrente alternada (CA) da máquina em uma saída de corrente contínua (CC). Esse mecanismo é conhecido como comutador. Por isso, as máquinas CC são conhecidas como de comutação. Neste capítulo, você identificará os aspectos construtivos, calculará os parâmetros necessários para a definição do circuito equivalente desse equipamento e, por fim, diferenciará os tipos de excitação. Aspectos construtivos máquina de corrente contínua (motor CC) A estrutura física da máquina consiste em duas partes: estator (ou parte es- tacionária) e rotor (ou parte rotativa). A parte estacionária da máquina é constituída de uma carcaça que fornece o suporte físico e de peças polares que se projetam para dentro e propiciam um caminho para o fluxo magnético na máquina. As extremidades das peças polares, que estão mais próximas do rotor, alargam-se sobre a superfície dele para distribuir uniformemente o seu fluxo sobre essa superfície. Essas extremidades são denominadas sapatas polares. A superfície exposta de uma sapata polar é denominada face polar, e a distância entre as faces polares e o rotor é denominada entreferro de ar (ou simplesmente entreferro) (CHAPMAN, 2013). O estator de uma máquina CC tem polos salientes e é excitado por uma ou mais bobinas de campo. A distribuição do fluxo no entreferro é simétrica em relação à linha central dos polos de campo. Esse eixo é chamado de campo ou direto. Como pode ser visto na Figura 1, escovas formam junto com o comutador um retificador mecânico, que converte a tensão CA gerada em cada bobina de armadura rotativa em tensão CC (UMANS, 2014). Figura 1. (a) Eixos de uma máquina CC. (b) Representação esquemática de uma máquina CC. Fonte: Adaptada de Umans (2014, p. 404). Eixo em quadratura Escovas (a) (b) Bobinas de armadura Bobina de campo Armadura Eixo direto Campo As escovas estão posicionadas de modo que a comutação ocorra quando os lados da bobina estão na zona neutra, a meio caminho entre os polos de campo. O eixo da onda de FMM de armadura estará, então, distanciado 90 graus elétricos do eixo dos polos de campo, isto é, no eixo em quadratura. A Figura 1a mostra as escovas no eixo em quadratura porque essa é a posição das bobinas às quais elas estão conectadas. A onda de FMM de armadura estará ao longo do eixo das escovas, como está demonstrado. A posição geométrica das escovas em uma máquina real localiza-se a aproximadamente 90 graus elétricos da posição mostrada no diagrama esquemático, devido à forma das conexões de terminação até o comutador (Figura 2). Motor CC I2 Figura 2. Sentido das correntes para as duas posições de armadura (a) e (b). Fonte: Adaptada de Umans (2014, p. 412). Eixo magnético da armadura Bobina de campo Eixo magnético do campo 1 2 3 4 5 67 8 9 10 11 12 ia 1 7 (b) (a) ia 3Motor CC I Desse modo, sempre que a tensão na espira muda de sentido, os contatos também mudam de segmento, e a saída de tensão dos contatos sempre é do mesmo tipo, evitando um curto circuito e desgastes prematuros das escovas. Esse processo de troca de conexões é conhecido como comutação. Os segmentos semicirculares rotativos são denominados segmentos comutadores (ou anel comutador), e os contatos fixos são denominados escovas. Considerando que o ângulo entre as forças magnetomotrizes de campo (FMMd) e armadura (FMMa) é de 90 graus elétricos, temos: 𝜏mec = KaΦdIa onde 𝜏mec é o conjugado; Φd é o fluxo de eixo direto por polo; Ia é a corrente de armadura, e Ka é uma constante determinada pelo projeto do enrolamento, que pode ser calculada como: Ka = polosCa 2�m Note que Ca é o número total de condutores no enrolamento de armadura, e é o número de caminhos paralelos no enrolamento. Os enrolamentos de armadura são classificados de acordo com a sequência de suas conexões com os segmentos do comutador. Há duas sequências básicas de conexões dos enrolamentos da armadura: enrolamentos imbricados e enrolamentos ondulados. Uma característica interessante dos enrolamentos imbricados simples é que existem tantos caminhos de corrente em paralelo através da máquina quantos forem os polos dessa máquina. Já em um enrolamento ondulado simples, há apenas dois caminhos de corrente: C/2 ou metade dos enrolamentos. As escovas dessa máquina estarão separadas entre si por um passo polar pleno. A tensão gerada observada entre as escovas é a soma das tensões retificadas de todas as bobinas em série entre as escovas, mostrada pela linha ondulada ea Motor CC I4 na Figura 3. Com uma dúzia ou tanto de lâminas de comutador por polo, a ondulação se torna muito pequena, e a tensão média gerada observada nas escovas é igual à soma dos valores médios das tensões retificadas de bobina. A tensão retificada ea entre as escovas é: Ea = KaΦdωm onde ωm é a velocidade angular mecânica da máquina (rad/s). O efeito da distribuição do enrolamento em diversas ranhuras está mostrado na Figura 3, onde cada uma das ondas senoidais retificadas é a tensão gerada em uma das bobinas. A comutação ocorre no momento em que os lados das bobinas estãona zona neutra (UMANS, 2014). Figura 3. Tensões nas bobinas e tensão nas escovas. Fonte: Adaptada de Umans (2014, p. 405). Te ns ão t Tensões reti�cadas de bobina Tensão de escovas, ea Note que o conjugado induzido também pode ser descrito em relação à potência de saída: 𝜏mecωm = Pmec = EaIa Para estudar mais sobre os aspectos construtivos de uma máquina CC, consulte CHAPMAN (2013) e UMANS (2014). 5Motor CC I Circuito equivalente do motor CC O circuito equivalente de um motor CC está mostrado na Figura 4, a seguir. O circuito de armadura está representado por uma fonte de tensão ideal Ea e um resistor Ra. Essa representação é, na realidade, o equivalente Thévenin da estrutura completa do rotor, incluindo as bobinas do rotor, os interpolos e os enrolamentos de compensação, se presentes. A queda de tensão nas escovas é representada por uma pequena bateria Vescova que se opõe à corrente que circula na máquina. As bobinas de campo, que produzem o fluxo magnético do gerador, são representadas pelo indutor LF e pelo resistor RF. O resistor separado Raj representa um resistor externo variável, usado para controlar a corrente que circula no circuito de campo. Figura 4. (a) Circuito equivalente de um motor CC. (b) Circuito equivalente simplificado (queda de tensão nas escovas eliminada). Fonte: Adaptada de Chapman (2013, p. 467). Raj RF LF RF EA LF F1 F2 EA RA IA A1 A2 IA Vescova (a) (b) Motor CC I6 Existem variações e simplificações desse circuito equivalente básico. A queda de tensão nas escovas é frequentemente apenas uma fração mínima da tensão gerada em uma máquina. Portanto, em casos não muito críticos, a queda de tensão nas escovas pode ser desprezada ou incluída de forma aproximada no valor de Ra. Algumas vezes, a resistência interna das bobinas de campo é com- binada com o resistor variável, e a resistência total é denominada Rf (Figura 4b). Uma terceira variação acontece em alguns geradores que têm mais do que uma bobina de campo, todas as quais são incluídas no circuito equivalente. Tipos de excitação do motor CC Os motores CC são acionados a partir de uma fonte de potência CC. A não ser que seja especificado em contrário, assumiremos que a tensão de entrada de um motor CC é constante, porque essa suposição simplifica a análise dos motores e a comparação entre os diferentes tipos de motores. Há cinco tipos principais de motores CC de uso geral: 1. motor CC de excitação independente; 2. motor CC em derivação; 3. motor CC de ímã permanente; 4. motor CC série; 5. motor CC composto. A seguir, os motores com excitação independente e em derivação serão examinados, e seus circuitos equivalentes são apresentados na Figura 5. Em um motor CC de excitação independente, o circuito de campo é ali- mentado a partir de uma fonte isolada de tensão constante, ao passo que, em um motor CC em derivação, o circuito de campo é alimentado diretamente dos terminais de armadura do próprio motor. Na prática, quando a tensão da fonte de alimentação de um motor é constante, não há nenhuma diferença de comportamento entre esses dois tipos de máquinas. A não ser que seja especi- ficado em contrário, sempre que o comportamento de um motor em derivação for descrito, também será considerado o motor de excitação independente. 7Motor CC I Figura 5. Circuito equivalente de um motor CC com excitação (a) independente e (b) em derivação. Fonte: Adaptada de Chapman (2013, p. 470). Raj Raj RF RF LF LF EA EA RA RA IA IA IL IF IL IF VF VT VT Algumas vezes combinadas e denominadas RF IF = VF RF VT = EA + IARA IL = IA IF = VT RF VT = EA + IARA IL = IA + IA (a) (b) Combinadas e denominadas RF Motor CC I8 Como um motor CC em derivação responde a uma carga? Suponha que a carga no eixo de um motor CC em derivação seja aumentada. Nesse caso, o conjugado de carga (𝜏carga) excederá o conjugado induzido (𝜏ind) na máquina, e o motor começará a perder velocidade. Quando isso acontecer, a tensão interna gerada (EA) diminui (Ea = KaΦdωm↓), e, consequentemente, a corrente de armadura do motor (IA = VT – EA↓/RA) aumenta. Ao aumentar a corrente, o conjugado induzido cresce (𝜏ind = KaΦdIa↑) até ficar igual ao conjugado de carga, em uma velocidade mecânica de rotação ωm mais baixa. A característica resultante de conjugado versus velocidade de um motor CC em derivação é mostrada na Figura 6a. É importante ter em mente que, para a velocidade do motor variar linearmente com o conjugado, os outros termos dessa expressão deverão ser constantes quando a carga variar. Estamos supondo que a tensão de terminal fornecida pela fonte de tensão CC seja constante. Caso contrário, as variações de tensão afetarão a forma da curva de conjugado versus velocidade. Outro efeito interno do motor que também pode afetar a forma da curva de conjugado versus velocidade é a reação de armadura. Se um motor apresentar reação de armadura, então, os efeitos de enfraquecimento de fluxo reduzirão o seu fluxo quando a carga aumentar. Para qualquer carga, o efeito de uma redução de fluxo é o aumento da velocidade do motor em relação à velocidade na qual o motor giraria se não houvesse a reação de armadura. A característica de conjugado versus velocidade de um motor CC em derivação com reação de armadura está mostrada na Figura 6b. Naturalmente, se um motor contiver enrolamentos de compensação, não haverá problemas de enfraquecimento de fluxo na máquina, o qual será constante. 9Motor CC I Figura 6. (a) Característica de conjugado versus velocidade de um motor CC em derivação ou de excitação independente, com enrolamentos de compensação para eliminar a reação de armadura. (b) Característica de conjugado versus velocidade de um motor em que a reação de armadura está presente. Fonte: Adaptada de Chapman (2013, p. 472). (a) (b) ωm ωm τind τind Com RA Sem RA Se houver enrolamentos de compensação em um motor CC em derivação, de modo que seu fluxo seja constante, independentemente da carga, e se a velocidade e a corrente de armadura do motor forem conhecidas para qualquer valor de carga, então, sua velocidade poderá ser calculada para qualquer outro valor de carga, desde que a corrente de armadura para aquela carga seja conhecida ou possa ser determinada. O vídeo disponível no link a seguir mostra o princípio de funcionamento de um motor CC sem escovas (legendas em português). https://qrgo.page.link/XzoC Um motor CC em derivação de 100 HP, 250 V e 1200 rpm, com enrolamentos de com- pensação, tem uma resistência de armadura (incluindo as escovas, os enrolamentos de compensação e os interpolos) de 0,06 Ω. Seu circuito de campo tem uma resistência Motor CC I10 total de Raj + RF de 50 Ω, produzindo uma velocidade a vazio de 1200 rpm. Há 1200 espiras por polo no enrolamento do campo em derivação. IA EA RA IL IFRaj RF VT = 250 V LF NF = 1200 espiras 0,06 Ω 50 Ω Fonte: Chapman (2013, p. 473). a) Encontre a velocidade desse motor quando a corrente de entrada é 100 A. b) Encontre a velocidade desse motor quando a corrente de entrada é 200 A. c) Encontre a velocidade desse motor quando a corrente de entrada é 300 A. IA = IL – IF = IL – VT RF Dado IL = 100 A →IA = 95 A 250 50 Dado IL = 100 A → IA = 200 – = 195 A 250 50 Dado IL = 300 A → IA = 300 – = 295 A 250 50 EA = VT – IARA EA = VT – IARA EA = VT – IARA EA = Ka Φdηm EA = 250 – 95 × 0,06 = 244,3 V EA = 250 – 195 × 0,06 = 238,3 V EA = 250 – 295 × 0,06 = 232,3 V 11Motor CC I Os motores CC de excitação independente e em derivação são analisados juntos por terem comportamentos semelhantes, mas isso não significa que existam diferenças entre eles. Como a corrente de campo da máquina é constante (porque VT e a resistência de campo são ambas constantes) e não há efeitos de reação de armadura, o fluxo nesse motor é constante. A relação entre as velocidades e as tensões geradas internas do motor, para duas condições diferentes de carga, será:EA2 EA1 = Ka Φdηm2 Ka Φdηm1 Dado IL = 100 A → = EA2 EA1 ηm2 ηm1 Dado IL = 200 A → = EA2 EA1 ηm2 ηm1 Dado IL = 300 A → = EA2 EA1 ηm2 ηm1 244,3 250 = ηm2 1200 238,3 250 = ηm2 1200 232,3 250 = ηm2 1200 ηm2 = 1173 rpm ηm2 = 1144 rpm ηm2 = 1115 rpm Motor CC I12 CHAPMAN, S. J. Fundamentos de máquinas elétricas. 5. ed. Porto Alegre: AMGH, 2013. UMANS, S. D. Máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley. 7. ed. Porto Alegre: AMGH, 2014. Leituras recomendadas DEL TORO, V. Fundamentos de máquinas elétricas. Rio de Janeiro: LTC, 1999. HAYT JR., W. H.; BUCK, J. A. Eletromagnetismo. 8. ed. Porto Alegre: AMGH, 2013. KOSOW, I. Máquinas elétricas e transformadores. Rio de Janeiro: Globo, 1998. 13Motor CC I Dica do Professor Veja nesta Dica do Professor, como é constituída uma máquina de corrente contínua e também os detalhes de suas partes internas. Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar. https://fast.player.liquidplatform.com/pApiv2/embed/cee29914fad5b594d8f5918df1e801fd/d9ed25a87b86f312c9ce7816ad5d10fd Exercícios Qual é a velocidade a vazio deste motor de excitação independente quando Raj = 175 ohms e (a) VA = 120V, (b) VA = 180V e (c) VA = 240V? Ele tem tensão de campo fixa VF de 240V e tensão de armadura VA que pode ser variada de 120 a 240V. 1) A) 896,26 , 1344,39 e 1792.53rpm B) 578, 976 e 1.095rpm. C) 588, 966 e 1.295rpm. D) 608, 956 e 1.395rpm. E) 698, 946 e 1.495rpm. 2) A construção do motor CC tem diversas características que tentam minimizar o impacto do entreferro no fluxo magnético da máquina. Sobre os aspectos construtivos de um motor CC, marque a alternativa correta. A) As escovas formam, junto com o comutador, um retificador mecânico, que converte a tensão CC gerada em cada bobina de armadura rotativa em tensão CA. B) O rotor é excitado por uma ou mais bobinas de campo. C) A distribuição do fluxo no entreferro é assimétrica em relação à linha central dos polos de campo. D) Esse eixo é chamado de campo ou indireto. E) O estator de uma máquina CC tem polos salientes. 3) O circuito equivalente da máquina CC é de extrema importância para a definição da operação e ensaios da máquina. Sobre o circuito equivalente de um motor CC, marque a alternativa correta. A) O circuito de armadura é representado por uma fonte de tensão ideal Ea e um resistor Ra. B) A queda de tensão nas escovas é representada por Vescova, que se soma à corrente que circula na máquina. C) As bobinas de armadura, que produzem o fluxo magnético do gerador, são representadas pelo indutor Lf e pelo resistor Rf. D) O resistor separado Raj representa um resistor externo variável, usado para controlar a corrente que circula no circuito de armadura. E) Existem variações e simplificações desse circuito equivalente básico. A queda de tensão nas escovas é frequentemente apenas uma parcela importante da tensão gerada em uma máquina. 4) A máquina CC é muito versátil e pode ser construída de diversas maneiras que irão influenciar como o torque irá variar com a modificação da sua carga. Sobre os métodos de excitação de máquinas CC, marque a alternativa correta. A) Uma simplificação comum é assumir que a tensão de entrada de um motor CC é pequena. B) Os motores CC são acionados a partir de uma fonte de potência CC. C) Há quatro tipos principais de motores CC de uso geral. D) Em um motor CC em derivação, o circuito de campo é alimentado a partir de uma fonte isolada de tensão constante. E) Em um motor CC de excitação independente, o circuito de campo é alimentado diretamente dos terminais de armadura do próprio motor. 5) As variações dos métodos de excitação são utilizadas para que as máquinas atendam a situações específicas, por exemplo, a fim de deixar a máquina mais preparada para situações que precisem de mais tração. Ainda sobre os métodos de excitação de máquinas CC, marque a alternativa correta. A) Ao aumentar a corrente, o conjugado induzido cresce até ser igual ao conjugado de carga, em uma velocidade mecânica de rotação mais alta. B) Um motor CC em derivação tem a carga no eixo aumentada. Nesse caso, o conjugado de carga excederá o conjugado induzido na máquina e o motor começará a ganhar velocidade. C) Quando isso acontece, a tensão interna gerada aumenta e consequentemente a corrente de armadura do motor aumenta. D) Na prática, quando a tensão da fonte de alimentação de um motor é constante, não há nenhuma diferença de comportamento entre motores em derivação e de excitação independente. E) Para a velocidade do motor variar linearmente com o conjugado, os outros termos dessa expressão deverão variar quando a carga variar. Na prática Máquinas CC são comumente aplicadas em processos em que o controle de velocidade é necessário. Motores de corrente contínua oferecem ampla faixa de variação de velocidade sem prejuízos para o desempenho da máquina acionada. Os acionamentos de corrente contínua, compostos por conversores CA/CC e motor, apresentam excelentes propriedades técnicas de comando e regulação, garantindo: regulagem precisa de velocidade; aceleração constante e ampla sob qualquer condição de carga; aceleração e/ou desaceleração controlada; conjugado constante sob ampla faixa de velocidades com controle pela armadura. Neste Na Prática, você verá a implantação de grandes unidades em diversas frentes produtivas. Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar. https://statics-marketplace.plataforma.grupoa.education/sagah/16fdf1f4-83fd-4657-93ae-0843b8a96827/87f9a4df-b659-48f8-a278-25643c726777.jpg Saiba mais Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto, veja abaixo as sugestões do professor: Projeto e otimização de motores BLDC de ímãs permanentes superficiais Leia aqui uma dissertação sobre otimização de motores sem escovas. Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar. Brushless DC motor, how it works? Vídeo sobre o princípio de funcionamento de um motor CC sem escovas (legendas em português). Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar. DC motor, how it works? Vídeo sobre o princípio de funcionamento de um motor CC (legendas em português). Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar. Motores de corrente contínua: Guia rápido para uma especificação precisa https://repositorio.ufsc.br/xmlui/bitstream/handle/123456789/175323/345508.pdf?sequence=1&isAllowed=y https://www.youtube.com/embed/bCEiOnuODac https://www.youtube.com/embed/LAtPHANEfQo Guia de especificação de motores CC. Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar. O motor CC tem alguns tipos de construção. Um destes utiliza ímãs permanentes, sendo basicamente a mesma máquina que um motor CC em derivação, exceto pelo fato de que o fluxo de um motor de ímã permanente é fixo. Portanto, não é possível controlar a velocidade de um motor de ímã permanente variando a corrente de campo ou o fluxo. Para um motor de ímã permanente, os únicos métodos de controle de velocidade disponíveis são o controle por tensão de armadura e o controle por resistência de armadura. As técnicas de análise de um motor de ímã permanente são basicamente as mesmas de um motor CC em derivação, com a corrente de campo mantida constante. Nesta Dica do Professor, você irá encontrar a velocidade do motor, a tensão e a corrente de armadura produzidas por essa máquina. Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar. http://www.marioloureiro.net/tecnica/electrif/Motores_CC_ind1.pdf http://pvbps-sambavideos.akamaized.net/account/2975/3/2019-05-15/video/1f2d6e706dda97d1cddf7ddff099f7b6/1f2d6e706dda97d1cddf7ddff099f7b6_720p.mp4