Slides - Maquinas CC

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ 
CAMPUS DE SOBRAL 
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA 
 
Máquina de Corrente 
Contínua (MCC) 
Disciplina: Máquinas Elétricas 
Professor: Isaac Machado 
 Conhecer os aspectos contrutivos; 
 Entender o princípio de funcionamento da MCC; 
 Apresentar os métodos de excitação; 
 Apresentar o equacionamento básico; 
 Apresentar os efeitos da reação da armadura; 
 Analisar o desempenho do funcionamento como motor e 
gerador. 
 
 
 
OBJETIVOS 
INTRODUÇÃO 
As MCC se caracterizam pela sua versatilidade; 
 
Diversas características de “V X I” e “T X ω” em regime 
permanente; 
 
 Diversas combinações combinações de enrolamentos 
de campo (derivação, série, paralelo, etc.); 
 
 Controle de velocidade simples (uso de retificadores); 
 
 
 
INTRODUÇÃO 
O desenvolvimento das técnicas de acionamentos das 
máquinas CA e sua viabilidade econômica tem favorecido 
a substituição de MCC por motores de indução acionados 
por inversores de frequência; 
 
 Apesar disto, devido às suas características e 
vantagens, o MCC ainda é utilizado em muitas aplicações. 
 
 
 
FUNDAMENTOS BÁSICOS 
Regra da mão esquerda para determinar o sentido de 
rotação 
 
 
 
Funcionamento como gerador (fem): 
 
 
FUNDAMENTOS BÁSICOS 
Nas posições 2 e 6 a fem induzida é máxima enquanto que 
em 0 e 4 a fem induzida é nula (linha neutra); 
 Não há fem induzida nos condutores ad ou cd; 
 Necessita-se de uma retificação da fem induzida 
(comutador). 
 
 
 
FUNDAMENTOS BÁSICOS 
Ação do comutador (gerador): 
 
 
 Problema: fem induzida muito pulsante! 
 
 
FUNDAMENTOS BÁSICOS 
Ação do comutador (gerador): 
 
 
 Problema: fem induzida muito pulsante! 
 
 
FUNDAMENTOS BÁSICOS 
Ação do comutador (gerador): 
 
 
O problema da fem pulsante pode ser contornado com o 
aumento do número de bobinas ou segmentos do 
comutador; 
 Acima mostra-se o efeito de uma máquina com 2 escovas 
e quatro segmentos no comutador (quatro comutações por 
revolução mecânica) 
 
 
FUNDAMENTOS BÁSICOS 
FUNDAMENTOS BÁSICOS 
 Número de pólos 
 
 
FUNDAMENTOS BÁSICOS 
Ação do comutador (motor): 
 
 
ASPECTOS CONSTRUTIVOS 
Estator: 
 
 
ASPECTOS CONSTRUTIVOS 
Rotor: 
 
 
ASPECTOS CONSTRUTIVOS 
Comutador e escovas 
 
 Estator e rotor 
 
ASPECTOS CONSTRUTIVOS 
Estator: 
- Enrolamento de campo ou imã 
permanente; 
- Pólos salientes; 
- Distribuição de fluxo simétrica em 
relação ao enrolamento da armadura 
(eixo direto). 
 
 
Rotor: 
- Enrolamento de armadura; 
- Uma tensão CA é observada na 
armadura; 
- A combinação do comutador rotativo 
mais escovas forma um “retificador 
mecânico”; 
- Uma tensão CC é observada nos 
terminais da armadura (escovas); 
- Distribuição de fluxo fixa no espaço 
e em quadratura com o fluxo de 
campo. 
 
 
Eixo 
Direto 
 
 
Eixo em 
Quadratura 
 
 
- Escovas posicionadas na linha 
neutra, a meio caminho entre 
pólos. Logo, a FMM de armadura 
estará sempre a 90º da FMM de 
campo. 
 
 
CONJUGADO ELETROMAGNÉTICO 
Supondo a densidade de fluxo do 
entreferro senoidal, o conjugado 
poderá ser obtido a partir da 
interação dos campos magnéticos de 
campo e armadura, como discutido 
no capítulo 4 (Fitzgerald): 
 
 
Eixo 
Direto 
 
 
Eixo em 
Quadratura 
 
 
daadmec SenF
Pólos
T  1
2
22







Mas, 
 
 
,90oda 
logo: 
 
1
2
22
admec F
Pólos
T  






.
.
1
armadurade
FMMdalfundamenta
ComponenteF
póloporFluxo
a
d


CONJUGADO ELETROMAGNÉTICO 
O valor de pico da onda dente de serra da FMM da armadura é dado pela 
equação 4.9(Fitzgerald) e sua componente fundamental espacial Fa1 é 8/π 
vezes o valor de pico, logo substituindo na equação anterior: 
 
 
a
a
dmec i
mPólos
CPólos
T 












2
8
22 2
2


 Reagrupando os termos: 
 
 
Onde: 
 
adaad
a
mec iKi
m
PólosC
T  





2


a
a
C
K


ai
m
Constante (depende do 
projeto do enrolamento) 
 Número de condutores no 
enrolamento da armadura 
 
Número de caminhos em 
paralelo no enrolamento 
 Corrente de armadura 
 
2 
 
 
TENSÃO DE ARMADURA 
 A tensão de armadura ea, também conhecida como “tensão de 
velocidade”, foi discutida na seção 4.3.2 (Fitzgerald) e tem seu valor dado 
por: 
 
 
mdamd
a
a K
m
PólosC
e  





2
Onde: 
 


a
a
C
K


m
m

Constante (depende do 
projeto do enrolamento) 
 Número de condutores no 
enrolamento da armadura 
 
Número de caminhos em 
paralelo no enrolamento 
 Velocidade mecânica 
 
CURVA DE MAGNETIZAÇÃO 
O fluxo de eixo direto φd é produzido pela FMM do enrolamento de campo; 
 A característica φd X FMM de campo é definida como “curva de 
magnetização”; 
 Nas curvas de magnetização abaixo considera-se que a FMM de armadura 
não influencia φd (FMM da armadura sobre o eixo em quadratura a 90º de φd); 
As curvas não passam pela origem, pois a estrutura não se desmagnetiza 
completamente quando a FMM líquida de campo é reduzida a zero 
(magnetismo residual); 
 
 
 
 
CURVA DE MAGNETIZAÇÃO 
CURVA DE MAGNETIZAÇÃO 
A linha reta tracejada que passa pela origem e coincide com a porção reta 
das curvas de magnetização é chamada “linha de entreferro”. 
 
 
 
TIPOS DE EXCITAÇÃO 
TIPOS DE EXCITAÇÃO 
CARACTERÍSTICAS DE OPERAÇÃO 
(GERADOR) 
Velocidade Constante 
 
 
 
 
CARACTERÍSTICAS DE OPERAÇÃO 
(GERADOR) 
Auto-excitados: 
- Compreendem às excitações em 
Derivação, Composto e Série. 
- Com o magnetismo residual da 
máquina inicia-se o processo da auto-
excitação. 
- Nos de excitação série Ia=If, de modo 
que o fluxo e tensão terminal variem 
muito com a carga (não são muito 
utilizados). 
- Nos de excitação composta, o campo 
série é conectado de forma a auxiliar o 
enrolamento em derivação resultando 
numa tensão terminal que aumenta 
ligeiramente com a carga. 
 
 
 
 
Velocidade Constante 
 
 
 
 
CARACTERÍSTICAS DE OPERAÇÃO 
(MOTOR) 
CARACTERÍSTICAS DE OPERAÇÃO 
(MOTOR) 
A principal vantagem da excitação em 
derivação é a possibilidade do controle 
de velocidade via reostato de campo; 
 Excitação Série: 
- O aumento de carga é acompanhado 
de um aumento de Φd e Ia; 
- Como Φd aumenta com a carga, ωm 
deve cair para manter o equilíbrio entre a 
tensão aplicada e a força contra-
eletromotriz. 
- Motor de velocidade muito variável; 
 A excitação composta pode ser aditiva 
ou subtrativa. Esta conexão tem 
características intermediárias entre os 
motores série e em derivação. 
 
 
 
 
 
EXEMPLO 
Uma Máquina CC de excitação independente, 25 kW, 125 
V opera com velocidade constante de 3000 rpm e uma 
corrente de campo constante tal que a tensão de armadura 
em circuito aberto seja de 125 V. a resistência de armadura 
é de 0,02 Ω. 
Calcule a corrente de armadura, potência terminal e 
potência e conjugado eletromagnéticos quando a tensão 
terminal é de (a) 128 V e (b) 124 V. 
 
 
 
 
 
REAÇÃO DA ARMADURA 
REAÇÃO DA ARMADURA 
As correntes das bobinas da armadura criam linhasde fluxo 
que cruzam as faces polares (cruzam o caminho do fluxo 
principal de campo); 
 Também chamada de “Reação da Armadura de Magnetização 
Cruzada”; 
 Principais efeitos: 
- Deslocamento da linha 
neutra (centelhamento das 
escovas) 
- Desmagnetização do campo 
Principal (menor FEM 
Induzida) 
 
 
 
 
 
 
REAÇÃO DA ARMADURA 
Soluções 
1) Deslocar as escovas da linha neutra geométrica para linha neutra real 
(posicionamento complexo); 
 
2) Enrolamentos de compensação: 
- Condutores alojados em ranhuras nos pólos e ligados em série com o 
circuito exterior 
- A corrente circula no enrolamento 
 de compensação em sentido oposto 
à corrente de armadura induzido 
provocando um campo de sentido oposto 
- Solução cara e aumenta as perdas 
 no cobre 
 
 
 
 
REAÇÃO DA ARMADURA 
Soluções 
3) Utilização de interpolos: 
- Melhoram a comutação e eliminam o deslocamento 
da linha neutra 
- São colocados na linha neutra 
geométrica e ligados em série 
com a armadura 
- Produzem campo magnético 
oposto ao da armadura 
 
 
 
CURVA DE MAGNETIZAÇÃO 
CURVA DE MAGNETIZAÇÃO 
EXEMPLO 
 Um gerador CC composto de 100 kW, 250 V e 400 A, com 
ligação em derivação longa, tem resistência de armadura de 
0,025 Ω, a resistência do campo série é de 0,005 Ω e a curva 
de magnetização foi mostrada no slide anterior. Há um campo 
em derivação com 1000 espiras por pólo e um campo série 
com 3 espiras por pólo. O campo série é ligado de forma que 
uma corrente positiva de armadura produz uma FMM no eixo 
direto que se soma ao campo em derivação. 
Calcule a tensão terminal, para corrente nominal de terminal, 
quando a corrente de campo em derivação é de 4,7 A e a 
velocidade é 1150 rpm. Despreze os efeitos da reação de 
armadura. 
 
EXEMPLO 
 Considere o gerador CC composto do exemplo anterior. 
Como naquele exemplo, calcule a tensão terminal para 
corrente terminal nominal, quando a corrente de campo em 
derivação é de 4,7 A e a velocidade é de 1150 rpm. No 
entanto, considere o efeito da reação da armadura. 
EXEMPLO 
 Para contrabalançar os efeitos da reação da armadura, 
uma quarta espira é acrescentada no enrolamento de campo 
série do gerador CC dos exemplos anteriores, aumentando 
sua resistência para 0,007 Ω. Repita os cálculos da tensão 
terminal considerando o efeito da reação da armadura. 
ANÁLISE DE DESEMPENHO (GERADOR) 
 Geradores CC em derivação tem auto-excitação a espontânea. 
Com o aumento ωm, Ea aumentará naturalmente (escorvamento) 
atingindo um valor que pode ser determinado a partir da análise 
gráfica da “curva de magnetização” e da “linha de resistência de 
campo” (segmento 0a da figura anterior); 
 Esta tendência pode ser vista examinando-se como a tensão 
gerada se eleva em condições à vazio; 
 Ea deve ser elevada até um determinado valor de regime 
permanente. Este valor pode ser encontrado a partir da interseção 
da curva de magnetização (Ia = 0) com a linha de resistência de 
campo. No caso da figura anterior, o ponto de interseção é Ea = 250 
V e If = 5 A; 
 Em regime permanente, para qualquer If, a distância vertical 
entre a curva de magnetização e a linha de resistência de campo 
equivale à queda de tensão RaIa e a ordenada da linha de 
resistência de campo é igual à tensão terminal. 
 
EXEMPLO (GERADOR) 
Um gerador CC em derivação, 100 kW, 250 V, 400 A, 1200 rpm 
tem as curvas de magnetização (incluindo o efeito da armadura) na 
figura anterior. A resistência de armadura é de 0,025 Ω. O gerador é 
acionado com uma velocidade constante de 1200 rpm, e a excitação 
é ajustada (variando o reostato de campo) para que seja fornecida a 
tensão nominal à vazio. 
(a) Determine a tensão terminal para Ia = 400 A. 
(b) Deve-se acrescentar um campo série de 4 espiras por pólo 
tendo uma resistência de 0,005 Ω. Há 1000 espiras por pólo no 
campo em derivação. O gerador deve ser composto plano de modo 
que a tensão a plena carga seja 250 V quando o reostato de campo 
em derivação estiver ajustado para fornecer uma tensão à vazio de 
250 V. Mostre como um resistor “em paralelo com o campo série” 
pode ser ajustado para produzir o efeito desejado. 
ANÁLISE DE DESEMPENHO (MOTOR) 
Usualmente a tensão terminal é imposta pela fonte ou 
controlada num valor específico. 
 
A análise se assemelha a de um gerador CC com excitação 
independente, embora a velocidade seja uma variável 
importante e que geralmente é aquela cujo valor deve ser 
encontrado; 
 
EXEMPLO (MOTOR) 
Um motor em derivação de 100 HP e 250 V tem as curvas de 
magnetização (incluindo o efeito da reação da armadura) mostradas 
na figura anterior. A resistência de armadura é de 0,025 Ω. As 
perdas rotacionais à vazio são de 2 kW e as perdas suplementares 
são iguais a 1% da saída. O reostato de campo é ajustado para uma 
velocidade à vazio de 1100 rpm. 
(a) Determine a velocidade em rpm e a potência de saída em HPs, 
correspondendo a Ia = 400 A.. 
(b) Como a característica de velocidade X conjugado observada em 
(a) não é desejada, um “enrolamento de estabilização” consistindo 
em 1,5 espiras aditivas em série por pólo, deve ser acrescentado. 
Há 1000 espiras por pólo no campo em derivação derivação. 
Calcule a velocidade correspondente para Ia = 400 A. 
OBRIGADO! 
isaacmachado@gmail.com