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ESCOLA DE MINAS UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO DECAT – DEP. DE ENG. DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO Prof. Rúben C. Barbosa (rubencbarbosa@gmail.com) PARTE 06.1: motores de Corrente Contínua CAT169 – Acionamentos Elétricos MOTOR C.C. CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA (MOTOR C.C.) CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP PARTES DE UM MOTOR CC: CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP MOTOR C.C. PARTES DE UM MOTOR CC: Armadura: Enrolamentos que recebem a energia elétrica C.C. de uma fonte externa para manipulação e conversão eletromecânica da energia, estando localizada no rotor. Coletor Ranhuras do núcleo Enrolamento da armadura Eixo da armadura Dentes do núcleo Núcleo da armadura Comutador CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP MOTOR C.C. PARTES DE UM MOTOR CC: Campo: O fluxo magnético de campo φ que a armadura intercepta é estabelecido na máquina por meio de imãs permanentes (fluxo constante) ou enrolamentos de campo localizados no estator. CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP MOTOR C.C. PARTES DE UM MOTOR CC: Comutador: Dispositivo eletromecânico constituído por segmentos de cobre montados no eixo da armadura. • Cada um dos segmentos do comutador é isolado dos demais segmentos e do eixo da armadura, estando cada par de segmentos conectado a cada enrolamento da armadura. • A função do comutador é atuar mecanicamente alternando a corrente nos condutores de armadura. CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP MOTOR C.C. PARTES DE UM MOTOR CC: Escovas: No chassi (carcaça) da máquina, é montado um par de conectores de grafite fixo que permitem contatos com segmentos opostos do comutador. Estes conectores são denominados escovas, e deslizam (ou escovam) sobre o comutador servindo de contato entre os enrolamentos de armadura e a fonte externa. Escova Comutador ou coletor Induzido ou armadura CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP MOTOR C.C – CONJUGADO ELETROMAGNÉTICO Seja o esquema de um motor CC com campo produzido por imãs (ou bobinas de campo): A corrente que passa no enrolamento do induzido (armadura), produz um campo que interage com o campo do imã, produzindo assim um conjugado motor (ou torque). O sentido do torque pode ser encontrado pela “regra da mão esquerda” CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP DETERMINAÇÃO DO SENTIDO DA FORÇA SOBRE O CONDUTOR O sentido da força pode ser determinado como: REGRA DA MÃO ESQUERDA: O indicador é apontado para o sentido do campo magnético; O dedo do meio é apontado para o sentido da corrente no condutor; O polegar irá indicar então o sentido da força que tende a movimentar o condutor; força (F) campo (B) corrente (i) CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP MOTOR C.C – CONJUGADO ELETROMAGNÉTICO A força em um condutor que conduz corrente imerso em um campo magnético é dada por: Onde: 𝐵 → indução magnética [Tesla – T]; 𝑙 → Comprimento da parte do condutor sob efeito do campo magnético [metros – m]; 𝑖 → Corrente no condutor [amperes - A] Tendo a máquina Z condutores ativos*, o conjugado (torque) eletromagnético do motor será: 𝐹 = 𝐵𝑙𝑖 [N] 𝐶 = 𝑍𝐹𝑟 = 𝑍𝐵𝑙𝑖𝑟 [Nm] CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP MOTOR C.C – CONJUGADO ELETROMAGNÉTICO Escrevendo em termos da corrente total do induzido (𝐼𝑎) ao invés da corrente no condutor: A indução magnética (ou densidade de fluxo) pode ser escrita como: 𝐵 = 𝜙 𝐴 [T] Sendo 𝐴 a área da seção do percurso do fluxo, dada por: OBS.: 𝑎 é o número de percursos em paralelo da corrente no induzido 𝑖 = 𝐼𝑎 𝑎 [A] ⇒ 𝐶 = 𝑍𝐵𝑙𝐼𝑎𝑟 𝑎 [N] 𝐴 = 2𝜋𝑟𝑙 𝑁𝑝 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP MOTOR C.C – CONJUGADO ELETROMAGNÉTICO Assim, o conjugado eletromagnético do motor será: Simplificando: Onde 𝐾𝑡 é a constante de torque do motor, que depende somente das características construtivas do motor e é dada por: 𝐶 = 𝑍𝑁𝑝 2𝜋𝑎 × 𝜙𝐼𝑎 [Nm] 𝐶 = 𝐾𝑡𝜙𝐼𝑎 [Nm] Conjugado Eletromagnético 𝐾𝑡 = 𝑍𝑁𝑝 2𝜋𝑎 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP MOTOR C.C – FORÇA CONTRA-ELETROMOTRIZ Quando o motor está girando, os condutores do induzido irão cortar as linhas de força do campo magnético, produzindo assim uma força eletromotriz (FEM) contrária a tensão de alimentação do motor. Essa força eletromotriz contrária é chamada de força contra- eletromotriz (FCEM). • O sentido da FCEM pode ser encontrado aplicando-se a “regra da mão direita”. CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP SENTIDO DA F.E.M. INDUZIDA O sentido da f.e.m. induzida pode ser determinado pela REGRA DA MÃO DIREITA: Aponta-se o polegar no sentido do movimento do condutor; Aponta-se o indicador no sentido das linhas de força (linhas de indução) magnética; O dedo médio indicará o sentido da f.e.m. induzida. CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP MOTOR C.C – FORÇA CONTRA-ELETROMOTRIZ A equação para a FCEM é a mesma equação para a FEM induzia em um gerador. Quando um condutor se move de maneira a cortar as linhas de força perpendicularmente, será induzida uma FEM proporcional à variação do fluxo no condutor: Considerando que a variação e uniforme, o fluxo cortado por segundo no condutor é: 𝜙 × 𝑁𝑝 × 𝑛 60 Que será também a FEM média gerada no condutor. 𝐸𝑔 = 𝑑𝜙 𝑑𝑡 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP O número de condutores em série entre uma escova negativa e uma positiva será: 𝑍 𝑎 Assim, a tensão total gerada entre os terminais para uma carga nula (sem corrente) será a FEM induzida, dada por Os termos “constantes”, que dependem das características construtivas são 𝐾𝑔𝑛 = 𝑍𝑁𝑝 60𝑎 Onde 𝐾𝑔𝑛 é a constante de força contra-eletromotriz (ou eletromotriz) com a velocidade dada em rpm. 𝐸𝑔 = 𝑍 𝑎 𝑁𝑝𝜙 𝑛 60 [V] MOTOR C.C – FORÇA CONTRA-ELETROMOTRIZ CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP MOTOR C.C – FORÇA CONTRA-ELETROMOTRIZ A equação da FCEM do motor (ou FEM do gerador) pode ser simplificada como Nas fórmulas anteriores a velocidade 𝑛 do motor (ou gerador) foi considerada em r.p.m. (rotações por minuto). Se considerada a veloc. angular em rad/s teremos que: Note que nestas condições, 𝐾𝑡 = 𝐾𝑔 e assim: 𝐸𝑔 = 𝐾𝑔𝑛𝜙𝑛 𝐾𝑔 = 𝑍𝑁𝑝 2𝜋𝑎 𝐸𝑔 = 𝐾𝑔𝜙𝜔 FCEM de um motor C.C. CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP MOTOR C.C. Converte energia elétrica C.C em energia mecânica de rotação. Alimentando o enrolamento de armadura, a corrente de armadura produz um fluxo que interage com o fluxo de campo, fazendo o eixo girar. • Quando o eixo gira, uma força contra- eletromotriz que se opõe a tensão aplicada é gerada na armadura em virtude de seus enrolamentos cortarem as linhas de fluxo. CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP EQUAÇÃO DA CORRENTE DE ARMADURA EM REGIME PERMANENTE Seja o circuito do induzido de um motor CC: Pela lei das malhas: 𝑉𝑎 − 𝐿𝑎 𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑡 − 𝑅𝑎𝐼𝑎 − 𝐸𝑔 = 0 𝑉𝑎 Em regime permanente, quase não há variação de corrente, portando o termo 𝐿𝑎 𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑡 pode ser desprezado. Com isso: 𝑉𝑎 = 𝑅𝑎𝐼𝑎 + 𝐸𝑔 Ou 𝐼𝑎 = 𝑉𝑎 − 𝐸𝑔 𝑅𝑎 Equação da corrente CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP EQUAÇÃO DA VELOCIDADE (RP) Como em regime permanente: 𝑉𝑎 = 𝑅𝑎𝐼𝑎 + 𝐸𝑔 Vimos que a FCEM 𝐸𝑔 é dada por: 𝐸𝑔 = 𝑘𝑔𝜙𝜔 Assim:𝜔 = 𝐸𝑔 𝑘𝜙 = 𝑉𝑎 − 𝐼𝑎𝑅𝑎 𝑘𝜙 Note que: 𝑉𝑎 é constante; 𝐼𝑎𝑅𝑎 é pequeno em relação a 𝑉𝑎 (<5%) Sendo assim a velocidade 𝜔 fica inversamente proporcional a 𝜙. Ou seja: Reduzindo 𝜙 aumenta-se 𝜔. Aumentando 𝜙 reduz-se 𝜔. Equação da velocidade CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP MOTOR C.C. TIPOS DE MOTORES C.C. Motores C.C. pode ser classificados de 3 maneiras, de acordo com o modo em que seu enrolamento de campo é ligado: 1. Motor em derivação (ou Shunt) • O enrolamento de campo é ligado em paralelo com a armadura; 2. Motor série • O enrolamento de campo é ligado em série com a armadura. 3. Motor composto (ou compound, ou misto) • Existem 2 enrolamentos de campo, um ligado em série e outro em paralelo com a armadura. • Misto entre o motor shunt e o série. CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP TIPOS DE MOTORES C.C. MOTOR SHUNT Derivação (ou Shunt): A mesma tensão de armadura é aplicada ao campo. Torque: Aumenta linearmente com o aumento da corrente de armadura. Velocidade: Reduz ligeiramente à medida que a corrente de armadura aumenta (ou que a carga aumenta). CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP TIPOS DE MOTORES C.C. MOTOR SHUNT Curva característica do motor Shunt CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP TIPOS DE MOTORES C.C. MOTOR SÉRIE Série: A mesma corrente de armadura é aplicada ao campo. Torque: Aumenta com o quadrado da corrente. Velocidade: Varia de um valor alto com pequena carga até um valor baixo com carga máxima. É conveniente para uso com cargas pesadas. Para evitar danos, o motor série nunca deve ser operado a vazio (pode alcançar velocidades perigosas). CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP TIPOS DE MOTORES C.C. MOTOR SÉRIE Curva característica de um moto Série Corrente C o n ju g a d o r. p .m . CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP MOTOR C.C. TIPOS DE MOTORES C.C. Composto (Compound): Associa as características operacionais dos motores em derivação e dos motores em série. Se a voltagem de alimentação for constante, o fluxo devido à excitação shunt será constante, porém o fluxo irá aumentar um pouco com a carga devido à excitação série. Em plena carga, este motor terá um conjugado e velocidade iguais às de um motor shunt. Para cargas maiores que a plena carga, o conjugado do motor aumenta, mas a velocidade diminui (devido à excitação série); CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP MOTOR C.C. TIPOS DE MOTORES C.C. Composto (Compound): Para cargas menores a velocidade aumenta e o conjugado diminui. Ao contrário do motor série, a velocidade máxima (sem carga) do motor compound não é perigosa (pode funcionar com cargas leves). Exemplos de aplicação: Motores de britadores; Elevadores de carga; Quando se deseja as características de um motor série com uma velocidade máxima não perigosa. CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP MOTOR C.C. TIPOS DE MOTORES C.C. Excitação independente: A armadura e o campo são alimentados separadamente, uma vez que geralmente é interessante manter o fluxo constante para minimizar a corrente de armadura. A corrente de armadura é uma imagem do conjugado enquanto a força contra-eletromotriz é a imagem da velocidade. CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP MOTOR C.C. TIPOS DE MOTORES C.C. Motores com imãs permanentes: Um fluxo de campo constante é obtido por meio de imãs permanentes localizados no estator da máquina. Desempenho semelhante ao motor com excitação separada, sendo restrito a aplicações de baixa potência (até aproximadamente 5 CV) devido ao alto custo dos imãs permanentes. CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP CONTROLE DE VELOCIDADE Considerando o regime permanente: 𝜔 = 𝐸𝑔 𝑘𝜙 = 𝑉𝑎 − 𝐼𝑎𝑅𝑎 𝑘𝜙 Métodos de variação de velocidade: Variação da resistência de armadura 𝑅𝑎. • Pode-se apenas reduzir a velocidade abaixo da nominal. • Baixo rendimento energético. 𝑉𝑎 𝑉 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP CONTROLE DE VELOCIDADE Considerando o regime permanente: 𝜔 = 𝐸𝑔 𝑘𝜙 = 𝑉𝑎 − 𝐼𝑎𝑅𝑎 𝑘𝜙 Métodos de variação de velocidade: Variação do fluxo do campo 𝜙 (enfraquecimento de campo): • Simplicidade e baixo custo. • Redução do fluxo 𝜙 → aumento da velocidade 𝜔 em detrimento do conjugado. • Velocidade de resposta: lenta devido à elevada constante de tempo do enrolamento de campo, cujo numero de espiras é grande CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP CONTROLE DE VELOCIDADE Variação do fluxo do campo 𝜙 (enfraquecimento de campo): CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP CONTROLE DE VELOCIDADE (MALHA ABERTA) Métodos de variação de velocidade: Variação da tensão de armadura 𝑉𝑎. • Flexibilidade e elevado rendimento energético. • Se o fluxo ϕ for mantido constante, pode-se desenvolver o mesmo conjugado em todas velocidades atuando-se sobre 𝑉𝑎. • Velocidade de resposta: alta, devido a menor constante de tempo do enrolamento de armadura. CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP CONTROLE DE VELOCIDADE (MALHA ABERTA) Em regime permanente (para o motor shunt ou excitação independente): Região de conjugado constante: A velocidade do motor pode ser variada continuamente até a nominal atuando-se sobre a tensão de armadura 𝑉𝑎, conservando a possibilidade de desenvolver conjugado nominal sem ultrapassar a corrente nominal da máquina. CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP CONTROLE DE VELOCIDADE (MALHA ABERTA) Em regime permanente (para o motor shunt ou excitação independente): Região de potência constante: Para aumentar a velocidade do motor além da nominal, é necessário reduzir o fluxo 𝜙 , reduzindo o conjugado e mantendo a potência constante para uma dada corrente de armadura 𝐼𝑎. CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP FRENAGEM DO MOTOR C.C. Para a frenagem de um motor C.C. a energia mecânica deve ser dissipada em uma resistência elétrica ou absorvida por uma fonte de energia, implicando na operação da máquina como gerador. Métodos: Frenagem por tamponamento; Frenagem dinâmica; Frenagem regenerativa; Outros; CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP FRENAGEM DO MOTOR C.C. Frenagem por tamponamento Inversão do fluxo de campo ou inversão da tensão de armadura, e a energia é dissipada na resistência de armadura. Frenagem eficiente (rápida). Grandes perdas dentro do motor devido à elevada corrente de armadura (baixa eficiência energética). Se a reversão for mantida após a frenagem, o motor é acelerado no sentido contrário. CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP FRENAGEM DO MOTOR C.C. Frenagem dinâmica: Máquina opera como gerador, sendo a alimentação de armadura bloqueada e a energia mecânica dissipada em uma resistência externa. Poupa a máquina de maiores desgastes ao dissipar a energia externamente. Baixo rendimento energético. CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP FRENAGEM DO MOTOR C.C. Frenagem regenerativa: Máquina opera como gerador, sendo a energia devolvida para a fonte de alimentação (e>V). Alto rendimento energético. Maior complexidade e alto custo. CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP FRENAGEM DO MOTOR C.C. Outros métodos: Frenagem Mecânica: • Após o desligamento da alimentação a frenagem do motor é feita por um conjunto de sapatas que sãocomprimidas contra o eixo através de molas, sendo o alívio obtidos por eletroímãs. Eletromagnética: • Uma segunda máquina é utilizada como freio, dissipando energia através de correntes parasitas. CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP QUADRANTES DE OPERAÇÃO DO MOTOR C.C. CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP CONVERSORES PARA ACIONAMENTO DE MOTORES CC ACIONAMENTO NO 1º QUADRANTE: Chopper de 1 quadrante; Conversores unidirecionais; • Retificadores com diodo de roda livre; • Pontes retificadores híbridas; ACIONAMENTO NO 1º E 2º QUADRANTES Chopper de dois quadrantes; Pontes retificadoras totalmente controladas; ACIONAMENTO DOS 4 QUADRANTES Retificador de 2 quadrantes com contator de armadura para reversão; Retificador de 2 quadrantes com contator de campo para reversão; Retificador dual; Ponte H; CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP CONVERSORES PARA ACIONAMENTO DE MOTORES CC Retificador com contator de armadura para reversão Retificador com contator de campo para reversão CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS - DECAT/EM/UFOP CONVERSORES PARA ACIONAMENTO DE MOTORES CC Conversor CA-CC dual: Ponte H:
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