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CAT169 - Parte 06.1 - Motores de Corrente Contínua

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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.
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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.
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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
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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)
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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]
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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
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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
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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”.
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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.
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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
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 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.
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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.
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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
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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
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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.
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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).
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TIPOS DE MOTORES C.C.
MOTOR SHUNT
Curva característica do motor Shunt
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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).
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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
.
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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);
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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CONTROLE DE VELOCIDADE
 Variação do fluxo do campo 𝜙
(enfraquecimento de campo):
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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.
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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.
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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;
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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.
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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.
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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.
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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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