AULA 3 PRINCÍPIOS DE MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA

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Conversão de Eletromecânica de Energia II
Máquinas de Corrente Contínua
Máquinas de Corrente Contínua
• As máquinas de corrente contínua
podem ser utilizadas tanto como motor
quanto como gerador. Porém, uma vez
que as fontes retificadoras de potência
podem gerar tensão contínua de
maneira controlada a partir da rede
alternada, pode-se considerar que,
atualmente, a operação como gerador
fica limitada aos instantes de frenagem
e reversão de um motor.
Componentes
• O motor de corrente contínua é composto 
de duas estruturas magnéticas:
• · Estator (enrolamento de campo ou ímã 
permanente);
• · Rotor (enrolamento de armadura).
Partes Constituintes – Estator
• Enrolamento auxiliar de campo:
igualmente alojado sobre o pólo principal.
À semelhança do enrolamento de
compensação, tem por função compensar
a reação da armadura reforçando o
campo principal;
• Pólos de Comutação: são alojados na 
região entre os pólos e constituídos por 
um conjunto de chapas laminadas 
justapostas;
Partes Constituintes – Estator
• Enrolamentos de Comutação: são
percorridos pela corrente de armadura,
sendo ligados em série com este. Têm por
função facilitar a comutação e evitar o
aparecimento de centelhamento no
comutador;
Partes Constituintes – Rotor
• Comutador: é constituído de lâminas de
cobre (lamelas) isoladas umas das outras
por meio de lâminas de mica (material
isolante). Tem por função transformar a
tensão alternada induzida numa tensão
contínua;
• Eixo: é o elemento que transmite a
potência mecânica desenvolvida pelo
motor a uma carga a ele acoplada.
Partes Constituintes – Rotor
• Núcleo Magnético: é constituído de um
pacote de chapas de aço magnético
laminadas, com ranhuras axiais para
alojar o enrolamento da armadura;
• Enrolamento da Armadura: é composto de
um grande número de espiras em série
ligadas ao comutador. O giro da armadura
faz com que seja induzida uma tensão
neste enrolamento;
Estator
• O estator é composto de uma estrutura
ferromagnética com pólos salientes aos
quais são enroladas as bobinas que
formam o campo, ou de um ímã
permanente.
Rotor
• O rotor é um eletroímã constituído de um
núcleo de ferro com enrolamentos em sua
superfície que são alimentados por um
sistema mecânico de comutação
Rotor
• Esse sistema é formado por um
comutador, solidário ao eixo do rotor, que
possui uma superfície cilíndrica com
diversas lâminas às quais são conectados
os enrolamentos do rotor; e por escovas
fixas, que exercem pressão sobre o
comutador e que são ligadas aos
terminais de alimentação.
Funcionamento do motor CC de 
dois pólos.
Principio de Funcionamento
Modelo do circuito elétrico do 
motor CC
Modelo do circuito elétrico do 
motor CC
• A Lei de Kirchhoff aplicada ao circuito de 
armadura resulta em:
Modelo do circuito elétrico do 
motor CC
• Ua = Tensão de armadura
• Ra = Resistência da armadura
• Ia = Corrente de armadura
• E = Força Eletromotriz induzida ou Força 
Contra-Eletromotriz da armadura
Modelo do circuito elétrico do 
motor CC
• Pela Lei da Indução de Faraday, a força
eletromotriz induzida é proporcional ao
fluxo e à rotação, ou seja:
Modelo do circuito elétrico do 
motor CC
• n = velocidade de rotação
• k1 = constante que depende do tamanho
do rotor, do número de pólos do rotor, e
como essas pólos são interconectados.
• φ = fluxo no entreferro
Modelo do circuito elétrico do 
motor CC
• Admitindo-se que a queda de tensão na 
armadura é pequena
Modelo do circuito elétrico do 
motor CC
• Portanto, a velocidade é diretamente
proporcional à tensão de armadura, e
inversamente proporcional ao fluxo no
entreferro.
Modelo do circuito elétrico do 
motor CC
• O controle da velocidade, até a velocidade
nominal1, é feito através da variação da
tensão de armadura do motor, mantendo-
se o fluxo constante.
• Velocidades superiores à nominal podem
ser conseguidas pela diminuição do fluxo,
mantendo-se a tensão de armadura
constante.
Modelo do circuito elétrico do 
motor CC
• Sabendo que o fluxo é proporcional à 
corrente de campo, ou seja:
• k2 = constante.
• If = corrente de campo
Modelo do circuito elétrico do 
motor CC
• O conjugado do motor é dado por:
• C = conjugado eletromagnético do motor
• k3 = constante
Modelo do circuito elétrico do motor CC
• Como dito anteriormente, o controle de
velocidade, até à rotação nominal é
feito através da variação da tensão da
armadura, mantendo-se o fluxo
constante. Dessa forma a corrente de
armadura se eleva transitoriamente, de
forma apreciável, de modo a produzir o
conjugado total requerido pela carga,
mais o conjugado necessário para a
aceleração.
Modelo do circuito elétrico do motor CC
• Se o conjugado requerido pela carga for
constante, o motor tenderá a supri-lo,
sempre absorvendo uma corrente de
armadura também praticamente constante.
Somente durante as acelerações
provocadas pelo aumento da tensão, que
transitoriamente a corrente se eleva para
provocar a aceleração da máquina,
retornando após isso, ao seu valor original.
Modelo do circuito elétrico do 
motor CC
Modelo do circuito elétrico do 
motor CC
• Portanto, em regime, o motor CC opera a
corrente de armadura essencialmente
constante também. O nível dessa corrente
é determinado pela carga no eixo
Modelo do circuito elétrico do 
motor CC
• Assim, no modo de variação pela tensão
de armadura, até a rotação nominal, o
motor tem a disponibilidade de acionar a
carga exercendo um torque constante em
qualquer rotação de regime estabelecida,
como mostra a figura 6, que representa as
curvas características dos motores CC.
Modelo do circuito elétrico do 
motor CC
• O controle da velocidade após a rotação
nominal é feito variando-se o fluxo e
mantendo a tensão de armadura
constante e, por isso, chama-se zona de
enfraquecimento de campo.
Tipo de Excitação Série
Tipo de Excitação Série
• Bobinas de campo estão em série com o
enrolamento da armadura
• Só há fluxo no entreferro da máquina
quando a corrente da armadura for
diferente de zero (máquina carregada)
• Conjugado é função quadrática da
corrente, uma vez que o fluxo é
praticamente proporcional à corrente de
armadura
Tipo de Excitação Série
• Conjugado elevado em baixa rotação
• Potência constante
• Velocidade extremamente elevada
quando o motor é descarregado, por isso
não se recomenda utilizar transmissões
por meio de polias e correias
Tipo de Excitação Paralelo
Tipo de Excitação Paralelo
• Velocidade praticamente constante
• Velocidade ajustável por variação da
tensão de armadura
Tipo de Excitação Independente
Tipo de Excitação Independente
• Motor excitado externamente pelo circuito
de campo
• Velocidade praticamente constante
• Velocidade ajustável por variação da
tensão de armadura e também por
enfraquecimento de campo
Tipo de Excitação Independente
• São os motores mais aplicados com
conversores CA/CC na indústria
• Aplicações mais comuns: máquinas de
papel, laminadores, extrusoras, fornos de
cimento, etc.
Tipo de Excitação Independente
• Enrolamento de campo independente
• Apresenta um fluxo mínimo mesmo com 
o
• motor em vazio.
Vantagens
• · Ciclo contínuo mesmo em baixas
rotações
• · Alto torque na partida e em baixas
rotações
• · Ampla variação de velocidade
• · Facilidade em controlar a velocidade
• · Os conversores CA/CC requerem menos
espaço
Vantagens
• · Confiabilidade
• · Flexibilidade(vários tipos de excitação)
• ·Relativa simplicidade dos modernos
conversores CA/CC
Desvantagens
• Os motores de corrente contínua são
maiores e mais caros que os motores de
• indução, para uma mesma potência
• · Maior necessidade de manutenção
(devido aos comutadores)
• · Arcos e faíscas devido à comutação de
corrente por elemento mecânico (não
pode ser aplicado em ambientes
perigosos)
Desvantagens
• · Tensão entre lâminas não pode exceder
20V, ou seja, não podem ser
• alimentados com tensão superior a 900V,
enquanto que motores de corrente
• alternada podem ter milhares de volts
aplicados aos seus terminais.
• · Necessidade de medidas especiais de
partida, mesmo em máquinas pequenas.
Efeito da Fmm da armadura
Quando a corrente de armadura é zero a corrente de campo estabelece o
fluxo resultante na máquina.
Efeito da Fmm da armadura
Quando uma corrente circula pelo enrolamento de armadura, a distribuição
original de fluxo na máquina é alterada. O fluxo produzido pela armadura se
opõe ao fluxo produzido pelo enrolamento de campo em uma metade de
pólo e se soma ao fluxo produzido pelo enrolamento de campo na outra
metade deste mesmo pólo.
Conversão de Energia I
Efeito da Fmm da armadura
O fluxo produzido pela armadura se opõe ao fluxo produzido pelo
enrolamento de campo em uma metade de pólo e se soma ao fluxo
produzido pelo enrolamento de campo na outra metade deste mesmo pólo.
Efeito da Fmm da armadura
A densidade de fluxo
resultante é a soma do fluxo
gerado pelo enrolamento de
campo e o produzido pelo
enrolamento de armadura.
Efeito da Fmm da armadura
A soma dos fluxos não é
linear devido ao efeito de
saturação do material
ferromagnético. O valor
máximo de densidade de
fluxo é atenuado pela
saturação do material
magnético.
Efeito da Fmm da armadura
Dessa forma a comutação entre as espiras não ocorre sob tensão nula, o
que pode vir a danificar o gerador ou motor.
A reação da armadura provoca um deslocamento do ponto de fluxo zero,
além de distorcer a forma de onda do fluxo no entreferro.
Comutação
Como ambas a Fmm de armadura e a tensão de reatância são
proporcionais à corrente de armadura, o enrolamento de comutação
(interpolo) deve ser conectado em série com o enrolamento de armadura.
Comutação
Uma onda de fluxo muito distorcida pode induzir numa bobina tensões
elevadas devido a rápida variação do fluxo distorcido. A tensão na bobina
pode se tornar suficientemente elevada para romper o ar entre as lâminas
vizinhas do comutador, resultado em um arco elétrico entre elas.
Devido a presença do plasma que conduz a corrente de armadura do
comutador até as escovas, a tensão de ruptura não é elevada porque o ar
próximo ao comutador está em condições favoráveis a ruptura. A máxima
tensão permitida entre as lâminas é da ordem de 30 a 40 [V].
Comutação
Essa elevada distorção no fluxo ocorre com máquinas funcionando com
sobrecarga elevadas, cargas rapidamente variáveis ou campo principal
fraco.
Um arco entre as lâminas pode se espalhar rapidamente por todo
comutador e, além de seus possíveis efeitos destrutivos sobre o comutador,
representa um curto-circuito direto para a linha de alimentação.
Comutação
Esse efeito pode ser consideravelmente abrandado pela compensação ou
neutralização da Fmm de armadura debaixo das faces polares. Tal
compensação pode ser conseguida por meio de um enrolamento de
compensação ou de face polar alojado em ranhuras presentes na face do
pólo e com uma face oposta à do enrolamento de armadura vizinho.
Comutação
O enrolamento de campo de compensação também deve conduzir a
corrente de armadura, visto que a reação de armadura aumenta com a
carga (corrente de armadura).
Comutação
Dispositivos presentes para melhorar a comutação e evitar sobre tensão na
bobina.
Operação das máquinas CC
Tensão terminal do gerador em 
função da corrente de carga
Variação da tensão terminal do gerador em função da corrente de carga.
Gerador com excitação 
independente
Exercício 1 
a) Negligenciando a reação de armadura. Determine a tensão terminal
para corrente nominal; (Vt = 88 [V])
b) Considerando que a reação de armadura para carga nominal é
equivalente 0,06 ampères da corrente de campo.
b.1) Determine a tensão terminal quando operando com corrente
nominal; (Vt = 86 [V])
b.2) Determine a corrente de campo requerida para produzir uma tensão
terminal de 100 [V], quando operando com corrente nominal.
(If = 1,46 [A])
Obs. Considerar condições nominais aplicadas a armadura.
Um gerador CC em condições nominais fornece uma corrente de armadura
de 120 [A] quando operando em 1000 [rpm]. Esse gerador tem uma
resistência de armadura Ra=0,1[Ω], a resistência do enrolamento de campo
Rfw=80 [Ω], e Nf = 1200 espiras por pólo. A corrente de campo nominal é 1
[A]. As características de magnetização para 1000 [rpm] é apresentada
abaixo. A máquina está operando com excitação de campo independente,
sendo a velocidade de rotação do gerador CC de 1000 [rpm].
Exercício 1 
Bibliografia
FITZGERALD, A. E., KINGSLEY Jr. C. E UMANS, S. D. Máquinas Elétricas:
com Introdução à Eletrônica De Potência. 6ª Edição, Bookman, 2006.
Capítulo 7 – Máquinas CC
KOSOW, I. Máquinas Elétricas e Transformadores. 
Editora Globo. 1986.
Capítulo 3 – Relação de Tensão nas Máquinas CC –
Geradores CC
TORO, V. Del, MARTINS, O. A. Fundamentos de Máquinas
Elétricas. LTC, 1999. 
Capítulo 7 – Geradores de Corrente Contínua;
Bim, Edson. Máquinas Elétricas e Acionamento. 
Editora Elsevier, 2009.
Capítulo 7 – Regime permanente de máquinas de 
corrente contínua