Aula - Máquinas de Corrente Contínua

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EE/TEE – Eletrotécnica – 1/2012
Eletrotécnica
Prof Eric Serge Sanches
1/2012
Universidade Federal Fluminense
Escola de Engenharia
Departamento de Engenharia Elétrica
TEE-03093
Máquinas Elétricas de Corrente Contínua
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EE/TEE – Eletrotécnica – 1/2012
Geradores e Motores Elétricos
Motor elétrico  máquina que converte energia elétrica em energia mecânica de rotação
Máquinas de lavar, secadoras de roupa, ventiladores
Gerador de energia elétrica  máquina que converte energia mecânica de rotação em energia elétrica
Hidrelétrica  queda d’água
Termelétrica  vapor
Geração de vapor  combustível para aquecimento
Eólica  vento
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Geradores e Motores de Corrente Contínua
Componentes
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Geradores e Motores de Corrente Contínua
Componentes
Armadura ou rotor
Em um motor, o circuito de armadura é responsável pela injeção de corrente elétrica de uma fonte externa, cuja potência será convertida em energia mecânica de rotação da armadura
Comutador
Elemento responsável pela conversão da corrente alternada gerada em corrente contínua
Segmentos de cobre com um par de segmentos para cada enrolamento da armadura
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Geradores e Motores de Corrente Contínua
Componentes
Escovas
Conectores de grafite fixos, montados sobre molas, permitindo que eles deslizem (escovem) sobre o comutador no eixo da armadura
Contato entre os enrolamentos da armadura e a fonte externa de corrente elétrica (motor) ou a carga elétrica na qual o gerador está conectado
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Geradores e Motores de Corrente Contínua
Componentes
Enrolamento de campo
Eletroimã responsável pelo fluxo magnético interceptado pela armadura (rotor)
Motor  corrente para o enrolamento de campo fornecida pela mesma fonte de alimentação do motor
Gerador  fonte externa responsável pela corrente do enrolamento de campo, denominada excitatriz
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Gerador de Corrente Contínua Simples
Enrolamento de armadura contendo uma única espira, cuja movimentação em um meio com fluxo magnético constante produz uma fluxo magnético variável no circuito, induzindo uma tensão nos terminais do enrolamento da armadura por meio da lei de Faraday
A conexão de uma carga (impedância) aos terminais deste enrolamento produz uma corrente na carga
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Gerador de Corrente Contínua Simples
Segmento 1 do comutador está em contato com a escova 1
Segmento 2 do comutador está em contato com a escova 2
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Gerador de Corrente Contínua Simples
Rotação de 180 no eixo da armadura 
Segmento 1 do comutador está em contato com a escova 2
Segmento 2 do comutador está em contato com a escova 1
Sentido da corrente continua o mesmo
Geração de corrente contínua pulsante
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Gerador de Corrente Contínua Simples
A inserção de mais bobinas torna a forma de onda gerada mais suave
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Gerador de Corrente Contínua Simples
Enrolamentos da armadura
Enrolamento imbricado simples
Todas as bobinas ficam conectadas em série
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Gerador de Corrente Contínua Simples
Enrolamentos da armadura
Enrolamento imbricado duplo
Dois conjuntos de bobinas conectado em série
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Gerador de Corrente Contínua Simples
Enrolamentos da armadura
Enrolamento ondulado
Extremidades de cada bobina conectadas aos segmentos do comutador com dois pólos de intervalo 
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Gerador de Corrente Contínua Simples
Excitação do campo
Gerador de excitação separada
Campo do gerador é alimentado (excitado) por uma fonte de corrente contínua externa
Gerador auto-excitado
Gerador fornece a própria fonte de excitação do campo magnético
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Gerador de Corrente Contínua Simples
Excitação do campo
Gerador shunt
Circuito de alimentação do campo magnético conectado em paralelo com o circuito da armadura
Resistência variável, responsável pela modulação da fem gerada pelo gerador
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Gerador de Corrente Contínua Simples
Excitação do campo
Gerador série
Circuito de alimentação do campo magnético conectado em série com o circuito da armadura
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Gerador de Corrente Contínua Simples
Excitação do campo
Geradores compostos
Circuito de alimentação do campo magnético combinado em série ou paralelo com o circuito da armadura
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Gerador de Corrente Contínua Simples
Circuito equivalente
Vta  tensão entre os terminais da armadura
Vg  tensão gerada na armadura
Ia  corrente da armadura
Vt  tensão no terminal do gerador
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Gerador de Corrente Contínua Simples
Circuito equivalente
ra  resistência do circuito da armadura
rs  resistência do campo-série
rf  resistência do campo-shunt
If  corrente do campo-shunt
IL  corrente fornecida pelo gerador
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Gerador de Corrente Contínua Simples
Circuito equivalente
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Gerador de Corrente Contínua Simples
Exemplo 1:
Um gerador de CC de 100[kW]/250[V] tem uma corrente de armadura de 400 [A], uma resistência de armadura (incluindo a resistência das escovas) de 0,025 [], e uma resistência de campo em série de 0,05 []. Ele é mantido em 1200 rotações por minuto [rpm] através de um motor de velocidade constante. Calcule a tensão gerada na armadura.
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Gerador de Corrente Contínua Simples
Regulação de tensão:
Rtensao  regulação de tensão do gerador
VgNL  tensão do gerador a vazio (sem carga)
VgFL  tensão do gerador a plena carga
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Gerador de Corrente Contínua Simples
Exemplo 2:
Um gerador shunt tem uma tensão de nos seus terminais igual a 120 [V] com carga máxima. Quando a carga é retirada, a tensão aumenta para 150 [V]. Qual é o percentual de regulação de tensão?
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Gerador de Corrente Contínua Simples
Perdas e eficiência
Perdas no cobre
I2R no circuito de armadura
I2R no circuito de campo-série
I2R no circuito de campo-shunt
Perdas mecânicas ou rotacionais
Perdas no ferro
Perdas por correntes parasitas (Foucault) no núcleo
Perdas por histerese
Perdas por atrito
Atrito no mancal (rolamento)
Atrito nas escovas
Atrito com o ar
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Gerador de Corrente Contínua Simples
Exemplo 3:
Um gerador shunt tem uma resistência no circuito de armadura de 0,4 [], uma resistência no circuito de campo de 60 [] e uma tensão nos terminais de 120 [V], quando está fornecendo uma corrente de carga de 30 [A]. Calcule a corrente de campo, a corrente na armadura e as perdas no cobre com a carga acima. Se as perdas rotacionais forem de 350 [W], qual será a eficiência do motor com a carga acima?
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Gerador de Corrente Contínua Simples
Exemplo 3:
A corrente de campo é dada por:
Logo, a corrente da armadura é dada por:
As perdas na armadura e no campo-shunt são dadas por:
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Gerador de Corrente Contínua Simples
Exemplo 3:
A potência consumida pela carga é dada por:
Incluindo as perdas rotacionais dadas (350 [W]), a eficiência do motor para este nível de carregamento é dada por:
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Motores de Corrente Contínua
Gerador  gerar corrente elétrica quando os condutores se deslocam através de um campo magnético
Motor  produzir um esforço (torque) para rotação do eixo em função da injeção de corrente elétricas nos terminais dos condutores
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Motores de Corrente Contínua
Sentido de rotação do eixo da armadura
Regra da mão esquerda
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Motores de Corrente Contínua
Sentido de rotação do eixo da armadura
Motor com quatro pólos
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Motores de
Corrente Contínua
Torque
O torque produzido por um motor é proporcional à intensidade do campo magnético e à corrente de armadura
T  torque [N.m]
k1  constante relacionada com as dimensões físicas do motor
  número de linhas de campo magnético que entram na armadura por pólo [Wb]
Ia  corrente no circuito da armadura [A]
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Motores de Corrente Contínua
Circuito equivalente
Vta  tensão entre os terminais da armadura
Vg  tensão contra-eletromotriz
Ia  corrente da armadura
Vt  tensão no terminal do motor
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Motores de corrente contínua
Circuito equivalente
ra  resistência do circuito da armadura
rs  resistência do campo-série
rf  resistência do campo-shunt
If  corrente do campo-shunt
IL  corrente fornecida pelo gerador
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Motores de corrente contínua
Circuito equivalente
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Motores de corrente contínua
Circuito equivalente
Pmecanica  rotação do eixo mais perdas mecânicas
Potência gerada pela armadura do motor
Especificação da potência de saída
Horse-power [HP] ou cavalo-vapor [CV]
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Motores de corrente contínua
Exemplo 4:
Calcule a tensão contra-eletromotriz de um motor CC quando a tensão nos seus terminais é de 240 [V] e a corrente na armadura igual a 50 [A]. A resistência da armadura é de 0,08 [], podendo ser desprezada a corrente de campo. Determine a potência produzida pela armadura e a potência de entrada do motor.
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Motores de corrente contínua
Exemplo 4:
Visto que a corrente de campo foi desprezada, rf =  (circuito de campo-shunt aberto) e rs = 0 (circuito de campo-série sem resistência). Logo, a tensão contra-eletromotriz é dada por:
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Motores de corrente contínua
Exemplo 4:
Assim, a potência produzida pela armadura é dada por:
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Motores de corrente contínua
Exemplo 4:
A potência de entrada entregue ao motor é dada por:
Desprezando as perdas rotacionais, a eficiência deste motor é dada por:
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Motores de corrente contínua
Velocidade do motor
Número de rotações por minuto [rpm] do eixo (armadura) do motor
Velocidade varia com a excitação do circuito de campo
Redução no fluxo magnético oriundo do circuito de campo
Aumento da velocidade
Aumento no fluxo magnético oriundo do circuito de campo
Redução da velocidade
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Motores de corrente contínua
Velocidade do motor
Controle do fluxo magnético  controle da velocidade de rotação do motor
Resistor de resistência variável responsável pelo controle da corrente do circuito de campo, e consequentemente, do fluxo magnético
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Motores de corrente contínua
Velocidade do motor
Regulação de velocidade
f0  velocidade de rotação do motor a vazio (sem carga)
f100%  velocidade de rotação do motor a plena carga (carga máxima)
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Motores de corrente contínua
Tipos de motores
Motor shunt
Circuito de campo em paralelo com o circuito de armadura
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Motores de corrente contínua
Tipos de motores
Motor shunt
Tipo mais comum de motor de CC
Corrente de partida limitada entre 125 e 200 % da corrente em carga máxima
Velocidade praticamente constante
Abertura do circuito de campo com o motor a vazio
Redução abrupta do campo magnético
Aumento descontrolado da velocidade do motor
Queima do motor
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Motores de corrente contínua
Tipos de motores
Motor série
Circuito de campo em série com o circuito de armadura
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Motores de corrente contínua
Tipos de motores
Motor série
Velocidade varia de um valor alto a vazio até um valor baixo a plena carga
Pequeno torque a vazio e torque elevado a plena carga
Plena carga  torque elevado e baixa rotação
Exemplo: guindastes
Motor série a vazio
Velocidade descontrolada
Queima do motor
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Motores de corrente contínua
Tipos de motores
Motores compostos
Características série e shunt
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Motores de corrente contínua
Exemplo 5: Um motor CC shunt numa linha de 240 [V] tem uma corrente de armadura de 75 [A]. Se a resistência do circuito de campo for de 100 [], qual será a corrente de campo, na linha e a potência de entrada do motor?
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Motores de corrente contínua
Requisitos de partida
Tanto o motor quanto as linhas devem estar protegidos contra a elevada corrente de partida
Limitação da corrente de partida  inserção de uma resistência externa em série com o circuito de armadura
O torque na partida do motor deve ser o maior possível para fazer o motor atingir sua velocidade máxima no menor tempo possível
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Motores de corrente contínua
Requisitos de partida
Tanto o motor quanto as linhas devem estar protegidos contra a elevada corrente de partida
Limitação da corrente de partida  inserção de uma resistência externa em série com o circuito de armadura
IS  Corrente de partida desejada
RS  resistência externa de partida
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Motores de corrente contínua
Exemplo 6: Um motor CC shunt de 10 [hp] com uma resistência de armadura de 0,5 [] está conectado diretamente a uma linha de alimentação de 220 [V]. Desprezando a corrente de campo, qual será a corrente de partida se a resistência de armadura for mantida? Se a corrente de armadura para carga máxima for de 40 [A] e desejamos limitar a corrente de partida a 150% desse valor, determine a resistência de partida que deve ser colocada em série com o circuito de armadura. 
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Motores de corrente contínua
Exemplo 6:
No momento da partida, nenhuma força contra-eletromotriz é gerada. Portanto, o único fator que limita a corrente que está sendo drenada da rede de alimentação é a resistência do circuito de armadura
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Motores de corrente contínua
Exemplo 6:
Antes da inserção da resistência do circuito de partida, a corrente de partida é dada por:
A corrente em carga máxima é igual a 40 [A]. Logo, a corrente de partida nesta situação seria igual a 1100 [%] da corrente a carga máxima. Sem o circuito de partida, o custo do circuito de alimentação deste motor será elevado, visto que todo o circuito deverá ser dimensionado pela corrente máxima igual a 440 [A], solicitada somente na partida.
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Motores de corrente contínua
Exemplo 6:
Além disso, alguns componentes do motor, tais como escovas, comutador e enrolamentos, poderiam ser danificados em função desse elevado valor de corrente
Assim, para limitação da corrente em 150% do valor a carga máxima, deve ser inserida uma resistência RS dada por:
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